劉曉平， 陳 欣， 路 強(qiáng)， 唐益明， 陸勁挺

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院可視化與協(xié)同計(jì)算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

功能模型格式語(yǔ)言FFL及FFL模型研究

劉曉平， 陳 欣， 路 強(qiáng)， 唐益明， 陸勁挺

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院可視化與協(xié)同計(jì)算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

功能模型是概念設(shè)計(jì)的核心處理對(duì)象。首先，在分析比較功能樹(shù)和可拓功能模型的基礎(chǔ)上，提出了基于 XML的功能模型格式語(yǔ)言 FFL（Function-model Format Language），總結(jié)并提煉了FFL的定義與特征，歸納并闡述了FFL的語(yǔ)法規(guī)則和語(yǔ)義約束；其次，提出了基于FFL的可拓功能模型到功能樹(shù)的轉(zhuǎn)換算法；最后，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了 FFL在促進(jìn)功能模型之間的聯(lián)系和溝通中的重要作用。

概念設(shè)計(jì)；功能模型；功能模型格式語(yǔ)言；可拓學(xué)；功能樹(shù)

Path和Beitz指出概念設(shè)計(jì)是研究如何滿足設(shè)計(jì)需求的過(guò)程，具體而言，其過(guò)程為：從設(shè)計(jì)需求出發(fā)，建立功能的結(jié)構(gòu)，并將功能分解為子功能的組合，尋求恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原理分別去滿足這些子功能，然后選擇合適的滿足總功能的原理組合，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇得到較好的設(shè)計(jì)概念[1]。其中，擬定功能結(jié)構(gòu)、進(jìn)行功能分解、子功能求解與組合等事實(shí)上就是功能模型的建立與處理過(guò)程。可見(jiàn)，功能模型是概念設(shè)計(jì)的核心處理對(duì)象[2]。

在當(dāng)前的概念設(shè)計(jì)階段，主要借助樹(shù)、圖、網(wǎng)、知識(shí)、形式化語(yǔ)言等方式對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[3]介紹了當(dāng)前已有的功能模型，比如形式化語(yǔ)言、知識(shí)、圖、網(wǎng)、對(duì)象模型等。文獻(xiàn)[4]對(duì)功能的知識(shí)建模進(jìn)行了分類(lèi)，包括功能分解樹(shù)、功能實(shí)現(xiàn)分層方法、AD Hoc分類(lèi)樹(shù)、功能概念本體等。文獻(xiàn)[5]提出了用與、或分解的功能方法樹(shù)作為概念設(shè)計(jì)中創(chuàng)新的工具，用來(lái)選擇TRIZ中場(chǎng)的類(lèi)型。功能樹(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[6]以可拓學(xué)中的物元形式描述功能，建立了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的物元模型?？赏貙W(xué)理論[7]是以蔡文研究員為首的我國(guó)學(xué)者們創(chuàng)立的，它為解決矛盾問(wèn)題、啟發(fā)創(chuàng)新提供了新思路，所以對(duì)基于可拓學(xué)的功能模型的研究是一個(gè)新的探索點(diǎn)。

由此可見(jiàn)，概念設(shè)計(jì)階段的功能模型種類(lèi)繁多，但基本呈現(xiàn)相互割裂、互相獨(dú)立的狀態(tài)，而功能模型各有優(yōu)缺點(diǎn)和特有的推理方法，可以相互輔助、互相借鑒，以期更有效地完成設(shè)計(jì)目標(biāo)；另一方面，可以綜合運(yùn)用多種功能模型解決復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題。這就強(qiáng)調(diào)功能模型之間應(yīng)該具備一定聯(lián)系和溝通的橋梁。因此，研究一種方法用來(lái)描述功能模型，從而方便地實(shí)現(xiàn)功能模型之間的相互聯(lián)系和綜合分析是十分必要的。

