面向概念設(shè)計(jì)的科學(xué)效應(yīng)庫研究*

唐 昊，李翔龍，陳加才(四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院四川省創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

0 引言

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心，其對(duì)設(shè)計(jì)人員約束最小，最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、智慧和創(chuàng)新能力，整個(gè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性在概念設(shè)計(jì)階段得以體現(xiàn)[1]。概念設(shè)計(jì)因其困難和復(fù)雜性需要設(shè)計(jì)者在構(gòu)思新產(chǎn)品概念時(shí)需要更多的跨學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)、更復(fù)雜的技術(shù)支撐和更完善的創(chuàng)新理論?？茖W(xué)效應(yīng)是由于某種動(dòng)因而產(chǎn)生的一種特定的科學(xué)現(xiàn)象，包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)及幾何效應(yīng)等，它們構(gòu)成了各學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)。

科學(xué)效應(yīng)庫是各學(xué)科效應(yīng)的集合，是計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，如美國Invention Machine公司的Goldfire軟件[2]以及英國Oxford Creativity公司開發(fā)的Oxfordtriz輔助創(chuàng)新網(wǎng)站[3]，國內(nèi)如文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出的科學(xué)效應(yīng)庫系統(tǒng)構(gòu)建等。上述效應(yīng)庫存在的問題是：效應(yīng)庫中功能與效應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系缺失，即功能與效應(yīng)之間沒有明確的映射關(guān)系，將效應(yīng)依據(jù)功能歸納分類完全是依靠研究人員自己的主觀思維來劃分，所以劃分的準(zhǔn)確度和完整度完全是取決于研究人員自身的知識(shí)儲(chǔ)備，這就會(huì)導(dǎo)致遺漏掉效應(yīng)的部分功能，這些不常見或隱藏的功能正是該效應(yīng)對(duì)于其他領(lǐng)域的功能應(yīng)用，而這正是多學(xué)科知識(shí)融合創(chuàng)新的關(guān)鍵。本文通過分析效應(yīng)在概念設(shè)計(jì)過程中的作用，研究了功能、效應(yīng)和行為之間的關(guān)系，建立了功能與效應(yīng)之間的映射關(guān)系，描述了科學(xué)效應(yīng)庫的構(gòu)建方法和效應(yīng)庫實(shí)例。

1 概念設(shè)計(jì)理論

1.1 概念設(shè)計(jì)過程建模

實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)首先需要建立過程模型，以描述完成概念設(shè)計(jì)所需的工作步驟。功能-行為-結(jié)構(gòu)(Function-Behaviour-Structure，F(xiàn)BS)模型是由悉尼大學(xué)Gero提出的[6]。該模型描述的是功能與結(jié)構(gòu)必須通過行為才能建立聯(lián)系，將概念設(shè)計(jì)看作是從功能向行為再向結(jié)構(gòu)映射的過程，此模型更符合人類設(shè)計(jì)的思維習(xí)慣，有利于產(chǎn)品創(chuàng)新。其中功能即該產(chǎn)品所具有的特性，是設(shè)計(jì)要達(dá)到的目的，行為是對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的客觀描述，也反應(yīng)所期望的與功能對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的特性，結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)功能的物質(zhì)實(shí)體[7]。概念設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是將產(chǎn)品的功能分解成基本的子功能，并由相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)子功能。而在FBS模型中行為則描述了完成功能所執(zhí)行的動(dòng)作，表明“結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)功能”這一關(guān)系[8]。功能建模、行為建模和結(jié)構(gòu)建模是概念設(shè)計(jì)中的三個(gè)核心過程。如圖1所示，功能設(shè)計(jì)是從需求模型中提取抽象的功能進(jìn)行分解，構(gòu)建功能元和功能結(jié)構(gòu)。行為設(shè)計(jì)是尋找實(shí)現(xiàn)該功能的科學(xué)原理和方法，構(gòu)思實(shí)現(xiàn)該功能的行為，即F-B映射。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是尋找能產(chǎn)生該行為的特定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)該功能的預(yù)期結(jié)構(gòu)，即B-S映射。各設(shè)計(jì)層將產(chǎn)生各自的集合，其共同組成該概念設(shè)計(jì)的方案集。

