功能树相似推理过程的可视化方法研究

刘晓平， 陈 欣， 路 强， 唐益明

（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）

功能树相似推理过程的可视化方法研究

刘晓平， 陈 欣， 路 强， 唐益明

（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）

相似推理能够丰富功能树包含的设计信息，提高获得创新性设计解的可能性。该文对可视化技术如何更好地辅助相似推理展开了研究。首先，确定了功能树与可视化模型之间的映射规则；其次，针对相似推理不同阶段提供了相应的可视化人机交互手段，以实时跟踪相似推理过程；最后，通过系统实例进一步验证了相似推理的有效性以及可视化辅助下相似推理效果的提高。

计算机应用；概念设计；功能树；相似推理；可视化

Path和Beitz指出概念设计的主要过程是：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]。可见，产品功能分析是概念设计过程的重要环节，其中功能分解又是功能分析的关键性问题。功能树的建立过程恰好反映了功能的分解过程，因此，功能树分析法成为概念设计阶段常用的方法之一，功能树也成为描述功能结构的最常用功能模型。然而，由于功能树本身建立过程的局限以及概念设计的特殊性，功能树分析法在应用于概念设计中时遇到了一系列问题：

· 由于功能需求依赖于具体的领域，功能树的建立就需要依赖于专家的专业领域知识。鉴于领域专家个人知识水平的局限，因此，其建立的功能树包含的设计信息易受限于固定领域，且易受个人惯性思维的影响。

· 面对复杂产品的设计，人类在有限时间内直接处理复杂知识的能力非常有限，仅凭借人的思维难以将问题考虑得非常全面。

· 由于产品概念设计阶段所处理的信息通常是模糊、残缺、多变的[2]，这使得功能树的建立过程中需要反复调整以及修正，从而加大了建立功能树的复杂度以及工作量，并且对领域专家统筹全局、兼顾细节提出了更高的要求。

以上问题势必会导致领域专家建立的功能树所蕴含的信息不完备，而外部相关的信息难以引入，丢失一部分的解空间，得不到满意度高的创新设计方案。因此，需要计算机的辅助对功能树进行扩展。

然而，功能树中新功能的引入不能是盲目的，必须和功能树已有信息具有相关性，基于人类感知联想的相似推理提供了解决这一问题的思路，而相似理论[3]恰好可用作对产品功能的相关程度进行量化的工具。其中，文献[4]将相似功能分为一般相似、因果相似以及对比相似3种，并提出了一种通过添加一般相似功能以扩展功能树的方法。文献[5]则主要针对对比相似进行研究，提出了一种对比相似度计算方法，并总结出对原始功能树添加对比相似功能的方法。

另一方面，概念设计是一个极具发散性、极易产生创新的阶段，因此需要调动一切手段给人以启示，引发其灵感，从而激发人的创新思维。相似扩展的过程也需要提供一些辅助手段，帮助设计者理清思路、将抽象的推理过程形象化。因此，可视化技术[6-8]的引入可以将庞大的功能树以及抽象的推理过程以直观、清晰的方式加以展示，提供人机交互进一步辅助相似推理的进行，从而增加相似推理的合理性、有效性。

因此，本文基于文献[4]和文献[5]中描述的一般相似推理和对比相似推理方法，围绕可视化技术如何更好地辅助相似推理的进行而展开，对功能树的渲染显示、人机交互手段的结合等问题进行了深入的研究，提出了可视化辅助下的相似推理过程框架。

1 可视化辅助下的推理过程

在功能建模阶段，通过分析功能需求确定包含设计信息的功能树，将其作为可视化的处理对象。经过可视化映射确定相应的可视化要素。在此基础上将功能树以图形图像的形式展现出来，即完成了可视化渲染显示过程。基于此，设计者在可视化视图的辅助下进行功能模型的相似推理。通过提供丰富的人机交互手段，使设计者能全局把握推理的全过程，控制推理的方向和目标，达到可视化辅助手段与设计者创新思维的有机结合。图1展示了设计者参与下的可视化推理过程。

图1 可视化推理过程

根据可视化映射规则，将功能模型映射成可视化模型需要考虑结构映射、元素映射和属性映射等方面。考虑到功能树的层次性、自顶向下的设计过程[9]以及功能含义的合理表达，本文采用二维与或非功能树[10-11]实现功能树的可视化。

