Онтология функции-поведения-структуры

Онтология «Функция -Поведение-Структура» или, короче, онтология FBS — это онтология объектов проектирования, то есть вещей, которые были или могут быть спроектированы . Онтология «Функция-Поведение-Структура» концептуализирует объекты проектирования в трех онтологических категориях: функция (F), поведение (B) и структура (S). Онтология FBS использовалась в науке о дизайне как основа для моделирования процесса проектирования как набора отдельных действий. Эта статья относится к концепциям и моделям, предложенным Джоном С. Геро и его сотрудниками. Подобные идеи независимо развивались и другими исследователями.

Обзор

Онтологические категории, составляющие онтологию «Функция-Поведение-Структура», определяются следующим образом:

• Функция (F): телеология (цель) объекта проектирования, т.е. «для чего предназначен этот объект». Например, функции турбокомпрессора включают увеличение выходной мощности двигателя, обеспечение надежности и доступности.
• Поведение (B): атрибуты, которые можно получить из структуры объекта проектирования, т.е. «что делает объект». Например, поведение турбокомпрессора включает в себя такие атрибуты, как массовый расход воздуха , коэффициент полезного действия, термическая прочность и вес.
• Структура (S): компоненты объекта проектирования и их взаимосвязи, т.е. «из чего состоит объект». В примере с турбокомпрессором конструкция включает в себя компоненты турбокомпрессора ( компрессор , турбина , вал и т. д.) и их пространственные размеры, соединения и материалы.

Три онтологические категории взаимосвязаны: функция связана с поведением, а поведение связано со структурой. Между функцией и структурой нет связи.

Онтологические модели проектирования

Онтология «Функция-Поведение-Структура» является основой для двух структур проектирования: структуры FBS и ее расширения, расположенной структуры FBS. Они представляют процесс проектирования как преобразования между функцией, поведением и структурой, а также их подклассами.

Структура «функция-поведение-структура»

Исходная версия структуры FBS была опубликована Джоном С. Геро в 1990 году. Он применяет онтологию FBS к процессу проектирования, дополнительно формулируя три онтологические категории. В этой формулировке поведение (B) специализируется на ожидаемом поведении (Be) («желаемое» поведение) и поведении, вытекающем из структуры (Bs) («фактическое» поведение). Кроме того, помимо существующих онтологических категорий вводятся еще два понятия: требования (R), которые отражают намерения клиента, исходящие извне дизайнера, и описание (D), которое представляет собой изображение дизайна, созданного дизайнером. Основываясь на этих формулировках, структура FBS предлагает восемь процессов, которые считаются фундаментальными при проектировании. конкретно:

Структура «функция-поведение-структура»

1. Формулировка : формулирует проблемное пространство путем преобразования требований в пространство состояний функции (R → F) и преобразования функций в пространство состояний поведения (F → Be).
2. Синтез : генерирует структуру на основе ожиданий пространства состояний поведения (Be → S).
3. Анализ : выводит поведение из сгенерированной структуры (S → Bs).
4. Оценка : сравнивает ожидаемое поведение с поведением, полученным из структуры (Be ↔ Bs).
5. Документация : создает описания проекта на основе структуры (S → D).
6. Тип переформулировки 1 : изменяет пространство состояний структуры на основе повторной интерпретации структуры (S → S').
7. Тип переформулировки 2 : изменяет пространство состояний поведения на основе новой интерпретации структуры (S → Be').
8. Тип переформулировки 3 : изменяет пространство состояний функции на основе переинтерпретации структуры и последующей переформулировки ожидаемого поведения (S → F 'через Be).

Пример

Восемь фундаментальных процессов в рамках FBS проиллюстрированы на примере процесса проектирования турбокомпрессора.

1. Формулировка: Внешние требования (R) к турбонагнетателю интерпретируются разработчиком как функции (F), в том числе по увеличению выходной мощности двигателя. Затем создается набор поведений (Be), которые, как ожидается, позволят достичь этой функции. Они включают в себя массовый расход воздуха и коэффициенты эффективности для диапазона частот вращения двигателя.
2. Синтез: на основе ожидаемого поведения (Be) создается конструкция (S), включающая такие компоненты, как компрессор, турбина, узел активной зоны, вал и их соединения. Сюда также входит их геометрия и материалы.
3. Анализ: после создания структуры (S) на основе этой структуры можно вывести «фактическое» поведение (B). Это может включать физические испытания прототипов (например, для измерения массового расхода воздуха) и компьютерное моделирование (например, для расчета теплового поведения).
4. Оценка: «Фактическое» поведение (Bs) турбокомпрессора сравнивается с ожидаемым поведением (Be), чтобы оценить, работает ли текущая конструкция турбокомпрессора так, как требуется.
5. Документация. Конструкция турбокомпрессора документируется путем создания описания (D), обычно модели САПР , на основе конструкции (S).
6. Тип переформулировки 1: Проектировщик изменяет пространство возможных проектных структур (S), включая новый компонент, такой как переменное скользящее кольцо, внутри турбины.
7. Тип переформулировки 2: Проектировщик модифицирует пространство ожидаемого поведения (Be), вводя новое управляющее поведение, позволяющее изменять массовый расход воздуха. Это является следствием введения в конструкцию конструкции (S) регулируемого скользящего кольца.
8. Тип переформулировки 3: Разработчик модифицирует функциональное пространство (F), адаптируя его для нужд двигателя с повышенной температурой выхлопных газов. Это основано на открытии высокой термической прочности (Be) существующих конструкционных материалов (S).

