2.2 设计知识模型

2.2.1 传统设计知识模型

概念设计是产品生命周期的早期阶段，其核心是实现功能到结构的映射，即找到合适的结构来实现相应的功能需求。概念设计模型就是反映概念设计阶段功能与结构之间直接或间接的映射关系，是概念设计建模的基础，目前的概念设计模型有功能－结构映射模型（FS）[1]、功能－行为－结构映射模型（FBS）[2],[3]和其他扩展模型[4－10]。从知识认知角度而言，传统概念设计模型就是包含有功能－结构之间映射知识的FS模型，因此基于设计模型的概念设计实际上就是基于映射知识的概念设计，通过功能－结构之间映射关系，即可找到能实现设计功能的设计结构。但传统FS模型，还存在以下问题。

1）复杂性问题

在复杂产品设计中，由于产品需要具备的功能较多，因此功能－结构之间会形成非常复杂的映射情况。Yan等[7],[11],[12]研究了功能－结构复杂的映射关系，提出了And－OR树和And－OR图表示方法。借鉴上述方法，本书把映射关系概括为两类，即功能－结构“和”映射与功能－结构“或”映射，其映射关系如图2－1所示。在“和”映射中功能F由三个独立结构S1、S2 和S3 共同组合而实现的，即F →{S1}和{S2}和{S3}，结构S1、S2 和S3 可以是基本的结构元，也可以是由结构元组成的结构类，这与产品装配过程中零部件和装配件的概念类似；而在“或”映射中功能F 可以由三个独立结构单元S1、S2 和S3 分别实现的，即F →{S1}或{S2}或{S3}，图2－2列举了一个“或”映射关系，其中功能类“引导”可分别由A、B和C三种结构实现[13]。

由于功能－结构之间的“和”映射与“或”映射的存在，造成了基于功能－结构映射关系的结构设计的困难。

2）扩展性问题

同样在复杂产品设计中，功能－结构映射关系的复杂性也造成了产品概念设计模型的扩展性问题。在概念设计模型中，如何保证新增加功能类、结构类的独立性和不重复性，以及新功能－结构映射关系的准确性，都将面临很大的问题。对于概念设计模型而言，功能类和结构类规范定义是模型构建的基础，特别是功能术语之间不能存在重叠[14]，而模型扩建中如何确定新定义的功能术语与已有功能术语之间的独立性将是一项艰巨的任务。总之，在目前尚无概念设计模型自动生成技术情况下，概念设计模型的扩展性将会随着新元素的加入而越来越低。

3）新设计问题

由产品概念设计模型的概念可知，实现基于功能－结构映射的产品设计的前提是：存在已知可满足新设计需求的映射关系。但一旦已有的映射关系无法满足新设计需求，如设计满足新功能的产品结构，这种情况下，设计者将无法从产品概念设计模型中获得设计解。新设计问题显示了产品概念设计模型的局限性，也限制了产品概念设计模型的在设计领域中的应用。

4）设计解优化问题

设计解优化也是困扰产品概念设计模型发展的问题。理想状态下，功能类可由对应的结构类一一实现，但由功能－结构映射的复杂性可知，满足某一功能的结构组件并不唯一，图2－2中显示了在滑块结构设计中，“引导”功能可以由三种不同的结构类实现。显然，通过功能－结构映射关系，可获得一组候选设计解（candidate solutions），但如何对候选设计解进行优化，获得最优的设计解，仅仅通过产品概念设计模型是不够的[15]。

综上所述，尽管采用FB模型进行概念设计简化了概念设计过程，提高了设计效率，但由于存在上述局限性，限制了FB模型在设计领域中的应用。

2.2.2 扩展设计知识模型

由于传统功能－结构映射关系并不能完全解决传统概念设计模型局限性（如新设计问题和设计解优化问题）。因此，在传统FS知识模型基础上，本书将介绍一种新的扩展设计知识模型，即在功能层和结构层之外，引入设计需求层和结构约束层，构成设计的需求－功能－结构－约束模型（requirment-functionstructure-constrait, RFSC）, RFSC模型中各个层之间的顺序，如图2－3所示。

在概念设计过程中，人们对现有产品的功能、结构等方面进行改变或创新，生产出技术性能、经济性能俱佳和外型美观的新产品，使之适应各种约束条件和顾客的新需求[16]。因此，本书介绍的RFSC扩展模型包含有四个层次，即设计需求层、设计功能层、设计结构层和结构约束层。图2－4说明了RFSC模型的层次架构。通过设计需求层，设计者可以找到与新设计要求一致或类似的设计知识，通过设计功能层和设计结构层，获得满足设计功能的候选设计结构解。候选设计结构解通过结构约束层，在环境约束、结构共存约束、结构互斥约束等约束条件下，删除不适应新设计环境的、不符合结构装配规则的设计结构解，从而得到符合新设计要求的设计解，完成设计过程。

