面向产品概念设计的FBAS功能模型及基于该功能模型和基因表达的产品概念设计方法与流程

本发明涉及一种面向产品概念设计的功能模型和一种产品概念设计方法，特别涉及一种面向产品概念设计的fbas功能模型和基于fbas以及基因表达的产品概念设计方法，属于机械产品设计领域。

背景技术：

在经济全球化的今天，国家间竞争的焦点是科技竞争力，而科技竞争力最终取决于企业自主产品设计和开发能力的高低。因此，要实现由经济大国向经济强国转变，关键在于提高我国企业自主产品设计与开发的能力，使企业具有更强的市场竞争力。目前正处于以客户为导向的知识经济时代，多品种、变批量、灵活多变是现代企业经营管理的主要特征，这不仅要求以客户满意度作为企业发展中的重要目标，而且要求产品开发机制具有敏捷性

面对快速变化的消费需求和激烈的竞争环境，现代企业大多把产品研发重点放在如何能以较低的成本在较短的时间内研发出创新性较高、质量较优的产品上。提高产品的创新性以最大程度地满足消费者的需求成为影响企业竞争力的关键因素。产品创新是通过设计过程实现的，而产品设计过程早期的概念设计阶段被认为是对设计人员约束最少、创新空间最大、最能体现设计者经验、智慧和创造性的阶段。研究表明，概念设计阶段是决定产品创新性的关键阶段。该阶段以占产品总成本5％的投入费用，决定70％-80％的产品成本和80％以上的产品特性，且在该阶段的设计失误将在产品试制阶段付出30到70倍的代价。

但是，概念设计阶段产品的设计要求和约束条件是不确切的、模糊的甚至是未知的，这给概念设计带来了很大挑战。采用传统概念设计方法，只是在关键信息不明确、不完整的情况下进行的试探性设计，设计出的方案不一定可行，或者设计出的方案只是一种可行方案，要想得到性能优良的方案还需经过几代样机的研发设计，设计周期长、成本高。因此，如何在已知少量模糊信息的情况下，以较低的成本快速设计出满足设计功能优良的产品成为概念设计研究的重点。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决传统概念设计中因设计信息模糊不全造成的结构方案可行性低，设计周期长，耗费成本高的问题，本发明提出一种面向产品概念设计的fbas功能模型以及基于fbas功能模型和基因表达的产品概念设计方法。

产品概念设计过程包括：根据已知的目标功能与行为之间的映射关系推导实现目标功能的产品行为的过程和根据行为与结构之间的映射关系推导出产品结构方案的过程；

本发明提供的面向产品概念设计的fbas功能模型，在由目标功能与行为之间的映射关系推导实现目标功能的产品行为的过程中，考虑影响该映射关系的、对目标功能具有支撑作用的产品的物理属性；然后根据推导出的产品行为，结合限定产品结构方案的产品的几何属性，确定产品的结构方案。

此外，本发明提供一种基于fbas功能模型及基因表达的产品概念设计方法：

所述fbas功能模型包括：功能f、行为b、属性a和结构s，其中属性a是指影响概念设计过程的产品的物理属性和几何属性；将所述fbas功能模型中的功能f类比为生物性状，结构s类比为生物蛋白质，提出产品基因的概念：所述产品基因是以行为和属性为碱基，以两者之间的本体映射关系为氢键的双链结构；通过对产品基因编码能够得到产品基因链；

所述产品基因基因链的形式为：

形成的所述产品基因链包括编码区和非编码区，所述编码区包括基因地址和位于该基因地址内的碱基元；非编码区包括该产品基因链对应的功能元以及启动子和结束子；其中，启动子指使功能元开始执行的因子；碱基元中包括影响该产品基因链对应的功能元的属性和完成功能元的行为；结束子是表征该功能元完成的因子；

