功能-行為-結(jié)構(gòu)(FBS)模型方法研究綜述

白仲航，張資恒，李晨輝，張新新，丁瀟穎

功能-行為-結(jié)構(gòu)(FBS)模型方法研究綜述

白仲航1,2，張資恒1,2，李晨輝1,2，張新新1，丁瀟穎1

(1. 河北工業(yè)大學建筑與藝術(shù)設(shè)計學院，天津 300131；2. 河北工業(yè)大學國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實施工具工程技術(shù)中心，天津 300400)

功能-行為-結(jié)構(gòu)(FBS)模型通過引入行為變量(Behavior)，豐富了傳統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)(FS)模型，目前已被廣泛應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域。對FBS模型的發(fā)展和應(yīng)用進行綜述。首先，從FBS模型的定義、相關(guān)變量概念的提出和發(fā)展、及優(yōu)化和完善等方面對FBS模型進行介紹；其次，通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻的分析，對FBS模型的研究及應(yīng)用進行分類，總結(jié)現(xiàn)有主要研究集中于：FBS模型自身的發(fā)展、基于FBS模型的方法集成和映射機制的應(yīng)用等方面；最后，提出FBS模型目前仍存在的問題，并給出研究建議，為FBS模型的研究和應(yīng)用提供參考。

創(chuàng)新設(shè)計；創(chuàng)新方法；FBS模型；集成；映射

通過對設(shè)計過程的分析，國內(nèi)外學者提出了不同的產(chǎn)品設(shè)計模型和方法，其中GERO[1]提出的FBS (function-behavior-structure)模型作為一種設(shè)計過程模型，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域。

FBS模型自提出后，一直被作為一個用于闡述概念設(shè)計早期過程和任務(wù)的模型，并處于不斷發(fā)展和完善的過程之中。FBS模型通過分析設(shè)計過程中3個主要變量，即功能、行為和結(jié)構(gòu)，利用逐級映射將概念設(shè)計問題由抽象轉(zhuǎn)換為具體，從模糊轉(zhuǎn)換到精確，建立了設(shè)計概念與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的映射機制。FBS模型將各層次的設(shè)計過程按照不同地推理機制進行，創(chuàng)新設(shè)計過程更具邏輯性和指向性，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計的流程。

目前，國內(nèi)外學者對于FBS模型已展開了廣泛地研究，本文將從FBS模型的定義、相關(guān)變量概念的提出和發(fā)展、FBS模型的優(yōu)化和完善等方面對其進行介紹，并對國內(nèi)外FBS模型的應(yīng)用進行綜述，并給出需要思考的問題和進一步研究的方向。

1 FBS模型定義及其發(fā)展

1.1 FBS模型的初始定義

FBS模型是由GERO[1]在1990年首次提出的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法論?？煽醋魇窃O(shè)計人員將設(shè)定的功能轉(zhuǎn)換為能夠執(zhí)行這些功能的人工制品的設(shè)計描述過程。設(shè)計人員并未直接進行這種轉(zhuǎn)換，而是采用許多中間步驟，并且人工制品的行為和結(jié)構(gòu)也起到關(guān)鍵作用。

在FBS模型映射過程中，功能被轉(zhuǎn)換為可以執(zhí)行該功能的預期行為。將預期行為用于結(jié)構(gòu)的選擇和組合，此過程稱為合成。在合成時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生自己的實際行為，從而改變預期行為的范圍，且通過這些行為可重新設(shè)計功能。過程如圖1所示。

圖1 FBS模型過程圖

文獻[1]將FBS流程劃分了8個步驟。第一，將功能轉(zhuǎn)換為可以執(zhí)行該功能的預期行為；第二，將預期行為轉(zhuǎn)化為執(zhí)行該行為的結(jié)構(gòu)；第三，根據(jù)結(jié)構(gòu)推導出實際行為；第四，將預期行為和實際行為進行比較，判斷設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案是否可行；第五，若可行，則生成設(shè)計描述；反之，則返回之前步驟重新選擇。通過這些步驟，設(shè)計人員將人工制品的既定功能轉(zhuǎn)換為設(shè)計描述，見表1。

表1 FBS模型中的步驟

文獻[1]將設(shè)計人員用于實現(xiàn)以上8個步驟的知識描述稱為經(jīng)驗知識，即設(shè)計人員在早期設(shè)計收集的知識。這些設(shè)計知識被整合為初始FBS模型。

FBS模型的優(yōu)點在于可清楚地描述和定義設(shè)計過程所包含的8個步驟。但文獻[1]對于該模型的關(guān)鍵概念：功能、行為和結(jié)構(gòu)，并未提出明確的定義。需要通過文獻[1]給出的例子來理解功能、行為和結(jié)構(gòu)的含義。由于這些定義在進行詳細分析時缺乏精確性，因此需要在一定范圍內(nèi)進行解釋。

