功能模型格式语言FFL及FFL模型研究

刘晓平， 陈 欣， 路 强， 唐益明， 陆劲挺

（合肥工业大学计算机与信息学院可视化与协同计算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

功能模型格式语言FFL及FFL模型研究

刘晓平， 陈 欣， 路 强， 唐益明， 陆劲挺

（合肥工业大学计算机与信息学院可视化与协同计算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

功能模型是概念设计的核心处理对象。首先，在分析比较功能树和可拓功能模型的基础上，提出了基于 XML的功能模型格式语言 FFL（Function-model Format Language），总结并提炼了FFL的定义与特征，归纳并阐述了FFL的语法规则和语义约束；其次，提出了基于FFL的可拓功能模型到功能树的转换算法；最后，通过实例验证了 FFL在促进功能模型之间的联系和沟通中的重要作用。

概念设计；功能模型；功能模型格式语言；可拓学；功能树

Path和Beitz指出概念设计是研究如何满足设计需求的过程，具体而言，其过程为：从设计需求出发，建立功能的结构，并将功能分解为子功能的组合，寻求恰当的设计原理分别去满足这些子功能，然后选择合适的满足总功能的原理组合，最后进行评价选择得到较好的设计概念[1]。其中，拟定功能结构、进行功能分解、子功能求解与组合等事实上就是功能模型的建立与处理过程。可见，功能模型是概念设计的核心处理对象[2]。

在当前的概念设计阶段，主要借助树、图、网、知识、形式化语言等方式对产品功能进行建模。文献[3]介绍了当前已有的功能模型，比如形式化语言、知识、图、网、对象模型等。文献[4]对功能的知识建模进行了分类，包括功能分解树、功能实现分层方法、AD Hoc分类树、功能概念本体等。文献[5]提出了用与、或分解的功能方法树作为概念设计中创新的工具，用来选择TRIZ中场的类型。功能树以其结构简单、形象直观等优点，被广泛应用于概念设计领域。文献[6]以可拓学中的物元形式描述功能，建立了创新设计的物元模型。可拓学理论[7]是以蔡文研究员为首的我国学者们创立的，它为解决矛盾问题、启发创新提供了新思路，所以对基于可拓学的功能模型的研究是一个新的探索点。

由此可见，概念设计阶段的功能模型种类繁多，但基本呈现相互割裂、互相独立的状态，而功能模型各有优缺点和特有的推理方法，可以相互辅助、互相借鉴，以期更有效地完成设计目标；另一方面，可以综合运用多种功能模型解决复杂的设计问题。这就强调功能模型之间应该具备一定联系和沟通的桥梁。因此，研究一种方法用来描述功能模型，从而方便地实现功能模型之间的相互联系和综合分析是十分必要的。

然而，研究一种通用的功能模型描述方法是一项艰巨、长期的工作。因此，本文对功能模型中具有代表性的功能树进行了相关研究。功能树结构简单、形象直观，但是建树的过程主要依赖领域专家个人的知识水平，可遵循的规律较少，且自顶向下的设计模式启发性较弱，因而在具体的设计过程中，仍需对建成的功能树进行相似扩展[8-9]等推理，从而进一步丰富功能树所包含的设计信息。而可拓学的分析方法结构较复杂，层次感不强，但具有发散性好、可扩性强的优点。因此，可以将可拓学的研究成果应用于与功能树相关的研究分析中，增强功能树分析法的丰富性和创新性。

基于此，本文将可拓学的相关知识与概念设计的功能分析相结合，提出了可拓功能模型的概念，并对功能树与可拓功能模型进行了相关研究。由此，提出了基于XML[10]的功能模型格式语言FFL，应用EBNF(extended Backus-Naur form)范式定义了FFL的语法规则，并研究了利用FFL实现可拓功能模型向功能树转换的机制，提出了相应的算法。FFL语言的研究，可以实现可拓功能模型向功能树的转换，在一定程度上为探索描述多种功能模型的方法，进而促进更多功能模型之间的联系和沟通打下了基础。

1 可拓功能模型

在可拓学中，为了形式化描述物、事和关系，建立了物元、事元与关系元的概念，统称为基元。可拓学基元的概念为描述事物的质与量、事物之间的相互作用提供了强有力的形式化工具，它与功能的属性、属性的量值以及功能间的联系具有一定的映射关系，所以将可拓学基元概念应用于概念设计的功能描述中。

对于复杂的功能需求，单纯应用物元、事元或者关系元都不能贴切地描述功能，所以本文将可拓学中的基元加以变换，形成适用于概念设计的基元概念。在分析、总结了概念设计中功能的合理表达方式之后，将事元和物元、事元和事元加以组合，形成功能复合元来描述功能信息，然后利用拓展分析方法中的发散分析、蕴含分析和相关分析[11]联结不同的功能，从而形成了基于可拓学应用于概念设计功能分析的可拓功能模型。