该方法的具体步骤为：

步骤一：功能分解：

依据设定的产品的目标功能，利用分解重构原理对该目标功能进行层次划分，得到能够实现该目标功能的功能元；

步骤二：产品基因的获取：

根据步骤一得到的功能元，从已有的产品基因库中找出与每个功能元对应的产品基因，然后对每个产品基因进行编码，得到每个功能元的产品基因链；所述产品基因库是存储有多个功能元和与每个功能元对应的属性和行为的数据库；

步骤三：对步骤二中获得的每条产品基因链进行破分，然后对两条破分后的产品基因链在破分得到的缺口处进行基因的交叉、组合操作，得到组合基因；

所述破分是指在产品基因链编码区的任意一个位置打开一个缺口，使该产品基因链成为两个基因片段；

所述基因的交叉是指将一个产品基因链破分后得到的基因片段插入到另一个产品基因链的基因缺口处；

所述基因的组合是指将插入基因缺口处的基因片段的碱基元与被插入的产品基因链在该缺口所在地址中的碱基元进行组合，得到组合基因；

能够进行基因的交叉、组合操作的两条产品基因链应满足：对应的两个功能元在功能层次关系上是同级且执行顺序相邻；且当将一个产品基因链的基因片段插入另一个产品基因链的基因缺口处时，只与该缺口所在地址中的碱基元进行随机组合；

步骤四：产品基因的转录：

对步骤二中得到的产品基因和步骤三中得到的组合基因中能够实现且符合客观规律的功能元对应的组合基因进行转录，得到相应的效应解；

所述转录是指从已有的效应解库中找出与每条产品基因和组合基因对应的功能元相匹配的效应解；所述效应解是指能够实现该功能元的方式；所述效应解库是存储有多个功能元和对应实现每个功能元的不同方式的数据库；

步骤五：从已有的结构方案库中找出与步骤四中所得到的每个效应解对应的结构方案；然后将完成每个功能元的结构方案进行随机组合，得到产品结构方案的可行解；所述结构方案库是存储有多个功能元和对应实现每个功能元的不同结构方案的数据库；

步骤六：依据设计目标和设定的评价指标对步骤五得到的可行解进行优选，得到满足产品设计要求的最佳产品结构方案。

所述产品基因库、效应解库和结构方案库为通过分析已有产品，通过逆转录的方法获得，具体为：根据多个现有产品，分析产品的结构，抽象出产品的结构方案存入结构方案库；根据结构方案分析其效应解，存入效应解库；再根据效应解得出产品基因，存入产品基因库。有益效果：

(1)该产品概念设计方法依据设计需求，进行功能划分得到功能元，并用产品基因链表示功能元，然后从已有的产品基因库中找出与功能元对应的产品基因；通过基因的转录翻译操作，从已有的结构方案库中得到产品的结构方案。这种方法不仅查找知识方便，且查找出的知识都是经过实例验证以后存入相应知识库的，更容易满足设计者的需求，价值较高。

(2)通过产品基因的破分、交叉和组合操作，能够得到更多表达相应功能元的产品基因形式，再通过转录和翻译操作生成相应功能元的结构方案可行解。各个功能元的结构方案可行解随机组合，可以得到较多的组合结构可能性，这大大提高了产品结构方案的选择空间和创新空间；选用适当的评价指标，从得到的组合结构方案可行解中优选出最能满足设计要求且性能最优的结构方案，能够大大提高产品的设计质量。

(3)本发明通过对产品概念设计过程分析，提炼出产品基因，然后通过基因操作技术从多个可行结构方案中选出较优的产品结构方案，大大缩短了产品设计周期，降低了设计成本。

附图说明

图1为面向概念设计的fbas功能模型图；

图2为产品基因的获取过程和结构图；

图3为基于fbas功能模型和基因表达的产品概念设计过程框架；

图4为实施例中穿刺装置功能分解图；

图5为实施例中穿刺装置功能编号图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种面向产品概念设计的fbas功能模型，产品概念设计是通过需求功能分析最终生成产品结构方案的过程，本质上是一种功能实现和表达的过程。经典fbs功能模型是已知目标功能(简称f)，根据功能与行为(简称b)之间的映射关系得出实现目标功能的产品行为，然后再根据行为与结构(简称s)之间的映射关系推导出产品的结构方案，由此完成功能的表达。