GERO等[2]在1992年提出了功能、結(jié)構(gòu)和行為之間的顯式推理，指出行為在設(shè)計中提供了功能和結(jié)構(gòu)之間的重要聯(lián)系，并為兩者之間的推理起到橋梁的作用。同時，提出了功能、行為和結(jié)構(gòu)的初始定義，見表2。

表2 FBS模型的初始定義(1992)

1.2 FBS模型定義的完善

1998年，ROSENMAN和GERO[3]提出了一組較為全面的功能、行為和結(jié)構(gòu)的定義。這些定義與初始定義不完全相同，能在人工制品的功能及其目的之間進行區(qū)分，導致了模型必須包括將目的轉(zhuǎn)換為功能的步驟。還可將人工制品的目的定義為“為什么人工制品做它所做的(why the artefact does what it does)”的答案，即人工制品的目的是用其來實現(xiàn)用戶需求。將功能的定義修改為“人工制品行為的結(jié)果”。將行為定義為“人工制品在自然環(huán)境中表現(xiàn)出的行為或過程”，該定義同時適用于人工制品的預期行為和實際行為Bs。結(jié)構(gòu)的定義在初始定義的基礎(chǔ)上通過添加“材料排列(material arrangement)”來強調(diào)定義的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。

文獻[3]對模型主要概念的定義見表3，尤其是對功能的解釋，有助于更清楚地理解設(shè)計過程和子過程，如問題的提出、綜合、分析和評估等內(nèi)容。

表3 文獻[3]對FBS的定義(1998)

文獻[3]認為設(shè)計是一個過程，設(shè)計人員在這個過程中將源自用戶的目的轉(zhuǎn)換為能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的人工制品的設(shè)計描述。為了適應(yīng)這些目的，文獻[3]調(diào)整了組成FBS模型的8個步驟的描述如圖2所示。將制定步驟擴展到，將需求目的轉(zhuǎn)化為功能，然后再轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生這些功能的行為；將分析步驟相應(yīng)地擴展到，在此步驟中確定了結(jié)構(gòu)對應(yīng)的實際行為和實際功能；添加了實現(xiàn)步驟，確定了由實際功能實現(xiàn)的實際目的；將評估步驟擴展到步驟，，，和，其中將實際目的、功能和行為與所需目的以及預期功能和行為進行比較。

圖2 文獻[3]提出的FBS模型

1.3 FBS模型目前的定義

2004年，GERO和KANNENGIESSER[4]通過引入“情境性”和“構(gòu)造性記憶”概念的方式擴展了FBS模型。在新的模型中，功能、行為和結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在3個“世界”中：客觀世界、解釋世界和預期世界。最初連接功能、行為和結(jié)構(gòu)的8個步驟通過重構(gòu)產(chǎn)生了一組包含20個步驟的新過程，這些過程一起構(gòu)成了情景FBS(SFBS)模型如圖3所示。

表4是文獻[4]目前正在使用的定義。該定義脫離了1998年文獻[3]的定義(表3)，部分內(nèi)容回到了初始的定義(表2)。

圖3 情景FBS模型

表4 文獻[4]對FBS的定義(2004)

1.4 對FBS模型的批評

2005年，DORST和VERMAAS[5]對FBS 模型的發(fā)展進行了回顧。在過去十幾年中，功能、行為和結(jié)構(gòu)的定義發(fā)生了變化，這些變化至少定義了3種不同版本的FBS模型。

文獻[5]認為，有一個或多個概念作為意圖思維和結(jié)構(gòu)思維之間“中介”的想法是值得研究和進一步發(fā)展的。然而，文獻[4]過度簡化了對設(shè)計過程的描述，認為只有一個中介存在。至少在現(xiàn)實世界的設(shè)計中，所有類型的轉(zhuǎn)換都是可能的，并非嚴格遵循從功能到行為再到結(jié)構(gòu)這樣簡潔的設(shè)計步驟。

2007年，VERMAAS和DORST[6]批判性地分析了文獻[4]中提出的情景FBS(SFBS)模型。SFBS模型在設(shè)計方法論中存在的2個問題：①缺乏穩(wěn)定的概念框架，不確定是否要區(qū)分目的和功能的概念；②模型具有雙重地位：既是描述性模型又是規(guī)范性模型，因為功能的概念并非局限于技術(shù)領(lǐng)域。

文獻[6]將結(jié)構(gòu)定義為構(gòu)成人工制品的材料、尺寸和幾何形狀以及拓撲關(guān)系，將行為定義為人工制品物理狀態(tài)的集合，將功能定義為人工制品的物理配置。結(jié)構(gòu)的定義與表1中結(jié)構(gòu)的定義相似，行為的定義與表2中行為的定義相似，不同點是將行為轉(zhuǎn)變?yōu)榧兇獾慕Y(jié)構(gòu)概念見表5。

表5 VERMAAS提出的FBS定義(2007)

