Funktion-Beteende-Struktur ontologi

Function -Behaviour-Structure-ontologin – eller kort, FBS-ontologin – är en ontologi av designobjekt, det vill säga saker som är eller kan designas . Function-Behaviour-Structure-ontologin konceptualiserar designobjekt i tre ontologiska kategorier: funktion (F), beteende (B) och struktur (S). FBS-ontologin har använts inom designvetenskap som grund för att modellera designprocessen som en uppsättning distinkta aktiviteter. Den här artikeln relaterar till de koncept och modeller som föreslagits av John S. Gero och hans medarbetare. Liknande idéer har utvecklats oberoende av andra forskare.

Översikt

De ontologiska kategorierna som utgör ontologin Funktion-Beteende-Struktur definieras enligt följande:

Funktion (F): designobjektets teleologi (ändamål), dvs "vad objektet är till för". Till exempel inkluderar funktionerna hos en turboladdare att öka motoreffekten, tillhandahålla tillförlitlighet och tillhandahålla överkomliga priser.
Beteende (B): de attribut som kan härledas från designobjektets struktur, dvs "vad objektet gör". Till exempel inkluderar beteendet hos en turboladdare attribut som luftmassflöde, effektivitetsförhållande, termisk styrka och vikt.
Struktur (S): komponenterna i designobjektet och deras relationer, dvs "vad objektet består av". I exemplet med turboladdaren inkluderar strukturen turboladdarkomponenterna ( kompressor , turbin , axel, etc.) och deras rumsliga dimensioner, sammankopplingar och material.

De tre ontologiska kategorierna är sammankopplade: Funktion är kopplat till beteende och beteende är kopplat till struktur. Det finns inget samband mellan funktion och struktur.

Ontologiska modeller för design

Function-Behaviour-Structure-ontologin är grunden för två ramverk för design: FBS-ramverket och dess förlängning, det belägna FBS-ramverket. De representerar designprocessen som transformationer mellan funktion, beteende och struktur, och underklasser därav.

Ramverket för funktion-beteende-struktur

Den ursprungliga versionen av FBS-ramverket publicerades av John S. Gero 1990. Den tillämpar FBS-ontologin på designprocessen genom att ytterligare artikulera de tre ontologiska kategorierna. I denna artikulation är beteende (B) specialiserat på förväntat beteende (Be) (det "önskade" beteendet) och beteende som härrör från struktur (Bs) (det "faktiska" beteendet). Dessutom introduceras ytterligare två begrepp ovanpå de befintliga ontologiska kategorierna: krav (R) som representerar intentioner från klienten som kommer utifrån designern, och beskrivning (D) som representerar en skildring av designen skapad av designern. Baserat på dessa artikulationer föreslår FBS-ramverket åtta processer som hävdas vara grundläggande för design, särskilt:

Ramverket för funktion-beteende-struktur

Formulering : formulerar problemutrymmet, genom att omvandla krav till ett funktionstillståndsutrymme ( R → F), och omvandla funktioner till ett beteendetillståndsutrymme (F → Be).
Syntes : genererar struktur baserad på förväntningar på beteendetillståndsrummet (Be → S).
Analys : härleder beteende från den genererade strukturen (S → Bs).
Utvärdering : jämför förväntat beteende med beteendet som härrör från struktur (Be ↔ Bs).
Dokumentation : tar fram beskrivningar av designen utifrån struktur (S → D).
Omformulering typ 1 : modifierar strukturtillståndsutrymmet, baserat på en omtolkning av struktur (S → S').
Omformulering typ 2 : modifierar beteendetillståndsutrymmet, baserat på en omtolkning av strukturen (S → Be').
Omformuleringstyp 3 : modifierar funktionstillståndsutrymmet, baserat på en omtolkning av strukturen och efterföljande omformulering av förväntat beteende (S → F' via Be).

Exempel

De åtta grundläggande processerna i FBS-ramverket illustreras med hjälp av en turboladdardesignprocess.