然而消费者在购买产品时，不仅看的是产品的功能，同时要求产品具有优良属性，一个产品的属性发生变化也意味着该产品的本质发生变化。功能和属性是同时出现不可分割的，功能分析必然要包含着属性分析，因此前面所说的“功能分析”完整的应该是“功能属性分析”。基于此，在通过功能建模进行产品概念设计时，在经典fbs功能模型的基础上加入影响功能表达的关键属性因素，建立基于功能(简称f)、行为(简称b)、属性(简称a)和结构(简称s)的功能模型，如图1所示。其中，功能f回答的是做什么的问题，包括能量类(包括静力)、材料类和信息类，是材料、能量和信息在物体间的合理流动，或由于一种或几种流动所引起的对象属性或关系的改变。能量类如实现能量转变、实现能量存储、实现能量转移等，材料类如实现定位、实现支撑、实现拆装等，信息类如实现启动、完成关机、完成暂停等。行为b指的是功能的实现方式，功能是通过一系列的行为实现的；实现某一功能的行为之间具有一定的关系，有时是并行关系，有时是顺序执行的关系，如转变、存储、连接、定位、支撑、组装等。属性a指的是影响功能实现的某个对象的关键特性，可以通过参数来表达；此处定义的属性主要包括产品的物理属性(pa)和几何属性(ga)，物理属性如可转变性、可移动性、导电性、安全性等，几何属性如形状、长度、高度、宽度等。结构s指的是产品物理实体的结构装配方案，产品结构可以划分为产品、部件、零件等，各个零件之间具有一定的定位关系，零件通过定位装配生成部件，部件再通过一定的组合装配关系形成产品；表达结构方案的主要信息包括材料(如铁质、木质)、形状(如方孔、圆孔)、内部特征(如孔、槽)等。

在本方案中采用工程领域本体语言对产品的功能、行为、属性进行表达，则产品的功能、行为、属性和结构之间的关系可以通过本体之间的关系来表达。根据功能、属性、行为和结构方案的特点，对fbas中个要素之间的关系规定如下：

功能-属性之间的关系是一种名词修饰关系，原因是属性是用来修饰或限定产品功能的，且功能一般是名词或名词短语，属性一般是形容词或副词，因此可以用本体中的名词修饰关系进行表述，如功能为“tohavetemperature”，属性为“high”，则产品的功能属性关系为“hightemperature”＝attribute(“high”+“hastemperature”)function(“tohavetemperature”)；

属性-行为之间的关系：属性为形容词或副词，行为表示动作，一般用动词表示，则行为和属性之间的关系可用动词修饰关系表示，如“fastmove”＝attribute(“fast”)verb(“move”)；

属性-结构方案之间的关系：同功能-属性之间的关系，是一种名词修饰关系；

结构方案-功能之间的关系：由于结构方案是功能实现的具体实施方案，因此可以将功能看作是待解决的问题，结构方案看作解决问题的方案，则功能和结构方案之间的关系可以用问题关系和解决方案关系表示。

fbas功能模型如图1所示，通过功能表达结构方案的途径主要有：

①fs功能模型：对于一些比较简单或者比较标准的功能，可以由目标功能直接映射得到产品的结构方案，即产品概念设计过程为f-s；

②fbas功能扩展模型：在由目标功能推导出产品行为的过程中，考虑影响推导过程的产品的物理属性，在由产品行为推导出结构方案的过程中，考虑影响推导过程的产品的几何属性，即产品概念设计过程为f-pa-b-ga-s。属性在两个推导过程中起到桥梁的作用。由此推导出的产品结构方案会表现出自身的属性、行为和功能，将这些属性、行为和功能与目标功能和由目标功能推导出的属性和行为进行对比，若符合设计要求，则认为是最终的方案(若符合设计要求的结构方案有多个，则从中选出功能最优的结构方案)；若不符合设计要求，则修改属性和行为后再重新进行f-pa-b-ga-s的推导过程，直到得到符合设计要求的结构方案为止(同样若符合设计要求的结构方案有多个，则从中选出功能最优的结构方案)。

