摘要:在分析概念设计过程的基础上，得出功能是概念设计的核心，主要对功能的抽象化描述、表达及应包含的信息作了初步探讨，这对深入研究计算机辅助概念设计具有一定的意义。

二十一世纪是知识经济的时代，经济趋于全球化，世界市场的产品竞争日益激烈，世界各国普遍重视新产品的开发，而设计活动是产品开发过程中最重要的环节之一。目前对机械产品设计过程的研究，归纳起来主要有四种:一是Pahl和Beitz的明确设计任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段：二是Koller认为包括产品规划、功能设计、定性设计和定量设计四个阶段：三是French认为包括问题分析、概念设计、方案具体化和详细设计等四个阶段：四是邹慧君教授提出的产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。

在产品设计中概念设计是极其关键的阶段，其重要性主要在于:概念设计的结果是产品方案，正是由于此在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率。此外，有关资料表明，虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的75%，而且详细设计阶段很难甚至不能修改概念设计阶段的设计缺陷和错误。

传统的CAD技术经过数十年的发展，虽然取得了巨大的成效，但另一方面我们也能看到，目前的CAD技术仍存在着某些严重不足。这个不足主要表现在传统CAD技术主要是面向产品详细设计和造型绘图阶段，不足以支持产品概念设计：不支持Top-down的设计方法，不符合设计人员的正常设计思维，且人脑的概念设计结果和手工绘制的设计草图不能为计算机所直接使用，即传统CAD技术只支持设计过程的后续阶段。正因为如此，自80年代中期以来，计算机辅助概念设计已成为产品自动化的瓶颈问题，也是当前设计领域的研究热点之一。

1 概念设计及功能

图1 概念设计过程

自从Pahl和Beitz于1984年在其《EngineeringDesign》一书中提出概念设计这一名词以来，人们已对概念设计进行了十几年的研究。认为概念设计是从产品开发的用户需求到功能原理解的映射过程，其一般过程是:设计人员首先把用户需求定义规范化为设计要求任务表，再经过抽象化，拟定出产品总功能，然后将总功能逐层分解为一些有原理解对应的子功能，最终这个总功能和各子功能形成了设计的功能树：然后设计人员对各子功能进行求解、综合和评价，得到最后的功能原理解(即原理方案)。概念设计过程如图1所示。

概括而言，概念设计具有如下特性:创新性、多样性、层次性和残缺性。

创新性创新是概念设计的灵魂，包括功能、结构等的修改、改良和创新等。
多样性概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样性和设计结果的多样性。总功能抽象化的程度不同、功能分解和工作原理等的不同，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的原理方案。
层次性概念设计分别作用于功能层、行为层、结构层，并完成由功能层向行为层、行为层向结构层的映射。
概念设计阶段区别于其它设计阶段显著特点之一是在该阶段产品信息(主要包括功能信息和几何信息)是残缺的，表现为产品信息的不精确(Im-precise)、不确定(Uncertain)、不完全(Incomplete)和不定性(Qualitative)的特点。

另外，用户购买产品，首先买的是产品性能(就是功能+质量)，所以功能是第一位的，其次就其它几种典型的现代设计理论和方法，也都自觉和不自觉地使用功能这一概念。

由此可以看出，在概念设计阶段的主要处理对象是功能。功能的抽象化、表达、分解和推理是概念设计阶段的核心问题。

2 功能抽象化描述

正如以上概念设计过程所述，概念设计的起点是用户需求，通过用户需求得到产品功能，再将功能根据产品的复杂程度逐层分解为各个子功能，一直分解到有现有解的原理对应为止，然后将各子功能重新组合成具有层次性的功能结构，各个子功能映射到相应的原理解。现有解的原理直接影响着产品的功能，功能描述对产品整个设计过程是至关重要的。
图2 抽象化描述功能

