在产品设计中,概念设计通常被认为是将用户需求或预想的功能转化为可行原理解的过程^[1].概念设计在很大程度上决定了产品的功能、成本、创新性^[2].由于概念设计研究在国内外得到了很大重视,也产生了一批有价值的研究成果,例如基于FBS(功能-行为-结构)的功能设计模型^[3]、基于设计目录的原理解方案^[4]等.

计算机辅助概念设计是概念设计研究中的一大热点.为了实现计算机辅助概念设计,必须对功能进行规范化的表示^[5].目前,功能表示主要有2种形式.一种是“输入/输出流(Input/Output Flow)”表示法,另一种是“动词-名词对(Verb-Noun Pair)”表示法^[6].“输入/输出流”表示法以Pahl和Beitz^[1]对功能的定义为基础,通过输入/输出流的变化来表示系统输入流和输出流之间的变化.例如,发电机的功能可以表示为:{输入:电能,输出:机械能}.这种表示法虽然没有明确指明功能作用,但实际上蕴含着功能作用“转化”.需要指出,许多功能难以用输入/输出流表示法表达.例如,杯子的功能,就很难准确定义其输入/输出流,因此难以被一般设计员接受.“动名-名词对”表示法是采用动词和对象(名词)的组合来描述“做-什么”,其中动词表示功能作用,对象表示作用的承受者(作用的客体),主体则默认为是待设计的产品或系统.例如,电风扇的功能可以表示为“吹动空气”.这种表示法更接近自然语言,因而容易被一般设计员接受.但是,计算机在自然语言理解上存在困难,所以计算机辅助概念设计系统常常难以识别和处理其中包含的功能信息.本文的研究主要面向一般的设计员,因此以“动词-名词对”表示法作为研究工作的基础.

为解决计算机在功能信息处理上的困难,国际上开展了关于功能作用规范化的研究.例如,Hirtz，Stone，Wood等人^{[7, 8]}在功能术语研究的基础上,提出了“功能库(Functional Basis)”的概念,将功能作用分为3个层级,第1层级包含分支、引导、连接、控制、转化等8个类型,每个类型下又包含若干个子类型,并据此建立了“功能作用库”.但是,这种功能作用的分类依然模糊.例如,“转化”类功能作用,并不能指明是同一功能对象不同属性的转化还是不同功能对象种类的转化.此外,由于中英文表达存在一定差异性,他们创建的功能作用库并不能直接被用于计算机辅助概念设计系统中帮助国内设计员开展产品概念设计工作.

在中文词语的相似性匹配方面,国内的学者开展了一些工作.刘群等人^[9]提出了基于《知网》的词汇语义相似度算法.梅家驹等人^[10]编著了《同义词林》,哈尔滨工业大学信息检索实验室在此基础上完成了《哈工大信息检索研究室同义词词林扩展版》.但是,这类研究更多地关注日常语义而不是设计功能的本质含义,因此并不能直接应用于功能表示和原理解检索.例如,“探测”的本质中蕴含了“感知”，“探测”指探查某物(物体、辐射、信号等)是否存在,而“感知”指客观事物通过感觉器官在人脑中的直接反应,这2种设计功能本质都是通过一定手段获取相关对象的存在性信息,基本呈现了一致性.对于这样的功能作用也需要进行规范处理,建立与其功能本质含义相同或相近的功能作用的关联关系,以提高原理解检索的效率和准确性.因此,实现功能作用的规范化和功能作用间匹配关系,用规范功能作用代替自然语言表示原理解的功能,是规范化功能表示的关键点之一,也是实现高效准确检索原理解的重要保证.

为此,本文将通过收集功能作用、建立功能作用分类、建立功能作用间的对应关系并构建功能作用库等工作,最终实现功能作用的规范化和功能作用间的匹配,为功能表示的规范化和原理解的高效准确检索提供重要保证.

目前,对于功能定义的研究有诸多论述,但至今尚未形成一个完全统一的定义,功能在工程里仍是一个模糊的概念^[11].例如Pahl和Beitz^[1]认为,功能是指一个系统的输入和输出之间以完成任务为目的的总的相互关系.Gero和Kannengiesser^[12]则认为,功能是指产品的目的或用途,表明了这个产品是做什么的.而Suh^[13]认为,功能是一种与设计解无关的需求,描述了产品的功能需要.