1.1 功能树的二维可视化

在二维空间中采用树状结构表现层次结构的设计信息，选择二维的可视化元素与相应的可视化属性配合，不仅要能够准确地表现对象之间的层次关系，同时还需要充分利用显示空间大小，确保节点之间不会因为重叠而造成视觉上的混淆。可视化元素与属性的配置、树状结构的空间布局等成为功能树二维可视化实现过程中的关键问题。

1.1.1 可视化元素与属性配置

在二维空间中需要准确、清晰地表现树状结构中节点的自身信息和节点之间的关系信息。节点自身信息可以采用二维几何图元与文字配合的方式表示，节点关系信息通过直线连接和类型说明加以表示。除了上述可视化元素，还需考虑到与或非功能树区别于一般树状结构的特殊性。对于与或非功能树，与或非关系表明了节点之间以什么样的逻辑形式进行组合或者分解，阐明了功能之间的语义关系，是表示设计信息不可或缺的一部分。与或非可以用其对应的常规符号表示，如表1总结了与或非功能树的元素与属性配置。

表1 与或非功能树的元素与属性配置

1.1.2 功能树的布局策略

功能树在二维空间如何布局是一个关键问题。为了保证可视化空间的合理利用，同时增加树状视图的易读性，规划合理的布局策略是十分必要的。另一方面，由于人机交互的实现，增加、删除节点等操作可能常常会改变现有视图，给实时显示增加了复杂度。因此，一个高效、完善的布局策略尤其显得重要。

有效的布局策略需要保证根节点位于整个视图的中心，每一个节点在空间位置上与其父节点、兄弟节点、子节点位置不发生冲突；父节点在纵向始终位于子节点的中心位置，节点与其父节点在纵向排布上设置固定间距以示相邻层次间隔；兄弟节点位于同一层次，以一定间距横向分布，并且保证经过各种交互操作后各节点间间距依然保持不变。依据这样的排布策略，需要预设节点间横向和纵向间距，在计算当前节点的位置时则必须先确定其所有孩子节点的位置。同时，在计算过程中需要不断判断节点之间是否产生遮挡，从而调整节点的横向位置，以实现节点间无冲突、无重叠的排布结果。因此，这是一个由底层到顶层进行计算再自顶向下进行绘制的过程。

当新生成节点或者节点被删除后，就需要对整个视图重新布局。以新生成节点为例，首先要判断新生成节点是否与已有节点发生重叠，如果发生重叠则需要重新调整这些节点位置。如果两个区域存在重叠部分，则计算出重叠部分的长度，加上节点之间的预设距离，最终得到需要移动的距离。

1.2 人机交互的相似推理过程

对于可视化辅助下的相似推理过程，仅仅提供功能树相应的可视化视图是远远不够的，还需要进一步提供人机交互接口，使设计者能够对可视化视图和推理步骤进行修改，把握设计的全过程。

功能树的二维可视化提供了针对节点的交互操作，例如节点的添加、删除、拖动，节点文字的更改，节点复制与粘贴等，给用户编辑节点的自由度。同时为了有利于推理的进行，还提供如下设置与交互方式：

· 颜色和文字编辑：默认状态对不同节点类型采用不同颜色加以标识区别，同时提供接口修改颜色属性和节点信息字体，满足设计者的个性化需求。

· 节点伸缩操作：借鉴Windows资源管理器中树状结构折叠与展开的表现方式，设计了节点伸缩操作接口，设计者可根据需要选择显示或隐藏节点/子树，便于设计者集中注意力在感兴趣的部分。

· 搜索功能：将搜索到的节点高亮显示，并以此节点作为视图的中心焦点，重新显示可视化视图，使设计者能方便、快捷地找到关注点。

· 雷达视图：随着设计信息的增多，设计者容易陷入局部细节而缺失对全局信息的把握。雷达视图能够展示设计信息的整体层次结构，以及局部关注点在整体结构中所处的位置，起到一定的导航作用。

· 缩放操作：对视图进行可选程度的缩小和放大，可以方便用户把握设计过程的局部细节或者全局，从而对设计信息获得更充分的认识。

· 推理信息提示：在相似推理过程中，首先要在知识库中搜索目标功能的相似功能，搜索到的相似功能可能为零，也可能为一到多个，因此，需要将所有的相似功能以可视化的形式展现出来，供设计者参考、决策。同时，在相似推理的整个过程中，都提供必要的信息提示。