圖1 基于FBS的概念設(shè)計(jì)過程

1.2 科學(xué)效應(yīng)與FBS模型

在FBS模型的設(shè)計(jì)過程中，行為設(shè)計(jì)是連接功能與結(jié)構(gòu)的橋梁，是整個(gè)設(shè)計(jì)過程最核心的部分，它是完成原理創(chuàng)新的關(guān)鍵過程，行為設(shè)計(jì)對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)尤為重要，即F-B映射尤為關(guān)鍵。在基于FBS的設(shè)計(jì)中，功能表達(dá)“做什么”，是行為的目的；行為表達(dá)“如何去做”，是功能的實(shí)現(xiàn)原因[9]。即行為可理解為實(shí)現(xiàn)功能的原理。科學(xué)效應(yīng)是由于某種動(dòng)因而產(chǎn)生的一種特定的科學(xué)現(xiàn)象，包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)及幾何效應(yīng)等，它們由各種科學(xué)原理組成，是構(gòu)成各種領(lǐng)域知識(shí)的基本科學(xué)知識(shí)。因此，行為通過科學(xué)效應(yīng)得以體現(xiàn)。

依據(jù)行為與科學(xué)效應(yīng)的聯(lián)系，在FBS模型的基礎(chǔ)上，F(xiàn)E(Function-Effect)模型或FEB(Function-Effect-Behavior)模型能通過效應(yīng)完成F-B映射過程[10]。圖2為FEB模型示意圖。首先從需求模型中抽象出功能，并進(jìn)行分解，得到適用于設(shè)計(jì)中功能的通用化描述的功能基，構(gòu)建功能基結(jié)構(gòu)，并尋求相應(yīng)的科學(xué)效應(yīng)，從而提取出行為，實(shí)現(xiàn)從功能到行為的映射過程。在該模型中，實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)和行為設(shè)計(jì)能為產(chǎn)品功能尋求更新穎的行為原理解。

圖2 FEB模型

2 效應(yīng)庫的構(gòu)建原理

2.1 FE映射模型

在上述FEB模型的設(shè)計(jì)過程中，功能基到效應(yīng)的映射過程缺乏實(shí)質(zhì)的系統(tǒng)映射模型。為明確效應(yīng)與功能之間的映射關(guān)系，提出了一個(gè)功能-特征-效應(yīng)(Function-Feature-Effect，F(xiàn)EE)映射模型。圖3為功能-效應(yīng)映射模型的示意圖，該映射模型的核心思想為通過提取效應(yīng)和功能的通用特征來建立兩者之間的映射關(guān)系。效應(yīng)通過效應(yīng)分析模型和效應(yīng)特征表提取出該效應(yīng)的通用特征集，而功能特征表則是對(duì)功能(功能基)的通用特征提取集合，效應(yīng)特征集和功能特征表則通過通用特征實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)功能與效應(yīng)的映射關(guān)聯(lián)。該模型的提出完善了FE模型，效應(yīng)與功能的關(guān)聯(lián)有了系統(tǒng)的依據(jù)，基于FFE映射模型建立的科學(xué)效應(yīng)庫能為設(shè)計(jì)者在概念設(shè)計(jì)階段提供更多更全面的原理解。

圖3 FFE映射模型

2.2 效應(yīng)分析模型

科學(xué)效應(yīng)由某種動(dòng)因或原因所產(chǎn)生的一種特定的科學(xué)現(xiàn)象，是對(duì)已存在定律的總結(jié)，也就是按照定律規(guī)定的原理將輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。效應(yīng)實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)質(zhì)就是物質(zhì)、能量和信號(hào)的轉(zhuǎn)化，即從輸入流轉(zhuǎn)化到輸出流的過程。效應(yīng)分析模型就是基于此對(duì)效應(yīng)的輸入量和輸出量作出系統(tǒng)的分析。圖4是效應(yīng)分析模型示意圖。輸入量和輸出量的對(duì)象為物質(zhì)、能量和信號(hào)，這里將能量和信號(hào)合并為場(chǎng)，即輸入/輸出量由物質(zhì)和場(chǎng)來表示。通過該模型，效應(yīng)可表述為輸入物質(zhì)在輸入場(chǎng)的作用下產(chǎn)生輸出物質(zhì)和輸出場(chǎng)。對(duì)于輸出，輸出物質(zhì)和輸出場(chǎng)可細(xì)分為兩種輸出形式，即新物質(zhì)/場(chǎng)和原物質(zhì)/場(chǎng)的變化。在應(yīng)用該模型時(shí)，輸出物質(zhì)或輸出場(chǎng)至少有一個(gè)。效應(yīng)分析模型可作為所有效應(yīng)的一種通用分析模式，通過該模型可提取出效應(yīng)的輸入輸出特征。

