Онтология Функция-Поведение-Структура

Онтология Function-Behaviour-Structure ( или, кратко, онтология FBS) — это онтология объектов дизайна, т. е. вещей, которые были или могут быть спроектированы . Онтология Function-Behaviour-Structure концептуализирует объекты дизайна в трех онтологических категориях: функция (F), поведение (B) и структура (S). Онтология FBS использовалась в науке дизайна в качестве основы для моделирования процесса проектирования как набора отдельных видов деятельности. Эта статья относится к концепциям и моделям, предложенным Джоном С. Джеро и его коллегами. Аналогичные идеи были разработаны независимо другими исследователями. ^{[1] [2] [3]}

Онтологические категории, составляющие онтологию Функция-Поведение-Структура, определяются следующим образом: ^{[4] [5]}

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

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

Онтология Функция-Поведение-Структура является основой для двух фреймворков проектирования: фреймворка FBS и его расширения, фреймворка located FBS. Они представляют процесс проектирования как преобразования между функцией, поведением и структурой, а также их подклассами.

Первоначальная версия фреймворка FBS была опубликована Джоном С. Джеро в 1990 году. ^[6] Он применяет онтологию FBS к процессу проектирования, дополнительно артикулируя три онтологические категории. В этой артикуляции поведение (B) специализируется на ожидаемом поведении (Be) («желаемое» поведение) и поведении, полученном из структуры (Bs) («фактическое» поведение). Кроме того, вводятся два дополнительных понятия поверх существующих онтологических категорий: требования (R), которые представляют намерения клиента, исходящие извне дизайнера, и описание (D), которое представляет собой изображение дизайна, созданного дизайнером. Основываясь на этих артикуляциях, фреймворк FBS предлагает восемь процессов, заявленных как фундаментальные в проектировании, ^{[4] [7]} а именно:

1. Формулировка : формулирует проблемное пространство путем преобразования требований в пространство состояний функций (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 переинтерпретации структуры (S → S').
7. Тип переформулировки 2 : изменяет пространство состояний поведения на основе переинтерпретации структуры (S → Be').
8. Переформулирование типа 3 : изменяет пространство состояний функции на основе переинтерпретации структуры и последующего переформулирования ожидаемого поведения (S → F' через Be).

Восемь основных процессов в структуре FBS проиллюстрированы на примере процесса проектирования турбокомпрессора.

1. Формулировка: Внешние требования (R) для турбокомпрессора интерпретируются проектировщиком как функции (F), в том числе для увеличения выходной мощности двигателя. Затем создается набор поведений (Be), которые, как ожидается, достигнут этой функции. Они включают массовый расход воздуха и коэффициенты эффективности для диапазона скоростей двигателя.
2. Синтез: На основе ожидаемого поведения (Be) создается структура (S), которая включает такие компоненты, как компрессор, турбина, узел сердечника, вал и их взаимосвязи. Она также включает их геометрию и материалы.
3. Анализ: После того, как структура (S) создана, на ее основе можно вывести «фактическое» поведение (Bs). Это может включать физическое тестирование прототипов (например, для измерения массового расхода воздуха) и вычислительное моделирование (например, для расчета теплового поведения).
4. Оценка: «Фактическое» поведение (Bs) турбокомпрессора сравнивается с ожидаемым поведением (Be), чтобы оценить, соответствует ли текущая конструкция турбокомпрессора требуемым характеристикам.
5. Документация: Конструкция турбокомпрессора документируется путем создания описания (D), обычно модели САПР , на основе конструкции (S).
6. Тип переформулировки 1: Проектировщик изменяет пространство возможных структур проекта (S), включая новый компонент, такой как переменное скользящее кольцо внутри турбины.
7. Переформулирование типа 2: Проектировщик изменяет пространство ожидаемых поведений (Be), вводя новое поведение управления, которое позволяет изменять массовый расход воздуха. Это является следствием введения переменного скользящего кольца в структуру конструкции (S).
8. Переформулирование типа 3: Проектировщик изменяет функциональное пространство (F), адаптируя его для обслуживания потребностей двигателя с повышенной температурой выхлопных газов. Это основано на открытии высокой термической прочности (Be) существующих конструкционных материалов (S).

