劉曉平， 陳 欣， 路 強(qiáng)， 唐益明

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院可視化與協(xié)同計(jì)算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

功能樹(shù)相似推理過(guò)程的可視化方法研究

劉曉平， 陳 欣， 路 強(qiáng)， 唐益明

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院可視化與協(xié)同計(jì)算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

相似推理能夠豐富功能樹(shù)包含的設(shè)計(jì)信息，提高獲得創(chuàng)新性設(shè)計(jì)解的可能性。該文對(duì)可視化技術(shù)如何更好地輔助相似推理展開(kāi)了研究。首先，確定了功能樹(shù)與可視化模型之間的映射規(guī)則；其次，針對(duì)相似推理不同階段提供了相應(yīng)的可視化人機(jī)交互手段，以實(shí)時(shí)跟蹤相似推理過(guò)程；最后，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證了相似推理的有效性以及可視化輔助下相似推理效果的提高。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；概念設(shè)計(jì)；功能樹(shù)；相似推理；可視化

Path和Beitz指出概念設(shè)計(jì)的主要過(guò)程是：建立功能的結(jié)構(gòu)，并將功能分解為子功能的組合，尋求恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原理分別去滿足這些子功能，然后選擇合適的滿足總功能的原理組合，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇得到較好的設(shè)計(jì)概念[1]?？梢?jiàn)，產(chǎn)品功能分析是概念設(shè)計(jì)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，其中功能分解又是功能分析的關(guān)鍵性問(wèn)題。功能樹(shù)的建立過(guò)程恰好反映了功能的分解過(guò)程，因此，功能樹(shù)分析法成為概念設(shè)計(jì)階段常用的方法之一，功能樹(shù)也成為描述功能結(jié)構(gòu)的最常用功能模型。然而，由于功能樹(shù)本身建立過(guò)程的局限以及概念設(shè)計(jì)的特殊性，功能樹(shù)分析法在應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)中時(shí)遇到了一系列問(wèn)題：

· 由于功能需求依賴于具體的領(lǐng)域，功能樹(shù)的建立就需要依賴于專家的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。鑒于領(lǐng)域?qū)＜覀€(gè)人知識(shí)水平的局限，因此，其建立的功能樹(shù)包含的設(shè)計(jì)信息易受限于固定領(lǐng)域，且易受個(gè)人慣性思維的影響。

· 面對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，人類在有限時(shí)間內(nèi)直接處理復(fù)雜知識(shí)的能力非常有限，僅憑借人的思維難以將問(wèn)題考慮得非常全面。

· 由于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段所處理的信息通常是模糊、殘缺、多變的[2]，這使得功能樹(shù)的建立過(guò)程中需要反復(fù)調(diào)整以及修正，從而加大了建立功能樹(shù)的復(fù)雜度以及工作量，并且對(duì)領(lǐng)域?qū)＜医y(tǒng)籌全局、兼顧細(xì)節(jié)提出了更高的要求。

以上問(wèn)題勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致領(lǐng)域?qū)＜医⒌墓δ軜?shù)所蘊(yùn)含的信息不完備，而外部相關(guān)的信息難以引入，丟失一部分的解空間，得不到滿意度高的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。因此，需要計(jì)算機(jī)的輔助對(duì)功能樹(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

然而，功能樹(shù)中新功能的引入不能是盲目的，必須和功能樹(shù)已有信息具有相關(guān)性，基于人類感知聯(lián)想的相似推理提供了解決這一問(wèn)題的思路，而相似理論[3]恰好可用作對(duì)產(chǎn)品功能的相關(guān)程度進(jìn)行量化的工具。其中，文獻(xiàn)[4]將相似功能分為一般相似、因果相似以及對(duì)比相似3種，并提出了一種通過(guò)添加一般相似功能以擴(kuò)展功能樹(shù)的方法。文獻(xiàn)[5]則主要針對(duì)對(duì)比相似進(jìn)行研究，提出了一種對(duì)比相似度計(jì)算方法，并總結(jié)出對(duì)原始功能樹(shù)添加對(duì)比相似功能的方法。

另一方面，概念設(shè)計(jì)是一個(gè)極具發(fā)散性、極易產(chǎn)生創(chuàng)新的階段，因此需要調(diào)動(dòng)一切手段給人以啟示，引發(fā)其靈感，從而激發(fā)人的創(chuàng)新思維。相似擴(kuò)展的過(guò)程也需要提供一些輔助手段，幫助設(shè)計(jì)者理清思路、將抽象的推理過(guò)程形象化。因此，可視化技術(shù)[6-8]的引入可以將龐大的功能樹(shù)以及抽象的推理過(guò)程以直觀、清晰的方式加以展示，提供人機(jī)交互進(jìn)一步輔助相似推理的進(jìn)行，從而增加相似推理的合理性、有效性。

