行为-结构情景设计的未预见发现构造模型驱动产品创新

行为-结构情景设计的未预见发现构造模型驱动产品创新 行为-结构情景设计的未预见发现构造模型 驱动产品创新 42卷第12期机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 Vol-42No.12 2006年12月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGDee?2006 基于功能一行为一结构情景设计的未预见 发现构造模型驱动产品创新木 刘晓敏2檀润华一 (1.河北工业大学机械工程学院天津300130= 2.大庆石学院机械科学与工程学院大庆163318) 摘要:分析描述性设计和情景设计的两种方法.未预见发现(Unexpected~seovery,UXD)是一种驱动产品创新的 科学认知设计过程.在情景类比设计过程中,通过寻找UXD来实现产品创新设计.建立功能一行为一结构 (Function-behaviour-structure,FBS)模型和UXD分析模块,将情景设计与所建立的设计模块有机地结合在一起, 实现产品的创新.介绍情景设计与非情景设计对FBS和UXD的影响.水龙头与房门的情景类比实例,验证了情 景设计用于产品创新是行之有效的. 关键词:功能一行为一结构(】FBs)情景设计模型未预见发现t~-XO)类比创新 中图分类号:TH122 0前言 计算机的出现为人们在各个领域创新能力的培 养提供一个新的评价尺度.作为一种崭新形式的特 殊设计工具,它促进了创新设计的发展.在设计过 程中,结构设计与功能行为间的映射并不是特定的, 设计者常根据经验提出问题解决模式,并利用设计 智能体的感知作用创造出不同的有效设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . 许多设计方法的共性在于情景的假设.1997 年,CIANCEY[1】提出了情景类比设计方法及其认识 理论,认为每个人的想法和行为要适应环境.作为 一 种与设计活动自身相匹配的活动方式,情景的认 识是研究人类如何获取设计知识和技巧,并能使设 计者获得丰富的设计洞察力.类比设计目的是建立 一 种可行的假设,有效使用情景设计与获得创新原 理及结构,从现有设计中找到与相似功能或行为发 生联系.结构S(Struct哪e)___>行为B(Behaviollf卜_> 功能F(Funcfion)的设计路线并不是唯一的,即单个 功能F的获得来自于不止一个行为B,同样,相同 行为B的获取也不止一种结构S.F,B与S间的关 系是通过不同的设计描述方式来表达的.QtAN等【2J 认为类比设计就是如何获取映射关系,F和S能获 取类比提示或者提高数据检索功能.概念设计主要 针对结构设计中FBS关系模式的研究. SUWA等L3提出了未预见发现(Unexpected discovery,UXD)的概念.UXD伴随着情景的创新 ?国家自然科学基~(506755059)和河北省自然科学基Or(F2006000092)资 助项目.20060321收到初稿,20060726收到修改稿 (Situated.inventions,S-inven~ns)而发生.S.inven. tions能正确表述新设计目标.UXD与表达设计对 象之间有双向的因果关系.一方面,在设计示意图 中获取UXD;另一方面,S.inventions鼓励设计者 致力于UXD驱动产品创新的研究,并获得该领域 内UXD的研究成果. 这里对情景设计方法的可行性进行了检验.用 UXD激发并产生创新是行之有效的方法.描述了两 种设计方法及FBS模型的构建过程. 1两种设计方法表述 1.1描述性设计方法 该方法的基本假设是用符号表示法来描述规 则和模式的关联性.设计系统分类是建立在该假设 基础上,该假设所表示的物理符号系统是通过一系 列关联方式来表达符合结构.符号系统有记忆功能, 能存储和保留符号及符号结构.它有一套信息加工 过程,能形成一种有感官刺激功能的符合结构,并 促进各种不同记忆功能方式的符合结构的修改【4】. 描述性方法的基本思想是信息的存储和保持信息的 稳定.描述过程是通过感知来获取知识,并将获取 的信息分类存储在记忆中.对长久记忆功能模型来 说,描述性方法能存储描述性的信息知识.所获取 的知识信息被存储起来,并能随时查到.记忆是通 过静态存储方式保留起来.在系统有效使用期内, 记忆内容能随时改变.静态存储方式使得系统记忆 内容被赋予特定的涵义.描述性设计方法一般不适 合解决来自于不同领域的相近问题. 