Структура FBS была разработана Джоном С. Джеро и Удо Канненгиссером в 2000 году ^[7] как расширение структуры FBS для явного отражения роли ситуативного познания или ситуативности в проектировании. ^{[8] [9]}

Основное предположение, лежащее в основе структуры FBS, заключается в том, что проектирование включает взаимодействие между тремя мирами: внешним миром, интерпретируемым миром и ожидаемым миром. Они определяются следующим образом: ^{[4] [5] [7]}

• Внешний мир : содержит вещи во «внешнем» мире (например, в физическом окружении дизайнера)
• Интерпретируемый мир : содержит опыт, восприятие и концепции, сформированные в результате взаимодействия дизайнера с внешним миром.
• Ожидаемый мир : содержит ожидания относительно результатов действий проектировщика, 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 в интерпретируемом мире.
• Фокусирование : выбирает подмножества переменных в интерпретируемом мире и использует их в качестве целей в ожидаемом мире.
• Действие : изменяет внешний мир в соответствии с целями и гипотезами, составляющими ожидаемый мир.
• Конструктивная память : создает воспоминания в результате переосмысления прошлого опыта. Она основана на конструктивистской модели человеческой памяти. ^[10] в которой новые воспоминания генерируются путем размышления ^[8]

Структура FBS, основанная на местоположении, является результатом слияния трехмировой модели местоположенности с исходной структурой FBS путем специализации онтологических категорий следующим образом: ^{[4] [5] [7]}

20 процессов связывают эти специализированные онтологические категории. Они развивают и расширяют восемь фундаментальных процессов в рамках FBS, предоставляя большую описательную силу в отношении ситуативности проектирования.

1. Формулировка : генерирует пространство состояний дизайна в терминах пространства состояний функции (процесс 7 на изображении, показывающем расположенную структуру Function-Behaviour-Structure), 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) и на построении воспоминаний о функции (процесс 4), поведении (процесс 5) и структуре (процесс 6).
2. Синтез : создает проектное решение, представляющее собой точку 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 интерпретируемым поведением (процесс 15).
5. Документация : создает внешнее представление проекта, которое может быть представлено в терминах структуры (процесс 12), поведения (процесс 17) и функции (процесс 18).
6. Переформулирование типа 1 : генерирует новое или измененное пространство состояний структуры (процесс 9). Потенциальные драйверы этого переформулирования включают процессы 3, 6 и 13.
7. Переформулирование типа 2 : генерирует новое или измененное пространство состояний поведения (процесс 8). Потенциальные драйверы этого переформулирования включают процессы 2, 5, 14 и 19.
8. Переформулирование типа 3 : генерирует новое или измененное пространство состояний функции (процесс 7). Потенциальные драйверы этого переформулирования включают процессы 1, 4, 16 и 20.

Онтология FBS использовалась в качестве основы для моделирования проектов (результатов проектирования) и процессов проектирования (деятельности проектирования) в ряде дисциплин проектирования, включая инженерное проектирование, архитектуру, интерфейс человек-компьютер, интерфейс человек-робот, строительство и проектирование программного обеспечения. ^{[11] [12] [13] [14] [15] [16 ] [17] [18] [19]} Хотя онтология FBS обсуждалась с точки зрения ее полноты, ^{[20] [21] [22] [23]} несколько исследовательских групп расширили ее, чтобы она соответствовала потребностям их конкретных областей. ^{[24] [ 25 ] [ 26] [27] [28] [29] [30] [31]} Она также использовалась в качестве схемы для кодирования и анализа поведенческих исследований дизайнеров. ^{[32] [33] [34] [35] [36]}

Другие применили онтологию FBS для разработки онтологии систем. ^{[31] [19] [37]} Для этой цели три категории понятий (то есть Функция, Поведение, Структура) расширяются до шести категорий понятий путем добавления понятий Контекст, Принцип, Состояние. 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 следующие.

• Состояние (Ст): свойство или характеристика системы (подсистемы, компонента) как во времени, так и во времени.
• Поведение (B): отношение вход (стимулы) – выход (реакция)
• Принцип (П): знание, управляющее поведением.
• Контекст (C): условия и среда, в которых система выполняет функцию.

Шесть категорий концепций связаны, особенно структура системы является основой, за которой следуют состояние, поведение и функция. Принцип объединяет состояния вместе с их базовой структурой в поведение структуры.