因此，本文基于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中描述的一般相似推理和對(duì)比相似推理方法，圍繞可視化技術(shù)如何更好地輔助相似推理的進(jìn)行而展開(kāi)，對(duì)功能樹(shù)的渲染顯示、人機(jī)交互手段的結(jié)合等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，提出了可視化輔助下的相似推理過(guò)程框架。

1 可視化輔助下的推理過(guò)程

在功能建模階段，通過(guò)分析功能需求確定包含設(shè)計(jì)信息的功能樹(shù)，將其作為可視化的處理對(duì)象。經(jīng)過(guò)可視化映射確定相應(yīng)的可視化要素。在此基礎(chǔ)上將功能樹(shù)以圖形圖像的形式展現(xiàn)出來(lái)，即完成了可視化渲染顯示過(guò)程?；诖?，設(shè)計(jì)者在可視化視圖的輔助下進(jìn)行功能模型的相似推理。通過(guò)提供豐富的人機(jī)交互手段，使設(shè)計(jì)者能全局把握推理的全過(guò)程，控制推理的方向和目標(biāo)，達(dá)到可視化輔助手段與設(shè)計(jì)者創(chuàng)新思維的有機(jī)結(jié)合。圖1展示了設(shè)計(jì)者參與下的可視化推理過(guò)程。

圖1 可視化推理過(guò)程

根據(jù)可視化映射規(guī)則，將功能模型映射成可視化模型需要考慮結(jié)構(gòu)映射、元素映射和屬性映射等方面?？紤]到功能樹(shù)的層次性、自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程[9]以及功能含義的合理表達(dá)，本文采用二維與或非功能樹(shù)[10-11]實(shí)現(xiàn)功能樹(shù)的可視化。

1.1 功能樹(shù)的二維可視化

在二維空間中采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)信息，選擇二維的可視化元素與相應(yīng)的可視化屬性配合，不僅要能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)對(duì)象之間的層次關(guān)系，同時(shí)還需要充分利用顯示空間大小，確保節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)因?yàn)橹丿B而造成視覺(jué)上的混淆?？梢暬嘏c屬性的配置、樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的空間布局等成為功能樹(shù)二維可視化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.1.1 可視化元素與屬性配置

在二維空間中需要準(zhǔn)確、清晰地表現(xiàn)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的自身信息和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系信息。節(jié)點(diǎn)自身信息可以采用二維幾何圖元與文字配合的方式表示，節(jié)點(diǎn)關(guān)系信息通過(guò)直線連接和類型說(shuō)明加以表示。除了上述可視化元素，還需考慮到與或非功能樹(shù)區(qū)別于一般樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的特殊性。對(duì)于與或非功能樹(shù)，與或非關(guān)系表明了節(jié)點(diǎn)之間以什么樣的邏輯形式進(jìn)行組合或者分解，闡明了功能之間的語(yǔ)義關(guān)系，是表示設(shè)計(jì)信息不可或缺的一部分。與或非可以用其對(duì)應(yīng)的常規(guī)符號(hào)表示，如表1總結(jié)了與或非功能樹(shù)的元素與屬性配置。

表1 與或非功能樹(shù)的元素與屬性配置

1.1.2 功能樹(shù)的布局策略

功能樹(shù)在二維空間如何布局是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為了保證可視化空間的合理利用，同時(shí)增加樹(shù)狀視圖的易讀性，規(guī)劃合理的布局策略是十分必要的。另一方面，由于人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)，增加、刪除節(jié)點(diǎn)等操作可能常常會(huì)改變現(xiàn)有視圖，給實(shí)時(shí)顯示增加了復(fù)雜度。因此，一個(gè)高效、完善的布局策略尤其顯得重要。