Formulering: Externa krav (R) för en turboladdare tolkas av konstruktören som funktioner (F) inklusive att öka uteffekten hos en motor. En uppsättning beteenden (Be) produceras sedan som förväntas uppnå denna funktion. De inkluderar luftmassflödet och effektivitetsförhållanden för en rad motorvarvtal.
Syntes: Baserat på de förväntade beteendena (Be), produceras en struktur (S) som inkluderar komponenter som en kompressor, en turbin, en kärnenhet, en axel och deras sammankopplingar. Det inkluderar också deras geometri och material.
Analys: Efter att strukturen (S) har producerats kan de "faktiska" beteendena (Bs) härledas baserat på den strukturen. Detta kan innefatta fysisk testning av prototyper (t.ex. för att mäta luftmassflöde) och beräkningssimuleringar (t.ex. för beräkning av termiska beteenden).
Utvärdering: Turboladdarens "faktiska" beteenden (Bs) jämförs med de förväntade beteendena (Be), för att bedöma om den nuvarande turboladdardesignen fungerar som krävs.
Dokumentation: Turboladdarens konstruktion dokumenteras genom att generera en beskrivning (D), vanligtvis en CAD-modell , baserad på strukturen (S).
Omformulering typ 1: Konstruktören modifierar utrymmet för möjliga designstrukturer (S) genom att inkludera en ny komponent såsom en variabel glidring inuti turbinen.
Omformulering typ 2: Konstruktören modifierar utrymmet för förväntade beteenden (Be) genom att införa ett nytt kontrollbeteende som tillåter att variera luftmassflödet. Detta är en följd av att den variabla glidringen införts i designstrukturen (S).
Omformulering typ 3: Konstruktören modifierar funktionsutrymmet (F) genom att anpassa det för att tillgodose behoven hos en motor med ökad avgastemperatur. Detta är baserat på upptäckten av en hög termisk hållfasthet (Be) hos befintliga designmaterial (S).

Det situerade ramverket för funktion-beteende-struktur

Det situerade FBS-ramverket utvecklades av John S. Gero och Udo Kannengiesser 2000 som en förlängning av FBS-ramverket för att explicit fånga rollen av situerad kognition eller situering i design.

Situationen

Det grundläggande antagandet som ligger till grund för det situerade FBS-ramverket är att design involverar interaktioner mellan tre världar: den yttre världen, den tolkade världen och den förväntade världen. De definieras enligt följande:

Yttre värld : innehåller saker i "yttre" världen (till exempel i designerns fysiska miljö)
Tolkad värld : innehåller upplevelser, uppfattningar och koncept, bildade av designerns interaktioner med den yttre världen
Förväntad värld : innehåller förväntningar på resultatet av designerns handlingar, drivna av mål och hypoteser om världens nuvarande tillstånd

De tre världarna är sammankopplade av fyra klasser av interaktion:

Tolkning : omvandlar variabler som avkänns i den yttre världen till variabler inom den tolkade världen
Fokusering : väljer delmängder av variabler i den tolkade världen och använder dem som mål i den förväntade världen
Handling : förändrar den yttre världen i enlighet med de mål och hypoteser som utgör den förväntade världen
Konstruktivt minne : producerar minnen som ett resultat av att omtolka tidigare erfarenheter. Den bygger på en konstruktivistisk modell av mänskligt minne. där nya minnen genereras genom reflektion

Situationness och FBS kombinerat

Det situerade FBS-ramverket är ett resultat av sammanslagning av trevärldsmodellen av situering med det ursprungliga FBS-ramverket, genom att specialisera de ontologiska kategorierna enligt följande:

Fe ⁱ : förväntad funktion
F ⁱ : tolkad funktion
F ^e : extern funktion
FR ^e : externa krav på funktion

Var ⁱ : förväntat beteende
B ⁱ : tolkat beteende
B ^e : yttre beteende
BR ^e : externa krav på beteende

Se ⁱ : förväntad struktur
S ⁱ : tolkad struktur
S ^e : yttre struktur
SR ^e : externa krav på struktur

Det situerade ramverket för funktion-beteende-struktur

20 processer förbinder dessa specialiserade ontologiska kategorier. De utvecklar och utökar de åtta grundläggande processerna i FBS-ramverket, vilket ger mer beskrivande kraft när det gäller designens läge.