圖4 效應(yīng)分析模型

2.3 效應(yīng)特征表

效應(yīng)特征表是根據(jù)效應(yīng)分析模型中的輸入/輸出量對(duì)象而建立的，是對(duì)物質(zhì)和場(chǎng)的類別和屬性的總結(jié)歸納，即建立一個(gè)針對(duì)物質(zhì)和場(chǎng)的通用特征表。物質(zhì)的特征表包括了物質(zhì)的類別和屬性的通用特征歸納，其中類別的劃分在物質(zhì)三相態(tài)的基礎(chǔ)上加入了等離子體/微粒和特殊物質(zhì)。圖5為物質(zhì)屬性的部分特征歸納表，物質(zhì)屬性包括有運(yùn)動(dòng)、幾何、物理、化學(xué)等屬性項(xiàng)，每一項(xiàng)中包含不同數(shù)量的屬性特征。場(chǎng)的特征表主要是對(duì)場(chǎng)類別的歸納總結(jié)，有包括機(jī)械場(chǎng)、電磁場(chǎng)、振動(dòng)場(chǎng)、熱場(chǎng)、放射場(chǎng)和嗅覺場(chǎng)等類別，場(chǎng)的變化主要為場(chǎng)的增強(qiáng)/疊加和削弱/消耗。通過效應(yīng)分析模型和效應(yīng)特征表可將效應(yīng)的特征進(jìn)行提取，如對(duì)壓電效應(yīng)進(jìn)行分析可得：輸入場(chǎng)—機(jī)械場(chǎng)；輸入物質(zhì)—壓電材料；輸出場(chǎng)(新場(chǎng))—電場(chǎng)，輸出場(chǎng)(變化)—機(jī)械場(chǎng)消耗；輸出物質(zhì)—無。據(jù)此壓電效應(yīng)可提取出兩個(gè)效應(yīng)特征，即產(chǎn)生電場(chǎng)和消耗機(jī)械場(chǎng)。

圖5 效應(yīng)物質(zhì)屬性的部分特征表

2.4 功能特征表

功能的概念貫穿了整個(gè)概念設(shè)計(jì)過程，整個(gè)概念設(shè)計(jì)過程就是圍繞如何滿足需求的產(chǎn)品功能而進(jìn)行的設(shè)計(jì)過程，所以功能的表示是支持概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。德國學(xué)者Paul和Beitz將功能定義成能量、物質(zhì)和信號(hào)的輸入輸出關(guān)系，用能量流、物質(zhì)流和信息流的轉(zhuǎn)換來表達(dá)功能，此定義很大程度上揭示了功能的本質(zhì)。然而此種表達(dá)方式對(duì)設(shè)計(jì)人員是非常不友好，通用使用動(dòng)詞+名詞的方式來表示功能，如產(chǎn)生電場(chǎng)、移動(dòng)固體等，此種表示方式直觀易懂。

為方便設(shè)計(jì)人員，功能的表示采用動(dòng)詞+名詞的方式，其中名詞包括物質(zhì)、能量和信號(hào)，將其描述標(biāo)準(zhǔn)通用化，形成功能基(表達(dá)上層所有功能的最小功能集合)。這方面有學(xué)者做了許多研究，如Hirtz等人對(duì)功能分類進(jìn)行了總結(jié)、區(qū)分和對(duì)比，建立起一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能基詞庫[11]。在前人的基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步進(jìn)行了歸納和分類。目前有功能動(dòng)詞：穩(wěn)定、產(chǎn)生、分離、改變、冷卻、加熱、檢測(cè)、混合、吸收、移動(dòng)、傳輸?shù)?；物質(zhì)名詞：固體、氣體、液體、等離子體/微粒、結(jié)構(gòu)物質(zhì)、分子/亞分子等；能量和信號(hào)名詞：力、熱、電、磁、核能、電磁波、溫度、顏色、參數(shù)等。