实施例2：

本实施例提供一种基于fbas功能模型和基因表达的产品概念设计方法，如图2所示，类比生物基因结构，将fbas功能模型中的功能f类比为生物性状，结构s类比为生物蛋白质，则产品基因可以定义为针对某一特定功能表达过程中能够被后代继承的、标准化的行为b和属性a的集合。因此本方法中将行为b和属性a定义为碱基，将行为b与属性a之间的本体映射关系定义为氢键，则产品基因的载体dna可以表示为以行为b和属性a为碱基，以两者之间的本体映射关系为氢键的双链结构。

由于产品概念设计是通过需求功能分析最终生成产品结构方案的过程，本质上是一种功能实现和表达的过程，类比生物基因结构，即可以看成是一种通过产品功能(“性状”)分析获得产品基因，并通过基因操作最终获得产品结构方案(“蛋白质”)的过程。

基于此，根据产品基因的内涵和结构，类比生物基因工程，提出产品基因的模型和产品基因的编码方法，研究产品基因的相关操作技术，并以此为基础提出基于fbas功能模型和基因表达的产品概念设计方法。

该设计方法中需用到包括功能库、产品基因库、效应解库和结构方案库的知识库。该知识库可以用现有的知识库，或通过分析已有产品，通过逆转录的方法获得。分析已有产品，通过逆转录的方法获得知识库的过程为：根据多个现有产品，分析产品的结构，抽象出产品的结构方案存入结构方案库；根据结构方案分析其效应解，存入效应解库；再根据效应解得出产品基因，存入产品基因库；根据产品基因最终可以分析出产品可以实现的功能，存入功能库。

下面以能够顺利运行到轨道终点并完成刺穿气球的小车设计为例，对该方法进行详细描述。这里的目标功能即总功能为运动到轨道终点并刺破气球，小车从开始启动到完成目标功能需要经过驼峰桥、沼泽、沙地、砂石和油滑地面，然后刺穿设置在小球前1英尺厚的泡沫塑料。根据轨道设计特点，小车的结构应包括行走系统、跨越障碍装置、穿刺装置等几部分，且小车轨道宽度为12英尺，成l形设置。下面仅以穿刺装置为例，对产品基因驱动的概念设计过程进行详细说明。

(1)功能分解：依据产品设计要求获得产品需要满足的功能，然后利用分解重构原理对产品功能进行层次划分，得到能够实现该功能的功能元。功能经过分解得到子功能，子功能再分解得到子子功能，采用这种层次化分解法，直到得到大量的功能元。功能元是功能分解的最后一层，也是功能的最小单位。

本实施例中产品需要满足的功能为刺破目标，为了完成刺破目标，所设计的穿刺装置必须具有三个方面的功能：一是激活穿刺装置；二是使穿刺装置伸展到气球处；三是刺破气球。从穿刺装置激活到刺穿小球的过程中，若穿刺件的朝向与轨道平行且正对小球，则穿刺件的长度只受气球前泡沫塑料厚度的影响；否则，穿刺件的长度则会受到轨道尺寸的限制。

对目标功能进行层次划分，得到如图4所示的层次结构图，对功能分解图中的功能从上到下、从左到右进行编号，编号后的功能分解图如图5所示，其中：f0为刺破气球，f1为启动，f2为刺破目标，f21为到达目标，f22为刺破泡沫，f23为刺破气球。

