هستی شناسی تابع-رفتار-ساختار

هستی‌شناسی عملکرد-رفتار-ساختار یا به اختصار هستی شناسی FBS یک هستی شناسی از اشیاء طراحی است، یعنی چیزهایی که طراحی شده اند یا می توانند طراحی شوند. هستی‌شناسی عملکرد-رفتار-ساختار، اشیاء طراحی را در سه دسته هستی‌شناختی مفهوم‌سازی می‌کند: عملکرد (F)، رفتار (B) و ساختار (S). هستی شناسی FBS در علم طراحی به عنوان پایه ای برای مدل‌سازی فرایند طراحی به عنوان مجموعه ای از فعالیت های متمایز استفاده شده است. این مقاله به مفاهیم و مدل های پیشنهادی جان اس. جرو و همکارانش مربوط می شود. ایده های مشابهی به‌طور مستقل توسط سایر محققین توسعه یافته است.

بررسی اجمالی

مقوله‌های هستی‌شناختی که هستی‌شناسی هستی‌شناسی عملکرد-رفتار-ساختار را تشکیل می‌دهند به شرح زیر تعریف می‌شوند:

• عملکرد (F): غایت شناسی (هدف) شی طراحی، یعنی «شیء برای چه چیزی است». به عنوان مثال، عملکردهای یک توربوشارژر شامل افزایش توان خروجی یک موتور، ارائه قابلیت اطمینان و ارائه مقرون به صرفه است.
• رفتار (B): ویژگی هایی که می توان از ساختار شی طراحی مشتق کرد، یعنی «آنچه شی انجام می دهد». به عنوان مثال، رفتار یک توربوشارژر شامل ویژگی هایی مانند جریان جرم هوا، نسبت راندمان، استحکام حرارتی و وزن است.
• ساختار (S): اجزای شی طراحی و روابط آنها؛ یعنی «از چه چیزی شی تشکیل شده است». در مثال توربوشارژر، ساختار شامل اجزای توربوشارژر (کمپرسور، توربین، شفت و غیره) و ابعاد فضایی، اتصالات و مواد آنها می باشد.

سه مقوله هستی شناختی به هم مرتبط هستند: کارکرد با رفتار و رفتار با ساختار مرتبط است. هیچ ارتباطی بین عملکرد و ساختار وجود ندارد.

چارچوب عملکرد-رفتار-ساختار

نسخه اصلی چارچوب FBS توسط John S. Gero در سال ۱۹۹۰ منتشر شد با بیان بیشتر سه مقوله هستی‌شناختی، هستی‌شناسی FBS را در فرایند طراحی اعمال می‌کند. در این بیان، رفتار (B) به رفتار مورد انتظار (Be) (رفتار "مطلوب") و رفتار برگرفته از ساختار (Bs) (رفتار "واقعی") تقسیم می شود. علاوه بر این، دو مفهوم دیگر در بالای مقوله‌های هستی‌شناختی موجود معرفی می‌شوند:نیازمندی ها (R) که نشان‌دهنده اهداف مشتری است که از خارج از محدوده طراح می‌آیند، و توضیحات (D) که نشان‌دهنده تصویری از طرح ایجاد شده توسط طراح است. بر اساس این مفصل بندی ها، چارچوب FBS هشت فرایند را پیشنهاد می کند که به عنوان اساسی در طراحی ادعا می شوند، به‌طور خاص:

چارچوب عملکرد-رفتار-ساختار

1. فرمول بندی: با تبدیل نیازمندی ها به فضای حالت عملکرد (R → F) و تبدیل توابع به فضای حالت رفتار (F → Be) فضای مسئله را فرمول بندی می کند.
2. سنتز: ساختاری را بر اساس انتظارات فضای حالت رفتار ایجاد می کند (Be → S).
3. تجزیه و تحلیل: رفتار را از ساختار تولید شده (S → Bs) مشتق می کند.
4. ارزیابی: رفتار مورد انتظار را با رفتار ناشی از ساختار مقایسه می کند (Be↔ Bs).
5. مستندات: توضیحاتی از طرح را بر اساس ساختار (S → D) تولید می کند.
6. فرمول بندی مجدد نوع ۱: فضای حالت ساختار را بر اساس تفسیر مجدد ساختار (S → S') تغییر می دهد.
7. فرمول بندی مجدد نوع ۲: فضای حالت رفتار را بر اساس تفسیر مجدد ساختار (S → Be') تغییر می دهد.
8. فرمول بندی مجدد نوع ۳: فضای حالتعملکرد را بر اساس تفسیر مجدد ساختار و فرمول مجدد رفتار مورد انتظار (S → F' از طریق Be) تغییر می دهد.