有效的布局策略需要保證根節(jié)點(diǎn)位于整個(gè)視圖的中心，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在空間位置上與其父節(jié)點(diǎn)、兄弟節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)位置不發(fā)生沖突；父節(jié)點(diǎn)在縱向始終位于子節(jié)點(diǎn)的中心位置，節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)在縱向排布上設(shè)置固定間距以示相鄰層次間隔；兄弟節(jié)點(diǎn)位于同一層次，以一定間距橫向分布，并且保證經(jīng)過(guò)各種交互操作后各節(jié)點(diǎn)間間距依然保持不變。依據(jù)這樣的排布策略，需要預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)間橫向和縱向間距，在計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置時(shí)則必須先確定其所有孩子節(jié)點(diǎn)的位置。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中需要不斷判斷節(jié)點(diǎn)之間是否產(chǎn)生遮擋，從而調(diào)整節(jié)點(diǎn)的橫向位置，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無(wú)沖突、無(wú)重疊的排布結(jié)果。因此，這是一個(gè)由底層到頂層進(jìn)行計(jì)算再自頂向下進(jìn)行繪制的過(guò)程。

當(dāng)新生成節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)被刪除后，就需要對(duì)整個(gè)視圖重新布局。以新生成節(jié)點(diǎn)為例，首先要判斷新生成節(jié)點(diǎn)是否與已有節(jié)點(diǎn)發(fā)生重疊，如果發(fā)生重疊則需要重新調(diào)整這些節(jié)點(diǎn)位置。如果兩個(gè)區(qū)域存在重疊部分，則計(jì)算出重疊部分的長(zhǎng)度，加上節(jié)點(diǎn)之間的預(yù)設(shè)距離，最終得到需要移動(dòng)的距離。

1.2 人機(jī)交互的相似推理過(guò)程

對(duì)于可視化輔助下的相似推理過(guò)程，僅僅提供功能樹(shù)相應(yīng)的可視化視圖是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要進(jìn)一步提供人機(jī)交互接口，使設(shè)計(jì)者能夠?qū)梢暬晥D和推理步驟進(jìn)行修改，把握設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

功能樹(shù)的二維可視化提供了針對(duì)節(jié)點(diǎn)的交互操作，例如節(jié)點(diǎn)的添加、刪除、拖動(dòng)，節(jié)點(diǎn)文字的更改，節(jié)點(diǎn)復(fù)制與粘貼等，給用戶編輯節(jié)點(diǎn)的自由度。同時(shí)為了有利于推理的進(jìn)行，還提供如下設(shè)置與交互方式：

· 顏色和文字編輯：默認(rèn)狀態(tài)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)類型采用不同顏色加以標(biāo)識(shí)區(qū)別，同時(shí)提供接口修改顏色屬性和節(jié)點(diǎn)信息字體，滿足設(shè)計(jì)者的個(gè)性化需求。

· 節(jié)點(diǎn)伸縮操作：借鑒Windows資源管理器中樹(shù)狀結(jié)構(gòu)折疊與展開(kāi)的表現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)伸縮操作接口，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要選擇顯示或隱藏節(jié)點(diǎn)/子樹(shù)，便于設(shè)計(jì)者集中注意力在感興趣的部分。

· 搜索功能：將搜索到的節(jié)點(diǎn)高亮顯示，并以此節(jié)點(diǎn)作為視圖的中心焦點(diǎn)，重新顯示可視化視圖，使設(shè)計(jì)者能方便、快捷地找到關(guān)注點(diǎn)。

· 雷達(dá)視圖：隨著設(shè)計(jì)信息的增多，設(shè)計(jì)者容易陷入局部細(xì)節(jié)而缺失對(duì)全局信息的把握。雷達(dá)視圖能夠展示設(shè)計(jì)信息的整體層次結(jié)構(gòu)，以及局部關(guān)注點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)中所處的位置，起到一定的導(dǎo)航作用。

· 縮放操作：對(duì)視圖進(jìn)行可選程度的縮小和放大，可以方便用戶把握設(shè)計(jì)過(guò)程的局部細(xì)節(jié)或者全局，從而對(duì)設(shè)計(jì)信息獲得更充分的認(rèn)識(shí)。

· 推理信息提示：在相似推理過(guò)程中，首先要在知識(shí)庫(kù)中搜索目標(biāo)功能的相似功能，搜索到的相似功能可能為零，也可能為一到多個(gè)，因此，需要將所有的相似功能以可視化的形式展現(xiàn)出來(lái)，供設(shè)計(jì)者參考、決策。同時(shí)，在相似推理的整個(gè)過(guò)程中，都提供必要的信息提示。

· 自動(dòng)布局：推理過(guò)程需要對(duì)功能樹(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和修正，那么對(duì)修改結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)布局是十分必要的。

