以 案 例 式 推 理
建 立 產 品 功 能 結 構 之 探 討
Cas e-Based R easoning for the Gen er ation o f Fu n ction
Structu res
計 劃 編 號 : N S C 8 9 - 2 2 1 2 - E - 0 0 2 - 0 6 8
執 行 期 限 : 8 8 年 8 月 1 日 至 8 9 年 7 月 3 1 日
主 持 人 : 尤 春 風 y o u @ w 3 . m e . n t u . e d u . t w
執 行 單 位 : 臺 灣 大 學 機 械 系
一 、 摘 要
本 文 以 Pahl ＆ Beitz 的 設 計 方
法 與 案 例 式 推 理 的 架 構 為 基 礎 ，
配 合 結 構 式 比 對 的 原 則 ， 進 行 電
腦 輔 助 產 品 功 能 結 構 求 解 的 研
究 。 產 品 功 能 求 解 屬 於 設 計 流 程
中 概 念 設 計 的 階 段 ， 主 要 是 根 據
設 計 問 題 的 規 範 合 成 可 以 滿 足 設
計 目 標 的 功 能 。 本 研 究 主 要 內 容
有 兩 項 ， 第 一 是 建 立 一 套 可 以 表
達 設 計 案 例 的 模 型 ， 將 過 去 的 設
計 經 驗 有 系 統 地 儲 存 在 資 料 庫 當
中 ， 以 供 後 續 使 用 ； 第 二 是 建 立
一 套 系 統 化 的 流 程 ， 讓 電 腦 根 據
工 程 師 輸 入 的 設 計 資 訊 ， 在 過 去
案 例 資 料 庫 中 搜 尋 相 似 案 例 、 移
轉 功 能 及 組 合 功 能 ， 以 輔 助
使 用
者 建 立 產 品 功 能 結 構 ， 提 高 設
計 效 率 。 文 中 以 咖 啡 機 設 計 問
題 為 例 ， 驗 證 本 研 究 的 可 行 性 。
關 鍵 詞 ： 功 能 結 構 合 成 、 案 例
式 推 理 、 結 構 式 比
對 、 設 計 案 例 表 示
法 、 搜 尋 設 計 案 例 。
Based on Case -Bas ed
Reasoni n g( C BR) a nd St r uct ur e
Mappi ng, a s ys t e mat i c appr oach
f or ge ner at i ng t he f unct i on
s t r u c t ur e s of mechani cal pr oduct s
i s pr opos ed. Gener at i on of
f unct i on st r uct ur es i s t he mai n
pr ocess of concept ual desi gn
st age, whi ch det er mi nes t he
pr i nci pl e sol ut i on of des i gn. In
t hi s s t age, desi gner s t r ansf or m
desi gn speci f i cat i ons t o mor e
co nc r et e co nc ep t r epr es en t ed b y an
as se mbl y of f u n ct i ons w hi ch c oul d
achi eve t he pur pose of desi gn
requi re ments.
CBR , as a desi gn pr ocess ,
ai ms at assi st i n g en gi neer s b y
r ecal l i ng and r eusi n g t he pr e vi ous
desi gn exper i ence. It i ncl u des t he
su bt as ks of r ep r es en t i n g, i nde xi n g,
r et r i evi n g and adapt i ng t he desi gn
c as e s. Un de r t h e s t r uc t ur e o f CB R,
a syst e m i s pr o posed t hat r ecei ves
desi gn speci f i cat i ons of probl e ms
as i nput , r et r i e ves si mi l ar desi gn
case b y usi n g St r uct ur e M appi n g,
and r et ur ns t he gener at ed f unct i on
st r uct ur es as out put . So me
exa mpl es ha ve been t es t ed t o
ver i f y t he f easi bi l i t y of t hi s
approach.