在本研究中,功能被认为是设计员心中对某个系统外部期望环境作用的抽象,以使客观环境从不期望态(病态)向理想态转变,或者阻止客观环境恶化为不期望态(病态)^[14].例如,台灯的功能是照亮房间,实际上是改变了房间的亮度,使房间由暗变亮.此外,水杯的功能是抑制水的外流,体现了阻止客观环境恶化为不期望态的功能.在笔者过去的研究中^[15],功能概念特点主要有如下几点:

1) 功能一定涉及主体和客体.

2) 功能涉及的状态变化应该用客观的状态变量描述.

3) 功能必须使用与解无关的方式来描述,而不涉及作用方式.

4) 功能在本质上是对多个作用或行为的抽象.

根据笔者过去对功能的研究^[16],功能可分为3种主要类型,分别是对象转化型功能、过程转化型功能和对象关系转化型功能.

对象转化型(Object Transformation)功能是指能将待设计系统不符合期望的输入功能对象或输入功能对象的状态,通过转化形成符合期望的输出功能对象或使其处于理想状态的功能.这类功能更关注待设计系统输出的功能对象所处的最终态.例如,将电能转化为动能意味着能量对象的种类发生了转化.

过程转化型(Process Transformation)功能是指能改变用户感兴趣过程(不仅仅是功能对象)的功能.这类功能更关注一段过程时间内待设计系统某一过程的变化.例如,加快盐在水中的溶解速度,意味着盐在溶解过程中,盐的溶解速度这一属性的值在不断增加.

对象关系转化型(Object Relation Transformation)功能是指能改变对象间关系的功能.这类功能更关注待设计系统输出功能对象间的关系是否符合期望.例如,精炼食盐意味着将食盐从混合物中分离出来,形成了分离关系.

作用(Action) 是一个事物通过特定的方式直接改变另一事物,使得两者中任意状态变量发生变化^[14],体现了人或事物的一种动态变化,一般出现在作用主体后面,通常用动词或动词短语来描述.根据动词后是否带宾语,动词可以分为及物动词和不及物动词,由于功能作用涉及功能对象的变化,因此功能作用显然应该是及物动词.在产品设计中,功能作用(Functional Action)是指能体现待设计系统的功能特征并表示功能对象变化的及物动词.

中文语法中,词汇不仅存在多词性的现象,还存在多义词、近义词等现象.为了实现功能作用的规范化,本研究以《现代汉语词典》^[17]中的解释和定义为标准,开展功能作用收集的相关工作.第1步,摘录了动词词性的功能作用，例如,“切割”、“测量”、“压缩”、“转动”、“搬运”、“加热”、“吹动”、“阻拦”、“装配”、“分离”等.第2步,剔除不及物动词，例如,“走”、“飞”、“跑”、“来”等.第3步,剔除词意上不能被用于产品功能描述的功能作用，例如,“治理”、“收拾”、“整理”、“采纳”等,形成了初步的功能作用清单.第4步,把含义相近的功能作用归纳为一组，例如,将“测定”、“测量”、“测算”、“测绘”、“测探”等含义相近的功能作用归纳为一组.第5步,综合考虑功能表示准确性、含义和使用频率等,在每组功能作用中选择一个功能作用作为主功能作用，例如,在“测定、测量、测算、测绘、测探”功能作用组中选择“测量”作为主功能作用.第6步,将同组的其他功能作用作为主功能作用的类似作用,根据含义近义度由高到低的顺序依次排列.第7步,规范处理.部分功能作用表面上和主功能作用看似没有联系,但是功能本质却是相似的.例如,前文分析的“感知”就和“测定、测量、测算、测绘、测探”功能作用组具有相似的功能本质.对于这样的功能作用,定义其为主功能作用的关联功能作用,形成和主功能作用的配对关系.这种经过规范处理后的功能作用组不仅增加了功能作用组的丰富度,还从本质上提高了功能表示的准确性,为准确高效地实现原理解检索提供了保证.

