功能-行為-結構(FBS)模型方法研究綜述

白仲航，張資恒，李晨輝，張新新，丁瀟穎

功能-行為-結構(FBS)模型方法研究綜述

白仲航1,2，張資恒1,2，李晨輝1,2，張新新1，丁瀟穎1

(1. 河北工業大學建筑與藝術設計學院，天津 300131；2. 河北工業大學國家技術創新方法與實施工具工程技術中心，天津 300400)

功能-行為-結構(FBS)模型通過引入行為變量(Behavior)，豐富了傳統功能-結構(FS)模型，目前已被廣泛應用于設計領域。對FBS模型的發展和應用進行綜述。首先，從FBS模型的定義、相關變量概念的提出和發展、及優化和完善等方面對FBS模型進行介紹；其次，通過對國內外相關文獻的分析，對FBS模型的研究及應用進行分類，總結現有主要研究集中于：FBS模型自身的發展、基于FBS模型的方法集成和映射機制的應用等方面；最后，提出FBS模型目前仍存在的問題，并給出研究建議，為FBS模型的研究和應用提供參考。

創新設計；創新方法；FBS模型；集成；映射

通過對設計過程的分析，國內外學者提出了不同的產品設計模型和方法，其中GERO[1]提出的FBS (function-behavior-structure)模型作為一種設計過程模型，目前已經被廣泛應用于設計領域。

FBS模型自提出后，一直被作為一個用于闡述概念設計早期過程和任務的模型，并處于不斷發展和完善的過程之中。FBS模型通過分析設計過程中3個主要變量，即功能、行為和結構，利用逐級映射將概念設計問題由抽象轉換為具體，從模糊轉換到精確，建立了設計概念與產品結構之間的映射機制。FBS模型將各層次的設計過程按照不同地推理機制進行，創新設計過程更具邏輯性和指向性，優化了產品設計的流程。

目前，國內外學者對于FBS模型已展開了廣泛地研究，本文將從FBS模型的定義、相關變量概念的提出和發展、FBS模型的優化和完善等方面對其進行介紹，并對國內外FBS模型的應用進行綜述，并給出需要思考的問題和進一步研究的方向。

1 FBS模型定義及其發展

1.1 FBS模型的初始定義

FBS模型是由GERO[1]在1990年首次提出的產品創新設計方法論?？煽醋魇窃O計人員將設定的功能轉換為能夠執行這些功能的人工制品的設計描述過程。設計人員并未直接進行這種轉換，而是采用許多中間步驟，并且人工制品的行為和結構也起到關鍵作用。

在FBS模型映射過程中，功能被轉換為可以執行該功能的預期行為。將預期行為用于結構的選擇和組合，此過程稱為合成。在合成時，結構會產生自己的實際行為，從而改變預期行為的范圍，且通過這些行為可重新設計功能。過程如圖1所示。

圖1 FBS模型過程圖

文獻[1]將FBS流程劃分了8個步驟。第一，將功能轉換為可以執行該功能的預期行為；第二，將預期行為轉化為執行該行為的結構；第三，根據結構推導出實際行為；第四，將預期行為和實際行為進行比較，判斷設計的結構方案是否可行；第五，若可行，則生成設計描述；反之，則返回之前步驟重新選擇。通過這些步驟，設計人員將人工制品的既定功能轉換為設計描述，見表1。

表1 FBS模型中的步驟

文獻[1]將設計人員用于實現以上8個步驟的知識描述稱為經驗知識，即設計人員在早期設計收集的知識。這些設計知識被整合為初始FBS模型。

FBS模型的優點在于可清楚地描述和定義設計過程所包含的8個步驟。但文獻[1]對于該模型的關鍵概念：功能、行為和結構，并未提出明確的定義。需要通過文獻[1]給出的例子來理解功能、行為和結構的含義。由于這些定義在進行詳細分析時缺乏精確性，因此需要在一定范圍內進行解釋。