然而，研究一種通用的功能模型描述方法是一項(xiàng)艱巨、長(zhǎng)期的工作。因此，本文對(duì)功能模型中具有代表性的功能樹(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。功能樹(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形象直觀，但是建樹(shù)的過(guò)程主要依賴(lài)領(lǐng)域?qū)＜覀€(gè)人的知識(shí)水平，可遵循的規(guī)律較少，且自頂向下的設(shè)計(jì)模式啟發(fā)性較弱，因而在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，仍需對(duì)建成的功能樹(shù)進(jìn)行相似擴(kuò)展[8-9]等推理，從而進(jìn)一步豐富功能樹(shù)所包含的設(shè)計(jì)信息。而可拓學(xué)的分析方法結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，層次感不強(qiáng)，但具有發(fā)散性好、可擴(kuò)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以將可拓學(xué)的研究成果應(yīng)用于與功能樹(shù)相關(guān)的研究分析中，增強(qiáng)功能樹(shù)分析法的豐富性和創(chuàng)新性。

基于此，本文將可拓學(xué)的相關(guān)知識(shí)與概念設(shè)計(jì)的功能分析相結(jié)合，提出了可拓功能模型的概念，并對(duì)功能樹(shù)與可拓功能模型進(jìn)行了相關(guān)研究。由此，提出了基于XML[10]的功能模型格式語(yǔ)言FFL，應(yīng)用EBNF(extended Backus-Naur form)范式定義了FFL的語(yǔ)法規(guī)則，并研究了利用FFL實(shí)現(xiàn)可拓功能模型向功能樹(shù)轉(zhuǎn)換的機(jī)制，提出了相應(yīng)的算法。FFL語(yǔ)言的研究，可以實(shí)現(xiàn)可拓功能模型向功能樹(shù)的轉(zhuǎn)換，在一定程度上為探索描述多種功能模型的方法，進(jìn)而促進(jìn)更多功能模型之間的聯(lián)系和溝通打下了基礎(chǔ)。

1 可拓功能模型

在可拓學(xué)中，為了形式化描述物、事和關(guān)系，建立了物元、事元與關(guān)系元的概念，統(tǒng)稱(chēng)為基元?？赏貙W(xué)基元的概念為描述事物的質(zhì)與量、事物之間的相互作用提供了強(qiáng)有力的形式化工具，它與功能的屬性、屬性的量值以及功能間的聯(lián)系具有一定的映射關(guān)系，所以將可拓學(xué)基元概念應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)的功能描述中。

對(duì)于復(fù)雜的功能需求，單純應(yīng)用物元、事元或者關(guān)系元都不能貼切地描述功能，所以本文將可拓學(xué)中的基元加以變換，形成適用于概念設(shè)計(jì)的基元概念。在分析、總結(jié)了概念設(shè)計(jì)中功能的合理表達(dá)方式之后，將事元和物元、事元和事元加以組合，形成功能復(fù)合元來(lái)描述功能信息，然后利用拓展分析方法中的發(fā)散分析、蘊(yùn)含分析和相關(guān)分析[11]聯(lián)結(jié)不同的功能，從而形成了基于可拓學(xué)應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)功能分析的可拓功能模型。

定義1 功能復(fù)合元 若Af1=(Oa1,Ca1,Va1)，Af2=(Oa2,Ca2,Va2)，則Af1(Af2) = (Oa1,ca1,Af2)為事元與事元形成的功能復(fù)合元；若Mf=(Om,Cm,Vm)，Af1=(Oa1,Ca1,Va1)，Af2=(Oa2,Ca2,Va2)，則Af(Mf) = (Oa,ca,Mf)或者Af1(Af2(Mf))=(Oa1,Ca1, (Oa2,Ca2,Mf))為物元和事元形成的功能復(fù)合元的兩種形式，以上統(tǒng)稱(chēng)為功能復(fù)合元。

可拓功能模型分析法可擴(kuò)性強(qiáng)，可以極大地豐富功能模型所包含的設(shè)計(jì)信息，啟發(fā)設(shè)計(jì)者的發(fā)散性思維，為概念設(shè)計(jì)的功能分析提供了一種全新的思路和拓展方法。

2 基于可拓功能模型與功能樹(shù)的FFL模型研究

FFL是基于XML的、用來(lái)描述功能模型信息的標(biāo)記語(yǔ)言，用FFL進(jìn)行描述的功能模型即為FFL模型。FFL的語(yǔ)法定義不僅符合XML的語(yǔ)法規(guī)范，同時(shí)它又有一套自身的語(yǔ)法規(guī)則和FFL Schema文檔類(lèi)型約束。