(2)产品基因的获取

如图5所示，穿刺装置的功能元包括：f1启动、f21到达目标、f22刺破泡沫和f23刺破气球。根据功能元的类型，从已有的产品基因库中找出与功能元对应的产品基因(即行为b和属性a)，产品基因的片段如表1。如果有的功能元在产品基因库中没有找到对应的产品基因，根据fbas功能模型中功能与行为和属性之间的关系以及属性和行为之间的关系推导出相应的产品基因，并存入产品基因库中。

表1产品基因片段

(3)产品基因的破分、交叉和组合：

首先对获取的每条产品基因进行编码获得产品基因链，产品基因编码是类比真核生物基因编码形式，将产品基因链分为编码区和非编码区，编码区包括基因地址编码区和碱基元素编码区，非编码区包括基因对应的功能元、启动子和结束子。启动子是指诱发基因开始转录(即功能元开始执行)的因子，结束子是指表征所述功能元完成的因子。对上述功能元f1、f21、f22和f23进行编码获得的产品基因链如表2所示。

表2产品基因链

编码后对产品基因链进行破分，然后在破分得到的基因缺口处进行基因的交叉组合操作，得到组合基因，并将能够实现符合客观规律的功能对应的组合基因存入产品基因库中。上述破分是指在产品基因链编码区的某一位置打开一个缺口，使产品基因的双链结构变成单链结构，破分的目的是为了交叉组合实现重组。

产品基因链的交叉组合操作需遵循一定的规则：

规则1：当一个基因片段插入另一个基因缺口处时，只与该缺口所在地址中的碱基元进行随机组合；

规则2：如果两个功能元在功能层次关系上是同级且执行顺序相邻，则这两个功能元对应的基因链可以进行交叉组合；否则不能进行交叉组合。

本实施例中能够进行交叉组合的产品基因链对应的功能元包括：功能元f1与功能元f21之间、功能元f21与功能元f22之间以及功能元f22与功能元f23之间。

①功能元f1对应的产品基因链与功能元f21对应的产品基因链的交叉组合

交叉组合前先对产品基因链进行破分，以对功能元f21的产品基因链破分为例，功能元f21的产品基因链破分的可能位置有9处，包括n3、a3之间，a3、b3之间，b3、n4之间，n4、a4之间，a4、b4之间，b4、n5之间，n5、a5之间，a5、b4之间和b4之后的位置。假设功能元f1的产品基因链破分的位置在b1、n2之间，功能元f21的产品基因链破分的位置在n3、a3之间，然后将碱基元a1b1插入到功能元f21的基因链中，只考虑碱基元的组合，则可能的组合方式有：插入地址n3中，碱基元a1b1与碱基元a3b3的组合形式和可实现的功能有：

a1b1：可以被激活；

a1b3：感应运动，不符合客观规律；

a3b1：激活后运动；

a3b3：可以运动；

a1a3b1：同a3b1，激活后运动；

a1a3b3：同a1b3：感应运动，不符合客观规律；

a1b1b3：同a3b1：激活后运动；

a1a3b1b3：同a3b1：激活后运动。

因此，组合后可以实现的符合客观规律的功能包括：1)可以被激活；2)可以运动；3)激活后运动。

功能元f21的基因链中基因地址n4和n5中的碱基元的组合可表达功能为：可伸展长度≤12英尺。碱基元a1b1与碱基元a3b3的组合基因与基因地址n4和n5中的碱基元组合后可实现的功能包括：1)激活后伸展长度≤12英尺，不符合客观规律；2)可伸展长度≤12英尺；3)可以被激活，激活后的穿刺装置伸展长度≤12英尺。

由于功能元f1与功能元f22和功能元f23之间在实现顺序上不相邻，因此不能进行交叉组合。

②功能元f21对应的产品基因链与功能元f22对应的产品基因链的交叉和组合

采用上述同样的方法将功能元f21对应的产品基因链与功能元f22对应的的基因链分别在a4、b4之间和a6、b5之间进行破分，然后将功能元f21基因链的后半段(即破分缺口以后的部分)插入功能元f22基因链的缺口处，只得到一种组合基因：地址n6中：a6b4，地址n5：a5b4b5。