问题是现有解的原理，随着科学技术的发展(新工艺、新材料、新工作流和新自然科学知识等)，不能认为它是持久性唯一、最佳的解。其次，现有解的原理来源于设计的已有知识(经验——在功能描述时下意识已准备了解)，实际上带有偏见和传统，不一定是最佳的。最后，来源于用户需求的信息，是杂乱模糊不确定的，甚至包含有虚假的信息。在技术领域内，由于习惯和缺乏全局观念，有着许多先入之见和虚假的限制条件，这种偏见可能诱导设计者在考虑其它可能之前先决定一个确解。例如，一个长期从事机械传动系统研究的人员，很容易受这些虚假限制条件的束缚，亦即将来(潜意识)也要按照机械传动原理来解决所有的传动技术问题(显然还有液压、电磁等传动)。因此，对功能描述必须要抽象化，抽象化就是为了解除先入之见和摆脱传统观念，略去个性和偶然性，力求突出普遍适用的和本质的东西。

一项设计任务所有普遍意义和本质性的东西，可以通过功能关系和与设计任务相关的主要约束条件方面的分析，并从设计任务要求表中一步步抽象化来获得，具体可通过如下步骤:

在思想上撇开愿望：
撇开不直接涉及功能和本质性约束条件的必达要求：
将定量改成定性地说明，从而简缩为本质性陈述：
有意义地扩大认识：
不偏向某种解(中性)地将设计任务表达成文(短语或句子)。

根据产品设计任务的复杂程度不同，可以取消相应的步骤。

经过这样一个抽象化过程，抓住了设计任务的核心，认清了功能和那些表明问题特征的本质性条件。保留了真是的限制条件，识别(剔除)了虚假的限制条件，增加了解的空间，扩大了可行解的总类和数目，有利于原理方案的设计。例如，我们知道平键联接能够实现轴毂的联接并传递转矩，如果仅局限于设计平键联接的思路，只可能产生如图2(a)的4种方案。若对该设计问题抽象化，抓住设计的本质，即能完成的功能就是实现轴毂联接，这样扩展了功能解的思路，使可行解的种类和数目增加很多，由图2(b)可清楚看出。因此，不能说“设计平键联接”要抽象化，从而表达为“设计轴毂联接”。

3 功能的表达方式

功能经过抽象化描述后，抓住了设计任务的核心，并且扩大了原理解的种类和数目。下来一个现实是问题是对功能如何表达(这里主要是指面向计算机支持的功能表达)。

图3 各建模方法侧重图

目前，对产品表达模型开展了积极的研究，从不同方面对产品表达，是语言、几何模型、图(树)、知识、图形和图像等多种模型的集成。一般来讲，产品表达可以从产品的功能、行为和结构等角度进行。对于人脑来讲，建模主要是感官的、智慧的、可视化的，而对于计算机来说，建模偏于计算和符号处理。各种建模方法相对于人脑和计算机来说侧重点是不一样的，如图3所示。

图和树是概念设计阶段常用的两种表达手段，可以对有关产品的所有属性，包括功能、行为、结构、需求和约束进行描述。但是，该模型缺乏类和继承的概念，而这些概念在概念设计中是有用的。

知识是另一种常用的表达方法，最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络及谓词逻辑等。利用知识模型取得了很大的成功，但不足之处是知识模型正确性的检验，知识获取的问题以及知识库管理等问题。

由于产品的复杂性和多样性，所以不同产品、产品的不同方面可以采用多种或多个描述方法。近年来，越来越多的研究采用多种表达方法集成的手段，例如有信息集成产品模型、全息模型等。