2.1 FFL的語(yǔ)法規(guī)則

為了滿足概念設(shè)計(jì)的需要，同時(shí)更有效地描述功能模型信息，F(xiàn)FL定義了一套自身的語(yǔ)法規(guī)則，使得功能模型信息能夠被更加精確、簡(jiǎn)潔地表現(xiàn)出來(lái)。應(yīng)用EBNF范式表示FFL的語(yǔ)法如下：

（1） 式說(shuō)明一個(gè)FFL文檔由XML聲明、若干注釋及一個(gè)名為FFLModel的根元素組成。

（2） 式說(shuō)明FFL模型應(yīng)該有一個(gè)模型名稱(chēng)和節(jié)點(diǎn)列表，并且可以有多個(gè)屬性。模型名稱(chēng)用來(lái)標(biāo)識(shí)此模型，它可以是任意的字符串，但命名最好能夠體現(xiàn)模型的本質(zhì)特征。FFL模型以節(jié)點(diǎn)的形式表示功能，所以節(jié)點(diǎn)列表涵蓋了所有的功能節(jié)點(diǎn)信息。

（5） 式指出了每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)Node可以具有的組成部分，可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇。

（6） 式指出NodeID具有不可重復(fù)性，它能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，NodeID的值最好有一定規(guī)律和延續(xù)性。

（7） 式中NodeName表示節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)即功能名稱(chēng)，它作為一類(lèi)設(shè)計(jì)信息是比較重要的，因此名稱(chēng)的選取要能高度概括功能信息，避免出現(xiàn)二意性和模糊性，使用“動(dòng)詞+名詞”的表達(dá)方式是比較常用的做法。

（8） 式中Feature包含對(duì)功能節(jié)點(diǎn)所具有的特征的描述，它可以是零到多個(gè)，特征相應(yīng)的有特征值描述，見(jiàn)（9）式。另可以將功能節(jié)點(diǎn)的特征作為節(jié)點(diǎn)屬性加以展現(xiàn)。

（10）、（11）式中NodeInList和NodeOutList表明了某一節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上與其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，對(duì)于功能樹(shù)來(lái)說(shuō)，NodeInList表示某一節(jié)點(diǎn)入度對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)列表，NodeOutList表示某一節(jié)點(diǎn)的出度對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)列表。

（12）、（13）、（14）式說(shuō)明了節(jié)點(diǎn)之間可能具有的關(guān)系，包括自定義的關(guān)系和功能樹(shù)、可拓功能模型所特有的關(guān)系，需要根據(jù)具體的需求進(jìn)行定義。

本文只是列出了最主要的語(yǔ)法表示部分，對(duì)于FFL語(yǔ)法的EBNF表示沒(méi)有完整地羅列出來(lái)。

2.2 FFL的文檔類(lèi)型約束

FFL不僅有自身的語(yǔ)法定義，同樣地，它也有相應(yīng)的文檔類(lèi)型約束，從而對(duì)FFL中元素的內(nèi)容和屬性進(jìn)行規(guī)范，使其滿足不同功能模型的特殊需求。FFL Schema是一個(gè)XML Schema文檔，用于定義一個(gè)FFL文檔的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容約束及元素類(lèi)型等。下面給出FFL中比較重要元素的Schema約束和元素類(lèi)型的Schema定義。

節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系可以根據(jù)不同的功能模型進(jìn)行定義，關(guān)系類(lèi)型是受FFL Schema約束的。TreeRType類(lèi)型聲明了功能樹(shù)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系；ExtFuncType類(lèi)型聲明了可拓學(xué)中定義的同物、同征、同值、相關(guān)和蘊(yùn)含5種關(guān)系，以上內(nèi)容均可以根據(jù)實(shí)際的功能模型進(jìn)行定義和完善。