Расположенная структура «функция-поведение-структура»

Структура расположенной FBS была разработана Джоном С. Геро и Удо Канненгиссером в 2000 году. как расширение структуры FBS, чтобы явно отразить роль ситуационного познания или ситуативности в проектировании.

Расположение

Основное предположение, лежащее в основе ситуационной структуры FBS, заключается в том, что проектирование включает взаимодействие между тремя мирами: внешним миром, интерпретируемым миром и ожидаемым миром. Они определяются следующим образом:

• Внешний мир : содержит вещи во «внешнем» мире (например, в физической среде дизайнера)
• Интерпретируемый мир : содержит опыт, представления и концепции, сформированные в результате взаимодействия дизайнера с внешним миром.
• Ожидаемый мир : содержит ожидания результатов действий дизайнера, обусловленные целями и гипотезами о текущем состоянии мира.

Три мира связаны между собой четырьмя классами взаимодействия:

• Интерпретация : преобразует переменные, воспринимаемые во внешнем мире, в переменные внутри интерпретируемого мира.
• Фокусировка : выбирает подмножества переменных в интерпретируемом мире и использует их в качестве целей в ожидаемом мире.
• Действие : изменяет внешний мир согласно целям и гипотезам, составляющим ожидаемый мир.
• Конструктивная память : производит воспоминания в результате переосмысления прошлого опыта. В его основе лежит конструктивистская модель человеческой памяти. в котором новые воспоминания генерируются размышлениями

Местоположение и FBS в сочетании

Ситуационная структура FBS является результатом слияния трехмировой модели ситуационной ситуации с исходной структурой FBS путем специализации онтологических категорий следующим образом:

Фе я : ожидаемая функция Ф я : интерпретируемая функция Ф и : внешняя функция фр. и : внешние требования к функции

Быть я : ожидаемое поведение Б я : интерпретируемое поведение Б и : внешнее поведение БР и : внешние требования к поведению

Се я : ожидаемая структура С я : интерпретируемая структура С и : внешняя структура СР и : внешние требования к структуре

Расположенная структура «функция-поведение-структура»

20 процессов соединяют эти специализированные онтологические категории. Они разрабатывают и расширяют восемь фундаментальных процессов в рамках FBS, обеспечивая большую описательную силу в отношении ситуативности проектирования.

1. Формулировка : генерирует пространство состояний проекта в виде пространства состояний функции (процесс 7 на изображении, показывающем расположенную структуру функции-поведения-структуры), пространства состояний поведения (процессы 8 и 10) и пространства состояний структуры (процесс 9). ). Он основан на интерпретации внешних требований к функции (процесс 1), поведению (процесс 2) и структуре (процесс 3), а также на построении воспоминаний о функции (процесс 4), поведении (процесс 5) и структуре. (процесс 6).
2. Синтез : создает проектное решение, которое является точкой в ​​пространстве состояний структуры (процесс 11) и внешнее представление этого решения (процесс 12).
3. Анализ : интерпретирует синтезированную структуру (процесс 13) и выводит поведение из этой структуры (процесс 14).
4. Оценка : сравнивает ожидаемое поведение с интерпретированным поведением (процесс 15).
5. Документация : создает внешнее представление проекта, которое может быть с точки зрения структуры (процесс 12), поведения (процесс 17) и функции (процесс 18).
6. Тип переформулировки 1 : генерирует новое или измененное пространство состояний структуры (процесс 9). Потенциальные движущие силы этой переформулировки включают процессы 3, 6 и 13.
7. Тип переформулировки 2 : генерирует новое или измененное пространство состояний поведения (процесс 8). Потенциальные движущие силы этой переформулировки включают процессы 2, 5, 14 и 19.
8. Тип переформулировки 3 : генерирует новое или измененное пространство состояний функции (процесс 7). Потенциальные движущие силы этой переформулировки включают процессы 1, 4, 16 и 20.