1.5 FBS模型的優(yōu)化

2013年，CASCINI等[7]通過對SFBS模型的分析提出了模型存在的問題：需求識別和要求定義未被完全表示，并通過擴展SFBS模型詳細地表示需求識別和要求定義的推理，以及需求和要求與人工制品功能、行為和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

文獻[7]認為，文獻[4]明確地提到了設(shè)計問題的要求(Requirement)，但并未考慮用戶需求(Need)和設(shè)計要求()之間的區(qū)別。盡管設(shè)計過程描述的很詳細，但設(shè)計要求()的定義過于簡單，設(shè)計過程主要是完成從設(shè)計要求()到產(chǎn)品功能的轉(zhuǎn)化，未考慮到設(shè)計人員在滿足需求或要求時發(fā)生的認知過程。

文獻[7]在情境FBS模型的基礎(chǔ)上，通過引入需求和2類新變量，對需求識別和要求定義階段進行了明確定義和建模，如圖4所示。這2個階段的引入，使得在原始FBS框架(original FBS framework)中提出的制定階段須按新的過程進行審查，新的過程取代了從外部世界的變量直接到解釋世界的F，S和B變量的過程。

圖4 CASCINI提出的FBS優(yōu)化模型((a)需求識別；(b)需求定義)

優(yōu)化后的模型通過將需求和要求變量引入SFBS模型，對新產(chǎn)品開發(fā)早期階段的任務(wù)和相關(guān)認知過程進行了表示。

2 FBS模型的研究與應(yīng)用

通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻的分析，總結(jié)出FBS模型的研究主要集中在：FBS模型自身的發(fā)展、基于FBS模型的方法集成和其映射機制的應(yīng)用等方面，如圖5所示。

圖5 FBS模型應(yīng)用的分類(①FBS模型自身的發(fā)展，其中(a)行為層的變換，(b)框架的擴展；②基于FBS模型的方法集成；③FBS模型映射機制的應(yīng)用)

2.1 FBS模型自身的發(fā)展

2.1.1 FBS模型行為層的變換

“行為”是功能-行為-結(jié)構(gòu)模型與傳統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)模型的主要區(qū)別。文獻[2]認為行為是聯(lián)系功能與結(jié)構(gòu)的橋梁，對行為的研究一直是FBS研究的重點。現(xiàn)有對行為層的研究主要是通過對行為層的變換實現(xiàn)對FBS模型的創(chuàng)新，其中變換可以分為重新劃分和增添置換。

一些研究針對特定的領(lǐng)域?qū)⑿袨閷舆M行重新劃分為不同子行為，如DANTAN等[8]提出了一種集成人的因素的FBS框架，將行為層重新劃分為制造設(shè)備行為和人的操作行為，并對兩種行為進行建模和模擬，以了解疲勞和其他因素對系統(tǒng)的影響；SADEGHI等[9]構(gòu)建了一個FBS和產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(product service systems)范式之間轉(zhuǎn)換的模型，將行為劃分為服務(wù)行為和產(chǎn)品行為，以識別和分析工作情況，提高安全性；歐靜等[10]通過運用邏輯性與時序性分析，提出了情境化FBS模型，將行為域劃分為審美、策略、意象三類，并建立了設(shè)計行為模型。

也有一些研究對行為層進行增添、置換以解決設(shè)計過程中的問題，如馮立杰等[11]在FBS框架基礎(chǔ)上，通過將行為層重構(gòu)為機理層，并與多維技術(shù)創(chuàng)新地圖集成為技術(shù)創(chuàng)新機會識別方法；盧曼澤等[12]針對機械裝備交互行為復雜、易出錯的問題，在實際行為的基礎(chǔ)上，運用基元模型的事元對行為層進行變換，形成新的期望行為，映射得出設(shè)計方案；王年文和劉蘊華[13]以熵權(quán)法為基礎(chǔ)，將可拓學與FBS相結(jié)合，利用可拓學的增添置換對行為層進行創(chuàng)新，并建立了一種集成設(shè)計方法；楊鵬等[14]在進行小型機械產(chǎn)品再設(shè)計時，基于功能行為鏈，對行為集變型和增加新元素，實現(xiàn)行為層創(chuàng)新，并構(gòu)建了基于FBS模型的可變功能再設(shè)計框架。

通過對FBS模型行為層進行重新劃分和變換可以對行為進行重新表示，針對性地解決特定領(lǐng)域的問題。但是行為的表示包括基于動作和基于過程兩種方式，目前的研究并未對動作和過程進行區(qū)分，后續(xù)可對行為表示進行更深層次地研究。目前對行為的研究主要集中于產(chǎn)品行為，而對用戶行為的研究相對較少。

