Funkční chování-strukturní ontologie - Function-Behaviour-Structure ontology

The Funkční chování-strukturní ontologie - nebo zkráceně FBS ontologie - je aplikován ontologie návrhových předmětů, tj. věcí, které byly nebo mohou být navržen. Ontologie Function-Behavior-Structure konceptualizuje designové objekty ve třech ontologických kategoriích: funkce (F), chování (B) a struktura (S). FBS ontologie byla použita v věda o designu jako základ pro modelování procesu navrhování jako souboru odlišných činností. Tento článek se týká konceptů a modelů navržených Johnem S. Gero a jeho spolupracovníky. Podobné myšlenky vyvinuli nezávisle další badatelé.[1][2][3]

Přehled

Ontologické kategorie tvořící ontologii funkce-chování-struktura jsou definovány takto:[4][5]

  • Funkce (F): teleologie (účel) designového objektu. Například funkce a rychlonabíječka zahrnují zvýšení výkonu motoru, zajištění spolehlivosti a cenové dostupnosti.
  • Chování (B): atributy, které lze odvodit ze struktury konstrukčního objektu. Chování turbodmychadla například zahrnuje atributy jako hmotnostní průtok vzduchu, poměr účinnosti, tepelná pevnost a hmotnost.
  • Struktura (S): komponenty konstrukčního objektu a jejich vztahy. V příkladu turbodmychadla struktura zahrnuje komponenty turbodmychadla (kompresor, turbína, šachta atd.) a jejich prostorové rozměry, propojení a materiály.

Tři ontologické kategorie jsou vzájemně propojeny: Funkce je spojena s chováním a chování je spojeno se strukturou. Mezi funkcí a strukturou neexistuje žádné spojení.

Ontologické modely navrhování

Ontologie Function-Behavior-Structure je základem pro dva rámce navrhování: rámec FBS a jeho rozšíření, situovaný rámec FBS. Představují proces navrhování jako transformace mezi funkcí, chováním a strukturou a jejich podtřídami.

Rámec funkce-chování-struktura

Původní verzi rámce FBS publikoval John S.Gero v roce 1990.[6] Aplikuje ontologii FBS na proces navrhování dalším artikulací tří ontologických kategorií. V této artikulaci se chování (B) specializuje na očekávané chování (Be) („požadované“ chování) a chování odvozené ze struktury (Bs) („skutečné“ chování). Kromě stávajících ontologických kategorií jsou navíc zavedeny dva další pojmy: požadavky (R), které představují záměry klienta, které přicházejí zvenčí designéra, a popis (D), který představuje zobrazení designu vytvořeného návrhářem. Na základě těchto artikulací rámec FBS navrhuje osm procesů, které jsou při navrhování považovány za zásadní,[4][7] konkrétně:

Obrázek ukazující rámec funkce-chování-struktura.
Rámec funkce-chování-struktura
  1. Formulace: formuluje problémový prostor transformací požadavků do funkce státní prostor (R → F) a transformace funkcí do stavu stavu chování (F → Be).
  2. Syntéza: generuje strukturu na základě očekávání prostoru stavu chování (Be → S).
  3. Analýza: odvozuje chování z generované struktury (S → Bs).
  4. Hodnocení: porovnává očekávané chování s chováním odvozeným ze struktury (Be ↔ Bs).
  5. Dokumentace: vytvoří popis návrhu na základě struktury (S → D).
  6. Typ přeformulování 1: upravuje stavový prostor struktury na základě reinterpretace struktury (S → S ’).
  7. Reformulace typu 2: upravuje stavový stav chování na základě reinterpretace struktury (S → Be ').
  8. Reformulace typu 3: upravuje funkční stavový prostor na základě reinterpretace struktury a následné přeformulování očekávaného chování (S → F 'přes Be).

Příklad

Osm základních procesů v rámci FBS je znázorněno pomocí procesu návrhu turbodmychadla.