功能特征表是基于功能的輸入輸出流轉(zhuǎn)換關(guān)系來建立的，將其中的能量流和信息流合并為場(chǎng)，這樣就與效應(yīng)的分析模型得出的特征一致，如此功能特征表與效應(yīng)特征集就可根據(jù)相同特征產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。功能特征表將所有功能基按照輸入輸出流的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換表述，即按照輸入物質(zhì)、輸入場(chǎng)、輸出物質(zhì)和輸出場(chǎng)的形式進(jìn)行分析歸納，每個(gè)功能基至少有一個(gè)輸入或輸出流。表1為部分功能特征表。例如檢測(cè)熱場(chǎng)這一功能基，其按照輸入輸出流可提取出典型特征為：輸入場(chǎng)—熱場(chǎng)，具體該特征的科學(xué)效應(yīng)有：熱脹冷縮、熱敏效應(yīng)、熱電效應(yīng)、熱光效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)等，即上述效應(yīng)具備檢測(cè)熱場(chǎng)的這一功能，即使目前某些效應(yīng)還沒有應(yīng)用于檢測(cè)溫度，但從原理上來說其具備這一潛在功能。

表1 部分功能特征表

3 基于FE映射模型的科學(xué)效應(yīng)庫實(shí)現(xiàn)

3.1 科學(xué)效應(yīng)的表示

科學(xué)效應(yīng)庫旨在為設(shè)計(jì)者提供完善的科學(xué)原理知識(shí)，在概念設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)者提供創(chuàng)新性原理知識(shí)的幫助，所以效應(yīng)知識(shí)的表達(dá)必須適應(yīng)人閱讀理解知識(shí)的習(xí)慣。效應(yīng)知識(shí)按照知識(shí)的表征方式屬于陳述性知識(shí)，是個(gè)人能用語言進(jìn)行直接陳述的知識(shí)，這類知識(shí)主要用來回答事物“是什么”“怎么樣”的問題。結(jié)合人理解該類知識(shí)的特點(diǎn)，效應(yīng)的表示采用文字、符號(hào)、圖片或動(dòng)畫等方式進(jìn)行表征。效應(yīng)的表示可劃分為綜合內(nèi)容描述、邏輯內(nèi)容描述、應(yīng)用內(nèi)容描述以及多媒體內(nèi)容輔助，結(jié)合上述效應(yīng)表示的結(jié)構(gòu)，效應(yīng)通過以下幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)表述：

效應(yīng)描述：對(duì)效應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行概述，并對(duì)其原理進(jìn)行簡要說明；

應(yīng)用條件：此項(xiàng)列舉該效應(yīng)應(yīng)用的前提條件，如特殊材料、高溫高壓等等；

應(yīng)用公式：某些效應(yīng)具備完善的物理化學(xué)理論，即有其相應(yīng)的物理公式或化學(xué)式；

參考數(shù)據(jù)：列舉某些物質(zhì)材料在此效應(yīng)上的相關(guān)數(shù)據(jù)作為應(yīng)用參考；

應(yīng)用特點(diǎn)：闡述該效應(yīng)的應(yīng)用范圍以及其能實(shí)現(xiàn)的功能作用和特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)；