通过对功能作用的收集和规范处理,最终形成了136组(包含552个功能作用)概念设计中与功能密切相关的功能作用.尽管如此,由于词汇随着社会的发展也在不断更新,因此收集功能作用应该是一个持续性工作,以不断提高功能作用库的完整度.

在功能分类和功能作用收集与规范处理的基础上,将功能作用划分为具有3级结构的标准分类框架,其框架结构见图 1.第1层级为3种主要类型,分别是:对象转化型功能作用、过程转化型功能作用和对象关系转化型功能作用.

图 1 功能作用标准分类框架图 Fig. 1 The standard taxonomy of functional actions

图选项

对象转化型功能作用在第2层级中分为2类:对象种类转化型和对象属性转化型.对象种类转化型功能作用是指能转化一个功能对象为另一个功能对象的功能作用,在转化前后功能对象的种类发生了明显变化.例如,“测量(物体长度)”意味着尺寸信息转化为数值信息.对象属性转化型功能作用是指能转化一个功能对象的属性(或属性值)的功能作用,在转化前后功能对象的种类没有发生明显变化.例如,“移动(物体)”意味着物体的位置属性值发生了变化.第3层级中,参考Pahl和Beitz^[1]的观点,将对象种类转化型功能作用分为物料类对象种类转化型、能量类对象种类转化型和信息类对象种类转化型,将对象属性转化型功能作用分为物料类对象属性转化型、能量类对象属性转化型和信息类对象属性转化型.

过程转化型功能作用在第2层级中分为2类:过程促进型和过程抑制型.过程促进型功能作用是指能促使一个过程向理想态转化的功能作用.例如,“加速(盐溶解)”意味着促进盐溶解速度加快这一过程.抑制过程型功能作用是指能阻止一个过程向不期望态(病态)恶化的功能作用.例如,“保鲜(食物)”意味着阻止食物的腐败这一过程.第3层级中,参考Pahl和Beitz^[1]的观点,将过程促进型功能作用分为物料类过程促进型、能量类过程促进型和信息类过程促进型,将过程抑制型功能作用分为物料类过程抑制型、能量类过程抑制型和信息类过程抑制型.

对象关系转化型功能作用在第2层级中分为2类:个体间关系型和集体间关系型.个体间关系型功能作用是指能使单一输出功能对象的关系符合期望的功能作用.例如,“装配(产品)”意味着输出对象为一个产品,其中的零件形成了组合关系,并不涉及其他输出功能对象.集体间关系型功能作用是指能使多个输出功能对象的关系符合预期的功能作用.例如,“分离(盐和砂)”意味着输出对象为一堆盐和一堆砂,形成了分离关系.第3层级中,参考Pahl和Beitz^[1]的观点,将个体间关系型功能作用分为物料类个体间关系型、能量类个体间关系型和信息类个体间关系型,将集体间关系型功能作用分为物料类集体间关系型、能量类集体间关系型和信息类集体间关系型.

功能作用的标准分类框架能有效排除功能作用的歧义性,明确抽取了功能作用的本质特征,体现了功能作用的根本特点.

尽管功能作用的标准分类框架有诸多优点,但标准分类框架相对抽象,难以与具体的功能作用直接联系.例如,洗衣机的功能是“分离污物与衣服”,“分离”属于物料类集体间关系型功能作用,具体体现为:{输入:污物的位置属性值=衣服的位置属性值,输出:污物的位置属性值≠衣服的位置属性值}.因此有必要在标准分类框架的基础上对功能作用建立具体化的分类框架.为了方便读者区分标准分类框架和具体分类框架,本文将标准分类规定为“××型”,而具体分类规定为“××类”.

在物料类对象种类转化型功能作用中,一般包含物态转化中固态、液态、气态三态之间的转化,在能量类对象种类转化型功能作用中,一般包含机械能、电能、光能、化学能、热能等能量之间的转化,在信息类对象种类转化型功能作用中,一般包含长度、温度等物理信息的转化以及气味、激素等化学信息的转化.在物料类对象属性转化型功能作用中,一般包含角度、温度等状态属性的转化以及流动性、溶解性等物化特性的转化.每一层级分类之下又可包含若干个子层级,直至实现抽象知识的具体化,由于篇幅的限制,在此无法一一说明.