2.1.2 FBS模型框架的擴展

為解決創(chuàng)新設(shè)計過程中遇到的新問題，向FBS模型中引入新的變量，形成特定的FBS模型。根據(jù)引入變量方式的不同，可以分為整體式圖6(a)和局部式圖6(b)所示。整體式為所引入的變量對FBS模型中每個映射環(huán)節(jié)都有影響，如EE-FBS模型引入的效應(yīng)變量為各環(huán)節(jié)提供橋梁作用；局部式為引入的變量在某一個映射環(huán)節(jié)介入，如CFBSS模型通過在結(jié)構(gòu)S后引入S，實現(xiàn)FBS融合語義學。

圖6 FBS模型擴展的分類

(1) 整體式擴展。WANG等[15]采用逆向設(shè)計思維，通過引入“約束聚合”，提出了FBS的改進模型：CFBS(約束-功能-行為-結(jié)構(gòu))，構(gòu)建了基于人機界面技術(shù)的產(chǎn)品外觀設(shè)計思維方法；MA等[16]通過建立一種約束-功能-行為-結(jié)構(gòu)(CFBS)知識表示模型實現(xiàn)設(shè)計知識的重用，并建立了包括設(shè)計方案產(chǎn)生和評估的設(shè)計知識重用集成方法；QIN等[17]通過添加“需求”和“進化”要素，提出RFBSE知識表示模型，旨在獲取設(shè)計過程中的設(shè)計知識和經(jīng)驗，以實現(xiàn)有效的重用；曹國忠等[18]根據(jù)效應(yīng)模型在確定原理解過程中的優(yōu)勢，將多極效應(yīng)模型與FBS模型進行集成，提出了基于擴展效應(yīng)驅(qū)動的EE-FBS模型；孫利等[19]以設(shè)計知識流理論為出發(fā)點，通過將“需求”和“原理空間”納入FBS模型建立了PFWBS模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了產(chǎn)品知識動態(tài)建模方法；嚴波等[20]為使工程設(shè)計和工業(yè)設(shè)計對2個領(lǐng)域知識進行統(tǒng)一描述，將FES模型和FBS模型的優(yōu)勢相結(jié)合，并在FBS框架中引入“用戶知識”，提出了一種UEFBS 設(shè)計認知模型。

(2) 局部式擴展。LI等[21]為描述概念設(shè)計階段的關(guān)鍵影響信息，提出了一種融合產(chǎn)品屬性(Attribute)的新的功能表達模型，即FBAS模型；ZHANG等[22]針對概念設(shè)計模型中一些變量概念存在爭論的問題，總結(jié)出一個FBPSS模型，作為參考模型，對各種流派及設(shè)計模型的定義進行評價；DENG[23]考察了環(huán)境影響在設(shè)計方案評估中的作用，通過引入“環(huán)境”變量，開發(fā)了一種 FEBS模型，其中知識通過集成對象和規(guī)則來表示，設(shè)計方案通過實現(xiàn)反向路徑推理過程來生成；CHRISTOPHE等[24]基于模型驅(qū)動工程概念，將FBS模型與知識模型進行集成，利用本體論和系統(tǒng)建模語言(SysML)將“需求”引入，建立了RFBS模型；YANNOU等[25]提出了一種UDIP過程模型，來解決將激進創(chuàng)新設(shè)計(radical innovation design)方法映射到FBS框架中所遇到的問題，旨在通過現(xiàn)有的設(shè)計理論和方法框架來增強對RID方法論的理解；文獻[26-27]通過向FBS模型框架引入“原理”變量，建立了功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)(FPBS)模型；文獻[26]將FPBS和模塊化方法相結(jié)合，開發(fā)了基于FPBS模型的機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計流程；文獻[27]基于模型的知識系統(tǒng)運算和本體庫概念，提出了一種針對機械產(chǎn)品設(shè)計的FPBS本體系統(tǒng)；張執(zhí)南和謝友柏[28]通過引入“意圖”和“效應(yīng)”2個變量建立了PFESB模型，將狀態(tài)空間模型的行為預測與FBS相結(jié)合完成概念設(shè)計與狀態(tài)空間之間的映射，作為在概念設(shè)計過程預測產(chǎn)品所存在問題的工具；孟祥斌和孫蘇榕[29]為在概念設(shè)計過程加入對人的關(guān)注，在FBS原有框架基礎(chǔ)上納入“用戶”及“產(chǎn)品語義”2個新要素，建立了一種CFBSS模型及相關(guān)的計算機輔助設(shè)計問題解決流程；張丙辰等[30]在FBS的基礎(chǔ)上引入“用戶需求”和“用戶認知”，結(jié)合“認知行為特征“建立了RCFBS模型，在此基礎(chǔ)上提出了融合語義學的兒童玩教具語義網(wǎng)絡(luò)模型擴散過程。

通過“體式和局部式構(gòu)建的FBS擴展模型有效地解決了創(chuàng)新過程中遇到的問題，但是部分擴展模型并未考慮結(jié)構(gòu)到實際行為的映射以及預期行為與實際行為的對比過程。此外，如何通過擴展建立通用的FBS模型，使其適用于所有創(chuàng)新設(shè)計過程是未來的研究方向之一。

