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引言：在复杂机电产品系统层设计过程中，设计知识的表达和推理是其核心内容。设计的知识主要包括功能层知识、工作原理、行为知识及组件知识等。目前虽有些关于此方面内容的研究，但这些研究均缺乏统一的表示模式，无法实现知识的全面化和系统化，制约了系统设计的进一步发展。因此，本文基于FMBS模型提出了一套较完整的设计模型，建立了功能、工作机理、行为和组件各自的数据结构，以进一步支持实现系统层的自动化设计过程。
在复杂机电产品系统层设计过程中，设计知识的类型、属性特征、运算变化等是多种多样的，在设计过程中需要将这些重要信息进行统一规范化的表示，以利于多域复杂机电产品的集成建模研究，更好地实现设计知识的捕捉和概念设计的自动化求解，并为后续设计阶段提供支持。本文基于概念设计中的FMBS模型，提出一整套的概念设计知识的表示方法，主要包括流特征变量的概念，功能知识、工作机理知识、行为知识及组件知识的表示等，并建立它们之间的联系。
一、流的表示
流是功能之间传递的运动对象，是系统接收输入、进行必要处理、结果输出的主体要素[1]。系统经过对输入流的处理从而得到所需要的输出流，则实现了所需的功能。
流的数据结构包括流的名字（Flow Name）、流的类型（Flow Type）、流的属性（Flow Property）三部分。图1所示为热空气流的数据结构表示，其流类型为“Gas”，流的属性包括“Temperature”、“Velocity”、“Direction”，相应的属性值分别为“HIGH”、“HIGH”、“X-AXIS”。
图1 热空气流的数据结构
流的类型主要有物质流（Material Flow）、能量流（Energy Flow）和信息流（Signal Flow）三种。Stone[2]等人对常用的所有流进行归纳和总结，得到系统的功能库（Function Basis），并将其分别对应到这三种流类型（Flow Type）中，所得到的流类型的分类。
流的属性即标志流的基本特征的一些变量，如温度、长度等。流的属性也采用层次存储的结构，按抽象程度由左至右依次递减展开。我们所归纳的流的属性主要分为领域无关的属性和领域相关的属性两大类[3]。领域无关的属性是一些通用的属性元素，包括空间属性、时间属性和运动特性变量。领域相关的属性则是与具体领域所密切相关的属性要素，这里主要归纳的有机械、控制、电磁和热学等几个常用的领域，如有需要可在此基础上进一步拓展。
二、功能的表示
在目前的设计中，功能的表示采用了“动词+名词”的形式[4]，其中动词表示功能的实现方式，名词代表动词所实施的对象，如动词所改变的能量、材料类型等。这种表达方式的优点是简洁方便，缺点则是缺乏正规的表达方式，计算机不易理解和处理等。因此，为实现系统设计的自动化过程，我们对功能进行统一的规范化表示。
功能的数据结构主要包括功能名称（Function Name）、功能类型（Function Type）和流特征变量（Flow Characteristic Variable）三部分。功能的类型使用Function Basis中定义的词汇。图2所示为产生热的空气流这一功能的数据结构，其功能类型为Increase，流特征变量为Hairdryer。此流特征变量将输入 “Temperature”、“Velocity”、“Direction”分别为“NORMAL”、“NORMAL”、“NULL”的空气流，相应的属性值分别变为“HIGH”、“HIGH”、“X-AXIS”。
图2功能表示的例子
三、工作机理的表示
工作机理主要包括物理效应（Physical Effect）、几何特性（Geometric Characteristic）和材料特性（Material Characteristic）三部分[5]。图3所示为物理效应的数据结构表示方法。与功能的表示方法相对应，物理效应主要包括物理效应名称（Physical Effect Name）、可提供的流特征变量（Providing Flow Characteristic Variable）和可支持的功能类型（Providing Function Type）和可实现的动作集（Providing Sets of Actions）四部分。当需要搜索满足功能要求的物理效应时，可直接由此数据结构出发在物理效应库中进行查找，实现系统的自动化匹配过程。
图3 物理效应的表示
四、行为的表示
由于行为是功能的具体化表示形式[6]，由抽象的功能到具体的行为是一个概念演绎的程序。因此，行为的表示与功能的表示基本保持一致，如图5所示。行为层与构件层直接相关联、完成相应的匹配映射过程，构件可实现的行为集是可归纳的。因此这里引入行为到构件的反向映像关系，即将行为可实现的构件（Realizable Component）加入到行为的数据结构表示中，以支持行为到组件的自动化匹配过程。
图4 行为的表达
行为的类型可大致分为旋转运动（Rotary Motion）、直线运动（Linear Motion）、曲线运动（Curvilinear Motion）和刚体引导运动（Rigidbody Guidance Motion）四种。本文工作只总结了目前常用的行为类型，当有新的行为类型出现时，可随即加入到对应的行为类型库中，以即时地更新和扩充行为类型库。
五、组件的表示
组件（Component）是产生特定运动、传递和转换能量、实现系统特定功能的机构[7]。组件的表达主要包括组件的基本特征（Basic Feature）、流特征变量（Flow Characteristic Variable）、组件的几何特性（Geometry Var）、材料特性（Material Type）、组件的工作特性（Working Property）以及相关联的行为（Provided Behavior Type）。图6所示为电动机（Motor）的数据结构表示。 图5电动机的数据结构