Ke yword s : co ncep tu al d esign,
fu n cti on s t ru ctu re, cas e-b a s ed r
ea s o n i n g , s t r u c t u r e m ap p i n g ,
二 ､ 計 劃 緣 由 及 目 的
在 市 場 競 爭 激 烈 的 環 境 下 ，
產 品 的 生 命 週 期 快 速 縮 短 ， 消 費
者 對 產 品 的 要 求 也 越 來 越 高 ， 生
產 者 若 未 能 意 識 到 產 品 設 計 的 重
要 性 ， 將 為 潮 流 所 淘 汰 。 因 此 ，
如 何 有 效 率 地 進 行 產 品 開 發 的 工
作 ， 成 為 生 產 者 的 一 大 課 題 。
設 計 流 程 中 包 含 頻 繁 的 資 訊
流 動 ， 在 這 些 資 訊 裏 面 ， 對 日 後
產 品 開 發 最 有 幫 助 的 ， 應 屬 設 計
過 程 中 產 生 的 經 驗 ， 這 些 經 驗 都
是 企 業 寶 貴 的 智 慧 財 產 ， 不 但 可
以 增 進 企 業 的 競 爭 力 ， 也 是 新 進
人 員 的 活 教 材 ， 此 外 ， 日 後 若 遇
有 類 似 狀 況 ， 可 以 直 接 運 用 這 些
經 驗 ， 減 少 嘗 試 錯 誤 的 成 本 。 這
些 設 計 經 驗 的 表 現 型 式 各 不 相
同 ， 若 沒 有 經 過 適 當 的 規 劃 運
用 ， 往 往 會 流 失 ； 而 且 沒 有 經 過
標 準 化 的 資 訊 ， 常 會 導 致 各 部 門
間 的 溝 通 費 時 費 力 ， 造 成 不 必 要
的 錯 誤 。
目 前 一 般 設 計 資 訊 的 保 存 方
式 ， 主 要 是 將 產 品 的 幾 何 資 料 、
材 料 清 單 以 及 設 計 變 更 等 資 訊 儲
存 起 來 ， 極 少 有 關 於 設 計 者 思 考
過 程 的 記 錄 。 因 此 ， 當 其 他 的 設
計 者 或 是 新 進 人 員 想 要 參 考 過 去
設 計 案 例 時 ， 往 往 僅 能 「 知 其 然
而 不 知 其 所 以 然 」 。
由 於 在 產 品 開 發 計 畫 進 行 的
過 程 中 ， 設 計 階 段 的 結 果 決 定 產
品 的 基 本 特 性 ， 對 於 產 品 的 成 敗
有 決 定 性 的 影 響 ， 因 此 ， 若 能 有
效 地 運 用 電 腦 與 資 訊 科 技 ， 使 設
計 的 流 程 及 設 計 資 訊 電 腦 化 ， 利
用 電 腦 強 大 的 記 憶 功 能 ， 減 少 尋
覓 和 整 合 過 去 資 料 的 時 間 ， 設 計
師 的 精 力 將 可 專 注 於 產 品 本 身 的
開 發 ， 達 到 提 昇 設 計 品 質 及 縮 短
設 計 時 間 的 目 的 。
機 械 概 念 設 計 有 兩 大 特 色 ，
第 一 ， 它 沒 有 唯 一 解 ， 這 也 和 設
計 問 題 本 身 不 易 定 義 完 整 有 關 ；
第 二 ， 它 的 解 決 過 程 是 遞 迴 的 ，
也 就 是 說 最 初 找 到 的 解 並 不 一 定
是 最 終 的 結 果 ， 而 是 需 要 一 直 尋
求 更 好 的 解 決 方 案 。 因 此 ， 設 計
問 題 所 牽 涉 的 層 面 既 廣 且 深 。 此
外 ， 人 類 有 一 項 非 常 寶 貴 的 能
力 ， 是 將 過 去 的 經 驗 和 目 前 情 境
建 立 類 比 關 係 ， 透 過 既 有 概 念 的
拓 展 、 修 改 以 及 擴 充 ， 形 成 創 新