2.2 基于FBS模型的方法集成

集成不同創(chuàng)新設(shè)計方法，是設(shè)計方法學領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。創(chuàng)新方法的集成不僅可以滿足創(chuàng)新過程中的現(xiàn)實需要，而且可以構(gòu)建出邏輯互聯(lián)、相互協(xié)調(diào)的創(chuàng)新方法體系，提高創(chuàng)新效率。FBS模型通過集成其他的方法，不僅彌補了FBS自身存在的不足，而且構(gòu)建了較為全面的方法體系，其中與用戶需求相關(guān)方法的集成是研究的重點。

2.2.1 與用戶需求相關(guān)方法集成

滿足用戶需求是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的核心和目的。將用戶需求信息融入產(chǎn)品設(shè)計過程是產(chǎn)品滿足用戶需求的關(guān)鍵[31]。針對FBS模型在用戶需求的獲取和轉(zhuǎn)換方面存在不足，現(xiàn)有研究通過將FBS模型和用戶需求相關(guān)方法進行集成，實現(xiàn)從需求向功能的轉(zhuǎn)換。張青等[32]通過集成FBS 模型與用戶需求分析，建立了Ra-FBS模型，將用戶需求經(jīng)過因子分析轉(zhuǎn)換成滿足用戶核心需求的功能；周祺等[33]利用模糊Kano模型獲取的關(guān)鍵設(shè)計要素引入情景FBS模型，形成新的設(shè)計流程；文獻[34-35]通過在FBS模型中引入了“彈性界限”的概念，利用自然交互中上下文分析的方法，對用戶需求進行分析，求得需求最優(yōu)解；樊帆等[36]利用本體論，通過建立FBS知識組織模型，將包括效應(yīng)和專利在內(nèi)的設(shè)計知識應(yīng)用于FBS設(shè)計過程，提出了包含分析模塊的AFBS知識檢索方法，使設(shè)計人員可以依據(jù)需求獲取設(shè)計知識；覃京燕等[37]通過集成CMR和FBS模型，提出了一種能夠同時解決交互設(shè)計過程中功能和內(nèi)容設(shè)計的CMR+FBS設(shè)計本體論的方法模型，該模型為用戶需求的提取和分析提供了新的研究角度；文獻[38-39]通過集成QFD和FBS模型，增強了用戶需求向設(shè)計要求轉(zhuǎn)化過程中的客觀性，并形成QFD和FBS集成應(yīng)用流程；秦雄等[40]利用FAST，F(xiàn)BS，TRIZ和FMEA 4種模型在創(chuàng)新設(shè)計不同階段所具有的優(yōu)勢，并通過集成實現(xiàn)了從用戶需求的轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

現(xiàn)有研究是利用用戶需求相關(guān)方法得出需求分析結(jié)果，再與FBS模型進行集成來解決FBS模型存在的不足，但并未充分考慮需求分析結(jié)果或得出的設(shè)計要求與產(chǎn)品功能是否等同，因此還有進一步研究的空間。

2.2.2 與其他方法集成

根據(jù)FBS模型應(yīng)用領(lǐng)域的不同，通過集成FBS模型與其他模型或理論，得到特定領(lǐng)域新的設(shè)計方法或流程，其中集成主要分為結(jié)構(gòu)集成和過程集成，在此不再做區(qū)分。HAMRAZ和CLARKSON[41]利用FBS的映射機制，通過將變化預測方法(change prediction method)和FBS相集成，提出了一個用于工業(yè)評價的FBS聯(lián)動方法；ZHANG等[42]集成FBS和案例推理理論，提出了一種用于生成模塊化機器人構(gòu)型的計算機輔助系統(tǒng)體系，利用FBS的分層映射完成設(shè)計信息的檢索，結(jié)合案例推理實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表示；LI等[43]借助信息描述模型的層次框架，集成公理設(shè)計模型和FBS模型，提出了一個有助于產(chǎn)品多階段創(chuàng)新的概念設(shè)計模型，并分別討論了不同設(shè)計階段的創(chuàng)新策略；張興法等[44]通過將概念-知識(C-K)理論與FBS模型進行融合，提出了一種可變功能再設(shè)計方法，利用理論的知識空間對FBS映射過程進行指導，獲取新的設(shè)計方案；龔京忠等[45-46]將產(chǎn)品模塊化技術(shù)與FBS模型進行集成，利用模糊聚類算法和可拓學，提出基于功構(gòu)變換的產(chǎn)品模塊可拓變型設(shè)計方法；趙琳等[47]針對機械系統(tǒng)存在的相似性問題，將FBS與經(jīng)典相似性理論進行集成，提出了概念設(shè)計相似系統(tǒng)模型，利用模型得出的相似度數(shù)值進行設(shè)計；杜冠男等[48]通過集成TRIZ和FBS，利用二者的優(yōu)勢，建立了一種新的創(chuàng)新設(shè)計流程，可以預測和完善進化方向并更快求得最優(yōu)解；胡艷等[49]利用QFD理論、FBS模型和定制試驗設(shè)計(custom design of experiment)在概念設(shè)計階段的不同優(yōu)勢，通過三者集成來彌補六西格瑪設(shè)計(design for six sigma，DFSS)存在的問題，提出了基于前3種模型的DFSS設(shè)計方法；李從東等[50]為了對變更傳播路徑進行描述，將多重網(wǎng)絡(luò)理論和FBS模型集成，結(jié)合改進遺傳算法(improved genetic algorithm)，構(gòu)建了多目標0-1整數(shù)規(guī)劃模型；龔京忠等[51]利用QFD方法求得功構(gòu)單元特征參數(shù)，基于FBS模型建立功構(gòu)模塊，將特征參數(shù)與建立的功構(gòu)模塊相結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品族規(guī)劃；張智博和李翔龍[52]基于專利知識庫，集成了功能分解、FBS映射求解和形態(tài)矩陣等，提出了基于Creap平臺的問題求解模塊的整體架構(gòu)。