  1. Formulace: Externí požadavky (R) na turbodmychadlo jsou konstruktérem interpretovány jako funkce (F), včetně zvýšení výkonu motoru. Poté se vytvoří sada chování (Be), od kterých se očekává dosažení této funkce. Zahrnují hmotnostní průtok vzduchu a poměry účinnosti pro rozsah otáček motoru.
  2. Syntéza: Na základě očekávaného chování (Be) se vyrábí struktura (S), která zahrnuje komponenty jako kompresor, turbína, sestava jádra, hřídel a jejich vzájemné propojení. Zahrnuje také jejich geometrii a materiály.
  3. Analýza: Po vytvoření struktury (S) lze na základě této struktury odvodit „skutečné“ chování (Bs). To může zahrnovat fyzické testování prototypů (např. Pro měření hmotnostního toku vzduchu) a výpočetní simulace (např. Pro výpočet tepelného chování).
  4. Hodnocení: „Skutečné“ chování (Bs) turbodmychadla se porovnává s očekávaným chováním (Be), aby bylo možné posoudit, zda současný design turbodmychadla funguje podle potřeby.
  5. Dokumentace: Konstrukce turbodmychadla je dokumentována generováním popisu (D), obvykle a CAD model, na základě struktury (S).
  6. Reformulace typu 1: Návrhář upravuje prostor možných konstrukčních struktur (S) začleněním nové komponenty, jako je variabilní kluzný prstenec dovnitř turbíny.
  7. Reformulace typu 2: Návrhář upravuje prostor očekávaného chování (Be) zavedením nového řídicího chování, které umožňuje měnit hmotnostní průtok vzduchu. To je důsledek zavedení variabilního kluzného kroužku do konstrukční struktury (S).
  8. Reformulace typu 3: Konstruktér upraví funkční prostor (F) přizpůsobením tak, aby vyhovoval potřebám motoru se zvýšenou teplotou výfukových plynů. Toto je založeno na objevu vysoké tepelné pevnosti (Be) stávajících konstrukčních materiálů (S).

Rámec situované funkce-chování-struktura

Umístěný rámec FBS vyvinuli John S.Gero a Udo Kannengiesser v roce 2000[7] jako rozšíření rámce FBS k výslovnému zachycení role situované poznání nebo situovanost v navrhování.[8][9]

Situovanost

Základním předpokladem, na kterém je založen situovaný rámec FBS, je to, že navrhování zahrnuje interakce mezi třemi světy: vnějším světem, interpretovaným světem a očekávaným světem. Jsou definovány takto:[4][5][7]

  • Vnější svět: obsahuje věci ve „vnějším“ světě (například ve fyzickém prostředí návrháře)
  • Interpretovaný svět: obsahuje zkušenosti, vjemy a koncepty vytvořené interakcí designéra s vnějším světem
  • Očekávaný svět: obsahuje očekávání výsledků návrhářových akcí, vedená cíli a hypotézami o současném stavu světa

Tyto tři světy jsou propojeny čtyřmi třídami interakce:

  • Výklad: transformuje proměnné snímané ve vnějším světě na proměnné v interpretovaném světě
  • Zaostřování: vybírá podmnožiny proměnných v interpretovaném světě a používá je jako cíle v očekávaném světě
  • Akce: mění vnější svět podle cílů a hypotéz, které tvoří očekávaný svět
  • Konstruktivní paměť: vytváří vzpomínky v důsledku reinterpretace minulých zkušeností. Je založen na konstruktivistickém modelu lidské paměti.[10] ve kterém jsou odrazy generovány nové vzpomínky[8]

Situovanost a kombinace FBS

Umístěný rámec FBS je výsledkem sloučení třísvětového modelu situovanosti s původním rámcem FBS specializací ontologických kategorií takto:[4][5][7]

  • Fei: očekávaná funkce
  • Fi: interpretovaná funkce
  • FE: externí funkce
  • FRE: externí požadavky na funkci
  • Býti: očekávané chování
  • Bi: interpretované chování
  • BE: vnější chování
  • BRE: externí požadavky na chování
  • Sei: očekávaná struktura
  • Si: interpretovaná struktura
  • SE: vnější struktura
  • SRE: vnější požadavky na strukturu
Obrázek zobrazující umístěný rámec Function-Behavior-Structure.
Rámec situované funkce-chování-struktura

20 procesů spojuje tyto specializované ontologické kategorie. Vypracovávají a rozšiřují osm základních procesů v rámci FBS a poskytují více popisné síly s ohledem na situovanost navrhování.

  1. Formulace: generuje návrhový stavový prostor z hlediska funkčního stavového prostoru (proces 7 na obrázku zobrazující umístěný rámec Function-Behavior-Structure), stavového prostoru chování (procesy 8 a 10) a stavového prostoru struktury (proces 9) . Je založen na interpretaci vnějších požadavků na funkci (proces 1), chování (proces 2) a strukturu (proces 3) a na konstrukci pamětí funkce (proces 4), chování (proces 5) a struktura (proces 6).
  2. Syntéza: vytvoří návrhové řešení, které je bodem ve stavovém prostoru struktury (proces 11) a externí reprezentace tohoto řešení (proces 12).
  3. Analýza: interpretuje syntetizovanou strukturu (proces 13) a odvozuje chování z této struktury (proces 14).
  4. Hodnocení: porovnává očekávané chování s interpretovaným chováním (proces 15).
  5. Dokumentace: vytváří externí reprezentaci návrhu, která může být z hlediska struktury (proces 12), chování (proces 17) a funkce (proces 18).
  6. Typ přeformulování 1: generuje nový nebo upravený stavový prostor struktury (proces 9). Potenciální hnací síly této formulace zahrnují procesy 3, 6 a 13.
  7. Reformulace typu 2: generuje nový nebo upravený stavový prostor chování (proces 8). Potenciální hnací síly této formulace zahrnují procesy 2, 5, 14 a 19.
  8. Reformulace typu 3: generuje nový nebo změněný funkční stavový prostor (proces 7). Potenciální hnací síly této formulace zahrnují procesy 1, 4, 16 a 20.