2006年12月刘晓敏等:基于功能一行为一结构情景设计的未预见发现构造模型 驱动产品创新 1.2情景设计方法 描述性方法和情景设计方法之间的主要区别 是描述性方法假定记忆数据与程序分离,其基本思 想是确定结构中的指数标定,匹配和组合关系.情 景设计是创造性的表示法,它与并行设计过程相适 应.情景设计方法在不同的领域均有研究,在各个 领域都能相互联系.情景设计行为主要是通过情景 框架结构及感知来获得.特殊行为和结构的选择能 产生各种不同的设计情景. 2情景类比设计 情景输入被看作是一种生成不可预知的设计 因素.GEROtS~于1990年提出常规式,创新式和创 造式等三种基本设计特征.这些特征间的区别在于 设计状态空间的变化状况.在常规和创新设计中, 状态空间将保持不变,但它具有剪除与易变性的特 点,且仅用于解决特殊设计问题.创新设计特征是 在设计过程中结构状态空间的改变.情景类比中出 现5种基本设计过程,即用于改变状态空间的设 ' 汁一出现,合并,转变,第一原理和类比. 1996年QIAN等lzJ提出类比框架机构系统.类 比设计系统模型被认为是一种将功能F改成设计描 述D(Description)的过程(F一>D).设计过程中需要 详细阐明设计结构S和行为B间的关系.在该模型 设计方案中,类比转换路径的建立是从结构到行为 再到功能(F<—B<-一S). 2.1情景类比知识的获取 关联性设计多用来解决实际问题.情景往往与 问题解决过程,结果和关联性设计等一并体现出来, 关联性设计与设计过程相互影响.获得情景设计的 方式一般有两种[63:是灵感情景的知识表示,另 一 种是详细信息要素的表示. ,实际 知识表示过程是一种基于框架的表示法 上总有一些情景不能很好地适应特殊的结构设计. 比如,与其将原木构画成建筑物或者易燃 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,还 不如说表示成家具更好.分等级的关联对象与情景 的输入有关.在建立关联树时,通常将原木看作易 燃材料.当一个人坐在原木上往往产生这样一种情 景:将原木做成家具. 设计是一种复杂的过程,设计目标会随着情景 输入的改变而改变.在设计过程中所产生的不同设 计目标应满足需求.研究表明,设计需求驱动设计 过程深入发展,各种设计对象相互交织在一起,并最终达到设计需求.通过设计对象和特定的设计目 标来求解设计问题.设计过程迫是一种情景设计过 程.行为映射的概念设计框架与所表达的设计模型 是一致的.未预见结果的发现将伴随行为映射的过 程而发生,而映射过程的目的又在于设计自身.映 射过程有助于新设计目标的发现,而新设计目标又 会引起设计发生改变. GENTNER[71于1983年提出的类比方法是依赖 于目标与源结构之间的映射关系.在经典的类比方 法中,目标与源结构在整个类比过程中保持不变. 在情景类比方法中,目标与源内容的表示随着情景 的变化而变化.类比原型设计过程的实例化是一个 从上至下的设计过程.该过程中特殊值(缺省值)的 设计变量是通过设计原型得到的【引. =f{P',G}(1) 式中G——中心目标 f——设计原型实例 P——设计原型 —_目标设计,从设计原型P中获得的目 标设计示例 —— 设计原型变量限定值的过程 依据特殊的设计原型,目标设计将设计状态空 间的界线划定为功能,行为和结构空间的并集. Drp=UUsT(2) 式中——目标设计状态空间 —— 目标设计功能空间 屏——目标设计行为空间 一 目标设计结构空间 再表示法被看作是一种实例化过程的补充.表 示法的过程与实体的附加特性密切相关.当设计目 标变得清楚时,附加特性就变得模糊.情景与非情 景类比结构映射的过程是通过UXD来实现的,设 计目标通过UXD表达出来.设计对象的FBS流程 模式构建过程保持相对稳定,该再表示过程中目标 的改变也是通过UXD来实现的.再表示法所构建 的设计目标关系见式(3)【3】 l={,D?,}(3) 式中——再表示目标 —— 再表示过程(功能) —— 目标设计,从设计原型中获得目标设. - 计示例 上)u——未预见发现 —— 可选择性设计目标 从再表示结果中发现,再表示目标.的设计 空间随着映射变化而改变,目标关系式如下 .=.t.J.U.(4) 式中Dr—设计状态空间中的目标设计 188机械工程第42卷第12期 异——功能空间中的目标设计 辟.——结构空间中的目标设计 .——行为空间中的目标设计. 再表示法拓展了研究对象的原始分级.新的设 计状态空间在原始对象中的关系表达如下 -c?(5) 寻找LrXD是一种表达某种设计属性的过程. 在目标对象中寻找LrXD,一旦找到LrXD特性,就 可用于确定更多的常规目标设计.