現(xiàn)有FBS與其他方法集成的研究主要是為解決創(chuàng)新過程中的問題或?qū)?chuàng)新方法不足的相互補充，缺少對構(gòu)建產(chǎn)品完整生命周期的創(chuàng)新設(shè)計模型框架的考慮。此外通過構(gòu)建相互協(xié)調(diào)、邏輯互通的創(chuàng)新設(shè)計過程模型框架來實現(xiàn)計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計也是未來發(fā)展趨勢之一。

2.3 FBS模型映射機制的應(yīng)用

分層逐級映射是FBS模型設(shè)計過程的主要內(nèi)容，對FBS分層映射機制的研究已經(jīng)較為廣泛。其中一些研究是按照FBS分層逐級映射的設(shè)計思路對其他設(shè)計過程進行分層研究，KANNENGIESSER和GERO[53]提出了一種定量分析和比較設(shè)計模型的方法，通過將設(shè)計模型映射到場景化的FBS框架中來實現(xiàn)對設(shè)計過程的模擬；FILIPPI和BARATTIN[54]將一種設(shè)計符號化交互設(shè)計集成方法(interaction design integrated method)的設(shè)計過程映射到FBS框架進行分析，通過擴展框架涵蓋人機交互(human-machine interaction)領(lǐng)域；殷習等[55]利用FBS框架的映射思路進行關(guān)聯(lián)性分析，建立了變更設(shè)計流程圖，并建立結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)矩陣，分析總結(jié)了變更傳播規(guī)律；楊琨等[56]基于FBS 3個層次的映射關(guān)系，構(gòu)建了復雜知識網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合復雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出了設(shè)計知識網(wǎng)絡(luò)分析方法；張偉社等[57]基于情景要素分析，利用FBS模型的映射思路進行情景描述，并構(gòu)建了未來情景的未預見FBS模型；梁嘉寶等[58]將FBS應(yīng)用于感性工學，利用FBS對獲取的用戶需求映射到功能、行為和結(jié)構(gòu)3個層次進行建模，將得到的單元基與感性詞匯映射匹配，通過知識庫進行需求的呈現(xiàn)；黃晨曦等[59]利用VR技術(shù)建立支架三維模型，利用FBS 3個層次的映射關(guān)系對支架植入過程進行調(diào)整，提出了血管支架植入模型框架。