參考信息：列舉上述各個(gè)方面的信息來源，包括論文和書籍等；

相關(guān)信息：概述此效應(yīng)的研究發(fā)展和應(yīng)用新進(jìn)展，以及應(yīng)用該效應(yīng)的某些專利。

3.2 科學(xué)效應(yīng)的分類

科學(xué)效應(yīng)庫涵蓋了不同學(xué)科的原理知識(shí)，其分布是離散的。而效應(yīng)庫的目的是為了方便設(shè)計(jì)者查詢，具體地說是方便設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)需求的功能來查詢對(duì)應(yīng)的效應(yīng)原理，所以效應(yīng)通過其可實(shí)現(xiàn)的功能基不同進(jìn)行分類，可實(shí)現(xiàn)同一功能基的不同學(xué)科的效應(yīng)知識(shí)集合，此種方式有利于設(shè)計(jì)者打破自身專業(yè)知識(shí)的局限和思維定勢(shì)，使多學(xué)科知識(shí)融合創(chuàng)新成為可能。如此各領(lǐng)域的效應(yīng)知識(shí)就系統(tǒng)地整合到了一起，科學(xué)效應(yīng)庫的構(gòu)建實(shí)質(zhì)就是對(duì)科學(xué)效應(yīng)的合理歸類。

圖6 功能效應(yīng)樹示意圖

由上可知，效應(yīng)的功能分類是效應(yīng)庫構(gòu)建的關(guān)鍵，而FFE映射模型為效應(yīng)分類提供了系統(tǒng)的分類方法。概念設(shè)計(jì)中從功能到行為的求解過程：先進(jìn)行功能分解和功能建模，再通過功能基尋求相應(yīng)的效應(yīng)，從中提取行為，完成行為建模。在上述過程中，頂層功能是從需求中提取的，是抽象的，一般的，通常以功能動(dòng)詞表示，如產(chǎn)生、移動(dòng)。然后與流名詞(物質(zhì)、能量、信號(hào))結(jié)合逐級(jí)向下分解，最后得到功能基組?；诖?，效應(yīng)庫中的功能按樹狀結(jié)構(gòu)排列，根節(jié)點(diǎn)為功能動(dòng)詞，最終子節(jié)點(diǎn)是功能基，樹葉部分是功能基對(duì)應(yīng)的科學(xué)效應(yīng)。圖6為功能效應(yīng)樹的示意圖。

3.3 科學(xué)效應(yīng)庫的實(shí)現(xiàn)

目前作者已初步完成了科學(xué)效應(yīng)庫系統(tǒng)的構(gòu)建，它是一個(gè)支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的Web平臺(tái)中的一個(gè)模塊。該系統(tǒng)是采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模式的三層體系結(jié)構(gòu)，基于C#+SQLServer 2012實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)效應(yīng)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為用戶界面層、邏輯功能層和數(shù)據(jù)管理層。用戶界面層是效應(yīng)庫提供給設(shè)計(jì)者的界面窗口，使其可以方便地使用效應(yīng)庫；邏輯功能層主要實(shí)現(xiàn)效應(yīng)庫的各種功能，包括效應(yīng)的顯示、查詢和維護(hù)等功能；數(shù)據(jù)管理層主要通過C#數(shù)據(jù)庫連接接口完成對(duì)SQLServer數(shù)據(jù)庫的操作。

效應(yīng)的顯示界面是效應(yīng)庫系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵點(diǎn)，其顯示方式采用網(wǎng)頁html格式，并設(shè)置所有效應(yīng)顯示的通用樣式模板，不同效應(yīng)顯示時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫中該效應(yīng)的不同參數(shù)信息填充到樣式模板中即可。效應(yīng)顯示主要包括：對(duì)效應(yīng)的概要描述，效應(yīng)的應(yīng)用條件及應(yīng)用公式，效應(yīng)相關(guān)的參考數(shù)據(jù)，效應(yīng)的應(yīng)用特點(diǎn)，參考信息源以及效應(yīng)的相關(guān)信息等。主要以文字為主、圖片為輔來對(duì)效應(yīng)進(jìn)行綜合表述。圖7為效應(yīng)的網(wǎng)頁展示示例。

圖7 效應(yīng)網(wǎng)頁展示圖

3.4 用科學(xué)效應(yīng)庫支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)

科學(xué)效應(yīng)庫系統(tǒng)在整個(gè)Web平臺(tái)中主要通過以下兩種方式來支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