组件的基本特征（Basic Feature）描述了组件的一些基本属性，主要包括组件的名字（Component Name）、组件的类型（Component Type）和组件的描述（Component Description）。组件的类型使用标准组件库中的词汇表示。
组件的几何特性（Geometry Var）主要包括组件的几何类型（Geometry Type）、物理参数（Physical Parameter）、参数满足的关系（Equation）和组件图（Component Geometry）。
本文工作中目前定义了立方体（Cube）、圆柱体（Cylinder）、球体（Sphere）圆锥体（Cones）、三角锥（Triangle of vertebral）、三棱柱（Triangular prism）等常用的组件几何类型。相关联的行为（Provided Behavior Type）定义了该组件可实现的行为类型，为后续过程中的功能到结构的直接映射提供依据。
组件的材料特性定义了此组件的材料属性，如固态、液态、气态；韧性，刚性等，与工作原理中定义的材料特性变量相对应。对于某些特殊领域的组件，其材料本身就可实现特定的功能。组件的工作特性包括工作性能、动力性能、结构尺寸、可靠性、经济性、寿命等。
参考文献
[1]D. Ullman. The Mechanical Design Process[M]. McGraw-Hill， New York， 1997.
[2]R.B. Stone， K.L. Wood. Development of a Functional Basis for Design[J]. Journal of Mechanical Design， 2000.
[3]孙忠飞， 面向多域复杂机电产品系统设计的功能表示与功能分解方法， 浙江大学， 2012.
[4]Qian L， Gero JS.Function ， Structure， and Constraints in Conceptual Design. Design Theory and Methodology –DTM’90 ASME；1990.
[5]邹慧君. 机构系统设计与应用创新[M]. 北京：机械工业出版社， 2008.
[6]Y.M. Deng. Function and behavior representation in conceptual mechanical design[J].
[7]U.Roy，Pramanik N，Sudarsan R，Sriram RD，Lyons KW.Function-to–Form mapping：model，representation and applications in design synthesis.Computer-Aided Design，2001.
（作者单位：天津科技大学）
在复杂机电产品系统层设计过程中，设计知识的类型、属性特征、运算变化等是多种多样的，在设计过程中需要将这些重要信息进行统一规范化的表示，以利于多域复杂机电产品的集成建模研究，更好地实现设计知识的捕捉和概念设计的自动化求解，并为后续设计阶段提供支持。本文基于概念设计中的FMBS模型，提出一整套的概念设计知识的表示方法，主要包括流特征变量的概念，功能知识、工作机理知识、行为知识及组件知识的表示等，并建立它们之间的联系。
一、流的表示
流是功能之间传递的运动对象，是系统接收输入、进行必要处理、结果输出的主体要素[1]。系统经过对输入流的处理从而得到所需要的输出流，则实现了所需的功能。
流的数据结构包括流的名字（Flow Name）、流的类型（Flow Type）、流的属性（Flow Property）三部分。图1所示为热空气流的数据结构表示，其流类型为“Gas”，流的属性包括“Temperature”、“Velocity”、“Direction”，相应的属性值分别为“HIGH”、“HIGH”、“X-AXIS”。
图1 热空气流的数据结构
流的类型主要有物质流（Material Flow）、能量流（Energy Flow）和信息流（Signal Flow）三种。Stone[2]等人对常用的所有流进行归纳和总结，得到系统的功能库（Function Basis），并将其分别对应到这三种流类型（Flow Type）中，所得到的流类型的分类。
流的属性即标志流的基本特征的一些变量，如温度、长度等。流的属性也采用层次存储的结构，按抽象程度由左至右依次递减展开。我们所归纳的流的属性主要分为领域无关的属性和领域相关的属性两大类[3]。领域无关的属性是一些通用的属性元素，包括空间属性、时间属性和运动特性变量。领域相关的属性则是与具体领域所密切相关的属性要素，这里主要归纳的有机械、控制、电磁和热学等几个常用的领域，如有需要可在此基础上进一步拓展。
二、功能的表示
在目前的设计中，功能的表示采用了“动词+名词”的形式[4]，其中动词表示功能的实现方式，名词代表动词所实施的对象，如动词所改变的能量、材料类型等。这种表达方式的优点是简洁方便，缺点则是缺乏正规的表达方式，计算机不易理解和处理等。因此，为实现系统设计的自动化过程，我们对功能进行统一的规范化表示。