目标设计是一种 基于设计原型的实例,它与源设计有相同的本质和 相似的分类.然而,目标设计和源设计也有明显区 别.特定的源设计将依赖于源设计再表示的结果. 再表示的全过程限制了设计目标的产生.由目标驱 动而产生的过程表示关系式如下 .={,Gd,}(6) 式中.——-i原设计再表示 —— 源设计再表示的构建过程,使所储 存的选择信息起作用 —— 第,l项源设计 —— 并行设计目标 —— 驱动功能产生目标再表示 基于目标系统的概念框架,提出了再表示法概 念.在非情景类比中,一旦选择好目标设计和源设 计,类比映射就成了类比过程的唯一选择.在寻找 LrXD过程中,目标设计和源设计角色互换,源设计 的LrXD分析成为源设计再表示的驱动力,再表示 法的类比映射得以完成,这也适用于目标设计.这 里的类比系统所指的情景输入包括目标的引入和源 的引入.驱动产品创新的UXD既可以在目标设计 中寻找,又可以在源设计中寻找.每一阶段都有独 特的情景类比.图1,4表示了系统类比结构及系统 ?? liVBS~~;}' f再表示过程I再表示过程l裹示法美比取回暑葺l再袭I示过程 ????lllI l映射I l 一 ----=i~- I(:=>数据实体(目标或i l类比评价I口运行块 图I类比系统构成概要流程 (二=]知识模块 图2u'分析模块 —一 基本数据流程线 FBS模式一情量数据流程线 FBS模式 图3再表示法模块 .数据实体(目标或源)0基本数据 图4资源回收模块 备库 各模块结构的再表示过引,该逻辑推理设计丰富 了类比设计过程. 2.2类比系统模块构成 2.2.1系统知识构成 类比系统认为是由3种数据流构成,分别是基 本数据流,情景控制流和数据供应流I9】.基本数据 流是指设计目标的表示,之所以称为基本数据流, 是因为它承载着类比系统的实际输出;情景数据流 包括情景输入的局部信息该数据流是关于设计对 2006年12月刘晓敏等:基于功能一行为一结构情景设计的未预见发现构造模型 驱动产品创新189 象与关联数据的一种映射关系,尽管该数据流有助 于设计结果的求解,但这与所构建的对象并无实际 联系.针对各种不同的知识领域,数据供应流将为 系统带来必要的数据支持.基本数据流承载着设计 数据,情景控制流包含着控制信息.系统各种模块 对设计数据所起的作用是不可忽视的.比如,将系 统模块比作是能观察物体的照相机,从某种意义上 讲,它所控制的光学滤片扭曲了不确定的视野.从 不同角度说,照相机和裸眼一样能透视出极细微的 特征. 系统利用预定义知识来处理数据.系统预定义 知识包括:设计知识,基本知识和扩展知引.设 计知识是设计对象的规范性表示,也是源设计类比 转换的来源;基本知识能推理设计的实例特性,该 推理并不一定按照规范的形式表示;扩展知识能帮 助寻找UXD的情景输入,它与设计知识相关,不 只是包括所定义的部分设计知识. 系统是一个闭链形式.扩展知识使系统知识内 涵得以扩展.该系统中要解决的问题通常是"可知 的".在问题与设计知识之间,并不存在直接的映射 关系.设计知识与再表示程序相结合,能规范性表 示,可不断扩展设计状态空间.情景通常被认为是 构建问题知识的平台.情景类比能促进设计过程的 深入发展. 2.2.2UXD分析模块 图2中UXD分析模块扮演两种角引.第一, 从当前设计中重新获得UXD;第二,分析所产生的 UXD.首先依靠系统资源来扩展知识.情景输入一 般不直接和设计知识发生联系.感知的输入可与情 景设计有机地组合,以获得UXD.系统分析使FBS 模式的转换路径得以实现. 2.2.3再表示模块 FBS模式是由再表示法模块推演而来,见图3. 在初期的FBS结构模式中,该模块适合于一种特殊 对象的描述.对象分析器被视为是设计过程的集合, 能用来检验当前所表达的对象,并提取一套新的设 计流程.对象分析器能分析所列举的流程结构形式. 该分析模块可用来检验结构形状的描述,这对设计 行为有着重要的意义.FBS模式中的结构要素可通 过对象分析器来找到某种结果特征(如"伸进"). 同时,FBS模式可用来构建对象的再表示模型【lo】. 2.2.4再表示法类比回收模块 再表示法扩展了对象的选择范围,对象的数据 被储存在系统设计知识库中.该数据库成为资源回 收过程中的一部分,见图4.设计实例建立在设计知 识基础之上,并以一种规范性的形式表达出来.依 据FBS所转换的路径来支持对象的大部分功能,这 对理解再表示法的规范性有一定的帮助.若FBS模 式同其他任何知识库中所储存的模式直接匹配在一 起,则该模式多为单一的选择.若没有直接匹配的 模式,则搜索可能的匹配模式,随后将通过对象分 析器来检验设计模式【l…. 