GERO等[2]在1992年提出了功能、結構和行為之間的顯式推理，指出行為在設計中提供了功能和結構之間的重要聯系，并為兩者之間的推理起到橋梁的作用。同時，提出了功能、行為和結構的初始定義，見表2。

表2 FBS模型的初始定義(1992)

1.2 FBS模型定義的完善

1998年，ROSENMAN和GERO[3]提出了一組較為全面的功能、行為和結構的定義。這些定義與初始定義不完全相同，能在人工制品的功能及其目的之間進行區分，導致了模型必須包括將目的轉換為功能的步驟。還可將人工制品的目的定義為“為什么人工制品做它所做的(why the artefact does what it does)”的答案，即人工制品的目的是用其來實現用戶需求。將功能的定義修改為“人工制品行為的結果”。將行為定義為“人工制品在自然環境中表現出的行為或過程”，該定義同時適用于人工制品的預期行為和實際行為Bs。結構的定義在初始定義的基礎上通過添加“材料排列(material arrangement)”來強調定義的結構性質。

文獻[3]對模型主要概念的定義見表3，尤其是對功能的解釋，有助于更清楚地理解設計過程和子過程，如問題的提出、綜合、分析和評估等內容。

表3 文獻[3]對FBS的定義(1998)

文獻[3]認為設計是一個過程，設計人員在這個過程中將源自用戶的目的轉換為能夠實現這些目的的人工制品的設計描述。為了適應這些目的，文獻[3]調整了組成FBS模型的8個步驟的描述如圖2所示。將制定步驟擴展到，將需求目的轉化為功能，然后再轉換為產生這些功能的行為；將分析步驟相應地擴展到，在此步驟中確定了結構對應的實際行為和實際功能；添加了實現步驟，確定了由實際功能實現的實際目的；將評估步驟擴展到步驟，，，和，其中將實際目的、功能和行為與所需目的以及預期功能和行為進行比較。

圖2 文獻[3]提出的FBS模型

1.3 FBS模型目前的定義

2004年，GERO和KANNENGIESSER[4]通過引入“情境性”和“構造性記憶”概念的方式擴展了FBS模型。在新的模型中，功能、行為和結構體現在3個“世界”中：客觀世界、解釋世界和預期世界。最初連接功能、行為和結構的8個步驟通過重構產生了一組包含20個步驟的新過程，這些過程一起構成了情景FBS(SFBS)模型如圖3所示。

表4是文獻[4]目前正在使用的定義。該定義脫離了1998年文獻[3]的定義(表3)，部分內容回到了初始的定義(表2)。

圖3 情景FBS模型

表4 文獻[4]對FBS的定義(2004)

1.4 對FBS模型的批評

2005年，DORST和VERMAAS[5]對FBS 模型的發展進行了回顧。在過去十幾年中，功能、行為和結構的定義發生了變化，這些變化至少定義了3種不同版本的FBS模型。

文獻[5]認為，有一個或多個概念作為意圖思維和結構思維之間“中介”的想法是值得研究和進一步發展的。然而，文獻[4]過度簡化了對設計過程的描述，認為只有一個中介存在。至少在現實世界的設計中，所有類型的轉換都是可能的，并非嚴格遵循從功能到行為再到結構這樣簡潔的設計步驟。

2007年，VERMAAS和DORST[6]批判性地分析了文獻[4]中提出的情景FBS(SFBS)模型。SFBS模型在設計方法論中存在的2個問題：①缺乏穩定的概念框架，不確定是否要區分目的和功能的概念；②模型具有雙重地位：既是描述性模型又是規范性模型，因為功能的概念并非局限于技術領域。

文獻[6]將結構定義為構成人工制品的材料、尺寸和幾何形狀以及拓撲關系，將行為定義為人工制品物理狀態的集合，將功能定義為人工制品的物理配置。結構的定義與表1中結構的定義相似，行為的定義與表2中行為的定義相似，不同點是將行為轉變為純粹的結構概念見表5。

表5 VERMAAS提出的FBS定義(2007)