Приложения

Онтология FBS использовалась в качестве основы для моделирования проектов (результатов проектирования) и процессов проектирования (деятельности по проектированию) в ряде дисциплин проектирования, включая инженерное проектирование, архитектуру, интерфейс человек-компьютер, интерфейс человек-робот, строительство и проектирование программного обеспечения. Хотя онтология FBS обсуждалась с точки зрения ее полноты, несколько исследовательских групп расширили его, чтобы оно соответствовало потребностям их конкретных областей. Он также использовался в качестве схемы для кодирования и анализа поведенческих исследований дизайнеров.

Другие применили онтологию FBS для разработки онтологии систем. С этой целью три категории понятий (т.е. функция, поведение, структура) расширяются до шести категорий понятий путем добавления понятий контекста, принципа и состояния. Таким образом, онтология FBS становится онтологией FCBPSS. В онтологии FCBPSS определение функции и структуры остается таким же, как и в онтологии FBS. Понятия поведения, контекста, принципа и состояния заключаются в следующем.

• Состояние (St): свойство или характеристики системы (подсистемы, компонента) как во времени, так и вне времени.
• Поведение (B): взаимосвязь вход (стимул) – выход (реакция).
• Принцип (P): знание, которое управляет поведением.
• Контекст (C): условие и среда, в которых система выполняет функцию.

Шесть категорий понятий взаимосвязаны, особенно структура системы является основой, за которой следуют состояние, поведение и функция. Этот принцип объединяет состояния вместе с их базовой структурой в поведение структуры.