也有一些研究是將FBS的映射機制作為一種工具或方法，對創(chuàng)新設(shè)計中的問題或產(chǎn)品設(shè)計過程進行研究。BAI等[60]針對裁剪過程資源挖掘的不足，利用FBS對系統(tǒng)資源進行知識表征，并結(jié)合相似度計算構(gòu)建了一種新的資源挖掘方法；BOKIL和RANADE[61]將FBS模型應(yīng)用于平面設(shè)計中的常用工具——網(wǎng)格，利用FBS對視覺布局過程的知識進行了表示；LEE等[62]基于日常設(shè)備的數(shù)據(jù)，建立了設(shè)計案例的集成模型，并將FBS模型作為案例表示方法，提出了一種人工智能系統(tǒng)；TAMA和REIDSEMA[63]提出了一種新的產(chǎn)品信息識別和建模方法，利用FBS將產(chǎn)品信息分為初級和次級，并基于產(chǎn)品信息進行識別，建立了一個通用產(chǎn)品信息模型；LI等[64]將FBS作為橋梁，將設(shè)計特征和能耗聯(lián)系在一起，建立了一種能耗建模方法；KOH[65]利用FBS的映射機制分析了工程變更及其傳播機制，以識別支持準確預測工程變更傳播所需的建模信息；BOTT和MESMER[66]建立了一個基于建模和仿真方法的設(shè)計團隊模擬模型，利用FBS框架來評估大型軟件程序的瀑布式和敏捷式設(shè)計過程的有效性；EICHHOFF和MAASS[67]利用FBS映射機制進行了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表示，并建立了應(yīng)用程序解決設(shè)計決策的不確定性；POURMOHAMADI和GERO[68]基于FBS提出了設(shè)計問題編碼方案，并開發(fā)了LINKOgrapher軟件工具，實現(xiàn)了對標準化分析工具包的開發(fā)；FILIPP和BARATTIN[69]提出了一種基于形式的設(shè)計方法，利用FBS模型的映射機制對方法進行描述；GUI[70]提出了一種機械系統(tǒng)和裝配(mechanical systems and assemblies)表示方案，將FBS作為表示方法，對機械系統(tǒng)中的組件等元素進行表示；QIAN和GERO[71]利用FBS框架提出一種設(shè)計知識表示，構(gòu)建了基于類比的設(shè)計框架，并將其開發(fā)為使用類比的設(shè)計支持系統(tǒng)(design support system using analogy)；GERO和KANNENGIESSER[72]提出了基于SFBS框架的協(xié)同設(shè)計模型，用于描述設(shè)計師和協(xié)同設(shè)計師在共同設(shè)計中發(fā)生的認知過程；劉一川等[73]利用FBS對裝備進行特征分析，提出了基于FBS的新型裝備概念設(shè)計模型。

此外一些研究是利用FBS映射過程進行具體產(chǎn)品的設(shè)計研究，如BAQAI等[74]將FBS模型應(yīng)用于可重構(gòu)機床的設(shè)計，提出了一種基于FBS模型的制造上層本體集成方法；文獻[75-76]基于用戶需求分析的結(jié)果，利用FBS分層映射來描述設(shè)計任務(wù)和指導設(shè)計步驟，求得符合要求的設(shè)計方案；王超等[77]將FBS模型應(yīng)用于室內(nèi)在線自動布局算法的設(shè)計，完成對房間的功能、行為、結(jié)構(gòu)的建模，并根據(jù)得出的約束規(guī)則來確定房間各個環(huán)節(jié)的布局。

現(xiàn)有關(guān)于FBS模型映射機制的研究主要是將映射機制應(yīng)用于其他設(shè)計方法或過程中，缺少對于映射機制本身的改進或優(yōu)化研究，如何利用計算機工具或人工智能方法對映射過程進行優(yōu)化是未來的發(fā)展趨勢之一。

3 存在的問題及研究建議

3.1 存在的問題

(1) FBS模型“行為”的表達分為基于動作和過程兩種方式，目前的研究并未對這2種方式進行區(qū)分和比較，對于將行為表示為“動作”還是“過程”存在爭議。對包括用戶的操作行為、認知行為在內(nèi)的用戶行為的研究較少。

(2) 在應(yīng)用FBS模型的過程中，設(shè)計前端的用戶需求具有不確定性。雖然GERO和KANNEN- GIESSER[4]在2004年將要求?引入SFBS框架，但仍存在用戶需求要素獲取不足，在重要程度排序上較為模糊等問題，優(yōu)化后的FBS模型并未解決需求向功能映射過程中的問題。

(3) 由于FBS模型應(yīng)用領(lǐng)域的不同，相關(guān)定義的表述會發(fā)生變化。FBS模型中的功能、行為、結(jié)構(gòu)缺乏一個標準化、結(jié)構(gòu)化的表達方式，不利于設(shè)計進程的推進以及經(jīng)驗知識的挖掘。

(4) 運用FBS模型進行映射、評判和篩選最優(yōu)解等工作時，決策主要依靠設(shè)計人員自身的經(jīng)驗，設(shè)計人員的主觀性很大程度影響了最終設(shè)計方案的質(zhì)量。

(5) FBS模型映射和求解過程中所利用的設(shè)計知識是設(shè)計人員在早期設(shè)計任務(wù)中收集的關(guān)于所改良產(chǎn)品的知識，但對于在設(shè)計前期定義了新功能的設(shè)計，在映射求解的過程中，可能會由于產(chǎn)品設(shè)計知識檢索范圍的限制，影響設(shè)計方案質(zhì)量。

3.2 研究建議

根據(jù)上述問題，綜合FBS模型在國內(nèi)外研究及應(yīng)用發(fā)展情況，提出如下建議：

(1) FBS模型的分類研究。目前的研究是從FBS創(chuàng)新方式的角度進行分類的，便于分析創(chuàng)新方式的種類，得出進一步研究的方向，對各類別未進行更詳細地細分，因此所分類別和內(nèi)容仍有進一步深化的空間。此外還可以從FBS模型所應(yīng)用領(lǐng)域的角度進行分類研究，分析FBS在各個設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀，以及各領(lǐng)域設(shè)計方法現(xiàn)有問題和未來發(fā)展的趨勢。