Aplikace

FBS ontologie byla použita jako základ pro modelování návrhů (výsledky navrhování) a návrhových procesů (činnosti navrhování) v řadě designových oborů, včetně inženýrského designu, architektury, stavebnictví a softwarového designu.[11][12][13][14][15][16][17] Zatímco ontologie FBS byla diskutována z hlediska její úplnosti,[18][19][20][21] několik výzkumných skupin jej rozšířilo tak, aby vyhovovalo potřebám jejich konkrétních domén.[22][23][24][25][26][27][28]Také se používá jako schéma pro kódování a analýza studií chování návrhářů.[29][30][31][32][33]

Poznámky

  1. ^ Umeda a kol. (1990)
  2. ^ Chandrasekaran and Josephson (2000)
  3. ^ Bhatta a Goel (1994)
  4. ^ A b C d Gero a Kannengiesser (2004)
  5. ^ A b C Gero a Kannengiesser (2014)
  6. ^ Gero (1990)
  7. ^ A b C d Gero a Kannengiesser (2002)
  8. ^ A b Schön (1983)
  9. ^ Clancey (1997)
  10. ^ Dewey (1896)
  11. ^ Deng (2002)
  12. ^ Christophe a kol. (2010)
  13. ^ Clayton a kol. (1999)
  14. ^ Kruchten (2005)
  15. ^ Howard a kol. (2008)
  16. ^ Yan (1993)
  17. ^ Colombo et al. (2007)
  18. ^ Galle (2009)
  19. ^ Dorst a Vermaas (2005)
  20. ^ Vermaas a Dorst (2007)
  21. ^ Ralph (2010)
  22. ^ Cascini a kol. (2013)
  23. ^ Uflacker a Zeier (2008)
  24. ^ Cebrian-Tarrason a kol. (2008)
  25. ^ Gu et al. (2012)
  26. ^ Eichhoff a Maass (2011)
  27. ^ Russo a kol. (2012)
  28. ^ Begoli, Edmon (květen 2014). Architektura procedurálního uvažování pro instrukce založené na analýze aplikovaného chování (1. vyd.). Knoxville, Tennessee, USA: University of Tennessee, Knoxville. str. 44–79. Citováno 14. října 2017.
  29. ^ Jiang (2012)
  30. ^ Kan (2008)
  31. ^ Kan a Gero (2009)
  32. ^ McNeill (1998)
  33. ^ Lammi (2011)