2.2.5类比系统的阶段分析 图1中将情景类比系统构成分两个阶段,阶段 的划分是以搜索UXD为前提.在阶段I中,通过 类比转换和修改目标设计来完成设计任务.当搜索 设计目标时,UXD分析模块用来检查设计目标并满 足特定的设计需求,同时对目标设计进行分析; 阶段?的流程是对源选择表示法的设计进行分 析.若设计目标发现后,则能设计出FBS模式.UXD 分析器分析的内容是以目标l设计的FBS再表示 模式为前提,再将源l设计的结果表示出来.若在 目标和源表示法中使用相同的FBS模式,则需要将 两个领域类比映射的结构形式表达清楚.一旦找到 相似的UXD,它就能再现源设计的结果,这与 目标设计的再表示是并列进行的.UXD分析模 块是以再表示法模块为前提,也是构成FBS模式的 基础,它在目标领域与源领域同时起作用,并在此 两领域一致性的基础上完成类比映射【3】. 3设计实例分析 3.1非情景设计实例 水龙头的功能是控制液体的流动,液体过流面 积的改变是通过螺杆的旋转来改变的,其结构是由 手柄,螺杆,阀心及壳体构成.水龙头FBS流程可 用规范化方法表示.螺杆受力旋转后将阀心关闭. 螺杆的旋转使阀心产生滑动,从而改变有效的液体 过流面积.这种改变能识别两种不同的状态:完全 关闭和可变的自由过流面积.为此,通过改变设计 通道来控制过流量的大小.按照水龙头通道的FBS 流程设计规范化表示的同样方法进行门设计方案的 类比转换表示,见图5.在非情景设计中的门结构 与水龙头结构具有相容性,类比取回器是通过类比 转换的选择来实现通道的方案设计,所确定的水龙 头通道设计方案为碟形阀结构. 3.2情景设计实例 以水龙头目标设计为例,通过UXD分析器来 分析其再表示法过程.设计目标的选择大多来自设 计者的经验.水龙头与挂钩情景类比应用的发明是 基于类比的推理设计.类比推理结构需选择所匹配 的类别,其设计结构及行为映射的图解表示,见图 2006年l2月刘晓敏等:基于功能一行为一结构情景设计的未预见发现构造模型驱 动产品创新191 模型,实施设计方法,选择其他各计算模块及优选 设计目标.设计系统最关键的部分是再表示模块, 利用计算工具来实现该模块所反馈的情景信息. UXD分析模块的建立是一个极其复杂的过程.利用 系统知识及U=炷)简化成可行的设计方案来驱动产 品创新设计是未来设计发展的方向.设计对象(如桌 子,椅子,房门和水龙头等)是千差万别的,其复杂 性是易处理的,这也丰富了类比转换的路径. 通过实例设计分析发现情景的输入扮演决定 性的角色.在两种不同的情景下,设计模式的进化 方式也不同.情景的输入使设计模块起重要作用, 同时也会使目标和源设计获得令人满意的类比结 果.在非情景设计和情景推理中,尽管初始目标设 计相同,但每一实例中得到的最终结果却是不同 的【l.两者所获得的结果在某种意义上有很大的区 别.实例验证了类比转换的结果.在没弄清楚设计 目标时,由情景的输入来识别对象的特性.利用 对象的特性来改变推理过程,最终产生不同的设计 结果. 类比推理是一种科学的认知过程.研究中的情 景假设可通过类比转换来检验.如何将情景的输入 与其他类型的推理结合起来,进而寻求UXD来驱 动产品创新,是值得深入研究的重要课题. 参考文献 [1】CIANCEYWJ.Situatedcognition:onhumanknowledge andcomputerrepresentations[M].Cambridge:Cambridge UniversityPress,1997. [2】QIANL,GEROJS.Function-behaviour-structorepaths andtheirroleinanalogybased—design[J].AIEDAM,1996, l0【4):289—312. [3】SUWAM,GEROJS,PURCELLUnexpecteddiscover- iesandS-inventionofdesignrequirements:Importantve? hiclesforadesignprocess[J].DesignStudies,2000,2l(6): 539.567. [4】VERAAH,SIMONHA.Situatedaction:Asymbolic interpretation[J].CognitiveScience,1993,l7(1):7-48. [5】GEROJS.Designprototypes:Aknowledgerepresentation schemafordesign[J].AIMagazine,1990,ll(4):26?36. [6】GEROJS.Computationalmodelsofinnovativeandcrea- tivedesignprocesses[J].TechnologicalForecastingand SocialChange,2000,640):183—196. 