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1.基于FBS的复杂产品系统设计方法 复杂产品系统的设计过程分为四个阶段：①阐明任务：梳理系统需求，明确设计要求和约束条件；②概念设计：通过对系统的功能分析，寻找能够实现各项功能的系统结构，得到满足要求的系统设计方案；③初步设计：对系统结构进行局部重组、优化；④详细设计：实现系统结构设计。近年来，人们越来越多地注意到概念设计阶段对于整体产品系统研发周期、成本、风险等方面的重要影响力，已经逐渐开始将关注的重点从产品结构的详细设计转移到概念设计过程，目前针对复杂产品系统概念设计的相关理论和方法主要分为基于知识、基于模型、基于进化思想和基于人工智能等四种类型，本文主要对典型的基于模型的产品系统概念设计方法——FBS进行相关研究，主要围绕系统设计描述模型和系统设计建模过程两个方面内容展开。 设计的目的是将用户需求转换为可实现所有功能的产品设计说明书，而这个过程是不可能直接完成的，需要一系列基本的设计步骤逐步实现，产品的行为和结构则是这些步骤中的重要概念。基于以上观点，Gero提出功能-行为-结构（Function-Behaviour-Structure，FBS）的概念设计过程模型，该模型主要描述了包括功能、行为、结构和关系四个方面的产品概念设计特征，其中关系是指功能、行为、结构三者之间的相互转换关系，FBS设计方法内容如下图1所示。
图1 FBS设计方法
1.1 系统设计描述模型 Gero认为没有任何一种框图具有足够的表达能力对多种设计知识进行一般化的表示，但设计者基于产品概念设计的基本经验，对设计目标产品的功能、行为、结构以及它们如何关联有一定的认识前提，因此该方法提出一种称作“设计原型（Design Prototypes）”的概念模式，对包含功能、行为、结构以及相互映射关系在内的多种设计知识类型进行了区别并实现分组表示，设计原型的表达结构如表1所示。 表1 FBS设计原型的表达结构
虽然Gero在FBS方法中将功能、行为、结构三种概念特征称为设计知识，但随着模型化的趋势发展，在对该方法的延伸研究中，对设计特征知识进行建模，逐步将其发展成一种基于模型的产品系统概念设计方法，相应地，对应的设计说明书也演变为模型表达的系统设计方案，或称产品系统设计模型。 以FBS为基础对系统设计描述模型的后续研究主要分为两类：一方面由于对功能、行为的定义并不统一，对它们的认识存在差异性，因此一部分研究是针对这些设计特征的概念提出不同观点，即试图对功能、行为、结构的设计概念提出更为明确的、可区别的、清晰的定义，去除以往容易产生的模糊性理解，并通过提出新的表达模型增强了设计者对概念设计特征的使用，如Umeda等人针对创新产品设计提出功能-行为-状态模型，Sambasiva针对类比设计提出SBF模型，强调以往设计经验的重要性，从相似设计案例中的物理结构入手，解决同类产品设计问题，并在后续研究中针对机构设计进一步提出TSBF模型。从本体角度解剖FBS方法，与原方法中强调概念特征不同，该研究重点对FBS方法中的过程进行了概念方面的梳理和阐述。另一方面，研究者并不满足只有功能、行为、结构三种设计特征即可覆盖全部概念设计过程的观点，因此提出对该模型的元素扩展，如Deng等人提出功能-环境-行为-结构（Function-Environment-Behavior-Structure，FEBS）模型，可以获得更高层次的产品系统功能结构，并通过功能-约束-结构模型实现多约束、少设计变量的功能建模。Gero在原始FBS基础上通过增加情境概念元素进行方法的扩展，提出Situated Function-Behaviour-Structure（sFBS）框架，通过三种世界（外在世界、解读世界、理想世界）的相互作用实现情境化设计过程。Hu通过功能知识单元的概念增强了概念设计特征的表达能力。