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機能-動作-構造オントロジー（略して FBS オントロジー）は、設計オブジェクト、つまり設計されているか設計できるもののオントロジーです。機能-動作-構造オントロジーは、設計オブジェクトを機能（F）、動作（B）、構造（S）の 3 つのオントロジー カテゴリで概念化します。FBS オントロジーは、設計プロセスを一連の明確なアクティビティとしてモデル化するための基礎として、設計科学で使用されてきました。この記事は、John S. Gero と彼の協力者によって提案された概念とモデルに関連しています。同様のアイデアは、他の研究者によって独立して開発されています。[1] [2] [3]
概要
機能-行動-構造オントロジーを構成するオントロジーカテゴリは次のように定義される: [4] [5]
- 機能(F):設計オブジェクトの目的、つまり「オブジェクトの目的」。たとえば、ターボチャージャーの機能には、エンジンの出力を高めること、信頼性を提供すること、手頃な価格を提供することなどがあります。
- 動作(B): 設計オブジェクトの構造から導き出される属性、つまり「オブジェクトが何をするか」。たとえば、ターボチャージャーの動作には、空気質量流量、効率比、熱強度、重量などの属性が含まれます。
- 構造(S): 設計オブジェクトのコンポーネントとそれらの関係。つまり、「オブジェクトが何で構成されているか」です。ターボチャージャーの例では、構造にはターボチャージャーのコンポーネント (コンプレッサー、タービン、シャフトなど) と、それらの空間寸法、相互接続、材料が含まれます。
3 つの存在論的カテゴリは相互に関連しています。機能は動作と関連しており、動作は構造と関連しています。機能と構造の間には関連はありません。
設計のオントロジーモデル
機能-動作-構造オントロジーは、FBS フレームワークとその拡張である状況依存 FBS フレームワークという 2 つの設計フレームワークの基礎となります。これらは、機能、動作、構造、およびそれらのサブクラス間の変換として設計プロセスを表します。
機能・行動・構造フレームワーク
FBSフレームワークのオリジナル版は、1990年にジョン・S・ジェロによって出版されました。 [6]これは、3つのオントロジーカテゴリをさらに明確にすることで、FBSオントロジーを設計プロセスに適用したものです。この明確化では、動作（B）は、期待される動作（Be）（「望ましい」動作）と構造から派生した動作（Bs）（「実際の」動作）に特化されています。さらに、既存のオントロジーカテゴリに加えて、デザイナーの外部から来るクライアントの意図を表す要件（R）と、デザイナーが作成したデザインの描写を表す説明（D）という2つの概念が導入されています。これらの明確化に基づいて、FBSフレームワークは、設計の基本であると主張される8つのプロセスを提案しています。 [4] [7]具体的には、次のとおりです。
- 定式化: 要件を機能状態空間(R → F) に変換し、機能を動作状態空間 (F → Be) に変換することで、問題空間を定式化します。
- 合成: 動作状態空間の期待に基づいて構造を生成します (Be → S)。
- 分析: 生成された構造から動作を導出します (S → Bs)。
- 評価: 予想される動作と構造から導き出された動作を比較します (Be ↔ Bs)。
- ドキュメンテーション: 構造に基づいて設計の説明を作成します (S → D)。
- 再定式化タイプ 1 : 構造の再解釈 (S → S') に基づいて、構造状態空間を変更します。
- 再定式化タイプ 2 : 構造の再解釈に基づいて動作状態空間を変更します (S → Be')。
- 再定式化タイプ 3 : 構造の再解釈とそれに続く期待される動作の再定式化 (Be 経由の S → F') に基づいて、関数の状態空間を変更します。
例
FBS フレームワークの 8 つの基本プロセスは、ターボチャージャーの設計プロセスを使用して説明されます。
- 定式化: ターボチャージャーの外部要件 (R) は、設計者によって、エンジンの出力を上げるなどの機能 (F) として解釈されます。次に、この機能を実現すると予想される一連の動作 (Be) が生成されます。これには、さまざまなエンジン速度での空気質量流量と効率比が含まれます。
- 統合: 予想される動作 (Be) に基づいて、コンプレッサー、タービン、コア アセンブリ、シャフト、およびそれらの相互接続などのコンポーネントを含む構造 (S) が生成されます。また、それらの形状と材料も含まれます。
- 分析: 構造 (S) が作成されると、その構造に基づいて「実際の」動作 (B) を導き出すことができます。これには、プロトタイプの物理的テスト (空気の質量流量の測定など) や計算シミュレーション (熱動作の計算など) が含まれる場合があります。
- 評価: ターボチャージャーの「実際の」動作 (Bs) を予想される動作 (Be) と比較し、現在のターボチャージャー設計が要求どおりに機能するかどうかを評価します。
- ドキュメント化: ターボチャージャーの設計は、構造 (S) に基づいて説明 (D)、通常はCAD モデルを生成することによって文書化されます。
- 再定式化タイプ 1: 設計者は、タービン内部に可変スライディング リングなどの新しいコンポーネントを含めることで、可能な設計構造のスペース (S) を変更します。
- 再定式化タイプ 2: 設計者は、空気質量流量を変更できる新しい制御動作を導入することで、予想される動作の空間 (Be) を変更します。これは、可変スライディング リングを設計構造 (S) に導入した結果です。