(2) 針對行為域的研究。以公理設(shè)計為基礎(chǔ)，在功能域和結(jié)構(gòu)域之間界定行為域，擴展FBS模型行為域相關(guān)理論，研究行為域鏈接功能域、結(jié)構(gòu)域的方法，實現(xiàn)從包括人機交互、用戶認知在內(nèi)的行為角度對產(chǎn)品系統(tǒng)地創(chuàng)新。同時可以研究需求域與行為域之間的關(guān)系，面向行為分析研究用戶需求，并從行為出發(fā)設(shè)計能滿足不同用戶需求的方法或算法。

(3) 基于FBS的知識推理。在創(chuàng)新設(shè)計過程中實現(xiàn)對設(shè)計知識的重用可以提高設(shè)計效率。利用FBS本體規(guī)則進行設(shè)計知識的選擇和運用，完成設(shè)計知識重用是FBS未來研究方向之一。利用FBS的本體規(guī)則進行目標產(chǎn)品設(shè)計知識的表示和整合，并利用資源檢索方法和計算機工具建立同類產(chǎn)品設(shè)計知識庫?；谝延械脑O(shè)計知識庫和FBS的本體規(guī)則，將知識推理的過程分為設(shè)計知識的獲取、組織和表示，以及設(shè)計知識如何啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)計靈感。

(4) 計算機輔助FBS方法。計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計是設(shè)計方法學的趨勢之一。對于FBS的研究，如何將設(shè)計者思維與機器思維相集成，通過建立同類產(chǎn)品的設(shè)計知識庫，利用計算機輔助FBS逐級映射過程是FBS未來的研究方向。

(5) 可計算性功構(gòu)映射。在FBS逐級映射中以行為為核心，以功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要內(nèi)容，在F-B和B-S映射過程融合算法或可計算的設(shè)計方法，從可計算性角度建立創(chuàng)新設(shè)計的功能-行為-結(jié)構(gòu)框架模型，并擴展功構(gòu)映射求解方法，輔助或替代設(shè)計人員依靠自身經(jīng)驗進行決策的過程，減少搜索解過程的隨意性，增加功構(gòu)映射的可計算性，得到更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

(6) 人工智能驅(qū)動FBS方法。人工智能驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計是設(shè)計方法學的未來趨勢之一。人工智能相關(guān)方法可以在FBS模型全過程介入，進而構(gòu)建智能化FBS設(shè)計流程。如，利用人工智能輔助設(shè)計者快速定位和分析設(shè)計需求和設(shè)計目標；基于產(chǎn)品知識庫，融合智能化、自動化設(shè)計算法進行FBS逐級映射過程等。

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Review on research of FBS model method

BAI Zhong-hang1,2, ZHANG Zi-heng1,2, LI Chen-hui1,2, ZHANG Xin-xin1, DING Xiao-ying1

(1. School of Architecture and Art Design, Hebei University of Technology, Tianjin 300131, China;2. National Engineering Research Center for Technological Innovation Method and Tool, Hebei University of Technology, Tianjin 300400, China)

The function-behavior-structure (FBS) model has enriched the traditional function-structure (FS) model by introducing behavioral variables (Behavior), and has been widely utilized in the design field. The development and application of the FBS model were reviewed. Firstly, the FBS model was introduced from the definition of FBS model, the proposal and development of the concept of relevant variables, and the optimization and improvement of the FBS model, etc. Secondly, through the analysis of relevant domestic and foreign literature, the research and application of the FBS model were classified. The existing research was mainly concentrated on the development of the FBS model itself, the integration of methods based on the FBS model, and the application of the FBS model mapping mechanism, etc. Finally, for the future research and application of the FBS model, the existing problems of the FBS model were presented and some research suggestions were provided.

innovative design; innovative method; FBS model; integration; mapping

TH 122

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050765

A

2095-302X(2022)05-0765-11

2022-03-21；

2022-06-23

21 March，2022；

23 June，2022

國家自然科學基金項目(51575158)；河北省自然科學基金項目(E2021202079)

National Natural Science Foundation of China (51575158); Natural Science Foundation of Hebei Province (E2021202079)

白仲航(1978-)，男，教授，博士。主要研究方向為創(chuàng)新設(shè)計、功能設(shè)計和工業(yè)設(shè)計等。E-mail：baizhonghang@hebut.edu.cn

BAI Zhong-hang (1978-), professor, Ph.D. His main research interests cover innovative design, function design and industrial design, etc. E-mail：baizhonghang@hebut.edu.cn

張新新(1991-)，女，講師，博士。主要研究方向為感性工學、工業(yè)設(shè)計理論及方法等。E-mail：zhangxinxin@hebut.edu.cn

ZHANG Xin-xin (1991-), lecturer, Ph.D. Her main research interests cover Kansei engineering, industrial design theory and methods, etc. E-mail：zhangxinxin@hebut.edu.cn