2.3 基于FFL的模型轉(zhuǎn)換算法

功能樹(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形象直觀，但是啟發(fā)性較弱、可遵循的規(guī)律較少；而可拓功能模型在擴(kuò)展設(shè)計(jì)信息、啟發(fā)設(shè)計(jì)者的發(fā)散性思維方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、層次不分明。兩種功能模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用均不能達(dá)到最佳的效果，因此，為了彌補(bǔ)相互的不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以將可拓功能模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功能樹(shù)，既加強(qiáng)了可拓功能模型與功能樹(shù)之間的聯(lián)系，同時(shí)增強(qiáng)了功能樹(shù)分析法的豐富性和創(chuàng)新性。

另一方面，F(xiàn)FL作為一種功能模型的標(biāo)記語(yǔ)言具有許多優(yōu)點(diǎn)。它的語(yǔ)法嚴(yán)格規(guī)范，字段都是由文本和標(biāo)簽組成，可讀性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)；FFL的文檔易于保存，且占用空間較小，提高了設(shè)計(jì)結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率；同時(shí)，應(yīng)用FFL能充分描述功能模型的節(jié)點(diǎn)信息、節(jié)點(diǎn)關(guān)系信息和推理信息等。因此，利用FFL作為轉(zhuǎn)換功能模型的中間橋梁具有一定的優(yōu)勢(shì)。

可拓功能模型到功能樹(shù)的轉(zhuǎn)換步驟為：先將可拓功能模型轉(zhuǎn)換為FFL模型，再將FFL模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功能樹(shù)。由于可拓功能模型可能是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以在轉(zhuǎn)換成以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)描述的FFL模型時(shí)，就需要進(jìn)行相應(yīng)的變換，形成多個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的FFL模型，而FFL模型轉(zhuǎn)換成功能樹(shù)的步驟則相對(duì)簡(jiǎn)單。所以以下僅介紹可拓功能模型到FFL模型的轉(zhuǎn)換算法。

算 法 1 可拓功能模型到FFL模型的轉(zhuǎn)換算法

STEP 1 若使用蘊(yùn)含分析得到可拓功能模型，先在所有的蘊(yùn)含關(guān)系中找到最上位基元Af作為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)；若使用發(fā)散分析得到可拓功能模型，轉(zhuǎn)STEP5；若使用相關(guān)分析得到可拓功能模型，轉(zhuǎn)STEP10；

STEP 2 沿著蘊(yùn)含的逆方向，找到Af所有的下位基元，壓入棧Q，并將所有的下位基元作為Af的子節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入FFL模型中；

STEP 3 若棧Q不為空，取棧Q中的首基元Ai，令A(yù)f：=Ai，Ai出棧，轉(zhuǎn)STEP2；

STEP 4 若棧Q為空，轉(zhuǎn)STEP14；

STEP 5 找到發(fā)散分析的目標(biāo)基元Bf，使其作為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)；

STEP 6 沿發(fā)散方向，找到Bf發(fā)散出的所有基元，若發(fā)散基元Bi與Bf為不同物基元，壓入棧Pi，并將以Bi為起點(diǎn)的發(fā)散結(jié)果從以Bf為起點(diǎn)的發(fā)散結(jié)果中移除；否則壓入棧Q，并將棧Q中基元作為Bf的子節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入FFL模型中；

STEP 7 若棧Q不為空，取棧Q中的首基元Bi，令Bf：=Bi，Bi出棧，轉(zhuǎn)STEP6；

STEP 8 若棧Q為空且棧Pi不為空，取棧Pi中的首基元Bi，新建以Bi為根節(jié)點(diǎn)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，令Bf：=Bi，轉(zhuǎn)STEP6；

STEP 9 若棧Pi為空，轉(zhuǎn)STEP14；

STEP 10 找到要分析的基元fC，使其作為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，定義數(shù)組v[i]為基元iC是否被訪問(wèn)過(guò)的標(biāo)志，數(shù)組c[i]為iC是否有子節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志，初始化v[i]：=false，c[i]：=false，v[0]：=true；

STEP 11 找到fC的所有相關(guān)基元，若相關(guān)基元iC，使（v[i]==true &&c[i]==false）為真，或者使v[i]==false為真，則將iC壓入棧Q，并將其作為fC的子節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入FFL模型中，令v[i]：=true，c[f]：=true；

