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Ontología de función-comportamiento-estructura

La ontología Función-Comportamiento-Estructura (o simplemente ontología FBS) es una ontología de objetos de diseño, es decir, cosas que han sido o pueden ser diseñadas . La onto...

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La ontología Función-Comportamiento-Estructura (o simplemente ontología FBS) es una ontología de objetos de diseño, es decir, cosas que han sido o pueden ser diseñadas . La ontología FBS conceptualiza los objetos de diseño en tres categorías ontológicas: función (F), comportamiento (B) y estructura (S). Esta ontología se ha utilizado en la ciencia del diseño como base para modelar el proceso de diseño como un conjunto de actividades diferenciadas. Este artículo se relaciona con los conceptos y modelos propuestos por John S. Gero y sus colaboradores. Otros investigadores han desarrollado ideas similares de forma independiente. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Descripción general

Las categorías ontológicas que componen la ontología Función-Comportamiento-Estructura se definen de la siguiente manera: [ 4 ] [ 5 ]

  • Función (F): la teleología (propósito) del objeto de diseño, es decir, "para qué sirve el objeto". Por ejemplo, las funciones de un turbocompresor incluyen aumentar la potencia de un motor, proporcionar fiabilidad y ofrecer un precio asequible.
  • Comportamiento (B): los atributos que se pueden derivar de la estructura del objeto de diseño, es decir, "lo que hace el objeto". Por ejemplo, el comportamiento de un turbocompresor incluye atributos como el flujo másico de aire , la relación de eficiencia , la resistencia térmica y el peso.
  • Estructura (S): los componentes del objeto de diseño y sus relaciones, es decir, de qué se compone el objeto. En el ejemplo del turbocompresor, la estructura incluye los componentes del turbocompresor ( compresor , turbina , eje, etc.) y sus dimensiones espaciales, interconexiones y materiales.

Las tres categorías ontológicas están interconectadas: la función está relacionada con el comportamiento, y el comportamiento con la estructura. No existe conexión entre función y estructura.

Modelos ontológicos de diseño

La ontología Función-Comportamiento-Estructura constituye la base de dos marcos de diseño: el marco FBS y su extensión, el marco FBS situado. Estos representan el proceso de diseño como transformaciones entre función, comportamiento y estructura, y sus subclases.

El marco de función-comportamiento-estructura

La versión original del marco FBS fue publicada por John S. Gero en 1990. [ 6 ] Aplica la ontología FBS al proceso de diseño, articulando aún más las tres categorías ontológicas. En esta articulación, el comportamiento (B) se especializa en comportamiento esperado (Be) (el comportamiento "deseado") y comportamiento derivado de la estructura (Bs) (el comportamiento "real"). Además, se introducen dos nociones adicionales sobre las categorías ontológicas existentes: requisitos (R) que representan intenciones del cliente que provienen de fuera del diseñador, y descripción (D) que representa una representación del diseño creada por el diseñador. Con base en estas articulaciones, el marco FBS propone ocho procesos considerados fundamentales en el diseño, [ 4 ] [ 7 ] específicamente:

Imagen que muestra el marco de función-comportamiento-estructura.
El marco de función-comportamiento-estructura
  1. Formulación : formula el espacio del problema, transformando los requisitos en un espacio de estados de función (R → F) y transformando las funciones en un espacio de estados de comportamiento (F → Be).
  2. Síntesis : genera una estructura basada en las expectativas del espacio de estados de comportamiento (Be → S).
  3. Análisis : deriva el comportamiento de la estructura generada (S → Bs).
  4. Evaluación : compara el comportamiento esperado con el comportamiento derivado de la estructura (Be ↔ Bs).
  5. Documentación : produce descripciones del diseño basadas en la estructura (S → D).
  6. Reformulación tipo 1 : modifica el espacio de estados de la estructura, basándose en una reinterpretación de la estructura (S → S').
  7. Reformulación tipo 2 : modifica el espacio de estados de comportamiento, basándose en una reinterpretación de la estructura (S → Be').
  8. Reformulación tipo 3 : modifica el espacio de estados de la función, basándose en una reinterpretación de la estructura y la posterior reformulación del comportamiento esperado (S → F' vía Be).

Ejemplo

Los ocho procesos fundamentales del marco FBS se ilustran mediante un proceso de diseño de turbocompresor.