与后面基因地址n7和基因地址n8中的碱基元组合后可以实现的功能为：穿刺件可以在不接触轨道的情况下伸展到泡沫塑料，且能够穿透泡沫塑料。

③功能元f22对应的产品基因链与功能元f23对应的产品基因链的交叉和组合

采用上述同样的方法将功能元f22对应的产品基因链在a6、b5之间进行破分后，将功能元f23基因链中的碱基元a9b7(功能元f23的基因链中只有一个碱基元，则无须破分)插入功能元f22基因链的破分缺口处，组合后能够实现的符合客观规律的功能包括：1)穿透泡沫塑料；2)穿透泡沫塑料并刺穿气球；3)穿透泡沫塑料并刺破气球。

(4)转录

对步骤(2)中得到的产品基因和步骤(3)中得到的组合基因进行转录，产品基因的转录操作的规则是：通过产品基因的交叉组合操作得到的组合基因，如果所表达的功能符合客观规律，则进行转录；否则，不进行转录。转录是指从已有效应解库中找出与原有产品基因和经交叉组合得到的组合基因相对应的效应解。效应解指的是基因所对应的功能元的实现方式，如表3所示。

表3效应解库片段

(5)翻译

根据步骤(4)中得到的效应解，从已有的结构方案库中找出与效应解对应的结构方案，对应表3中功能元和效应解的结构方案如表4所示。

表4结构方案库片段

在表4中，穿刺装置需要满足的主要功能包括“启动穿刺装置”、“延伸长度≤12英尺”、“穿透泡沫”以及“刺破小球”。由于功能“穿透泡沫并刺穿小球”包括功能“穿透泡沫”以及“刺破小球”，因此，只需将功能元“启动穿刺装置”、“延伸长度≤12ft”、“穿透泡沫并刺穿小球”相对应的结构方案进行随机组合就能得到满足设计要求的可行解。可能的组合方式有5×3×4＝60种。又因为功能元“延伸长度≤12英尺”对应的结构方案与功能元“穿透泡沫并刺穿小球”的结构方案是对应的，如“平移，长度≤12英尺”对应“尖锐物体如针和飞镖等”，“螺旋运动，长度≤12英尺”对应“螺钉，1英尺≤长度≤12英尺”，“喷射”对应“喷酸枪”和“弹射器”。因此，在进行随机组合的时候，功能元“延伸长度≤12英尺”的对应的结构方案可以不进行组合，只将功能元“启动穿刺装置”和“穿透泡沫”以及“刺破小球”对应的结构方案进行随机组合，可能的组合方式为5×4＝20种，如表5所示。

表5组合方案表

(6)优选

以安全性、成本和完成目标的效率作为评价指标，对穿刺装置的总体结构方案进行优选。

采用手动释放装置和发条启动穿刺装置，对人身安全不利，因此，方案v-viii和方案xvii-xx不是最佳方案。

采用弹簧或橡皮筋等作为启动装置，在启动几次以后，弹簧或橡皮筋的性能会降低，从而导致穿刺装置的启动时间延长，效率降低。因此，方案ix-xvi不是最佳方案。

在方案i-iv中，采用枪或弹射器作为弹射穿刺装置，结构较复杂，成本相对较高；采用螺杆作为穿刺装置，效率较低。因此，穿刺装置的最优结构方案为方案i。

根据分析，穿刺装置应采用的结构方案为：采用预设程序机设置的程序激活穿刺装置，利用针或飞镖形尖锐物通过平移方式穿透泡沫塑料并刺穿气球，且尖锐物的长度1ft≤l≤12f，t完成小车穿刺装置的概念设计。

同理，小车的其他结构也可以根据相同的方法得到相应的结构方案。将各个结构方案进行装配组合，得到小车的总体结构方案。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。