Formulering : genererar ett designtillståndsutrymme i termer av ett funktionstillståndsutrymme (process 7 i bilden som visar det belägna Function-Behaviour-Structure Framework), ett beteendetillståndsutrymme (processer 8 och 10) och ett strukturtillståndsutrymme (process 9 ). Den är baserad på tolkningen av externa krav på funktion (process 1), beteende (process 2) och struktur (process 3) och på konstruktionen av minnen av funktion (process 4), beteende (process 5) och struktur (process 6).
Syntes : producerar en designlösning som är en punkt i strukturtillståndsrummet (process 11) och en extern representation av den lösningen (process 12).
Analys : tolkar den syntetiserade strukturen (process 13) och härleder beteende från den strukturen (process 14).
Utvärdering : jämför det förväntade beteendet med det tolkade beteendet (process 15).
Dokumentation : producerar en extern representation av designen, som kan vara i termer av struktur (process 12), beteende (process 17) och funktion (process 18).
Omformuleringstyp 1 : genererar ett nytt eller modifierat strukturtillståndsutrymme (process 9). Potentiella drivkrafter för denna omformulering inkluderar processerna 3, 6 och 13.
Omformuleringstyp 2 : genererar ett nytt eller modifierat beteendetillståndsutrymme (process 8). Potentiella drivkrafter för denna omformulering inkluderar processerna 2, 5, 14 och 19.
Omformuleringstyp 3 : genererar ett nytt eller modifierat funktionstillståndsutrymme (process 7). Potentiella drivkrafter för denna omformulering inkluderar processerna 1, 4, 16 och 20.

Ansökningar

FBS-ontologin har använts som grund för modellering av design (resultaten av design) och designprocesser (aktiviteterna att designa) inom ett antal designdiscipliner, inklusive ingenjörsdesign, arkitektur, människa-dator-gränssnitt, människa-robot-gränssnitt, konstruktion och mjukvarudesign. Medan FBS-ontologin har diskuterats i termer av dess fullständighet, har flera forskargrupper utökat den för att passa behoven inom deras specifika domäner. Det har också använts som ett schema för kodning och analys av beteendestudier av designers.

Andra har tillämpat FBS-ontologin för att utveckla en ontologi av system. För detta ändamål utökas de tre kategorierna av begrepp (dvs. Funktion, Beteende, Struktur) till sex kategorier av begrepp genom att lägga till begreppen Kontext, Princip, Tillstånd. Som sådan blir FBS-ontologin FCBPSS-ontologin. I FCBPSS-ontologin förblir definitionen av funktion och struktur densamma som i FBS-ontologin. Begreppen Beteende, Kontext, Princip och Tillstånd är följande.

Tillstånd (St): egenskapen eller egenskaperna hos ett system (delsystem, komponent) både tidsmässigt och tidsmässigt.
Beteende (B): förhållandet input (stimuli)–utgång (svar).
Princip (P): kunskapen som styr beteendet.
Kontext (C): det tillstånd och den miljö under vilken en funktion spelas av ett system.

De sex kategorierna av begrepp är relaterade, särskilt strukturen i ett system är en grund, följt av tillstånd, beteende och funktion. Principen aggregerar tillstånd tillsammans med deras underliggande struktur till strukturens beteende.