مثال

هشت فرایند اساسی در چارچوب FBS با استفاده از فرایند طراحی توربوشارژر نشان داده شده است:

1. فرمول بندی: نیازمندی های خارجی (R) برای یک توربوشارژر توسط طراح به عنوان عملکردهای (F) از جمله افزایش توان خروجی یک موتور تفسیر می شود. سپس مجموعه ای از رفتارها (Be) تولید می شود که انتظار می رود به این عملکرد دست یابند. آنها شامل جریان جرم هوا و نسبت های بازده برای طیف وسیعی از سرعت های موتور هستند.
2. سنتز: بر اساس رفتارهای مورد انتظار (Be)، ساختاری (S) تولید می شود که شامل اجزایی مانند کمپرسور، توربین، مجموعه هسته، شفت و اتصالات آنها می باشد. همچنین شامل هندسه و مواد آنها می شود.
3. تجزیه و تحلیل: پس از تولید ساختار (S)، رفتار ناشی از ساختار (Bs) را می توان بر اساس آن ساختار استخراج کرد. این ممکن است شامل آزمایش فیزیکی نمونه‌های اولیه (مثلاً برای اندازه‌گیری جریان جرم هوا) و شبیه‌سازی‌های محاسباتی (مثلاً برای محاسبه رفتارهای حرارتی) باشد.
4. ارزیابی: رفتار ناشی از ساختار (Bs) توربوشارژر با رفتارهای مورد انتظار (Be) مقایسه می شود تا ارزیابی شود که آیا طراحی توربوشارژر فعلی مطابق با نیاز عمل می کند یا خیر.
5. مستندات: طراحی توربوشارژر با ایجاد یک توصیف (D)، معمولاً یک مدل CAD، بر اساس ساختار (S) مستند شده است.
6. فرمول بندی مجدد نوع ۱: طراح فضای حالت ساختار ممکن (S) را با گنجاندن یک جزء جدید مانند یک حلقه کشویی متغیر در داخل توربین اصلاح می کند.
7. فرمول بندی مجدد نوع ۲: طراح فضای رفتارهای مورد انتظار (Be) را با معرفی یک رفتار کنترلی جدید که امکان تغییر جریان جرم هوا را فراهم می کند، اصلاح می کند. این یک نتیجه از معرفی حلقه کشویی متغیر به ساختار طراحی (S) است.
8. فرمول بندی مجدد نوع ۳: طراح فضای عملکرد (F) را با تطبیق آن برای پاسخگویی به نیازهای موتور با دمای اگزوز افزایش می دهد. این بر اساس کشف استحکام حرارتی بالا (Be) مواد طراحی موجود (S) است.