定义1 功能复合元 若Af1=(Oa1,Ca1,Va1)，Af2=(Oa2,Ca2,Va2)，则Af1(Af2) = (Oa1,ca1,Af2)为事元与事元形成的功能复合元；若Mf=(Om,Cm,Vm)，Af1=(Oa1,Ca1,Va1)，Af2=(Oa2,Ca2,Va2)，则Af(Mf) = (Oa,ca,Mf)或者Af1(Af2(Mf))=(Oa1,Ca1, (Oa2,Ca2,Mf))为物元和事元形成的功能复合元的两种形式，以上统称为功能复合元。

可拓功能模型分析法可扩性强，可以极大地丰富功能模型所包含的设计信息，启发设计者的发散性思维，为概念设计的功能分析提供了一种全新的思路和拓展方法。

2 基于可拓功能模型与功能树的FFL模型研究

FFL是基于XML的、用来描述功能模型信息的标记语言，用FFL进行描述的功能模型即为FFL模型。FFL的语法定义不仅符合XML的语法规范，同时它又有一套自身的语法规则和FFL Schema文档类型约束。

2.1 FFL的语法规则

为了满足概念设计的需要，同时更有效地描述功能模型信息，FFL定义了一套自身的语法规则，使得功能模型信息能够被更加精确、简洁地表现出来。应用EBNF范式表示FFL的语法如下：

（1） 式说明一个FFL文档由XML声明、若干注释及一个名为FFLModel的根元素组成。

（2） 式说明FFL模型应该有一个模型名称和节点列表，并且可以有多个属性。模型名称用来标识此模型，它可以是任意的字符串，但命名最好能够体现模型的本质特征。FFL模型以节点的形式表示功能，所以节点列表涵盖了所有的功能节点信息。

（5） 式指出了每个功能节点Node可以具有的组成部分，可根据不同的设计需求进行选择。

（6） 式指出NodeID具有不可重复性，它能唯一标识一个节点，NodeID的值最好有一定规律和延续性。

（7） 式中NodeName表示节点名称即功能名称，它作为一类设计信息是比较重要的，因此名称的选取要能高度概括功能信息，避免出现二意性和模糊性，使用“动词+名词”的表达方式是比较常用的做法。

（8） 式中Feature包含对功能节点所具有的特征的描述，它可以是零到多个，特征相应的有特征值描述，见（9）式。另可以将功能节点的特征作为节点属性加以展现。

（10）、（11）式中NodeInList和NodeOutList表明了某一节点在结构上与其他节点的关系，对于功能树来说，NodeInList表示某一节点入度对应的节点列表，NodeOutList表示某一节点的出度对应的节点列表。

（12）、（13）、（14）式说明了节点之间可能具有的关系，包括自定义的关系和功能树、可拓功能模型所特有的关系，需要根据具体的需求进行定义。

本文只是列出了最主要的语法表示部分，对于FFL语法的EBNF表示没有完整地罗列出来。

2.2 FFL的文档类型约束

FFL不仅有自身的语法定义，同样地，它也有相应的文档类型约束，从而对FFL中元素的内容和属性进行规范，使其满足不同功能模型的特殊需求。FFL Schema是一个XML Schema文档，用于定义一个FFL文档的结构、内容约束及元素类型等。下面给出FFL中比较重要元素的Schema约束和元素类型的Schema定义。

节点之间的关系可以根据不同的功能模型进行定义，关系类型是受FFL Schema约束的。TreeRType类型声明了功能树节点间的关系；ExtFuncType类型声明了可拓学中定义的同物、同征、同值、相关和蕴含5种关系，以上内容均可以根据实际的功能模型进行定义和完善。

2.3 基于FFL的模型转换算法

功能树结构简单、形象直观，但是启发性较弱、可遵循的规律较少；而可拓功能模型在扩展设计信息、启发设计者的发散性思维方面具有绝对的优势，但是结构较复杂、层次不分明。两种功能模型各有优缺点，单独使用均不能达到最佳的效果，因此，为了弥补相互的不足，取长补短，可以将可拓功能模型转换成相应的功能树，既加强了可拓功能模型与功能树之间的联系，同时增强了功能树分析法的丰富性和创新性。

另一方面，FFL作为一种功能模型的标记语言具有许多优点。它的语法严格规范，字段都是由文本和标签组成，可读性好、可扩展性强；FFL的文档易于保存，且占用空间较小，提高了设计结果在网络中的传输效率；同时，应用FFL能充分描述功能模型的节点信息、节点关系信息和推理信息等。因此，利用FFL作为转换功能模型的中间桥梁具有一定的优势。

可拓功能模型到功能树的转换步骤为：先将可拓功能模型转换为FFL模型，再将FFL模型转换成相应的功能树。由于可拓功能模型可能是网状结构，所以在转换成以树状结构描述的FFL模型时，就需要进行相应的变换，形成多个树状结构构成的FFL模型，而FFL模型转换成功能树的步骤则相对简单。所以以下仅介绍可拓功能模型到FFL模型的转换算法。