圖1 由功能需求推出的可拓功能模型

STEP 12 若棧Q不為空，取棧Q中的首基元Ci，令Cf：=Ci，Ci出棧，轉(zhuǎn)STEP11；

STEP13 若棧Q為空，轉(zhuǎn)STEP14；

STEP14 結(jié)束。

3 實(shí)例與結(jié)果分析

由圖1可見(jiàn)，與原來(lái)的音樂(lè)功能相比，經(jīng)過(guò)發(fā)散分析拓展出14種其他功能或需求，包括為產(chǎn)品M安裝電子詞典、錄制視頻、處理音樂(lè)等，其中拓展出音頻功能、視頻功能、設(shè)備開(kāi)發(fā)三大模塊。相比之下，若只應(yīng)用功能樹(shù)分析法分析同一需求，則可能因自頂向下設(shè)計(jì)模式自身的缺陷以及相關(guān)知識(shí)的匱乏而使分析結(jié)果所包含的設(shè)計(jì)信息顯得不足和創(chuàng)新性不夠。所以，將可拓功能模型的分析結(jié)果轉(zhuǎn)換成功能樹(shù)，既發(fā)揮了可拓功能模型的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了功能樹(shù)的不足。經(jīng)轉(zhuǎn)換后的功能樹(shù)結(jié)構(gòu)性好，包含了豐富的設(shè)計(jì)信息，增加了創(chuàng)新的可能。表1為功能樹(shù)、可拓功能模型和經(jīng)FFL轉(zhuǎn)換后的功能樹(shù)3種模型的比較分析。

圖2 可拓功能模型轉(zhuǎn)換成的功能樹(shù)

表1 3種模型的比較分析

4 結(jié) 束 語(yǔ)

FFL是應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域的功能模型格式語(yǔ)言，它提煉并描述了功能模型的節(jié)點(diǎn)信息、節(jié)點(diǎn)關(guān)系信息和推理信息等，是對(duì)功能模型進(jìn)行形式化表示的新方法。本文主要針對(duì)可拓功能模型和功能樹(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，由此定義了FFL的語(yǔ)法和語(yǔ)義，并提出了基于FFL的可拓功能模型到功能樹(shù)的轉(zhuǎn)換算法。FFL的研究，在一定程度上為探索描述多種功能模型的方法，進(jìn)而促進(jìn)更多功能模型之間的聯(lián)系和溝通打下了基礎(chǔ)；另一方面，它提高了設(shè)計(jì)結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，增強(qiáng)了文件的可擴(kuò)展性。但是，F(xiàn)FL的實(shí)現(xiàn)尚有許多不足之處。首先，F(xiàn)FL的應(yīng)用范圍需要不斷地?cái)U(kuò)充，對(duì)功能模型的規(guī)范化研究應(yīng)該不斷深入；其次，F(xiàn)FL的語(yǔ)法應(yīng)嚴(yán)密、準(zhǔn)確，語(yǔ)義應(yīng)更加豐富、易懂；最后，F(xiàn)FL的應(yīng)用領(lǐng)域可以進(jìn)一步擴(kuò)大，這些都是今后研究的重點(diǎn)。

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Research on function-model format language and FFL model

Liu Xiaoping, Chen Xin, Lu Qiang, Tang Yiming, Lu Jingting
( VCC Division, School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China )

Function model is the kernel processing object of the conceptual design. First, a function-model format language (FFL) is proposed based on the analysis of function tree and extenics function model. The reatures of FFL are summarized and the definition and grammar are given. Second, an algorithm of conversion from extenics function model to function tree is put forward. Lastly, an example testifies the important role of FFL in promoting the connections among function models.

conceptual design; function model; function-model format language; extenics;function tree

TP 391

A

1003-0158(2012)01-0001-07

2009-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60673028）；安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金資助項(xiàng)目（2010SQRL013ZD）

劉曉平（1964-），男，山東濟(jì)南人，教授，主要研究方向?yàn)榻?、仿真、協(xié)同計(jì)算與概念設(shè)計(jì)。

book=7,ebook=352