1.5 FBS模型的優化

2013年，CASCINI等[7]通過對SFBS模型的分析提出了模型存在的問題：需求識別和要求定義未被完全表示，并通過擴展SFBS模型詳細地表示需求識別和要求定義的推理，以及需求和要求與人工制品功能、行為和結構的關系。

文獻[7]認為，文獻[4]明確地提到了設計問題的要求(Requirement)，但并未考慮用戶需求(Need)和設計要求()之間的區別。盡管設計過程描述的很詳細，但設計要求()的定義過于簡單，設計過程主要是完成從設計要求()到產品功能的轉化，未考慮到設計人員在滿足需求或要求時發生的認知過程。

文獻[7]在情境FBS模型的基礎上，通過引入需求和2類新變量，對需求識別和要求定義階段進行了明確定義和建模，如圖4所示。這2個階段的引入，使得在原始FBS框架(original FBS framework)中提出的制定階段須按新的過程進行審查，新的過程取代了從外部世界的變量直接到解釋世界的F，S和B變量的過程。

圖4 CASCINI提出的FBS優化模型((a)需求識別；(b)需求定義)

優化后的模型通過將需求和要求變量引入SFBS模型，對新產品開發早期階段的任務和相關認知過程進行了表示。

2 FBS模型的研究與應用

通過對國內外相關文獻的分析，總結出FBS模型的研究主要集中在：FBS模型自身的發展、基于FBS模型的方法集成和其映射機制的應用等方面，如圖5所示。

圖5 FBS模型應用的分類(①FBS模型自身的發展，其中(a)行為層的變換，(b)框架的擴展；②基于FBS模型的方法集成；③FBS模型映射機制的應用)

2.1 FBS模型自身的發展

2.1.1 FBS模型行為層的變換

“行為”是功能-行為-結構模型與傳統功能-結構模型的主要區別。文獻[2]認為行為是聯系功能與結構的橋梁，對行為的研究一直是FBS研究的重點?，F有對行為層的研究主要是通過對行為層的變換實現對FBS模型的創新，其中變換可以分為重新劃分和增添置換。

一些研究針對特定的領域將行為層進行重新劃分為不同子行為，如DANTAN等[8]提出了一種集成人的因素的FBS框架，將行為層重新劃分為制造設備行為和人的操作行為，并對兩種行為進行建模和模擬，以了解疲勞和其他因素對系統的影響；SADEGHI等[9]構建了一個FBS和產品服務系統(product service systems)范式之間轉換的模型，將行為劃分為服務行為和產品行為，以識別和分析工作情況，提高安全性；歐靜等[10]通過運用邏輯性與時序性分析，提出了情境化FBS模型，將行為域劃分為審美、策略、意象三類，并建立了設計行為模型。

也有一些研究對行為層進行增添、置換以解決設計過程中的問題，如馮立杰等[11]在FBS框架基礎上，通過將行為層重構為機理層，并與多維技術創新地圖集成為技術創新機會識別方法；盧曼澤等[12]針對機械裝備交互行為復雜、易出錯的問題，在實際行為的基礎上，運用基元模型的事元對行為層進行變換，形成新的期望行為，映射得出設計方案；王年文和劉蘊華[13]以熵權法為基礎，將可拓學與FBS相結合，利用可拓學的增添置換對行為層進行創新，并建立了一種集成設計方法；楊鵬等[14]在進行小型機械產品再設計時，基于功能行為鏈，對行為集變型和增加新元素，實現行為層創新，并構建了基于FBS模型的可變功能再設計框架。

通過對FBS模型行為層進行重新劃分和變換可以對行為進行重新表示，針對性地解決特定領域的問題。但是行為的表示包括基于動作和基于過程兩種方式，目前的研究并未對動作和過程進行區分，后續可對行為表示進行更深層次地研究。目前對行為的研究主要集中于產品行為，而對用戶行為的研究相對較少。