1）设计需求层

对于设计知识驱动下的概念设计而言，设计需求层就是设计知识的“问题”部分，通常以特征－值的方式表示。设计者通过相似度算法，计算新设计与已有设计知识的设计需求之间的相似程度，从而获得较相似的设计知识。RFSC模型引入设计需求层的目的就是为了通过删除相似度较低的设计知识，以提高后续设计知识的融合效率。

2）设计功能层

设计功能层中设计功能指的是产品的设计用途[17]。功能分解是在功能表达的基础上，依据一定的作用原理，将总功能进行逐级分解，使其得到合适的若干子功能。对于设计功能层来说。功能的分解过程处于关键地位，功能分解的好坏将直接影响到功能求解的难易程度。

功能在产品概念设计阶段扮演着非常重要的角色。功能建模在产品的概念设计阶段具有重要作用，主要体现在以下方面：① 功能建模将设计问题模块化、结构化，从而使设计问题转变为一系列容易求解的子问题；② 功能建模将设计信息在功能层次上得到抽象描述，从而使得产品的概念设计活动更注重于满足功能要求；③ 功能模型为后续的分析推理提供了基础，如设计评价、决策、修改等；④ 功能模型作为下游设计活动的重要参考模型，为面向功能的产品设计过程提供了基础[18]。

现有的功能表示方法，主要包括如下两种：

（1）动词+名词形式，这种方法也称为“to do something”的表示方法，最初应用在价值工程中。它用动词说明结构在系统中的行为，例如，Collins利用46个关键词和40个对象描述机械产品的功能，后来有一些专家、学者认为这些关键词中有些是重复的，将其减少到四个：motion, control, power/matter, enclose；同样Hirtz[19]和McAdams[20]等人利用“to make, to maintain, to control, to present和to allow”五种类型来定义机械产品的功能。Buur[21]提出的“功能－名词对”表示法：例如改变压力（change pressure）; Hansen[22]提出了“动词+名词+形容词环境的短语”的表示法；Kirschman[23]则用完整的句子表示功能。这些功能的表示都是属于自然语言（natural language）描述法，表达问题的方式比较直接，符合设计者的思维习惯，但是这种功能描述方式对产品设计来说，描述能力不够精确，缺乏统一的标准，难于推广应用。RFSC模型中采用该方法表示设计知识的功能层信息，并通过标准化的功能谓词，消除功能描述不统一问题。

（2）输入输出流变换形式（input-output flow transformations）。机械产品的功能主要是为了满足用户的基本需求，在空间和时间上实现输入输出的物质、能量、信息的转换，如图2－5所示。这种表示方法起源于德国，很快在世界范围内得到广泛的应用。Schmekel[24]提出了一种由符号功能模型组成的形式语言来描述产品的输入和输出功能；产品功能被分解成关联关系，该关系可以和标准零部件的功能实现映射。但是这种方法仅能处理标准机械零件[25]。Welch和Dixon[26],[27]采用7个参数集合表示产品的输入和输出功能流；Chakrabarti和Bligh[28],[29]用输入和输出的力、力矩、运动方向和位置等参数表示产品的功能等信息。这种方法虽然能够较为准确地刻画功能知识，但是在功能设计初期，由于可获取的设计信息具有模糊、不完整和不准确的特点，因此很难定义功能的输入和输出；同时如果过早地规定或确定功能的输入和输出，也将不能避免地限制概念设计的创新空间。

3）设计结构层

设计结构层由设计结构和组成设计结构的结构元组成。在复杂产品设计中，产品的设计功能往往需要依靠多个设计结构组合共同完成，这与产品制造过程中装配体和零部件的定义类似。在本书中，我们称设计结构所包含的结构实体为结构元。由产品的装配结构可知，结构部件由子结构部件装配而成，任何结构部件都可以不断分解，直至标准的零部件和公用件[30]。但如果把零部件和公用件作为结构元，则会增加概念设计模型复杂程度，不利于将来的重用。因此，结构元的定义是构建设计结构层的前提。我们认为结构元的定义需要考虑具体的实际情况，比如在汽车整车设计中，汽车的“前进”功能，由“动力总成”设计结构实现，其包含的结构元如图2－6所示。由图可知，发动机是“动力总成”的结构元，因为在汽车整车设计中，发动机设计并不在考虑范围之内，而仅仅是对发动机型号（如MR479QA/HP型和MR481Q/HP型）的选取问题。但在发动机的设计中，发动机就不再是结构元。所以，关于结构元的选择应视实际情况而定，一般可以参考产品制造中产品结构BOM（bill of material）表。

4）结构约束层

结构约束层中结构约束与设计结构层中结构元一一对应。结构约束包括环境约束、结构共存约束、结构互斥约束和其他自定义约束。结构约束层有两个作用：第一，约减作用，即通过约束层，可以剔除设计解中不符合新设计环境的结构元；第二，推理作用，即可实现基于规则的设计结构推理，这在实例知识融合过程中属于重要的环节。