Anteckningar

Bhatta SR och Goel AK (1994) "Modellbaserad upptäckt av fysiska principer från designupplevelser", Artificiell intelligens för teknisk design, analys och tillverkning , 8 ( 2), s. 113–123.
Cascini G., Fantoni G. och Montagna F. (2013) "Situating needs and requirements in the FBS framework", Design Studies , 34 (5), s. 636–662.
Cebrian-Tarrason D., Lopez-Montero JA och Vidal R. (2008) "OntoFaBeS: Ontology design based in FBS framework", CIRP Design Conference 2008 , University of Twente.
Chandrasekaran B. och Josephson JR (2000) "Function in device representation", Engineering with Computers , 16 (3-4), s. 162–177.
Christophe F., Bernard A. och Coatanéa É. (2010) "RFBS: A model for knowledge representation of conceptual design", CIRP Annals - Manufacturing Technology , 59 (1), s. 155–158.
Clancey, WJ (1997) Situated Cognition: On Human Knowledge and Computer Representations , Cambridge University Press, Cambridge. ISBN 0-521-44871-9 .
Clayton MJ, Teicholz P., Fischer M. och Kunz J. (1999) "Virtuella komponenter som består av form, funktion och beteende", Automation in Construction , 8 (3), s. 351–367.
Colombo G., Mosca A. och Sartori F. (2007) "Towards the design of intelligent CAD systems: An ontological approach", Advanced Engineering Informatics , 21 (2), s. 153–168.
Eichhoff JR och Maass W. (2011) "Representation and Reuse of Design Knowledge: An Application for Sales Call Support", Knowledge-Based and Intelligent Information and Engineering Systems , LNCS 6881, Springer, s. 387–396.
Deng YM (2002) "Funktions- och beteenderepresentation i konceptuell mekanisk design", Artificiell intelligens för teknisk design, analys och tillverkning , 16 ( 5), s. 343–362.
Dewey J. (1896 omtryckt 1981) "The reflex arc concept in psychology", Psychological Review , 3 , s. 357–370.
Dorst K. och Vermaas PE (2005) "John Gero's Function-Behaviour-Structure model of designing: a critical analysis", Research in Engineering Design , 16 (1-2), s. 17–26.
Galle P. (2009) "The ontology of Geros FBS model of designing", Design Studies , 30 (4), s. 321–339.
Gero JS (1990) "Designprototyper: ett kunskapsrepresentationsschema för design", AI Magazine , 11 (4), s. 26–36.
Gero JS och Kannengiesser U. (2002) "The sited function-behaviour-structure framework", Artificial Intelligence in Design '02 , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, s. 89–104.
Gero JS och Kannengiesser U. (2004) "The sited function-behaviour-structure framework", Design Studies , 25 (4), s. 373–391.
Gero JS och Kannengiesser U. (2014) "The function-behaviour-structure ontology of design", i A. Chakrabarti och LTM Blessing (red) An Anthology of Theories and Models of Design , Springer, s. 263–283.
Gu C.-C., Hu J., Peng Y.-H. och Li S. (2012) "FCBS model for functional knowledge representation in conceptual design", Journal of Engineering Design , 23 (8), s. 577–596.
Howard TJ, Culley SJ och Dekoninck E. (2008) "Describing the creative design process by integration of engineering design and cognitive psychology literature", Design Studies , 29 (2), s. 160–180.
Jiang H. (2012) "Understanding Senior Design Students' Product Conceptual Design Activities", doktorsavhandling, National University of Singapore, Singapore.
Kan JWT (2008) "Quantitative Methods for Studying Design Protocols", doktorsavhandling, University of Sydney, Sydney.
Kan JWT och Gero JS (2009) "Using the FBS ontology to capture semantic design information in design protocol studies", i J. McDonnell och P. Lloyd (red) Om: Designing. Analysing Design Meetings , CRC Press, s. 213–229.
Kruchten P. (2005) "Casting software design in the function-behaviour-structure framework", IEEE Software , 22 (2), s. 52–58.
Lammi MD (2011) "Karakterisera gymnasieelevers systemtänkande i teknisk design genom ramverket för funktion-beteende-struktur (FBS)", doktorsavhandling, Utah State University, Logan.
Lin Y., Zhang WJ (2004) "Mot ett nytt ramverk för gränssnittsdesign: funktion-beteende-tillståndsparadigm", International Journal of Human Computer Studies, Vol. 61, nr 3, sid. 259-297.
McNeill T. (1998) "The Anatomy of Conceptual Electronic Design", doktorsavhandling, University of South Australia, Adelaide.
Ralph P. (2010) "Comparing Two Software Design Process Theories", Global Perspectives on Design Science Research , LNCS 6105, Springer, s. 139–153.
Russo D., Montecchi T. och Ying L. (2012) "Functional-based search for patent technology transfer", Proceedings of the ASME 2012 International Design Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE 2012, 12–15 augusti , 2012, Chicago, IL, DETC2012-70833.
Schön DA (1983) The Reflective Practitioner: How Professionals Think in Action , Harper Collins, New York. ISBN 0-465-06874-X .
Uflacker M. och Zeier A. (2008) "Extending the Situated Function-Behaviour-Structure Framework for User-Centered Software Design", Design Computing and Cognition '08, Springer, s. 241–259.
Umeda Y., Takeda H., Tomiyama T. och Yoshikawa H. (1990) "Funktion, beteende och struktur", Applications of Artificial Intelligence in Engineering V, Vol. 1, s. 177–194.
Vermaas PE och Dorst K. (2007) "On the conceptual framework of John Geros FBS-model and the prescriptive aims of design methodology", Design Studies , 28 (2), s. 133–157.
Yan M. (1993) "Representing design knowledge as a network of function, behavior and structure", Design Studies , 14 (3), s. 314–329.
Xue L., Liu CJ, Lin Y., Zhang WJ (2015) Om redundant gränssnitt: koncept och designprincip. Proc. 2015 IEEE/ASME internationella konferens om avancerad intelligent mekatronik. 8-11 juli. Busan, Sydkorea.
Zhang WJ Lin Y., Sinha N. (2005) "On the Function-Behavior-Structure Model for Design", The 2nd CDEN Conference, Alberta, Kanada, 18-20 juli. CD-ROM, 8 sidor.
Zhang WJ och Wang JW (2016) "Designteori och metodik för företagssystem (redaktionell)". Företagsinformationssystem. Vol. 10, nummer 3, 245-248.