· 推理效果對(duì)照：為了考察推理之后的功能樹(shù)與推理之前有何變化，以及是否具有改進(jìn)效果，那么提供推理前后的效果比照，可以讓設(shè)計(jì)者清楚看到推理所帶來(lái)的變化。

2 實(shí)例效果分析

在研究井下煤礦掘進(jìn)巷道測(cè)量的問(wèn)題中，發(fā)現(xiàn)煤礦巷道水平掘進(jìn)的方向及空間控制十分困難，主要依靠簡(jiǎn)單儀器輔助的人工控制，工作面的各種突發(fā)情況給操作人員帶來(lái)極大的生命威脅。利用基于本文的思想所形成的原型系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了用于對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)方向的工作面進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的激光雙目立體測(cè)量器，該裝置及相應(yīng)的技術(shù)已獲得國(guó)家發(fā)明專利(ZL 200810023146.2)和國(guó)家實(shí)用新型(ZL 200620072506.4)，相應(yīng)的原型系統(tǒng)也已獲得了國(guó)家軟件著作權(quán)登記（登記號(hào)：2009SR05947）。下面選取原型系統(tǒng)中的部分功能進(jìn)行展示說(shuō)明。

雷達(dá)視圖功能可以將功能樹(shù)集中顯示在雷達(dá)視圖中，設(shè)計(jì)者可以對(duì)功能樹(shù)有一個(gè)全局的把握。拖動(dòng)選擇區(qū)域，主窗口中的功能樹(shù)隨之移動(dòng)，將被選擇區(qū)域突出顯示出來(lái)，方便設(shè)計(jì)者的查找，如圖2所示。

圖2 含雷達(dá)視圖的功能樹(shù)二維視圖

關(guān)于相似推理，以對(duì)“保證明亮度”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一般相似擴(kuò)展為例。首先，連接相關(guān)知識(shí)庫(kù)，查找到其相似功能為“保證空氣質(zhì)量”，同時(shí)，根據(jù)相似擴(kuò)展算法計(jì)算出相似度為 0.667，符合擴(kuò)展的條件。然后，根據(jù)擴(kuò)展算法進(jìn)行相似擴(kuò)展。最后，可以看出擴(kuò)展前后的效果對(duì)比，增加了一些相關(guān)設(shè)計(jì)方案，如圖3、圖4所示。

圖3 一般相似擴(kuò)展之前

圖4 一般相似擴(kuò)展結(jié)果

可視化輔助下的相似推理過(guò)程，不僅保證了相似推理的正確性，而且在此基礎(chǔ)上提供了更加豐富多樣的輔助手段供設(shè)計(jì)者選擇，從而使相似推理過(guò)程更加清晰、直觀，使設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的認(rèn)識(shí)更加深刻，控制更加自如。

表2對(duì)一般意義下的相似推理與可視化輔助下的相似推理進(jìn)行了效果對(duì)比。

表2 相似推理效果對(duì)比

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文對(duì)可視化技術(shù)與相似推理的結(jié)合方式展開(kāi)了研究，提出了可視化輔助下的相似推理過(guò)程框架，并對(duì)其中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)。相似推理在可視化視圖及人機(jī)交互接口的支持下不再是單純的機(jī)器行為，也不再只是設(shè)計(jì)者的獨(dú)立工作，將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，將帶來(lái)更新穎的設(shè)計(jì)方式和更直觀的設(shè)計(jì)感受。對(duì)推理方法本身的完善以及可視化輔助手段的加強(qiáng)將是今后的研究重點(diǎn)。

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Research on the visualization of the function-tree’s similarity reasoning process

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

Similarity reasoning can be used to enrich the design information contained by function-tree and enhance the possibility of obtaining innovative design solutions. The way that visualization is used to aid the similarity reasoning is discussed in this paper. First, the rules of mapping function-tree to appropriate visual model are confirmed. Second, the human-machine interactive aid corresponding with the process of similarity reasoning is provided to obtain real time feedback. Lastly, an application example testifies the availability of similarity reasoning method and the improvement of reasoning results caused by introducing visualization into similarity reasoning.

computer application; conceptual design; function-tree; similarity reasoning; visualization

TP 391

A

2095-302X (2012)04-0001-06

2010-05-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60673028）；安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金資助項(xiàng)目（2010SQRL013ZD）

劉曉平（1964-），男，山東濟(jì)南人，教授，主要研究方向?yàn)榻?、仿真、協(xié)同計(jì)算與概念設(shè)計(jì)。