1)提供效應(yīng)知識(shí)：效應(yīng)庫是一種知識(shí)庫，作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)資源為設(shè)計(jì)者直接提供各領(lǐng)域的效應(yīng)知識(shí)，為技術(shù)創(chuàng)新提供豐富的原理知識(shí)。設(shè)計(jì)者可通過直接瀏覽或自動(dòng)搜索等方式在效應(yīng)庫中獲取所需的效應(yīng)知識(shí)。

圖8 效應(yīng)庫在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的 應(yīng)用過程

2)支持概念設(shè)計(jì)：創(chuàng)新平臺(tái)中有一基于FBS模型的新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)模塊，效應(yīng)庫在該模塊中提供功能與效應(yīng)的映射關(guān)系，即根據(jù)功能分解的功能基自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的效應(yīng)原理解矩陣。圖8為效應(yīng)庫在新產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的一般過程。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)者需首先確定產(chǎn)品需求，通過需求抽象出功能結(jié)構(gòu)，并將其分解為功能基集合，按照功能基從效應(yīng)庫中查找到對(duì)應(yīng)的效應(yīng)原理集合，并對(duì)其進(jìn)行原理驗(yàn)證，若該效應(yīng)原理解不滿足功能需求則需重新對(duì)需求進(jìn)行分析或重新進(jìn)行功能分解，若滿足條件則生成功能原理解，從而實(shí)現(xiàn)了功能到行為的映射過程，最后可結(jié)合工程實(shí)例完成行為到結(jié)構(gòu)的映射過程，實(shí)現(xiàn)整個(gè)FBS設(shè)計(jì)過程。

設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品開發(fā)的概念設(shè)計(jì)過程中，由于自身領(lǐng)域和知識(shí)的局限，不知道或只知道某一兩種方法和原理來實(shí)現(xiàn)所需功能，但憑借少量的方法和原理不能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有需求或不能達(dá)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。解決這一設(shè)計(jì)困境的關(guān)鍵在于利用跨學(xué)科跨領(lǐng)域的知識(shí)交叉和綜合，來解決某一特定領(lǐng)域的設(shè)計(jì)問題。以多學(xué)科知識(shí)融合為支撐進(jìn)行概念設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的突破點(diǎn)?？茖W(xué)效應(yīng)庫提供了以功能分類的多領(lǐng)域?qū)W科效應(yīng)知識(shí)集合，可為設(shè)計(jì)者提供盡可能多的解決方法，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有力支撐。例如，傳統(tǒng)的制冷器(冰箱、空調(diào)等)的制冷原理是采用制冷劑的蒸發(fā)和冷凝與外界進(jìn)行換熱實(shí)現(xiàn)溫度下降的。若采用其他科學(xué)效應(yīng)原理對(duì)制冷原理進(jìn)行創(chuàng)新，可在科學(xué)效應(yīng)庫中根據(jù)“冷卻物質(zhì)”這一功能進(jìn)行檢索，得到了“磁熱效應(yīng)，熱聲效應(yīng)，熱電效應(yīng)，反斯托克斯效應(yīng)”等，這些效應(yīng)來自不同領(lǐng)域?qū)W科，且都與熱能相關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“冷卻物質(zhì)”這一功能。對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行分析提取行為，則可得到磁制冷、熱聲制冷、熱電制冷、激光制冷等行為原理解，為制冷器的設(shè)計(jì)提供了原理創(chuàng)新的新方案。

4 結(jié)語

本文以概念設(shè)計(jì)的FBS理論為基礎(chǔ)，詳細(xì)論述了功能、效應(yīng)與行為之間的關(guān)系，提出了一個(gè)功能與效應(yīng)的映射模型，并基于此模型建立了一個(gè)初步的科學(xué)效應(yīng)庫系統(tǒng)。該效應(yīng)庫支持多學(xué)科知識(shí)交叉融合，可幫助設(shè)計(jì)者打破自身領(lǐng)域和知識(shí)的局限，效應(yīng)庫中大量的效應(yīng)支持設(shè)計(jì)者于概念設(shè)計(jì)過程中提出高質(zhì)量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。下一步的工作為完善FFE映射模型，并通過知識(shí)圖譜等技術(shù)挖掘出功能與效應(yīng)的聯(lián)系。