  1. Formulación: El diseñador interpreta los requisitos externos (R) de un turbocompresor como funciones (F), entre las que se incluye el aumento de la potencia del motor. A continuación, se genera un conjunto de comportamientos (Be) que se espera que cumplan esta función. Estos incluyen el caudal másico de aire y los índices de eficiencia para un rango de velocidades del motor.
  2. Síntesis: A partir de los comportamientos esperados (Be), se genera una estructura (S) que incluye componentes como un compresor, una turbina, un conjunto central, un eje y sus interconexiones. También incluye su geometría y materiales.
  3. Análisis: Una vez producida la estructura (S), se pueden derivar los comportamientos "reales" (B) a partir de dicha estructura. Esto puede incluir pruebas físicas de prototipos (por ejemplo, para medir el flujo másico de aire) y simulaciones computacionales (por ejemplo, para calcular el comportamiento térmico).
  4. Evaluación: Los comportamientos "reales" (Bs) del turbocompresor se comparan con los comportamientos esperados (Be) para evaluar si el diseño actual del turbocompresor funciona según lo requerido.
  5. Documentación: El diseño del turbocompresor se documenta generando una descripción (D), comúnmente un modelo CAD , basado en la estructura (S).
  6. Reformulación tipo 1: El diseñador modifica el espacio de posibles estructuras de diseño (S) al incluir un nuevo componente, como un anillo deslizante variable dentro de la turbina.
  7. Reformulación tipo 2: El diseñador modifica el espacio de comportamientos esperados (Be) mediante la introducción de un nuevo comportamiento de control que permite variar el flujo másico de aire. Esto es consecuencia de la incorporación del anillo deslizante variable a la estructura de diseño (S).
  8. Reformulación tipo 3: El diseñador modifica el espacio funcional (F) adaptándolo a las necesidades de un motor con mayor temperatura de escape. Esto se basa en el descubrimiento de una alta resistencia térmica (Be) de los materiales de diseño existentes (S).

El marco de función-comportamiento-estructura situado

El marco FBS situado fue desarrollado por John S. Gero y Udo Kannengiesser en 2000 [ 7 ] como una extensión del marco FBS para capturar explícitamente el papel de la cognición situada o la situacionalidad en el diseño. [ 8 ] [ 9 ]

Situación

La premisa básica que sustenta el marco FBS situado es que el diseño implica interacciones entre tres mundos: el mundo externo, el mundo interpretado y el mundo esperado. Se definen de la siguiente manera: [ 4 ] [ 5 ] [ 7 ]

  • Mundo externo : contiene elementos del mundo “exterior” (por ejemplo, del entorno físico del diseñador).
  • Mundo interpretado : contiene experiencias, percepciones y conceptos, formados por las interacciones del diseñador con el mundo exterior.
  • Mundo esperado : contiene expectativas sobre los resultados de las acciones del diseñador, impulsadas por objetivos e hipótesis sobre el estado actual del mundo.

Los tres mundos están interconectados por cuatro clases de interacción:

  • Interpretación : transforma las variables percibidas en el mundo externo en variables dentro del mundo interpretado.
  • Enfoque : selecciona subconjuntos de variables en el mundo interpretado y los utiliza como objetivos en el mundo esperado.
  • Acción : cambia el mundo externo de acuerdo con los objetivos e hipótesis que componen el mundo esperado.
  • Memoria constructiva : produce recuerdos como resultado de la reinterpretación de experiencias pasadas. Se basa en un modelo constructivista de la memoria humana. [ 10 ] en el que se generan nuevos recuerdos por reflexión [ 8 ]

Ubicación y FBS combinados

El marco FBS situado es el resultado de fusionar el modelo de tres mundos de la situacionalidad con el marco FBS original, especializando las categorías ontológicas de la siguiente manera: [ 4 ] [ 5 ] [ 7 ]

Imagen que muestra el marco de función-comportamiento-estructura situado.
El marco de función-comportamiento-estructura situado

Veinte procesos conectan estas categorías ontológicas especializadas. Estos procesos elaboran y amplían los ocho procesos fundamentales del marco FBS, proporcionando mayor capacidad descriptiva en lo que respecta a la contextualización del diseño.