• Бхатта СР и Гоэль АК (1994) «Открытие физических принципов на основе моделей из опыта проектирования», Искусственный интеллект для инженерного проектирования, анализа и производства , 8 (2), стр. 113–123.
• Cascini G., Fantoni G. и Montagna F. (2013) «Расположение потребностей и требований в рамках FBS», Design Studies , 34 (5), стр. 636–662.
• Себриан-Таррасон Д., Лопес-Монтеро Дж. А. и Видал Р. (2008) «OntoFaBeS: проектирование онтологии на основе фреймворка 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., Бернард А. и Коатанеа Э. (2010) «RFBS: модель представления знаний концептуального проектирования», CIRP Annals - Производственные технологии , 59 (1), стр. 155–158.
• Кланси, У. Дж. (1997) Ситуативное познание: о человеческом знании и компьютерных представлениях , Cambridge University Press, 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) «К проектированию интеллектуальных систем САПР: онтологический подход», Advanced Engineering Informatics , 21 (2), стр. 153–168.
• Эйххофф Дж. Р. и Маасс В. (2011) «Представление и повторное использование знаний о дизайне: приложение для поддержки звонков по продажам», Интеллектуальные информационные и инженерные системы, основанные на знаниях , 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, переиздано в 1981) «Концепция рефлекторной дуги в психологии», Psychological Review , 3 , стр. 357–370.
• Дорст К. и Вермаас П.Е. (2005) «Модель проектирования «функция-поведение-структура» Джона Джеро: 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) «Проектные прототипы: схема представления знаний для проектирования», AI Magazine , 11 (4), стр. 26–36.
• Геро Дж. С. и Канненгиссер У. (2002) «Ситуативная структура функции-поведения-структуры», Искусственный интеллект в дизайне '02 , Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, стр. 89–104.
• Геро Дж. С. и Канненгиссер У. (2004) «Ситуативная структура функции-поведения-структуры», Design Studies , 25 (4), стр. 373–391.
• Геро Дж. С. и Канненгиссер У. (2014) «Онтология функции-поведения-структуры дизайна», в книге А. Чакрабарти и Л. Т. М. Блессинг (редакторы) «Антология теорий и моделей дизайна» , Springer, стр. 263–283.
• Gu C.-C., Hu J., Peng Y.-H. и Li S. (2012) «Модель FCBS для представления функциональных знаний в концептуальном проектировании», Журнал инженерного проектирования , 23 (8), стр. 577–596.
• Howard TJ, Culley SJ и Dekoninck E. (2008) «Описание процесса творческого проектирования путем интеграции литературы по инженерному проектированию и когнитивной психологии», Design Studies , 29 (2), стр. 160–180.
• Цзян Х. (2012) «Понимание деятельности студентов старших курсов по концептуальному проектированию продукции», докторская диссертация, Национальный университет Сингапура, Сингапур.
• Кан Дж. В. Т. (2008) «Количественные методы изучения протоколов проектирования», докторская диссертация, Сиднейский университет, Сидней.
• Kan JWT и Gero JS (2009) «Использование онтологии FBS для сбора семантической информации о дизайне в исследованиях протоколов дизайна», в J. McDonnell и P. Lloyd (редакторы) About: Designing. Analysing Design Meetings , CRC Press, стр. 213–229.
• Крухтен П. (2005) «Проектирование программного обеспечения в рамках функции-поведения-структуры», IEEE Software , 22 (2), стр. 52–58.
• Лэмми, доктор медицины (2011) «Характеристика системного мышления учащихся старших классов в инженерном проектировании с помощью модели «функция-поведение-структура» (FBS)», докторская диссертация, Университет штата Юта, Логан.
• Линь И., Чжан В. Дж. (2004) «На пути к новой структуре проектирования интерфейсов: парадигма «функция-поведение-состояние»», Международный журнал исследований человеческого информатики, т. 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 г., Чикаго, Иллинойс, DETC2012-70833.
• Шён Д.А. (1983) Рефлексивный практик: как профессионалы мыслят на практике , Harper Collins, Нью-Йорк. ISBN 0-465-06874-X . 
• Уфлакер М. и Цайер А. (2008) «Расширение структуры «функция-поведение-структура» для проектирования программного обеспечения, ориентированного на пользователя», Design Computing and Cognition '08 , Springer, стр. 241–259.
• Умеда Й., Такеда Х., Томияма Т. и Ёсикава Х. (1990) «Функция, поведение и структура», Применение искусственного интеллекта в инженерии V , т. 1, стр. 177–194.
• Вермаас П.Е. и Дорст К. (2007) «О концептуальной основе модели FBS Джона Джеро и предписывающих целях методологии дизайна», 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.
• Xue L., Liu CJ, Lin Y., Zhang WJ (2015) О резервном интерфейсе: концепция и принцип проектирования. Труды Международной конференции IEEE/ASME 2015 года по передовой интеллектуальной мехатронике. 8–11 июля. Пусан, Южная Корея.
• Чжан В. Дж. Линь И., Синха Н. (2005) «О модели «функция-поведение-структура» для проектирования», 2-я конференция CDEN, Альберта, Канада, 18–20 июля. CD ROM, 8 страниц.
• Zhang WJ и Wang JW (2016) «Теория и методология проектирования корпоративных систем (редакционная статья)». Корпоративные информационные системы. Том 10, выпуск 3, 245-248.