2.1.2 FBS模型框架的擴展

為解決創新設計過程中遇到的新問題，向FBS模型中引入新的變量，形成特定的FBS模型。根據引入變量方式的不同，可以分為整體式圖6(a)和局部式圖6(b)所示。整體式為所引入的變量對FBS模型中每個映射環節都有影響，如EE-FBS模型引入的效應變量為各環節提供橋梁作用；局部式為引入的變量在某一個映射環節介入，如CFBSS模型通過在結構S后引入S，實現FBS融合語義學。

圖6 FBS模型擴展的分類

(1) 整體式擴展。WANG等[15]采用逆向設計思維，通過引入“約束聚合”，提出了FBS的改進模型：CFBS(約束-功能-行為-結構)，構建了基于人機界面技術的產品外觀設計思維方法；MA等[16]通過建立一種約束-功能-行為-結構(CFBS)知識表示模型實現設計知識的重用，并建立了包括設計方案產生和評估的設計知識重用集成方法；QIN等[17]通過添加“需求”和“進化”要素，提出RFBSE知識表示模型，旨在獲取設計過程中的設計知識和經驗，以實現有效的重用；曹國忠等[18]根據效應模型在確定原理解過程中的優勢，將多極效應模型與FBS模型進行集成，提出了基于擴展效應驅動的EE-FBS模型；孫利等[19]以設計知識流理論為出發點，通過將“需求”和“原理空間”納入FBS模型建立了PFWBS模型，并以此為基礎構建了產品知識動態建模方法；嚴波等[20]為使工程設計和工業設計對2個領域知識進行統一描述，將FES模型和FBS模型的優勢相結合，并在FBS框架中引入“用戶知識”，提出了一種UEFBS 設計認知模型。

(2) 局部式擴展。LI等[21]為描述概念設計階段的關鍵影響信息，提出了一種融合產品屬性(Attribute)的新的功能表達模型，即FBAS模型；ZHANG等[22]針對概念設計模型中一些變量概念存在爭論的問題，總結出一個FBPSS模型，作為參考模型，對各種流派及設計模型的定義進行評價；DENG[23]考察了環境影響在設計方案評估中的作用，通過引入“環境”變量，開發了一種 FEBS模型，其中知識通過集成對象和規則來表示，設計方案通過實現反向路徑推理過程來生成；CHRISTOPHE等[24]基于模型驅動工程概念，將FBS模型與知識模型進行集成，利用本體論和系統建模語言(SysML)將“需求”引入，建立了RFBS模型；YANNOU等[25]提出了一種UDIP過程模型，來解決將激進創新設計(radical innovation design)方法映射到FBS框架中所遇到的問題，旨在通過現有的設計理論和方法框架來增強對RID方法論的理解；文獻[26-27]通過向FBS模型框架引入“原理”變量，建立了功能-原理-行為-結構(FPBS)模型；文獻[26]將FPBS和模塊化方法相結合，開發了基于FPBS模型的機械產品模塊化設計流程；文獻[27]基于模型的知識系統運算和本體庫概念，提出了一種針對機械產品設計的FPBS本體系統；張執南和謝友柏[28]通過引入“意圖”和“效應”2個變量建立了PFESB模型，將狀態空間模型的行為預測與FBS相結合完成概念設計與狀態空間之間的映射，作為在概念設計過程預測產品所存在問題的工具；孟祥斌和孫蘇榕[29]為在概念設計過程加入對人的關注，在FBS原有框架基礎上納入“用戶”及“產品語義”2個新要素，建立了一種CFBSS模型及相關的計算機輔助設計問題解決流程；張丙辰等[30]在FBS的基礎上引入“用戶需求”和“用戶認知”，結合“認知行為特征“建立了RCFBS模型，在此基礎上提出了融合語義學的兒童玩教具語義網絡模型擴散過程。

通過“體式和局部式構建的FBS擴展模型有效地解決了創新過程中遇到的問題，但是部分擴展模型并未考慮結構到實際行為的映射以及預期行為與實際行為的對比過程。此外，如何通過擴展建立通用的FBS模型，使其適用于所有創新設計過程是未來的研究方向之一。