【7】GENTNERD.Structure—mapping:Atheoreticalframework foranalogy[J].CognitiveScience,1983,7(2):155-170. [8】KULINSKIJM.Amodelofsituatedanalogyindesign[D]. Australia:UniversityofSydney,2002:2O一5O. [9】KULINSKIJM,GEROJS.Constructiverepresentation insituatedanalogyindesign[C]//Proceedingsofthe9th CAADFuturesConference,2001:507?520. [10】GEROJS,KANNENGIESSERVThesituatedfunc- tion-behaviour-structurefi'amework[J].DesignStudies, 2004,25(4):373—391. [1l】MCNEILLT,GEROJS,WARRENJ.Understanding conceptualelectronicdesignusingprotocolanalysis[J]. Researchin~gineeringDesign,1998,l0(3):129?140. [12】GEROJS,FUJIIH.Acomputationalframeworkfor conceptformationforasituateddesignagent[J].Knowl- edgc-basedSystems,2000,l3(6):361—368. PRoDUCTINNo,TIoNDRIVENBY CoNSTRUCTI,,EMoDELoF UNEXPECTEDDISCoVERIESFoR SITUATEDCoGNI1['IoNoF FUNCTIoN—BElLjIVIoUR..STRUCTURE LIUXiaomin,2TANR",lh口 (.SchoolofMechanicalEngineering,Hebei UniversityofTechnology,17anjin300130; 2.SchoolofMechanicalScienceandEngineering, DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318) Abstract:Designofthedescriptiveandthesituatedmethods al'eanalyzed.Unexpecteddiscovery)isadesignmethod ofscientificcognationwhichdrivesproductinnovation.Pro- duceinnovationdesignismadetoseekUXDinthesitu- ated-analogydesignprocess.11lefunction-behaviour—structure (FBS)modelandtheUXDanalyzingmoduleal'esetupusing thepurposivecombinationofsituated-designandsomedesign- ingInodes.whichrequiredproductinnovation.Theoutcomeof FBSandUXDisinfluencedbyasituatedandanon-situated design.Itistestifiedthesituatedanalogycaseofproductinno- vationdesignisfeasiblebetweenatapandadoor. Keywords:Function-behaviour-structure(FBS) SituateddesignModel Unexpecteddiscovery00XD)Analogy Innovation 作者简介:刘晓敏,男,1971年出生,博士研究生,副教授.主要研究 方向为产品创新设计和旋流分离技术.发表论文4o余篇. E-mail:lxmphd@yahoo.com.cn 檀润华,男,1958年出生,博士,教授,博士生导师.