意象驱动基于功能-行为-结构的产品造型设计研究

杨延璞，田宏亮，焦生杰，田 星

（1.煤炭科学研究总院西安研究院，陕西 西安 710119；2.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

1 引言

随着经济全球化的发展和市场竞争的日益激烈，以用户为中心的设计已成为企业的重要产品开发战略之一。将用户的生理需求和心理需求纳入产品开发过程，不仅有利于强化产品特色，实现市场细分的精准聚焦，而且在提升产品功能质量的同时，通过创造有吸引力的产品外观引发用户做出购买决策。在此背景下，以感性意象为目标的产品设计，逐渐将产品的物理约束、人因尺度、外观美学参数等表征为用户的情感反应[1]，通过有效整合产品设计要素与用户情感认知，建立两者这件的精准链接，从而提升消费者对产品的情感体验与认同感。

目前对于感性意象的研究主要集中于实验分析、用户感性意象挖掘、基于意象的产品造型设计、感性意象评价等方面。在实验研究方面，文献[2]基于眼部追踪技术研究设计师在认知草图时的心理意象；文献[3]将眼动和脑电联合分析汽车产品的用户体验。

在用户感性意象挖掘方面，文献[4]利用数字化设计结构矩阵和遗传算法实现多维感性需求的降维与聚焦；文献[5]基于自然语言处理技术和产品的网络评论数据，建立产品特征和用户感知之间的关联模型。在基于意象的产品造型设计研究方面，文献[6]将多目标遗传算法中的后验式方法（Posterior Preference Articulation）引入产品感性设计系统，以面向用户多维感性需求进行产品形态设计；文献[7]将深度学习与感性工学相结合，基于卷积神经网络实现产品造型与图片的融合与方案生成。在感性意象评价方面，文献[8]构建了用户感性评价共识度模型，利用粒子群算法对评价意见进行优化；文献[9]基于感性数据的语言解释和模糊集的概率语义构建面向消费者的感性评价模型。以上研究为产品意象造型设计提供了重要指导与参考，然而产品造型设计需兼顾功能模块布局与用户意象感知，将两者有效结合才能更好满足用户需求。

为此，这里以功能-行为-结构模型（Function-Behavior-Structure，FBS）对产品的功能和结构模块进行分析，构建了基于FBS 的产品意象造型递进式映射策略，利用逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）实现对产品造型模块的选择。最后，以煤矿钻机的意象造型设计为例验证了方法的有效性。

2 功能-行为-结构模型

功能-行为-结构（Function-Behavior-Structure，FBS）模型是功能域、行为域、结构域三者之间相互映射的设计过程，通过对功能、行为、结构之间关系的描述可以激发设计者的创造性思维[10]。在产品设计中，功能是行为的目的，行为是功能的实现原因，结构是行为的载体[11]。通过FBS的迭代过程可以实现产品功能的层次展开，通过功能分解推理得到实现行为，借助行为推理求解得到产品的概念结构，直到完成产品的整个设计过程。在求解过程中，一个功能可由多种行为实现，一种行为可由多种概念实现，从而形成多种求解方案[12]。

2.1 功能到行为的映射

产品功能到行为的映射可表示为：Rfb：F→B，其中，Rfb是多对多的关系。一个功能f可以通过多种行为b实现，一种行为b也可产生多个功能f，且任何行为都可能产生一定的功能。∃f∈F，∀b∈B满足＜f，b＞∉Rfb，即存在某一功能没有行为与之相对应。

2.2 行为到结构的映射

产品行为到结构的映射可表示为：Rbs:B→S，其中，Rbs是多对多的关系。一种行为b可以有多个结构载体，一个结构s也可有多种行为f，且任何结构都有一定的行为。∃b∈B，∀s∈S满足＜b,s ＞∉Rbs，即存在某一理想行为无法建立与之相对应的结构载体。进一步地，功能到结构的映射关系可用功能到行为、行为到结构的复合映射关系表示：Rfs=Rfb°Rbs。

从以上映射关系易知，功能到行为转化、行为到结构映射的过程是多粒度分解的过程，功能、行为、结构三者之间存在多元映射关系，在外界约束下进行推理求解得到功能模块、和结构模块，同时结合产品造型要素实现功能到产品造型的转化。基于FBS的产品造型设计流程，如图1所示。

图1 基于FBS的产品造型设计流程Fig.1 Product Styling Design Process Based on FBS

3 基于FBS的产品意象造型映射策略

通过对产品的FBS分解与推理获取的功能模块和结构模块是产品造型设计的基础，鉴于这两者与产品造型模块间多对多的映射关系，为实现产品的意象造型设计，采用递进式映射策略，如图2所示。基本过程描述如下。

图2 基于FBS的产品意象造型递进式映射策略Fig.2 Progressive Mapping Strategy of Product Image Styling Based on FBS