算 法 1 可拓功能模型到FFL模型的转换算法

STEP 1 若使用蕴含分析得到可拓功能模型，先在所有的蕴含关系中找到最上位基元Af作为树状结构的根节点；若使用发散分析得到可拓功能模型，转STEP5；若使用相关分析得到可拓功能模型，转STEP10；

STEP 2 沿着蕴含的逆方向，找到Af所有的下位基元，压入栈Q，并将所有的下位基元作为Af的子节点写入FFL模型中；

STEP 3 若栈Q不为空，取栈Q中的首基元Ai，令Af：=Ai，Ai出栈，转STEP2；

STEP 4 若栈Q为空，转STEP14；

STEP 5 找到发散分析的目标基元Bf，使其作为树状结构的根节点；

STEP 6 沿发散方向，找到Bf发散出的所有基元，若发散基元Bi与Bf为不同物基元，压入栈Pi，并将以Bi为起点的发散结果从以Bf为起点的发散结果中移除；否则压入栈Q，并将栈Q中基元作为Bf的子节点写入FFL模型中；

STEP 7 若栈Q不为空，取栈Q中的首基元Bi，令Bf：=Bi，Bi出栈，转STEP6；

STEP 8 若栈Q为空且栈Pi不为空，取栈Pi中的首基元Bi，新建以Bi为根节点的树状结构，令Bf：=Bi，转STEP6；

STEP 9 若栈Pi为空，转STEP14；

STEP 10 找到要分析的基元fC，使其作为树状结构的根节点，定义数组v[i]为基元iC是否被访问过的标志，数组c[i]为iC是否有子节点的标志，初始化v[i]：=false，c[i]：=false，v[0]：=true；

STEP 11 找到fC的所有相关基元，若相关基元iC，使（v[i]==true &&c[i]==false）为真，或者使v[i]==false为真，则将iC压入栈Q，并将其作为fC的子节点写入FFL模型中，令v[i]：=true，c[f]：=true；

图1 由功能需求推出的可拓功能模型

STEP 12 若栈Q不为空，取栈Q中的首基元Ci，令Cf：=Ci，Ci出栈，转STEP11；

STEP13 若栈Q为空，转STEP14；

STEP14 结束。

3 实例与结果分析

由图1可见，与原来的音乐功能相比，经过发散分析拓展出14种其他功能或需求，包括为产品M安装电子词典、录制视频、处理音乐等，其中拓展出音频功能、视频功能、设备开发三大模块。相比之下，若只应用功能树分析法分析同一需求，则可能因自顶向下设计模式自身的缺陷以及相关知识的匮乏而使分析结果所包含的设计信息显得不足和创新性不够。所以，将可拓功能模型的分析结果转换成功能树，既发挥了可拓功能模型的优势，又弥补了功能树的不足。经转换后的功能树结构性好，包含了丰富的设计信息，增加了创新的可能。表1为功能树、可拓功能模型和经FFL转换后的功能树3种模型的比较分析。

图2 可拓功能模型转换成的功能树

表1 3种模型的比较分析

4 结 束 语

FFL是应用于概念设计领域的功能模型格式语言，它提炼并描述了功能模型的节点信息、节点关系信息和推理信息等，是对功能模型进行形式化表示的新方法。本文主要针对可拓功能模型和功能树进行了相关研究，由此定义了FFL的语法和语义，并提出了基于FFL的可拓功能模型到功能树的转换算法。FFL的研究，在一定程度上为探索描述多种功能模型的方法，进而促进更多功能模型之间的联系和沟通打下了基础；另一方面，它提高了设计结果在网络中的传输效率，增强了文件的可扩展性。但是，FFL的实现尚有许多不足之处。首先，FFL的应用范围需要不断地扩充，对功能模型的规范化研究应该不断深入；其次，FFL的语法应严密、准确，语义应更加丰富、易懂；最后，FFL的应用领域可以进一步扩大，这些都是今后研究的重点。

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[11]杨春燕, 蔡 文. 可拓工程[M]. 北京：科学出版社,2007：112-125.

Research on function-model format language and FFL model

Liu Xiaoping, Chen Xin, Lu Qiang, Tang Yiming, Lu Jingting
( VCC Division, School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China )

Function model is the kernel processing object of the conceptual design. First, a function-model format language (FFL) is proposed based on the analysis of function tree and extenics function model. The reatures of FFL are summarized and the definition and grammar are given. Second, an algorithm of conversion from extenics function model to function tree is put forward. Lastly, an example testifies the important role of FFL in promoting the connections among function models.

conceptual design; function model; function-model format language; extenics;function tree

TP 391

A

1003-0158(2012)01-0001-07

2009-12-18

国家自然科学基金资助项目（60673028）；安徽省高等学校优秀青年人才基金资助项目（2010SQRL013ZD）

刘晓平（1964-），男，山东济南人，教授，主要研究方向为建模、仿真、协同计算与概念设计。

book=7,ebook=352