Ссылки

• Бхатта С.Р. и Гоэл А.К. (1994) «Открытие физических принципов на основе моделей на основе опыта проектирования», Искусственный интеллект для инженерного проектирования, анализа и производства , 8 (2), стр. 113–123.
• Касчини Г., Фантони Г. и Монтанья Ф. (2013) «Расположение потребностей и требований в рамках FBS», Design Studies , 34 (5), стр. 636–662.
• Себриан-Таррасон Д., Лопес-Монтеро Х.А. и Видал Р. (2008) «OntoFaBeS: проектирование онтологий на основе структуры FBS», Конференция по проектированию CIRP 2008 , Университет Твенте.
• Чандрасекаран Б. и Джозефсон Дж. Р. (2000) «Функция в представлении устройства», Engineering with Computers , 16 (3-4), стр. 162–177.
• Кристоф Ф., Бернар А. и Коатанеа Э. (2010) «RFBS: модель представления знаний концептуального проектирования», Анналы CIRP - Технологии производства , 59 (1), стр. 155–158.
• Кланси, У.Дж. (1997) Расположенное познание: о человеческих знаниях и компьютерных представлениях , издательство Кембриджского университета, Кембридж. ISBN   0-521-44871-9 .
• Клейтон М.Дж., Тейхольц П., Фишер М. и Кунц Дж. (1999) «Виртуальные компоненты, состоящие из формы, функции и поведения», Автоматизация в строительстве , 8 (3), стр. 351–367.
• Коломбо Г., Моска А. и Сартори Ф. (2007) «На пути к проектированию интеллектуальных САПР: онтологический подход», Advanced Engineering Informatics , 21 (2), стр. 153–168.
• Эйххофф Дж. Р. и Маасс В. (2011) «Представление и повторное использование знаний о проектировании: приложение для поддержки продаж», Основанные на знаниях и интеллектуальные информационные и инженерные системы , LNCS 6881, Springer, стр. 387–396.
• Дэн Ю.М. (2002) «Представление функций и поведения в концептуальном механическом проектировании», Искусственный интеллект для инженерного проектирования, анализа и производства , 16 (5), стр. 343–362.
• Дьюи Дж. (1896 г., переиздано в 1981 г.) «Концепция рефлекторной дуги в психологии», Psychoological Review , 3 , стр. 357–370.
• Дорст К. и Вермаас П.Е. (2005) «Модель проектирования «Функция-Поведение-Структура» Джона Геро: критический анализ», Исследования в области инженерного проектирования , 16 (1-2), стр. 17–26.
• Галле П. (2009) «Онтология модели проектирования FBS Геро», Design Studies , 30 (4), стр. 321–339.
• Геро Дж.С. (1990) «Прототипы дизайна: схема представления знаний для дизайна», AI Magazine , 11 (4), стр. 26–36.
• Геро Дж. С. и Канненгиссер У. (2002) «Расположенная структура функции-поведения-структуры», Искусственный интеллект в дизайне '02 , Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, стр. 89–104.
• Геро Дж. С. и Канненгиссер У. (2004) «Расположенная структура функции-поведения-структуры», Design Studies , 25 (4), стр. 373–391.
• Геро Дж. С. и Канненгиссер У. (2014) «Онтология дизайна функции-поведения-структуры», в книге А. Чакрабарти и LTM Blessing (ред.) Антология теорий и моделей дизайна , Springer, стр. 263–283.
• Гу Ц.-К., Ху Цзюй, Пэн Ю.-Х. и Ли С. (2012) «Модель FCBS для представления функциональных знаний в концептуальном проектировании», Journal of Engineering Design , 23 (8), стр. 577–596.
• Ховард Т.Дж., Калли С.Дж. и Деконинк Э. (2008) «Описание процесса творческого проектирования путем интеграции литературы по инженерному дизайну и когнитивной психологии», Design Studies , 29 (2), стр. 160–180.
• Цзян Х. (2012) «Понимание деятельности старших студентов-дизайнеров по концептуальному проектированию продуктов», докторская диссертация, Национальный университет Сингапура, Сингапур.
• Кан JWT (2008) «Количественные методы изучения протоколов проектирования», докторская диссертация, Сиднейский университет, Сидней.
• Кан ДжВТ и Геро Дж.С. (2009) «Использование онтологии FBS для сбора семантической информации о проектировании в исследованиях протоколов проектирования», в книге Дж. Макдоннелла и П. Ллойда (ред.) О проекте: Проектирование. Анализ совещаний по проектированию , CRC Press, стр. 213–229.
• Крухтен П. (2005) «Проектирование программного обеспечения в рамках структуры функции-поведения-структуры», IEEE Software , 22 (2), стр. 52–58.
• Ламми, доктор медицинских наук (2011) «Характеристика системного мышления старшеклассников в инженерном проектировании с помощью структуры функционально-поведенческой структуры (FBS)», докторская диссертация, Университет штата Юта, Логан.
• Линь Ю., Чжан В.Дж. (2004) «На пути к новой структуре проектирования интерфейса: парадигма функция-поведение-состояние», Международный журнал исследований человеческого компьютера, Vol. 61, № 3, стр. 259-297.
• Макнил Т. (1998) «Анатомия концептуального электронного проектирования», докторская диссертация, Университет Южной Австралии, Аделаида.
• Ральф П. (2010) «Сравнение двух теорий процесса проектирования программного обеспечения», Глобальные перспективы исследований в области науки о дизайне , LNCS 6105, Springer, стр. 139–153.
• Руссо Д., Монтекки Т. и Ин Л. (2012) «Функциональный поиск для передачи патентных технологий», Труды Международной конференции по техническому проектированию ASME 2012 и конференции по компьютерам и информации в машиностроении IDETC/CIE 2012 , 12–15 августа , 2012, Чикаго, Иллинойс, DETC2012-70833.
• Шён Д.А. (1983) Рефлексивный практик: как профессионалы думают в действии , Харпер Коллинз, Нью-Йорк. ISBN   0-465-06874-X .
• Уфлакер М. и Зейер А. (2008) «Расширение структуры расположенной функции-поведения-структуры для разработки ориентированного на пользователя программного обеспечения», Design Computing and Cognition '08 , Springer, стр. 241–259.
• Умеда Ю., Такеда Х., Томияма Т. и Ёсикава Х. (1990) «Функция, поведение и структура», Применение искусственного интеллекта в технике V , Vol. 1, стр. 177–194.
• Вермаас П.Е. и Дорст К. (2007) «О концептуальной основе FBS-модели Джона Геро и предписывающих целях методологии проектирования», Design Studies , 28 (2), стр. 133–157.
• Ян М. (1993) «Представление знаний о дизайне как сети функций, поведения и структуры», Design Studies , 14 (3), стр. 314–329.
• Сюэ Л., Лю С.Дж., Линь Ю., Чжан В.Дж. (2015) О избыточном интерфейсе: концепция и принцип проектирования. Учеб. Международная конференция IEEE/ASME 2015 по передовой интеллектуальной мехатронике. 8-11 июля. Пусан, Южная Корея.
• Чжан В.Дж. Линь Ю., Синха Н. (2005) «О модели функции-поведения-структуры для дизайна», 2-я конференция CDEN, Альберта, Канада, 18-20 июля. CD-ROM, 8 страниц.
• Чжан В.Дж. и Ван Дж.В. (2016) «Теория и методология проектирования корпоративных систем (Редакционная статья)». Информационные системы предприятия. Том. 10, выпуск 3, 245–248.