· 自动布局：推理过程需要对功能树进行反复调整和修正，那么对修改结果进行实时布局是十分必要的。

· 推理效果对照：为了考察推理之后的功能树与推理之前有何变化，以及是否具有改进效果，那么提供推理前后的效果比照，可以让设计者清楚看到推理所带来的变化。

2 实例效果分析

在研究井下煤矿掘进巷道测量的问题中，发现煤矿巷道水平掘进的方向及空间控制十分困难，主要依靠简单仪器辅助的人工控制，工作面的各种突发情况给操作人员带来极大的生命威胁。利用基于本文的思想所形成的原型系统对此进行了概念设计，设计出了用于对煤矿巷道掘进方向的工作面进行自动测量的激光双目立体测量器，该装置及相应的技术已获得国家发明专利(ZL 200810023146.2)和国家实用新型(ZL 200620072506.4)，相应的原型系统也已获得了国家软件著作权登记（登记号：2009SR05947）。下面选取原型系统中的部分功能进行展示说明。

雷达视图功能可以将功能树集中显示在雷达视图中，设计者可以对功能树有一个全局的把握。拖动选择区域，主窗口中的功能树随之移动，将被选择区域突出显示出来，方便设计者的查找，如图2所示。

图2 含雷达视图的功能树二维视图

关于相似推理，以对“保证明亮度”节点进行一般相似扩展为例。首先，连接相关知识库，查找到其相似功能为“保证空气质量”，同时，根据相似扩展算法计算出相似度为 0.667，符合扩展的条件。然后，根据扩展算法进行相似扩展。最后，可以看出扩展前后的效果对比，增加了一些相关设计方案，如图3、图4所示。

图3 一般相似扩展之前

图4 一般相似扩展结果

可视化辅助下的相似推理过程，不仅保证了相似推理的正确性，而且在此基础上提供了更加丰富多样的辅助手段供设计者选择，从而使相似推理过程更加清晰、直观，使设计者对设计过程的认识更加深刻，控制更加自如。

表2对一般意义下的相似推理与可视化辅助下的相似推理进行了效果对比。

表2 相似推理效果对比

3 结 束 语

本文对可视化技术与相似推理的结合方式展开了研究，提出了可视化辅助下的相似推理过程框架，并对其中的关键问题进行了分析，在此基础上实现了原型系统。相似推理在可视化视图及人机交互接口的支持下不再是单纯的机器行为，也不再只是设计者的独立工作，将二者有机地结合起来，将带来更新颖的设计方式和更直观的设计感受。对推理方法本身的完善以及可视化辅助手段的加强将是今后的研究重点。

[1] Pahl G, Beitz W. Engineering design [M]. London: The Design Council, 1984: 57-57.

[2] Hsu W, Liu B. Conceptual design: issues and challenges [J]. Computer-Aided Design, 2000, 32(14): 849-850.

[3] Zhou Meili. Formation principles of similarity between similar systems [J]. International Journal of General System, 1999, 27(6): 495-504.

[4] Liu Xiaoping, Qin Jin, Tang Yiming. An innovative function-tree building method based on similarity theory and extension theory [C]//7th International Conference on Computer-Aided Industrial Design and Conceptual Design (CAIDCD'06), 2006: 1-6.

[5] 刘晓平, 陆劲挺, 唐益明. 基于可拓学的对比相似功能树扩展方法[J]. 工程图学学报, 2009, 30(1): 153-159.

[6] Chen Min, et al. Data, information and knowledge in visualization [J]. Computer Graphics and Applications, 2009, 29(1): 12-19.

[7] Zhen Wen, Zhou M X. Evaluating the use of data transformation for information visualization [J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2008, 14(6): 1309-1316.

[8] Chaomei Chen. Information visualization: beyond the horizon (2nd ed)[M]. Springer-Verlag London Limited, 2006: 89-95.

[9] 秦 晋, 刘晓平. 基于功能集族的功能求解方法[J].工程图学学报, 2008, 29(5): 12-17.

[10] 刘晓平, 唐益明, 秦 晋, 等. 概念设计中基于扩展功能矩阵的功能求解方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2007, 19(12): 1610-1617.

[11] Tang Yiming, Liu Xiaoping. Task partition for function tree according to innovative functional reasoning[C]//Proceeding of CSCWD 2008, China, 2008: 189-195.

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

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。