要想寻求适合功能的表达方法，必须从功能在概念设计阶段所处的地位、特点以及从产品整个设计过程的高度来分析。不言而喻，在概念设计阶段，产品信息主要分为功能信息和几何信息，且功能信息代替几何信息占据主导地位，是产品信息表达的核心。从产品整个设计过程来看，产品的功能信息贯穿于整个设计过程，只是设计阶段的不同，不同类型功能的抽象层次也不相同。在设计早期阶段，功能通常是独立于工作原理，而在后续的设计阶段，当功能逐渐细化时，功能越来越依赖于所选的工作原理。另外，在设计的早期阶段，做出的大部分设计决策主要涉及的是产品的预期性能和整个功能。功能是指一个结构的目的，是行为的抽象表示，目的是对应出新的行为对象。功能应该是一项设计任务的抽象化表达，该设计任务是独立的一个特定的解。在此阶段，将产品的抽象功能表达转换成物理描述。在后续的设计阶段，要详细拟定在早期阶段所做出的物理决策以保证满足特定的功能需求和整个生命周期评价的准则。为了操作“功能”信息，需要一个“功能数据模型”(在整个设计周期中可以表达功能信息)，以便于在设计过程中，固有的推理模块可以访问和提取信息(就象在结构设计过程中，几何推理模块要从“产品数据模型”(CAD模型)中提取数据一样)。

由以上的分析可以看出，功能的表达方式应该满足以下二个条件:一是功能模型应该完全表达出设计要求，并且在整个设计过程中不会丢失信息：二是要便于实现从功能到行为、结构等的映射和转换。目前关于功能的表达方式主要有以下几种:

Buur提出的“功能-名词对”表示法：
Hansen提出的“动词+名词+形容词环境的短语”的表示法：
Kirschman则用完整的句子表示功能：
输入输出流转换，诸如物质流、信息流或能量流：
输入输出状态转换法：
Schmekel提出了一种由符号功能模型组成的形式语言来描述产品的功能。产品功能被分解成关联关系，该关系可以和标准零部件的功能实现映射。可是该法仅能处理标准机械零件。

前三种是普遍使用的方法，较符合人们的思维习惯，但仅仅停留在对功能名称的表达上，且笔者认为只要能说明问题的本质，用短语或句子均可以表达功能。从计算机辅助设计过程的角度看，以上表达方法均有不足之处。

通过以上分析，面向设计过程的功能表达应包含以下信息:

功能名称。是对产品功能的描述。
完成功能的输入输出信息。一般机械产品输入输出有明确指标，多以参数定量化的形式表示。
应含有等价功能的信息。因为在搜索满足产品的功能时，基本功能满足要求，而组合功能(等价功能的一般形式)也能满足要求。故需要考虑等价功能。领域专业知识可以用来定义等价功能。例如“转动—转动”与“转动—移动和移动—转动”是等价的。
应包含有约束等信息。约束在任何设计中起着非常重要的作用，依靠约束来限制设计的搜索空间。一般机械产品有关系型约束、因果型约束和空间约束。
应有参照制造物(机械产品就是机械实体)通过典型轮廓形状表达部分几何信息。

面向对象技术用于产品建模越来越受到人们的关注。尤其是面向对象技术为概念设计提供了建模的柔性化需要。设计的物理要素以及它们的参数和特性可以用对象属性来表达。若干个对象合并就可组成一产品。最大化合并不同对象的这种能力使我们可迅速产生许多设计的可行解。例如，采用面向对象技术将转动变为往复摆动的功能可表达如下:

Function:rot2osc=//function to convert rotary motion to oscillatory motion

(

(fid rotary to linear oscillatory)

(input(iid omega1(category rotary motion)(weight 1)

(unit rpm)(value range UNKNOWN UNKNOWN)

)

(output(oid)(category oscillatory motion)(weight 1)

(unit cycles / sec)(value range UNKNOWN UNKNOWN)

)

(artifact UNKNOWN)//not yet in the generic definition

(constraint NONE)

(eqv(function ret to linear AND function linear to oscillatory))

(goal UNKNOWN)

)

4 小结

概念设计在产品全生命周期开发过程中的重要地位和作用愈来愈受到人们的普遍重视，并成为当前设计领域的研究热点之一。而概念设计阶段的核心是功能的研究，本文主要对功能的抽象化描述、表达及应包含的信息作了初步探讨，望能对计算机辅助概念设计的研究起到积极的促进作用。

机械产品概念设计及功能表达

1 概念设计及功能

2 功能抽象化描述

3 功能的表达方式

4 小结