（1）寻找与产品的各功能元对应的行为。如果找到则输出这些行为，转（2）；否则，基于功能元描述进行功能相似度推理求解。

（2）对（1）获得的行为寻找与之对应的结构。如果找到则输出这些结构，转（3）；否则，基于行为描述进行行为相似度推理求解。

（3）由设计师分别针对功能元和与之对应的结构展开造型模块设计。

（4）根据功能相似度寻找与功能模块对应的造型模块，相似度超过设定功能阈值则输出该造型模块；否则，转（3）针对功能模块进行造型设计。

（5）根据结构相似度寻找与结构模块对应的造型模块，结构相似度超过设定结构阈值则输出该造型模块；否则，转（3）针对结构模块进行造型设计。

（6）对产品造型模块利用意象尺度法评价，确定各模块对产品意象的贡献度。

（7）产品造型模块的组合、细化与方案评价。

4 产品造型模块评价

从图2易知，产品造型模块的选择通过功能相似度、结构相似度与意象尺度进行选择，采用专家打分方式，基于逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）[13]对造型模块进行排序，选择合适造型模块进行方案设计。

TOPSIS法的基本思想是将各待评价产品造型模块中的功能相似度、结构相似度与意象尺度评分最大值拿出来构成虚拟最佳方案，即正理想解z+；将功能相似度、结构相似度与意象尺度评分最小值拿出来构成虚拟最劣方案，即负理想解z-。设专家集为E={e1，e2，…，em}，待评价的产品造型模块集为V={v1，v2，…，vn}，专家根据功能和结构相似度及意象尺度对造型模块vi的评分为：

设W={w1,w2,w3}为由造型模块vi的功能相似度、结构相似度与意象尺度权重构成的权重向量，通过AHP[14]方法计算获得。计算产品造型模块vi与正、负理想解之间的距离di+、di-，即可对产品造型模块进行排序。和采用欧式距离计算：

排序结果Ci可计算如下：

上式中同时考虑正、负理想解的目的是避免出现两个产品造型模块与正理想解距离相同的情况而导致无法区分，从而实现对产品造型模块的排序。

5 煤矿钻机造型设计应用

5.1 煤矿钻机FBS分解

煤矿钻机在造型上主要分为分体式煤矿钻机和一体式煤矿钻机，在此将对一体式煤矿钻机进行FBS分解。煤矿钻机是煤矿开采前用来深度钻孔的钻探机械，通过对钻杆的位置调节、旋转与平推实现钻探过程。由于功能较多，利用黑箱法对一体式煤矿钻机进行功能分解，得出其主要由车辆行驶、车辆稳固、钻孔、钻孔设备方向调节等功能模块组成，根据以上功能模块对煤矿钻机进行FBS分解，如图3所示。

图3 煤矿钻机FBS分解Fig.3 FBS Decomposition of Coal Mine Drilling Machine

5.2 FBS造型模块映射

比较以上四种功能模块的分解结构，根据功能相似度与现有功能布局重新划分模块，剔除无需造型设计的结构，同时将上述四个模块的驱动功能和控制功能整合。煤矿钻机整体驱动主要来源于柴油发电机和液压油泵，两者均可进行罩壳设计；控制功能可分为车辆稳固模块和行驶模块，为便于操作与安全将其设置在驾驶舱内；钻孔模块和方向调节模块的控制功能可整合为同一个带有显示屏的控制台，即将控制台3、控制台4整合，将显示屏1、2 整合，并将整合后的两个部分合并为带有显示器的控制台。据此对建立FBS造型模块映射，如表1所示。

表1 FBS造型模块映射Tab.1 FBS Styling Modules Mapping

5.3 意象造型评价

经调研确定目标产品的意象定位是科技的和现代的，组织煤矿钻机设计领域专家3 名对造型模块用十分制进行评价，以驾驶舱为例，其功能相似度、结构相似度与意象尺度评分，如表2所示。

表2 驾驶舱评分Tab.2 Score Rating of Control Cabin

两个意象尺度取其均值，功能、结构与造型意象权重按照AHP方法计算为0.3、0.4、0.3，根据式（1）～式（5）得驾驶舱各造型模块距正理想解的距离分别为：0.806、0.224、0.599，距负理想解的距离分别为：0.474、0.962、0.719。则C1=0.37、C2=0.811、C3=0.546，驾驶舱排序结果为：方案2≻方案3≻方案1。同理可得，罩壳的排序结果为方案2≻方案1≻方案3，车体的排序结果为方案1≻方案3≻方案2，机械臂的排序结果为方案2≻方案1≻方案3。据此可得煤矿钻机总体造型方案及细化方案，如图4所示。同时，再由3名专家对总体方案进行评价，基本满足功能、结构与意象要求，可在该造型方案基础上进行详细的内部功能与结构设计。

图4 煤矿钻机选定总体方案Fig.4 Selected Solution of Coal Mine Drilling Machine

6 结语

以产品意象造型设计为研究对象，基于功能-行为-结构模型对产品进行FBS分解，建立了基于FBS的产品意象造型递进式映射策略，利用TOPSIS法对FBS映射的产品造型模块进行评价和优选。以煤矿钻机的造型设计为例，验证了方法有助于在产品意象造型设计前期考虑产品的功能和结构属性，建立功能、结构与产品造型模块的有效连接，提升最终设计方案的有效性。