功能的数据结构主要包括功能名称（Function Name）、功能类型（Function Type）和流特征变量（Flow Characteristic Variable）三部分。功能的类型使用Function Basis中定义的词汇。图2所示为产生热的空气流这一功能的数据结构，其功能类型为Increase，流特征变量为Hairdryer。此流特征变量将输入 “Temperature”、“Velocity”、“Direction”分别为“NORMAL”、“NORMAL”、“NULL”的空气流，相应的属性值分别变为“HIGH”、“HIGH”、“X-AXIS”。
图2功能表示的例子
三、工作机理的表示
工作机理主要包括物理效应（Physical Effect）、几何特性（Geometric Characteristic）和材料特性（Material Characteristic）三部分[5]。图3所示为物理效应的数据结构表示方法。与功能的表示方法相对应，物理效应主要包括物理效应名称（Physical Effect Name）、可提供的流特征变量（Providing Flow Characteristic Variable）和可支持的功能类型（Providing Function Type）和可实现的动作集（Providing Sets of Actions）四部分。当需要搜索满足功能要求的物理效应时，可直接由此数据结构出发在物理效应库中进行查找，实现系统的自动化匹配过程。
图3 物理效应的表示
四、行为的表示
由于行为是功能的具体化表示形式[6]，由抽象的功能到具体的行为是一个概念演绎的程序。因此，行为的表示与功能的表示基本保持一致，如图5所示。行为层与构件层直接相关联、完成相应的匹配映射过程，构件可实现的行为集是可归纳的。因此这里引入行为到构件的反向映像关系，即将行为可实现的构件（Realizable Component）加入到行为的数据结构表示中，以支持行为到组件的自动化匹配过程。
图4 行为的表达
行为的类型可大致分为旋转运动（Rotary Motion）、直线运动（Linear Motion）、曲线运动（Curvilinear Motion）和刚体引导运动（Rigidbody Guidance Motion）四种。本文工作只总结了目前常用的行为类型，当有新的行为类型出现时，可随即加入到对应的行为类型库中，以即时地更新和扩充行为类型库。
五、组件的表示
组件（Component）是产生特定运动、传递和转换能量、实现系统特定功能的机构[7]。组件的表达主要包括组件的基本特征（Basic Feature）、流特征变量（Flow Characteristic Variable）、组件的几何特性（Geometry Var）、材料特性（Material Type）、组件的工作特性（Working Property）以及相关联的行为（Provided Behavior Type）。图6所示为电动机（Motor）的数据结构表示。 图5电动机的数据结构
组件的基本特征（Basic Feature）描述了组件的一些基本属性，主要包括组件的名字（Component Name）、组件的类型（Component Type）和组件的描述（Component Description）。组件的类型使用标准组件库中的词汇表示。
组件的几何特性（Geometry Var）主要包括组件的几何类型（Geometry Type）、物理参数（Physical Parameter）、参数满足的关系（Equation）和组件图（Component Geometry）。
本文工作中目前定义了立方体（Cube）、圆柱体（Cylinder）、球体（Sphere）圆锥体（Cones）、三角锥（Triangle of vertebral）、三棱柱（Triangular prism）等常用的组件几何类型。相关联的行为（Provided Behavior Type）定义了该组件可实现的行为类型，为后续过程中的功能到结构的直接映射提供依据。
组件的材料特性定义了此组件的材料属性，如固态、液态、气态；韧性，刚性等，与工作原理中定义的材料特性变量相对应。对于某些特殊领域的组件，其材料本身就可实现特定的功能。组件的工作特性包括工作性能、动力性能、结构尺寸、可靠性、经济性、寿命等。
参考文献
[1]D. Ullman. The Mechanical Design Process[M]. McGraw-Hill， New York， 1997.
[2]R.B. Stone， K.L. Wood. Development of a Functional Basis for Design[J]. Journal of Mechanical Design， 2000.
[3]孙忠飞， 面向多域复杂机电产品系统设计的功能表示与功能分解方法， 浙江大学， 2012.
[4]Qian L， Gero JS.Function ， Structure， and Constraints in Conceptual Design. Design Theory and Methodology –DTM’90 ASME；1990.
[5]邹慧君. 机构系统设计与应用创新[M]. 北京：机械工业出版社， 2008.
[6]Y.M. Deng. Function and behavior representation in conceptual mechanical design[J].
[7]U.Roy，Pramanik N，Sudarsan R，Sriram RD，Lyons KW.Function-to–Form mapping：model，representation and applications in design synthesis.Computer-Aided Design，2001.
（作者单位：天津科技大学）