Christophe等在中将需求分析作为重要的设计过程，提出RFBS（Requirement-Function-Behavior-Structure）模型，并采用SysML对建模元素进行图形化表达。Qin等人在上述研究的基础上，认为设计知识不仅面向设计对象本身，还应包括过程知识的表达，从而为未来设计决策工作提供更好的知识支持。同类的研究还有很多，在此不一一列举。 1.2 系统设计建模过程 该方法中体现的设计过程包括转换、偶然转换和对比三类，又根据不同过程发挥的作用对其细分为八种过程，包括五个顺序步骤和三个反馈步骤，如表2、表3所示。 表2 FBS设计过程中的顺序设计步骤
表3 FBS设计过程中的反馈步骤
针对FBS设计过程的后续研究范围大体包括功能建模与分解、功能-（行为）-结构推理映射方法/策略、设计方案的评估与决策等方面。Umeda等提出的功能-行为-状态(Function-Behavior-State)模型中将功能分解分为基于任务的分解(Taskdecomposition)和基于因果关系的分解(Causal decomposition)两类，并通过不同的推理策略得到产品的物理结构设计方案。Gorti等人提出一种新的概念设计框架可将符号表达的系统概念模型转换为包含几何形状描述的系统结构设计模型。Kusiak 等人对系统概念设计中的功能需求进行树状建模，通过映射矩阵实现需求与功能的转换过程。系统设计描述模型是设计过程的基础，Gero在sFBS框架中，对描述模型进行丰富，通过不同情境下的过程循环实现动态设计。由此可见，概念设计特征描述模型的变化也将深刻影响设计过程，两者是相辅相成，密切相关的。 2.基于模型的系统工程 国际系统工程协会（INCOSE）于2007年在国际研讨会中提出MBSE的概念，在其发布的《2020愿景》中阐明：“基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段，支持始于概念设计阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿后续研发生命周期阶段。” 图2 MBSE发展路线图
当前MBSE正处于探索发展阶段，学术界和工业界都在积极地从不同角度验证MBSE对现有研发模式的提升，并通过在航空、航天、汽车等领域项目中的实践应用证明了MBSE相对于传统文档的显著优势，MBSE的迅速发展态势也预示了这将是系统工程和产品研发领域的一场“模型化”革命。 3.系统建模语言（SysML） 面向复杂产品系统设计的建模语言（如功能流图，行为图，IDEF0，键合图等）各自具有满足不同使用目标的特性，因此构建的系统模型只能适用于特定情境下系统分析，即无法支持完整的系统研发周期，同时，这些不同用途的语言之间存在符号和语义差异，造成无法在系统建模中统一使用，互操作性差，都会极大地限制不同学科之间的有效沟通。另外，大部分建模语言普遍缺乏对系统设计信息进行抽象、精确地语义描述能力，因此，要解决针对多学科产品系统的集成化设计模型构建难题，需要选择一种统一的系统建模语言。 国际系统工程学会 (International Council on Systems Engineering，INCOSE)为了利用MBSE更好地满足系统工程的实际需要，联合对象管理组织OMG决定对UML2.0 的子集进行重用和扩展，发布了新的统一系统建模语言——SysML (SystemsModeling Language)，其实质便是面向系统工程领域的UML扩展语言，目前已经成为事实上的MBSE标准建模语言。2007年9月，OMG发布SysML语言规范1.0版，之后对其语义和语法进行不断更新改进，最新版本v.1.5于2015年9月发布。 SysML具有面向对象、图形化、平台无关的特点，能够对覆盖软件、硬件等多方面信息的复杂系统进行描述、分析、设计与验证，为系统需求、行为、结构和参数建模提供可视化的语义表达，保证基于模型的研发可以贯穿系统设计到实施的各个阶段。如图3所示，SysML在UML图的基础上进行了改进，通过九种图对系统的四类设计信息（需求、行为、结构、参数）进行模型化表示，其中，需求和参数模型是SysML新增的图类型。 图3 SysML图类型
