1.3 产品设计模型

1.3.1 功能－结构映射模型

在产品设计过程中需要实现从功能模型到结构模型的转换，当前关于产品设计建模技术的研究基于以下两个模型：功能－结构映射（function-structure）模型和功能－行为－结构（function-behavior-structure）模型。随着研究深入，许多学者提出了以这两种模型为基础的扩展模型。

功能－结构映射模型直接完成功能到结构的映射，该方法尤其适合结构化良好的设计问题，其映射过程需要预定义的设计单元支持。由设计单元组成的知识库包括结构化领域专有的基本功能及其对应的物理结构（设计单元）。该方法的主要任务包括设计问题结构化，从库中检索适合的设计单元，重新组合这些单元产生结构列表，通过匹配和检索算法找到相应的结构。

图1-1 功能-结构模型

Pahl和Beit首先提出了反映功能－结构映射机制的系统模型（systematic model）[9]。在系统模型中，产品设计方案生成过程包括三个步骤：建立功能结构（function structure）、寻求求解原理（solution principles）、组合求解原理。为了减小设计的复杂程度，通常将较为复杂的功能分解为较为简单的子功能，将子功能进行组合就构成了反映系统总功能的功能结构。Kota和Lee[11]将设计过程视为在满足约束条件下由功能确定出结构的过程，即由功能向结构映射的过程（见图1－1）。并将产品设计技术分为功能和结构两个层次。

不同于系统模型中功能－结构单映射机制，Freeman和Newel[12]提出了功能－结构反复映射模型，即Freeman－Newel模型（简称F－N模型）。该模型通过描述方案生成过程的组成单元（可以理解为设计思维片段）以及单元之间的连接关系，进而对设计方案生成过程进行刻画。F－N模型中将结构与其上层（提供）功能和下层（所需）功能关联起来建立了结构认知模型，其含义为：结构为了提供其上层功能，需要其下层功能的实现作为支持。这反映了设计过程的局部求解活动。基于结构认知模型，F－N模型对设计过程进行了描述：根据设计问题的功能描述搜索满足功能的结构，所获结构需要下层功能作为支持以实现其上层功能。下层功能又需要由更底层的结构来提供，这些结构又产生其下层功能需求。这个过程不断重复，直到所获得的结构为产品基本构造元素。

结合功能－结构单映射和反复映射机制，Tor等[13]提出复合映射模型。其模型区分了功能、结构之间的三种关系：分解、实现和支持，并以这三种基本关系构造了四种功能推理类型，在此基础上建立了设计方案生成过程模型。

彭颖红教授团队[14]根据功能－结构映射机制在产品设计中提出了基于功能元知识（functional meta-knowledge cell）的设计知识表示方法，其框架如图1－2所示。功能元知识包括两个层，即功能层（function layer）和结构层（structural layer）。功能层中各个功能类（function class）由功能谓词表示，采用功能分解理论，通过分析功能分解矩阵，确保功能层中子功能的独立性。

图1-2 功能元知识框架

1.3.2 功能－行为－结构映射模型

功能－行为－结构映射模型通过分析和综合物理行为来实现功能到结构的映射[15]。物理结构行为通过描述完成功能的动作，从而架起了功能需求和结构方案之间的桥梁。这类模型认为功能与结构必须通过行为才能建立联系，将产品设计看作是从功能向行为再向结构映射的过程，一个功能可能对应多个行为，一个行为可以和多个结构相联系。同样，同一行为可以从多个结构中推导出[16],[17]。原理方案求解时，先确定设计需求功能，再由功能需求转化为行为，最后转化为物理结构。

图1-3 功能-行为-结构模型

Oian[18]和Gero[19],[20]最先提出了功能－行为－结构模型（见图1－3）。他们进行了较为系统的研究，并给出了一种数学模型描述此结构，研究了各映射空间之间关系，将功能、行为和结构之间的关系称为FBS通道（path），通过这个通道，给定一个功能就能发现实现这个功能的行为和结构。

文献[20]将行为作为功能集合到结构转换的手段。行为定义为两类映射：第一类将事实行为直接映射到结构，第二类将期望行为映射到功能。在设计过程中，期望行为来自对设计问题的公式化描述或规范化语言描述。事实行为来自对存在结构库存的分析。Finger和Dixon[21]使用键合图作为行为表示。物理系统表达为集中参数测量的图和通过能量流连接的理想元件，从而提供了对物理系统的动态行为方便和规范的表达。Tomiyama[22]等将行为看作功能到结构映射的本质的连接，认为定义功能独立于表示它的行为是没有意义的。他们开发了一个基于计算机的功能－行为－结构建模器来支持产品设计。针对设计问题，该建模器允许设计者交互地构建功能－行为－结构模型。并运用定性过程理论对模型进行优化、分析和评价来表示和模拟物理行为和状态。

1.3.3 扩展模型

基于功能－结构映射模型和功能－行为－结构映射模型，许多研究随后提出了扩展模型，包括功能－行为－环境－结构（function-behavior-enviroment-structure, FBES）模型[23],[24]、功能－环境－行为－结构（function-environment-behavior-structure, FEBS）模型[25],[26]、结构－行为－功能（structure-behavior-function, SBF）模型[27]、需求－功能－行为－结构（requirement-function-behavior-structure, RFBS）模型[28]、需求－原理－功能－结构－方案（requirement-principle-function-structure-proj ect, RPFSP）模型[29]。在FBES模型和FEBS模型中，作者提出不同环境下行为方式的差异将导致结构发生变化，因此在产品设计中环境因素是不可忽视的因素。同时，一些研究在产品设计阶段考虑了设计需求因素，提出了RFBS模型和RPFSP模型。在RPFSP模型中，作者提出传统的FBS模型关注的是产品设计中创新设计部分，而忽视对设计过程描述，因此RPFSP模型是描述从设计之初设计需求的提出到最终设计方案生成的整个设计过程。