2.2 基于FBS模型的方法集成

集成不同創新設計方法，是設計方法學領域的發展趨勢之一。創新方法的集成不僅可以滿足創新過程中的現實需要，而且可以構建出邏輯互聯、相互協調的創新方法體系，提高創新效率。FBS模型通過集成其他的方法，不僅彌補了FBS自身存在的不足，而且構建了較為全面的方法體系，其中與用戶需求相關方法的集成是研究的重點。

2.2.1 與用戶需求相關方法集成

滿足用戶需求是產品創新設計的核心和目的。將用戶需求信息融入產品設計過程是產品滿足用戶需求的關鍵[31]。針對FBS模型在用戶需求的獲取和轉換方面存在不足，現有研究通過將FBS模型和用戶需求相關方法進行集成，實現從需求向功能的轉換。張青等[32]通過集成FBS 模型與用戶需求分析，建立了Ra-FBS模型，將用戶需求經過因子分析轉換成滿足用戶核心需求的功能；周祺等[33]利用模糊Kano模型獲取的關鍵設計要素引入情景FBS模型，形成新的設計流程；文獻[34-35]通過在FBS模型中引入了“彈性界限”的概念，利用自然交互中上下文分析的方法，對用戶需求進行分析，求得需求最優解；樊帆等[36]利用本體論，通過建立FBS知識組織模型，將包括效應和專利在內的設計知識應用于FBS設計過程，提出了包含分析模塊的AFBS知識檢索方法，使設計人員可以依據需求獲取設計知識；覃京燕等[37]通過集成CMR和FBS模型，提出了一種能夠同時解決交互設計過程中功能和內容設計的CMR+FBS設計本體論的方法模型，該模型為用戶需求的提取和分析提供了新的研究角度；文獻[38-39]通過集成QFD和FBS模型，增強了用戶需求向設計要求轉化過程中的客觀性，并形成QFD和FBS集成應用流程；秦雄等[40]利用FAST，FBS，TRIZ和FMEA 4種模型在創新設計不同階段所具有的優勢，并通過集成實現了從用戶需求的轉換到產品結構的設計。

現有研究是利用用戶需求相關方法得出需求分析結果，再與FBS模型進行集成來解決FBS模型存在的不足，但并未充分考慮需求分析結果或得出的設計要求與產品功能是否等同，因此還有進一步研究的空間。

2.2.2 與其他方法集成

根據FBS模型應用領域的不同，通過集成FBS模型與其他模型或理論，得到特定領域新的設計方法或流程，其中集成主要分為結構集成和過程集成，在此不再做區分。HAMRAZ和CLARKSON[41]利用FBS的映射機制，通過將變化預測方法(change prediction method)和FBS相集成，提出了一個用于工業評價的FBS聯動方法；ZHANG等[42]集成FBS和案例推理理論，提出了一種用于生成模塊化機器人構型的計算機輔助系統體系，利用FBS的分層映射完成設計信息的檢索，結合案例推理實現系統的數據表示；LI等[43]借助信息描述模型的層次框架，集成公理設計模型和FBS模型，提出了一個有助于產品多階段創新的概念設計模型，并分別討論了不同設計階段的創新策略；張興法等[44]通過將概念-知識(C-K)理論與FBS模型進行融合，提出了一種可變功能再設計方法，利用理論的知識空間對FBS映射過程進行指導，獲取新的設計方案；龔京忠等[45-46]將產品模塊化技術與FBS模型進行集成，利用模糊聚類算法和可拓學，提出基于功構變換的產品模塊可拓變型設計方法；趙琳等[47]針對機械系統存在的相似性問題，將FBS與經典相似性理論進行集成，提出了概念設計相似系統模型，利用模型得出的相似度數值進行設計；杜冠男等[48]通過集成TRIZ和FBS，利用二者的優勢，建立了一種新的創新設計流程，可以預測和完善進化方向并更快求得最優解；胡艷等[49]利用QFD理論、FBS模型和定制試驗設計(custom design of experiment)在概念設計階段的不同優勢，通過三者集成來彌補六西格瑪設計(design for six sigma，DFSS)存在的問題，提出了基于前3種模型的DFSS設計方法；李從東等[50]為了對變更傳播路徑進行描述，將多重網絡理論和FBS模型集成，結合改進遺傳算法(improved genetic algorithm)，構建了多目標0-1整數規劃模型；龔京忠等[51]利用QFD方法求得功構單元特征參數，基于FBS模型建立功構模塊，將特征參數與建立的功構模塊相結合，實現產品族規劃；張智博和李翔龍[52]基于專利知識庫，集成了功能分解、FBS映射求解和形態矩陣等，提出了基于Creap平臺的問題求解模塊的整體架構。