采用SysML对多学科产品集成系统的不同方面信息进行建模可以全面、整体、一致地描述该系统，不仅保证了跨领域设计人员之间的良好沟通与理解，也可以支持系统需求工程、功能设计、架构综合、系统确认和验证等研发活动，尤其是可以通过系统模型内部的集成关联实现设计前期阶段系统级的分析验证，这对多学科产品系统研发具有重要意义。 4.基于SysML的功能模型 4.1 功能定义 功能一词在日常生活和科学的很多领域都被广泛使用。即使在工程领域中，功能同样是具有不同含义的术语，比如软件工程的子程序，控制工程中的数学函数都被称为“功能”。本文重点关注在产品设计和系统工程领域中对于功能概念的认识与理解。 功能是产品设计中重要的核心概念，是对产品系统能够“做什么”的抽象描述，具有一定的主观性。不同学者均对功能概念定义提出各自的观点，因此，学术界目前并未就“功能”定义形成统一的认识。可以归纳功能概念大致可分为四种：①从效用的角度，可以用于表示产品对用户特定需求的满足，是用户使用产品的目的所在。②从系统角度，表示为对输入和输出之间的转换作用。③从行为角度，是行为的抽象表达。④从设计角度，体现了设计者的意图。 在系统工程中，同样将功能以及功能建模视为重要过程，并对相关术语和概念进行了标准化规范，在系统工程数据交换协议AP233中，功能被定义为能够实现输入元素集转换为输出元素集的概念，即功能可以指产品系统或外部环境中的某一部分。在该规范中，行为由三种元素组成，包括功能、输入-输出和功能顺序，因此行为是一系列带有特定输入输出的功能集合。传统的系统工程中功能建模大多采用功能流模块图（FFBD）、EFFBD、N2图、IDEF0以及行为图（BD）等实现。本文从系统工程角度对功能进行理解和定义，将功能视为对输入流元素集合的转换作用。 4.2 功能表示 基于不同的功能概念观点，不同研究者所提出的功能表达方法也不尽相同，根据定性还是定量的分类标准，主要可分为两种： （1）自然语言表达方法。采用“动词+名词”的固定组合形式对功能进行描述，动词是指功能完成的动作，名词表示该动作作用的对象。例如“传递转矩”、“分离物料”等。由此发展出一些新的扩展表达，比如使用“动词+名词+形容词”的组合短语表示某一功能，也有研究通过完整的句子表达功能。这种表示方法虽然符合人们的阅读习惯，使得功能的表达更为通俗易懂，但由于其并不是形式化的，因此不利于功能推理和分解过程。 （2）输入/输出流转换的表达方法。采用“黑盒”思想，将功能描述为对物料、能量、信号三种流的转换关系，在输入、输出端可以看出这种转换作用发生在流的类型改变还是流的属性变化，从而进一步确定功能的意义。这种表示方法可以使用矩阵、图甚至是数学公式等形式来体现，可以对其进行有效的推理和分解。 本文采用第二种功能表示方法，将基本的原子功能分解为一个四元组（功能ID，输入流f_in，功能元p，输出流f_out）表示，参考NIST功能元（NIST-FB），采用“功能元+流对象”的功能表达方式，如下图所示，这样可以利用面向对象的思想分别对流和功能元及其各自的属性展开描述。 图4 功能表示 1、流 流是在功能间流动的对象，同时也是功能动作执行时处理的对象，对功能的表示至关重要，只有输入流的属性或类型发生变化得到理想的输出流，才能体现出功能的作用。符号f表示任意流对象，则f=（f_name，f_type，f_property），其中f_name是对流对象的命名，以此作为其唯一标识，f_type是流对象的类型，f_property是流对象的属性，类型和属性的改变是功能实现的关键。 通常将流分为三大类：物料、能量和信号，又可以针对不同学科的设计问题，对功能处理对象流进行实例化，进一步对流的类型进行细分。如对于机械系统的设计，能量流可以实例化为直线运动等。将三种基本流类型遵循继承关系分为三个层次等级（如表4所示）。 表4 流的类型