- 再定式化タイプ 3: 設計者は、排気温度が上昇したエンジンのニーズを満たすように機能空間 (F) を変更します。これは、既存の設計材料 (S) の高熱強度 (Be) の発見に基づいています。
状況に応じた機能・行動・構造の枠組み
状況依存FBSフレームワークは、設計における状況認知や状況依存度の役割を明示的に捉えるために、FBSフレームワークの拡張として2000年にジョン・S・ゲロとウド・カンネンギーサーによって開発されました[ 7] 。[8] [9]
状況認識
状況依存型FBSフレームワークの基本的な前提は、デザインには外部世界、解釈された世界、期待される世界という3つの世界間の相互作用が含まれるというものである。これらは以下のように定義される。[4] [5] [7]
- 外部世界: 「外部」の世界にあるもの（たとえば、デザイナーの物理的な環境）が含まれます。
- 解釈された世界: デザイナーと外部世界との相互作用によって形成された経験、知覚、概念が含まれます。
- 期待される世界: 世界の現状に関する目標と仮説に基づいて、設計者の行動の結果に対する期待が含まれます。
3 つの世界は、次の 4 つの相互作用クラスによって相互接続されています。
- 解釈：外界で感知された変数を解釈された世界内の変数に変換する
- フォーカシング：解釈された世界の変数のサブセットを選択し、それを期待される世界の目標として使用する
- 行動：期待される世界を構成する目標と仮説に従って外界を変える
- 構成的記憶：過去の経験を再解釈した結果として記憶が生成される。これは人間の記憶の構成主義モデルに基づいている。[10]新しい記憶は反省によって生成される[8]
状況とFBSの組み合わせ
状況依存FBSフレームワークは、状況依存の3世界モデルと元のFBSフレームワークを統合し、存在論的カテゴリーを以下のように特化させたものである。[4] [5] [7]
20 のプロセスがこれらの特殊なオントロジー カテゴリを結び付けます。これらは FBS フレームワークの 8 つの基本プロセスを詳細化および拡張し、設計の状況に関する記述力を高めます。
- 定式化: 機能状態空間 (状況依存機能-行動-構造フレームワークを示す画像のプロセス 7)、行動状態空間 (プロセス 8 および 10)、構造状態空間 (プロセス 9) の観点から設計状態空間を生成します。これは、機能 (プロセス 1)、行動 (プロセス 2)、構造 (プロセス 3) に関する外部要件の解釈と、機能 (プロセス 4)、行動 (プロセス 5)、構造 (プロセス 6) のメモリの構築に基づいています。
- 合成: 構造状態空間内の点である設計ソリューション (プロセス 11) とそのソリューションの外部表現 (プロセス 12) を生成します。
- 分析: 合成された構造を解釈し (プロセス 13)、その構造から動作を導き出します (プロセス 14)。
- 評価: 期待される動作と解釈された動作を比較します (プロセス 15)。
- ドキュメント: 構造 (プロセス 12)、動作 (プロセス 17)、機能 (プロセス 18) の観点から設計の外部表現を作成します。
- 再定式化タイプ 1 : 新しいまたは変更された構造状態空間を生成します (プロセス 9)。この再定式化の潜在的なドライバーには、プロセス 3、6、および 13 が含まれます。
- 再定式化タイプ 2 : 新しいまたは変更された動作状態空間を生成します (プロセス 8)。この再定式化の潜在的なドライバーには、プロセス 2、5、14、および 19 が含まれます。
- 再定式化タイプ 3 : 新しいまたは変更された関数状態空間を生成します (プロセス 7)。この再定式化の潜在的なドライバーには、プロセス 1、4、16、および 20 が含まれます。
アプリケーション
FBSオントロジーは、エンジニアリング設計、建築、ヒューマンコンピュータインターフェース、ヒューマンロボットインターフェース、建設、ソフトウェア設計など、多くの設計分野で設計（設計の結果）と設計プロセス（設計の活動）をモデル化するための基礎として使用されてきました。[11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] FBSオントロジーはその完全性の観点から議論されてきましたが、[20] [21] [22] [23]いくつかの研究グループがそれを特定の領域のニーズに合うように拡張しました。[24] [25] [26] [27 ] [ 28] [29] [30] [31]また、デザイナーの行動研究を コーディングおよび分析するためのスキーマとしても使用されてきました。[32] [33] [34] [35] [36]
FBSオントロジーを応用してシステムのオントロジーを開発した人もいます。[31] [19] [37]この目的のために、3つの概念カテゴリ（機能、動作、構造）は、コンテキスト、原理、状態の概念を追加することによって6つの概念カテゴリに拡張されます。このようにして、FBSオントロジーはFCBPSSオントロジーになります。FCBPSSオントロジーでは、機能と構造の定義はFBSオントロジーと同じままです。動作、コンテキスト、原理、状態の概念は次のとおりです。
- 状態 (St): 時間的および非時間的の両方におけるシステム (サブシステム、コンポーネント) のプロパティまたは特性。
- 行動（B）：入力（刺激）と出力（反応）の関係
- 原則 (P): 行動を支配する知識。
- コンテキスト (C): システムが機能を果たす条件と環境。
6 つの概念カテゴリは相互に関連しており、特にシステムの構造が基礎となり、その後に状態、動作、機能が続きます。この原則は、状態とその基礎となる構造を構造の動作に集約します。
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