現有FBS與其他方法集成的研究主要是為解決創新過程中的問題或對創新方法不足的相互補充，缺少對構建產品完整生命周期的創新設計模型框架的考慮。此外通過構建相互協調、邏輯互通的創新設計過程模型框架來實現計算機輔助創新設計也是未來發展趨勢之一。

2.3 FBS模型映射機制的應用

分層逐級映射是FBS模型設計過程的主要內容，對FBS分層映射機制的研究已經較為廣泛。其中一些研究是按照FBS分層逐級映射的設計思路對其他設計過程進行分層研究，KANNENGIESSER和GERO[53]提出了一種定量分析和比較設計模型的方法，通過將設計模型映射到場景化的FBS框架中來實現對設計過程的模擬；FILIPPI和BARATTIN[54]將一種設計符號化交互設計集成方法(interaction design integrated method)的設計過程映射到FBS框架進行分析，通過擴展框架涵蓋人機交互(human-machine interaction)領域；殷習等[55]利用FBS框架的映射思路進行關聯性分析，建立了變更設計流程圖，并建立結構體關聯矩陣，分析總結了變更傳播規律；楊琨等[56]基于FBS 3個層次的映射關系，構建了復雜知識網絡模型，結合復雜網絡理論，提出了設計知識網絡分析方法；張偉社等[57]基于情景要素分析，利用FBS模型的映射思路進行情景描述，并構建了未來情景的未預見FBS模型；梁嘉寶等[58]將FBS應用于感性工學，利用FBS對獲取的用戶需求映射到功能、行為和結構3個層次進行建模，將得到的單元基與感性詞匯映射匹配，通過知識庫進行需求的呈現；黃晨曦等[59]利用VR技術建立支架三維模型，利用FBS 3個層次的映射關系對支架植入過程進行調整，提出了血管支架植入模型框架。

也有一些研究是將FBS的映射機制作為一種工具或方法，對創新設計中的問題或產品設計過程進行研究。BAI等[60]針對裁剪過程資源挖掘的不足，利用FBS對系統資源進行知識表征，并結合相似度計算構建了一種新的資源挖掘方法；BOKIL和RANADE[61]將FBS模型應用于平面設計中的常用工具——網格，利用FBS對視覺布局過程的知識進行了表示；LEE等[62]基于日常設備的數據，建立了設計案例的集成模型，并將FBS模型作為案例表示方法，提出了一種人工智能系統；TAMA和REIDSEMA[63]提出了一種新的產品信息識別和建模方法，利用FBS將產品信息分為初級和次級，并基于產品信息進行識別，建立了一個通用產品信息模型；LI等[64]將FBS作為橋梁，將設計特征和能耗聯系在一起，建立了一種能耗建模方法；KOH[65]利用FBS的映射機制分析了工程變更及其傳播機制，以識別支持準確預測工程變更傳播所需的建模信息；BOTT和MESMER[66]建立了一個基于建模和仿真方法的設計團隊模擬模型，利用FBS框架來評估大型軟件程序的瀑布式和敏捷式設計過程的有效性；EICHHOFF和MAASS[67]利用FBS映射機制進行了貝葉斯網絡表示，并建立了應用程序解決設計決策的不確定性；POURMOHAMADI和GERO[68]基于FBS提出了設計問題編碼方案，并開發了LINKOgrapher軟件工具，實現了對標準化分析工具包的開發；FILIPP和BARATTIN[69]提出了一種基于形式的設計方法，利用FBS模型的映射機制對方法進行描述；GUI[70]提出了一種機械系統和裝配(mechanical systems and assemblies)表示方案，將FBS作為表示方法，對機械系統中的組件等元素進行表示；QIAN和GERO[71]利用FBS框架提出一種設計知識表示，構建了基于類比的設計框架，并將其開發為使用類比的設計支持系統(design support system using analogy)；GERO和KANNENGIESSER[72]提出了基于SFBS框架的協同設計模型，用于描述設計師和協同設計師在共同設計中發生的認知過程；劉一川等[73]利用FBS對裝備進行特征分析，提出了基于FBS的新型裝備概念設計模型。