منابع

• 1 Bhatta S.R. and Goel A.K. (1994) "Model-based discovery of physical principles from design experiences", Artificial Intelligence for Engineering Design, Analysis and Manufacturing, 8(2), pp.  ۱۱۳–۱۲۳.
• Cascini G. , Fantoni G. and Montagna F. (2013) "Situating needs and requirements in the FBS framework", Design Studies, 34(5), pp.  636–662.
• Cebrian-Tarrason D. , Lopez-Montero J.A. and Vidal R. (2008) "OntoFaBeS: Ontology design based in FBS framework", CIRP Design Conference 2008, University of Twente.
• 1 Chandrasekaran B. and Josephson J.R. (2000) "Function in device representation", Engineering with Computers, 16(3-4), pp.  ۱۶۲–۱۷۷.
• Christophe F. , Bernard A. and Coatanéa É. (2010) "RFBS: A model for knowledge representation of conceptual design", CIRP Annals - Manufacturing Technology, 59(1), pp.  ۱۵۵–۱۵۸.
• Clancey, W.J. (1997) Situated Cognition: On Human Knowledge and Computer Representations, Cambridge University Press, Cambridge. شابک ‎۰−۵۲۱−۴۴۸۷۱−۹.
• Clayton M.J. , Teicholz P. , Fischer M. and Kunz J. (1999) "Virtual components consisting of form, function and behavior", Automation in Construction, 8(3), pp.  351–367.
• Colombo G. , Mosca A. and Sartori F. (2007) "Towards the design of intelligent CAD systems: An ontological approach", Advanced Engineering Informatics, 21(2), pp.  153–168.
• Eichhoff J.R. and Maass W. (2011) "Representation and Reuse of Design Knowledge: An Application for Sales Call Support", Knowledge-Based and Intelligent Information and Engineering Systems, LNCS 6881, Springer, pp.  387–396.
• Deng Y.M. (2002) "Function and behavior representation in conceptual mechanical design", Artificial Intelligence for Engineering Design, Analysis and Manufacturing, 16(5), pp.  343–362.
• Dewey J. (1896 reprinted in 1981) "The reflex arc concept in psychology", Psychological Review, 3, pp.  357–370.
• Dorst K. and Vermaas P.E. (2005) "John Gero’s Function-Behaviour-Structure model of designing: a critical analysis", Research in Engineering Design, 16(1-2), pp.  17–26.
• Galle P. (2009) "The ontology of Gero's FBS model of designing", Design Studies, 30(4), pp.  321–339.
• Gero J.S. (1990) "Design prototypes: a knowledge representation schema for design", AI Magazine, 11(4), pp.  26–36.
• Gero J.S. and Kannengiesser U. (2002) "The situated function-behaviour-structure framework", Artificial Intelligence in Design '02, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, pp.  89–104.
• Gero J.S. and Kannengiesser U. (2004) "The situated function-behaviour-structure framework", Design Studies, 25(4), pp.  373–391.
• Gero J.S. and Kannengiesser U. (2014) "The function-behaviour-structure ontology of design", in A. Chakrabarti and L.T.M. Blessing (eds) An Anthology of Theories and Models of Design, Springer, pp.  263–283.
• Gu C. -C. , Hu J. , Peng Y. -H. and Li S. (2012) "FCBS model for functional knowledge representation in conceptual design", Journal of Engineering Design, 23(8), pp.  577–596.
• Howard T.J. , Culley S.J. and Dekoninck E. (2008) "Describing the creative design process by the integration of engineering design and cognitive psychology literature", Design Studies, 29(2), pp.  160–180.
• Jiang H. (2012) "Understanding Senior Design Students' Product Conceptual Design Activities", PhD Thesis, National University of Singapore, Singapore.
• Kan J.W.T. (2008) "Quantitative Methods for Studying Design Protocols", PhD Thesis, The University of Sydney, Sydney.
• Kan J.W.T. and Gero J.S. (2009) "Using the FBS ontology to capture semantic design information in design protocol studies", in J. McDonnell and P. Lloyd (eds) About: Designing. Analysing Design Meetings, CRC Press, pp.  213–229.
• Kruchten P. (2005) "Casting software design in the function-behavior-structure framework", IEEE Software, 22(2), pp.  52–58.
• Lammi M.D. (2011) "Characterizing high school students' systems thinking in engineering design through the function-behavior-structure (FBS) framework", Doctoral Dissertation, Utah State University, Logan.
• Lin Y. , Zhang W.J. (2004) “Towards a novel interface design framework: function-behavior-state paradigm”, International Journal of Human Computer Studies, Vol. 61, No. 3, pp. 259-297.
• McNeill T. (1998) "The Anatomy of Conceptual Electronic Design", Doctoral Dissertation, University of South Australia, Adelaide.
• Ralph P. (2010) "Comparing Two Software Design Process Theories", Global Perspectives on Design Science Research, LNCS 6105, Springer, pp.  139–153.
• Russo D. , Montecchi T. and Ying L. (2012) "Functional-based search for patent technology transfer", Proceedings of the ASME 2012 International Design Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE 2012, August 12–15, 2012, Chicago, IL, DETC2012-70833.
• Schön D.A. (1983) The Reflective Practitioner: How Professionals Think in Action, Harper Collins, New York. شابک ‎۰−۴۶۵−۰۶۸۷۴-X.
• Uflacker M. and Zeier A. (2008) "Extending the Situated Function-Behaviour-Structure Framework for User-Centered Software Design", Design Computing and Cognition '08, Springer, pp.  241–259.
• 1 Umeda Y. , Takeda H. , Tomiyama T. and Yoshikawa H. (1990) "Function, behaviour, and structure", Applications of Artificial Intelligence in Engineering V, Vol. 1, pp.  ۱۷۷–۱۹۴.
• Vermaas P.E. and Dorst K. (2007) "On the conceptual framework of John Gero's FBS-model and the prescriptive aims of design methodology", Design Studies, 28(2), pp.  133–157.
• Yan M. (1993) "Representing design knowledge as a network of function, behaviour and structure", Design Studies, 14(3), pp.  314–329.
• Xue L. , Liu C.J. , Lin Y. , Zhang W.J. (2015) On Redundant Interface: Concept and Design Principle. Proc. 2015 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. July 8-11. Busan, South Korea.
• Zhang W.J. Lin Y. , Sinha N. (2005) "On the Function-Behavior-Structure Model for Design", The 2nd CDEN Conference, Alberta, Canada, July 18-20. CD ROM, 8 pages.
• Zhang W.J. and Wang J.W. (2016) "Design theory and methodology for enterprise systems (Editorial)". Enterprise Information Systems. Vol. 10, Issue 3, 245-248.