  1. Formulación : genera un espacio de estados de diseño en términos de un espacio de estados de función (proceso 7 en la imagen que muestra el marco de función-comportamiento-estructura situado), un espacio de estados de comportamiento (procesos 8 y 10) y un espacio de estados de estructura (proceso 9). Se basa en la interpretación de los requisitos externos de función (proceso 1), comportamiento (proceso 2) y estructura (proceso 3), y en la construcción de memorias de función (proceso 4), comportamiento (proceso 5) y estructura (proceso 6).
  2. Síntesis : produce una solución de diseño que es un punto en el espacio de estados de la estructura (proceso 11) y una representación externa de esa solución (proceso 12).
  3. Análisis : interpreta la estructura sintetizada (proceso 13) y deriva el comportamiento a partir de esa estructura (proceso 14).
  4. Evaluación : compara el comportamiento esperado con el comportamiento interpretado (proceso 15).
  5. Documentación : produce una representación externa del diseño, que puede ser en términos de estructura (proceso 12), comportamiento (proceso 17) y función (proceso 18).
  6. Reformulación tipo 1 : genera un espacio de estados de estructura nuevo o modificado (proceso 9). Los posibles impulsores de esta reformulación incluyen los procesos 3, 6 y 13.
  7. Reformulación tipo 2 : genera un espacio de estados de comportamiento nuevo o modificado (proceso 8). Los posibles impulsores de esta reformulación incluyen los procesos 2, 5, 14 y 19.
  8. Reformulación tipo 3 : genera un espacio de estados de función nuevo o modificado (proceso 7). Los posibles impulsores de esta reformulación incluyen los procesos 1, 4, 16 y 20.

Aplicaciones

La ontología FBS se ha utilizado como base para modelar diseños (los resultados del diseño) y procesos de diseño (las actividades del diseño) en varias disciplinas de diseño, incluyendo diseño de ingeniería, arquitectura, interfaz humano-computadora, interfaz humano-robot, construcción y diseño de software. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Si bien la ontología FBS se ha discutido en términos de su completitud, [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] varios grupos de investigación la han extendido para ajustarse a las necesidades de sus dominios específicos. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] También se ha utilizado como esquema para codificar y analizar estudios de comportamiento de diseñadores. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]

Otros han aplicado la ontología FBS para desarrollar una ontología de sistemas. [ 31 ] [ 19 ] [ 37 ] Para este propósito, las tres categorías de conceptos (es decir, Función, Comportamiento, Estructura) se expanden a seis categorías de conceptos al agregar los conceptos de Contexto, Principio, Estado. De esta manera, la ontología FBS se convierte en la ontología FCBPSS. En la ontología FCBPSS, la definición de Función y Estructura permanece igual que en la ontología FBS. Los conceptos de Comportamiento, Contexto, Principio y Estado son los siguientes.

  • Estado (St): la propiedad o características de un sistema (subsistema, componente) tanto temporal como intemporalmente.
  • Comportamiento (B): la relación entre la entrada (estímulos) y la salida (respuesta).
  • Principio (P): el conocimiento que rige el comportamiento.
  • Contexto (C): la condición y el entorno bajo los cuales un sistema desempeña una función.

Las seis categorías de conceptos están relacionadas; en particular, la estructura de un sistema constituye la base, seguida del estado, el comportamiento y la función. El principio integra los estados junto con su estructura subyacente para determinar el comportamiento de dicha estructura.

Notas

  1. ↑ Umeda et al. (1990)
  2. ↑ Chandrasekaran y Josephson (2000)
  3. ↑ Bhatta y Goel (1994)
  4. 1 2 3 4 Gero y Kannengiesser (2004)
  5. 1 2 3 Gero y Kannengiesser (2014)
  6. ↑ Gero (1990)
  7. 1 2 3 4 Gero y Kannengiesser (2002)
  8. 1 2 Schön (1983)
  9. ↑ Clancey (1997)
  10. ↑ Dewey (1896)
  11. ↑ Deng (2002)
  12. ↑ Christophe et al. (2010)
  13. ↑ Clayton et al. (1999)
  14. ↑ Kruchten (2005)
  15. ↑ Howard et al. (2008)
  16. ↑ Yan (1993)
  17. ↑ Colombo et al. (2007)
  18. ↑ Xue et al. (2015)
  19. 1 2 Zhang et al. (2005)
  20. ↑ Galle (2009)
  21. ↑ Dorst y Vermaas (2005)
  22. ↑ Vermaas y Dorst (2007)
  23. ↑ Ralph (2010)
  24. ↑ Cascini et al. (2013)
  25. ↑ Uflacker y Zeier (2008)
  26. ^ Cebrián-Tarrason et al. (2008)
  27. ↑ Gu et al. (2012)
  28. ↑ Eichhoff y Maass (2011)
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  31. 1 2 Lin y Zhang (2004)
  32. ↑ Jiang (2012)
  33. ↑ Kan (2008)
  34. ↑ Kan y Gero (2009)
  35. ↑ McNeill (1998)
  36. ↑ Lammi (2011)
  37. ↑ Zhang y Wang (2016)

Referencias

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