此外一些研究是利用FBS映射過程進行具體產品的設計研究，如BAQAI等[74]將FBS模型應用于可重構機床的設計，提出了一種基于FBS模型的制造上層本體集成方法；文獻[75-76]基于用戶需求分析的結果，利用FBS分層映射來描述設計任務和指導設計步驟，求得符合要求的設計方案；王超等[77]將FBS模型應用于室內在線自動布局算法的設計，完成對房間的功能、行為、結構的建模，并根據得出的約束規則來確定房間各個環節的布局。

現有關于FBS模型映射機制的研究主要是將映射機制應用于其他設計方法或過程中，缺少對于映射機制本身的改進或優化研究，如何利用計算機工具或人工智能方法對映射過程進行優化是未來的發展趨勢之一。

3 存在的問題及研究建議

3.1 存在的問題

(1) FBS模型“行為”的表達分為基于動作和過程兩種方式，目前的研究并未對這2種方式進行區分和比較，對于將行為表示為“動作”還是“過程”存在爭議。對包括用戶的操作行為、認知行為在內的用戶行為的研究較少。

(2) 在應用FBS模型的過程中，設計前端的用戶需求具有不確定性。雖然GERO和KANNEN- GIESSER[4]在2004年將要求?引入SFBS框架，但仍存在用戶需求要素獲取不足，在重要程度排序上較為模糊等問題，優化后的FBS模型并未解決需求向功能映射過程中的問題。

(3) 由于FBS模型應用領域的不同，相關定義的表述會發生變化。FBS模型中的功能、行為、結構缺乏一個標準化、結構化的表達方式，不利于設計進程的推進以及經驗知識的挖掘。

(4) 運用FBS模型進行映射、評判和篩選最優解等工作時，決策主要依靠設計人員自身的經驗，設計人員的主觀性很大程度影響了最終設計方案的質量。

(5) FBS模型映射和求解過程中所利用的設計知識是設計人員在早期設計任務中收集的關于所改良產品的知識，但對于在設計前期定義了新功能的設計，在映射求解的過程中，可能會由于產品設計知識檢索范圍的限制，影響設計方案質量。

3.2 研究建議

根據上述問題，綜合FBS模型在國內外研究及應用發展情況，提出如下建議：

(1) FBS模型的分類研究。目前的研究是從FBS創新方式的角度進行分類的，便于分析創新方式的種類，得出進一步研究的方向，對各類別未進行更詳細地細分，因此所分類別和內容仍有進一步深化的空間。此外還可以從FBS模型所應用領域的角度進行分類研究，分析FBS在各個設計領域應用的現狀，以及各領域設計方法現有問題和未來發展的趨勢。

(2) 針對行為域的研究。以公理設計為基礎，在功能域和結構域之間界定行為域，擴展FBS模型行為域相關理論，研究行為域鏈接功能域、結構域的方法，實現從包括人機交互、用戶認知在內的行為角度對產品系統地創新。同時可以研究需求域與行為域之間的關系，面向行為分析研究用戶需求，并從行為出發設計能滿足不同用戶需求的方法或算法。

