3.4.6 功能情景与功能-结构映射
3.4.6.1 功能情景
从系统的观点看，产品只有在特定的工作环境下才能体现其功能。产品与环境的相互作用、相互联系是通过交换物质、能量、信息实现的。只有那些积极的、有利的输入/输出才能完成产品预期的功能，这部分输入/输出称为驱动输入和功能输出；而那些不利的、消极的输入/输出必须加以克服和抑制，这部分输入/输出称为有害输入和负效应输出。
在功能设计中，情景是一个重要因素。情景既为各类说明中所有词语的定义提供术语信息，又蕴涵着大量关于操作环境的信息。功能情景的作用在于消除各类说明中语义的含糊或多义。形式化的情景为明确定义的查询和智能文本匹配提供了框架，因而有助于信息的检索。1986年，麦卡锡（McCarthy）首次将情景的概念引入人工智能领域。当前，关于情景的研究主要在人工智能领域。功能设计与人工智能研究之间存在交叠，情景逻辑可以应用于功能设计。登格（Deng）提出了行为情景的概念，建立了功能-情景-行为-结构（function-environment-behavior-structure，FEBS）模型，通过初始功能分解与转换和因果行为过程产生两步策略进行功能建模。普拉巴卡尔（Prabhakar）等强调外部环境对设计的重要性，但并没有使用情景逻辑。
功能情景分为6个方面：功能理解用于描述功能的概念，是功能研究的基础；功能分类用于确定已有产品的功能；功能表示用于确定功能的恰当表示形式；功能建模即功能分解，通过分解建立功能结构来获得对所设计产品的清晰认识；功能分类与功能表示是功能结构形式化表达的基础；功能-结构映射是确定功能结构中各功能元的实现原理和技术载体，并将其组合为产品原理解的过程。上述各研究领域都处于功能情景之中。各部分研究内容间的相互关系如图3-16所示。
图3-16 功能相关研究内容之间的关系
3.4.6.2 功能-结构映射
功能到结构的映射过程是指从功能域中功能要求到结构域中设计参数的映射，并产生满足预期功能的设计方案的过程。通常一个结构可以实现多个功能，而一个功能也可以由不同的结构来实现。因此，功能到结构的映射是一种非常复杂的多对多映射关系。对于一个给定的功能，凡是能实现该功能的结构，均可称为可行结构。功能与可行结构之间关系可分为结构择一关系、结构冗余关系、结构分布关系和功能共享关系。功能到结构的映射可分为直接映射和间接映射两类。
功能到结构的直接映射主要适用于结构良好的设计问题。为了实现功能到结构的直接映射，需要预先确定由特定领域的基本功能及其对应的物理结构组成的设计目录。因此，功能到结构的直接映射方法又称为目录搜索方法或目录驱动方法。这种方法的根本在于结构化设计问题，搜索恰当的基本元素，组合元素形成结构列表及开发目录匹配和索引算法。笼田（Kota）开发了用于设计液压系统的功能-结构映射框架。库马拉（Kumara）等提出了基于反向传播神经网络的搜索算法，在给定功能输入的条件下，利用该算法可以搜索出对应的结构。
功能到结构的间接映射主要适用于结构不良的设计问题，主要是通过物理行为的分析与综合实现功能到结构的转化，故通称为FBS（functionbehavior-structure）方法。杰罗（Gero）认为预期行为来源于设计问题的确切表达，实际行为来源于现有结构的分析，并通过两类行为的比较与评价实现功能向结构的转换，确保结构满足设计需求。富山（Tomiyama）等开发了以交互方式构建设计问题的FBS模型，通过定性过程理论对模型进行精化、分析和评价来表示和模拟物理行为与状态。韦尔奇（Welch）等用需求功能描述功能参数及其关系，并提出了实现功能-行为-结构映射的顺序信息模型。芬格（Finger）等将功率键合图作为一种行为分析工具，利用功率键合图实现功能-行为-结构映射。狄克逊（Dixon）给出了知识的6种状态，即主观需求、功能、物理现象、装置、制品类型和制品实例，其中物理现象与行为对应，装置与结构对应，状态之间的转变通过5种类型的功能映射来实现。