流的属性也是对流进行处理的主要变化因素，也是代表流对象状态的主要标志，为流增加属性可以使得对流的描述更为详细，功能也更为细化。要想实现流的预定义，需要对流属性进行分类总结，实际上，流的属性要比这里列举的更为复杂（如表6所示），难以详尽叙述，因此用户可根据使用要求自主添加流属性。能量流的属性应该满足能量守恒定律，因此需要有流变量和势变量两种属性，信号流则根据离散、连续的不同特性，分别为其设置属性，离散信号流的属性是离散状态的集合，连续信号流的属性则以连续的时间函数为主，物料流的属性最为复杂，应该由表示该物料特征的变量（如速度、加速度等）组成。 表5 流对象的属性（部分列举）
2、功能元 功能元是指对输入流的处理、转换的动作，也就是功能的核心操作，用符号p表示，对于输入流f_in进行处理得到输出流f_out，可以表示为f_out = p（f_in）。根据NIST-FB中对于功能元的分类（如表6所示），与流对象分类类似，可将功能元细分为三层结构。 表6 功能元分类
4.3 基于SysML的功能模型 4.3.1 功能元素 采用SysML建模语言对以上功能模型的组成元素进行形式化表达是实现计算机辅助功能建模的基础。本文从SysML语言规范出发，通过分析各种模型元素的特点，选择出适合功能模型表达的SysML活动图，从而构建可重用的SysML功能模型库。 1. SysML图的选择 SysML为系统设计提供了结构图、行为图与需求图，基于以上关于功能的概念理解，比较容易筛选出可作为功能建模使用的SysML图是模块定义图与活动图，其中模块定义图是一种静态图，可用其中的模块元素表示功能，虽然可以通过内部模块图表达功能之间的流传递关系，但并不能形式化地体现流的方向，即无法区别输入输出关系，另一方面采用模块表达的功能模型使得功能动作必须依附于功能模块内部，难以实现功能动作的重用，不利于功能模型库的构建。因此，本文采用活动图作为功能模型的图形化表达形式，主要是由活动图的特性决定的。活动图在SysML中的用途是描述控制流与对象流在动作之间的传递关系，这种描述与功能对输入流进行处理、转换的特点更相契合，能够采用不同建模元素分别表示流对象和功能元，这也利于未来构建流模型和功能元模型库以支持功能模型的重用。 2．SysML表达的功能元素 对上述功能元素的组成（功能元和流）分别采用SysML模型进行图形化表达，表7为具体的“分离气体”功能的图形表示。 表7 功能元素表达 4.3.2 功能关系 功能模型的构建不仅需要功能元素，还要确定功能之间、功能与流之间以及流之间的关系并采用SysML进行图形化表达，只有模型与关系同时存在的情况下，功能模型的完整性才得以保证。 本文确定的功能关系有分解、串行、并行、合成、分配五类，其中合成与分配是流之间的关系，合成又分为完全合成、比例合成，而分配可分为并行分配、比例分配和条件分配三种。这些功能关系的含义解释与图形化表达方式如表8所示。 表8 功能关系含义与图形化表达 下一期，将继续介绍 “基于FBS的复杂产品系统设计方法 之 行为模型” 参考文献： [1] FriedenthalS, Griego R, Sampson M. INCOSE Model Based Systems Engineering (MBSE)Initiative[J]. Incose Symposium, 2009 [2] J.S. Gero, U. Kannengiesser, A function–behavior–structure ontology ofpro-cesses, Ai Edam 21 (04) (2007) 379–391
作者介绍： 李新光，硕士研究生，毕业于北京航空航天大学复杂产品工程研究室。 本文的发布得到作者授权。局部有删节。
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