Reference

  • Bhatta S.R. a Goel A.K. (1994) „Modelový objev fyzikálních principů ze zkušeností s designem“, Umělá inteligence pro konstrukční návrh, analýzu a výrobu, 8(2), s. 113–123.
  • Cascini G., Fantoni G. a Montagna F. (2013) „Situační potřeby a požadavky v rámci FBS“, Designové studie, 34(5), s. 636–662.
  • Cebrian-Tarrason D., Lopez-Montero J.A. a Vidal R. (2008) „OntoFaBeS: Ontology design based in FBS framework“, Konference o designu CIRP 2008, University of Twente.
  • Chandrasekaran B. a Josephson J.R. (2000) „Funkce v reprezentaci zařízení“, Inženýrství s počítači, 16(3-4), s. 162–177.
  • Christophe F., Bernard A. a Coatanéa É. (2010) „RFBS: Model pro reprezentaci znalostí koncepčního designu“, CIRP Annals - výrobní technologie, 59(1), s. 155–158.
  • Clancey, W.J. (1997) Situované poznání: O lidských znalostech a počítačových reprezentacích, Cambridge University Press, Cambridge. ISBN  0-521-44871-9.
  • Clayton M.J., Teicholz P., Fischer M. a Kunz J. (1999) „Virtuální komponenty sestávající z formy, funkce a chování“, Automatizace ve stavebnictví, 8(3), s. 351–367.
  • Colombo G., Mosca A. a Sartori F. (2007) „K návrhu inteligentních systémů CAD: ontologický přístup“, Pokročilá inženýrská informatika, 21(2), s. 153–168.
  • Eichhoff J.R. a Maass W. (2011) „Reprezentace a opětovné použití znalostí o designu: aplikace pro podporu prodeje“, Znalostní a inteligentní informační a inženýrské systémy, LNCS 6881, Springer, str. 387–396.
  • Deng Y.M. (2002) „Reprezentace funkcí a chování v koncepčním mechanickém návrhu“, Umělá inteligence pro konstrukční návrh, analýzu a výrobu, 16(5), s. 343–362.
  • Dewey J. (1896 přetištěno v roce 1981) „Koncept reflexního oblouku v psychologii“, Psychologický přehled, 3, str. 357–370.
  • Dorst K. a Vermaas P.E. (2005) „John Gero's Function-Behavior-Structure model of designing: a critical analysis“, Výzkum v oblasti konstrukčního designu, 16(1-2), s. 17–26.
  • Galle P. (2009) „The ontology of Gero's FBS model of designing“, Designové studie, 30(4), s. 321–339.
  • Gero J.S. (1990) „Design prototypes: a knowledge representation schema for design“, AI Magazine, 11(4), s. 26–36.
  • Gero J.S. a Kannengiesser U. (2002) „The framework function-behavior-structure framework“, Umělá inteligence v designu '02, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, str. 89–104.
  • Gero J.S. a Kannengiesser U. (2004) „The framework function-behavior-structure framework“, Designové studie, 25(4), s. 373–391.
  • Gero J.S. a Kannengiesser U. (2014) „Funkčně-behaviorální struktura ontologie designu“, v A. Chakrabarti a L.T.M. Požehnání (eds) Antologie teorií a modelů designu, Springer, str. 263–283.
  • Gu C.-C., Hu J., Peng Y.-H. a Li S. (2012) „FCBS model pro reprezentaci funkčních znalostí v koncepčním designu“, Journal of Engineering Design, 23(8), s. 577–596.
  • Howard T.J., Culley S.J. a Dekoninck E. (2008) „Popis procesu tvůrčího návrhu integrací inženýrského designu a kognitivní psychologické literatury“, Designové studie, 29(2), s. 160–180.
  • Jiang H. (2012) „Porozumění koncepčním designovým aktivitám seniorských studentů“, disertační práce, Singapurská národní univerzita.
  • Kan J.W.T. (2008) „Kvantitativní metody pro studium návrhových protokolů“, disertační práce, The University of Sydney, Sydney.
  • Kan J.W.T. a Gero J.S. (2009) „Využití ontologie FBS k zachycení sémantických návrhových informací ve studiích návrhového protokolu“, J. McDonnell a P. Lloyd (eds) O nás: Navrhování. Analýza návrhových schůzek, CRC Press, str. 213–229.
  • Kruchten P. (2005) „Casting software design in the function-behavior-structure framework“, Software IEEE, 22(2), s. 52–58.
  • Lammi M.D. (2011) „Charakterizace systémů myšlení studentů středních škol ve strojírenském designu prostřednictvím rámce funkce-chování-struktura (FBS)“, disertační práce, Utah State University, Logan.
  • McNeill T. (1998) „Anatomy of Conceptual Electronic Design“, doktorská disertační práce, University of South Australia, Adelaide.
  • Ralph P. (2010) „Srovnání dvou teorií procesu návrhu softwaru“, Globální perspektivy výzkumu vědy o designu, LNCS 6105, Springer, str. 139–153.
  • Russo D., Montecchi T. a Ying L. (2012) „Functional-based search for Patent Technology Transfer“, Sborník konferencí ASME 2012 International Design Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC / CIE 2012„12. – 15. Srpna 2012, Chicago, IL, DETC2012-70833.
  • Schön D.A. (1983) Reflexní praktik: Jak profesionálové myslí v akci, Harper Collins, New York. ISBN  0-465-06874-X.
  • Uflacker M. a Zeier A. (2008) „Rozšíření rámce situované funkce-chování-struktura pro návrh softwaru zaměřeného na uživatele“, Design Computing and Cognition '08, Springer, str. 241–259.
  • Umeda Y., Takeda H., Tomiyama T. a Yoshikawa H. (1990) „Funkce, chování a struktura“, Aplikace umělé inteligence ve strojírenství V, Sv. 1, s. 177–194.
  • Vermaas P.E. a Dorst K. (2007) „O koncepčním rámci modelu FBS Johna Gera a normativních cílech metodiky designu“, Designové studie, 28(2), s. 133–157.
  • Yan M. (1993) „Reprezentace znalostí designu jako sítě funkcí, chování a struktury“, Designové studie, 14(3), s. 314–329.