需要指出的是:一是具体分类框架是标准分类框架的具体化,其分类层级带有一定的主观性,当现有的具体分类框架不能满足分类要求时,可以根据实际情况增加对应级别的层级；二是根据具体情况的不同,不同的分类层级可能会包含相同的某一个(或一组)功能作用，例如,“加速”既可以视为物料类对象属性转化型中状态属性类的转化,也可以视为物料类过程促进型中状态属性类的转化，前者侧重表示的是物料的速度值加快到某一值,例如使(汽车)加速到80 km/h，而后者表示促进速度加快的过程,例如加速(盐溶于水)的过程.

在已有功能作用分类框架基础上,建立了功能作用库.第1步,通过功能作用的收集与规范处理,获取一组经过规范处理的功能作用.第2步,判断该组功能作用是否有合适的分类,如有,进行第3步,如没有,创建合适的具体分类后进行第3步.第3步,将该组功能作用的主功能作用添加至对应分类.第4步,添加与主功能作用对应的关联功能作用,并建立两者之间的对应关系.第5步,添加与主功能作用对应的功能作用类似作用并划分类似作用层级,并建立两者之间的对应关系，其中，第1层级代表高度相似,第2层级代表较相似,第3层级代表基本相似.通过重复执行上述过程完成了功能作用库的建立.例如：首先获取一组功能作用“测量、感知、测定、识别、测绘、测算、探测”；其次,判断其属于“对象转化型-对象种类转化型-信息类对象种类转化型-物理信息转化类-长度”分类层级中；再次,将主功能作用“测量”添加到该分类层级中,并建立关联功能作用“感知”与其的对应关系；最后,将“测定、识别”划为功能作用类似作用的第1层级，“测绘、测算”划为第2层级，“测探”划为第3层级,并建立与主功能作用的对应关系.

根据上文的论述,这里给出一个功能作用分类及其作用库建立的初步结果,见表 1.需要说明的是,由于篇幅的限制,该结果的具体分类框架和所包含的功能作用及其类似作用并不完整,读者可自行修订.

为了高效规范地管理功能作用,实现功能作用分类及作用库的创建,本文采用Microsoft Visual Studio 2010^[18]和Microsoft SQL Server 2008^[19]相结合的开发环境,开发了浏览器/服务器(B/S)架构的功能作用管理原型模块.功能作用管理原型模块共有3个功能子模块.第一,功能作用分类管理子模块.可以搭建功能作用标准分类框架和具体分类框架,其结果以树状列表的形式显示,并可以实现对分类条目的编辑与删除.第二,功能作用管理子模块.可以添加功能作用到对应分类,其结果以列表的形式显示,并可以实现对功能作用及其分类的编辑与删除.第三,功能作用配置子模块.可以实现对主功能作用的关联功能作用和类似功能作用的配置,其结果以列表的形式显示,并可以实现对关联功能作用和类似功能作用的编辑与删除.该模块的开发为后续原理解检索等工作的开展提供了基础,模块的典型功能子模块界面如图 2所示.

图 2 典型功能子模块界面 Fig. 2 Some typical sub-functional module interfaces

图选项

鉴于功能作用规范化在产品功能表示、原理解检索等方面的重要意义,本研究将功能分为了“对象转化型”、“过程转化型”、“对象关系转化型”三种主要类型;收集了功能作用,并对功能作用进行了规范处理;建立了功能作用的标准分类框架,并进一步提出了功能作用的具体分类框架;同时,初步建立了功能作用库.此外,为了便于功能作用的管理以及后续检索等相关工作的开展,开发了功能作用管理原型模块.

功能作用的收集及其规范化研究尚在探索阶段,本文内容只是涉及整个规范化功能表示探索过程中的一部分,对于如何规范功能对象的表示等问题尚在进一步探究中.另外,还需以规范化的功能表示为基础开展关于原理解检索的相关研究.