(3) 基于FBS的知識推理。在創新設計過程中實現對設計知識的重用可以提高設計效率。利用FBS本體規則進行設計知識的選擇和運用，完成設計知識重用是FBS未來研究方向之一。利用FBS的本體規則進行目標產品設計知識的表示和整合，并利用資源檢索方法和計算機工具建立同類產品設計知識庫?；谝延械脑O計知識庫和FBS的本體規則，將知識推理的過程分為設計知識的獲取、組織和表示，以及設計知識如何啟發創新設計靈感。

(4) 計算機輔助FBS方法。計算機輔助創新設計是設計方法學的趨勢之一。對于FBS的研究，如何將設計者思維與機器思維相集成，通過建立同類產品的設計知識庫，利用計算機輔助FBS逐級映射過程是FBS未來的研究方向。

(5) 可計算性功構映射。在FBS逐級映射中以行為為核心，以功能和結構設計為主要內容，在F-B和B-S映射過程融合算法或可計算的設計方法，從可計算性角度建立創新設計的功能-行為-結構框架模型，并擴展功構映射求解方法，輔助或替代設計人員依靠自身經驗進行決策的過程，減少搜索解過程的隨意性，增加功構映射的可計算性，得到更優的結構設計方案。

(6) 人工智能驅動FBS方法。人工智能驅動的創新設計是設計方法學的未來趨勢之一。人工智能相關方法可以在FBS模型全過程介入，進而構建智能化FBS設計流程。如，利用人工智能輔助設計者快速定位和分析設計需求和設計目標；基于產品知識庫，融合智能化、自動化設計算法進行FBS逐級映射過程等。

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Review on research of FBS model method

BAI Zhong-hang1,2, ZHANG Zi-heng1,2, LI Chen-hui1,2, ZHANG Xin-xin1, DING Xiao-ying1

(1. School of Architecture and Art Design, Hebei University of Technology, Tianjin 300131, China;2. National Engineering Research Center for Technological Innovation Method and Tool, Hebei University of Technology, Tianjin 300400, China)

The function-behavior-structure (FBS) model has enriched the traditional function-structure (FS) model by introducing behavioral variables (Behavior), and has been widely utilized in the design field. The development and application of the FBS model were reviewed. Firstly, the FBS model was introduced from the definition of FBS model, the proposal and development of the concept of relevant variables, and the optimization and improvement of the FBS model, etc. Secondly, through the analysis of relevant domestic and foreign literature, the research and application of the FBS model were classified. The existing research was mainly concentrated on the development of the FBS model itself, the integration of methods based on the FBS model, and the application of the FBS model mapping mechanism, etc. Finally, for the future research and application of the FBS model, the existing problems of the FBS model were presented and some research suggestions were provided.

innovative design; innovative method; FBS model; integration; mapping

TH 122

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050765

A

2095-302X(2022)05-0765-11

2022-03-21；

2022-06-23

21 March，2022；

23 June，2022

國家自然科學基金項目(51575158)；河北省自然科學基金項目(E2021202079)

National Natural Science Foundation of China (51575158); Natural Science Foundation of Hebei Province (E2021202079)

白仲航(1978-)，男，教授，博士。主要研究方向為創新設計、功能設計和工業設計等。E-mail：baizhonghang@hebut.edu.cn

BAI Zhong-hang (1978-), professor, Ph.D. His main research interests cover innovative design, function design and industrial design, etc. E-mail：baizhonghang@hebut.edu.cn

張新新(1991-)，女，講師，博士。主要研究方向為感性工學、工業設計理論及方法等。E-mail：zhangxinxin@hebut.edu.cn

ZHANG Xin-xin (1991-), lecturer, Ph.D. Her main research interests cover Kansei engineering, industrial design theory and methods, etc. E-mail：zhangxinxin@hebut.edu.cn