性 的 想 法 。 但 是 人 們 往 往 會 受 限
於 本 身 對 事 物 的 既 有 印 象 ， 而 難
以 採 用 新 的 觀 點 來 解 決 問 題 ， 而
且 將 針 對 某 一 問 題 得 到 的 解 決 方
案 視 為 個 案 ， 造 成 日 後 利 用 過 去
解 決 方 案 處 理 其 他 相 似 問 題 的 困
難 。 在 進 行 創 新 性 設 計 時 ， 應 該
採 取 一 種 開 放 的 態 度 ， 將 觸 角 向
外 延 伸 到 其 他 領 域 ， 以 期 充 分 利
用 現 有 的 資 源 形 成 新 的 觀 念 。
因 此，要 以 較 接 近 人 們 處 理 問
題 的 方 式 解 決 機 械 概 念 設 計 的 問
題 ， 通 常 無 法 利 用 類 似 專 家 系 統
的 工 具 來 解 決 ， 原 因 在 於 專 家 系
統 是 將 過 去 的 設 計 經 驗 以 法 則 的
形 式 儲 存 ， 這 可 能 造 成 兩 個 瓶
頸 ： 第 一 ， 知 識 的 擷 取 不 易 ； 第
二 ， 當 知 識 不 斷 擴 充 時 ， 規 則 之
間 的 矛 盾 不 易 管 理 。 而 案 例 式 推
理 是 以 電 腦 模 擬 人 類 在 進 行 設 計
時 較 自 然 的 思 考 模 式 ， 也 就 是 以
回 想 過 去 設 計 經 驗 的 方 式 從 事 新
設 計 問 題 的 解 決 ， 而 不 是 每 次 都
從 零 開 始 。 因 此 本 研 究 認 為 案 例
式 推 理 在 機 械 概 念 設 計 的 運 用 是
值 得 探 討 的 課 題 。
本 研 究 主 要 探 討 如 何 利 用
電 腦 來 輔 助 概 念 設 計 的 進 行 ，
讓 使 用 者 可 以 藉 由 輸 入 設 計 規
範 的 方 式 ， 得 到 滿 足 設 計 需 求
的 功 能 結 構 輸 出 。 整 體 流 程 如
圖 1所 示 。
決定索引項目
評估案例相似度
搜尋相似案例
運用案例
案例資料庫
輸入案例
顯示案例
設計問題
資訊
功能結構解
案例資料
功
能
結
構
求
解
輸入問題資訊
使
用
者
介
面
儲存案例
輸入檢索條件
檢索條件
資料
輸入決策
決策 案例資料
評估修改案例
圖1 系統架構圖
本 研 究 的 設 計 流 程 是 以
Pahl & Beitz 的 設 計 方 法 為 基
礎 ； 推 理 功 能 結 構 是 以 案 例 式
推 理 為 架 構 ； 將 設 計 案 例 資 訊
分 為 規 範 、 行 為 、 功 能 以 及 實
體 四 方 面 表 示 ； 以 結 構 式 比 對
進 行 案 例 的 搜 尋 與 運 用 。 研 究
內 容 可 歸 納 為 以 下 項 目 ：
1. 規劃設計案例表示法。案例中包
含：規範、功能、物件間相互影響關
係、實體結構等資訊。
2. 建構案例式推理的機制。其中包
括：決定索引項目、搜尋相似案例、
評估案例相似度、運用案例等。
3. 制定語彙表示法並建立字典。
4. 建立結構式比對的機制。
5. 建 立 電 腦 合 成 功 能 結 構 的 法
則。
6.
利 用 物 件 導 向 式 資 料 庫
ObjectStore 儲存設計案例。
三 ､
研 究 方 法
3 . 1 搜 尋 相 似 案 例
在 使 用 待 解 決 問 題 規 範 項 目 搜 尋
相 似 案 例 時 ， 是 以 這 些 規 範 項 目
的 述 詞 來 和 案 例 規 範 項 目 的 述 詞
進 行 比 對 ， 若 案 例 規 範 項 目 的 述
詞 具 有 和 待 解 決 規 範 項 目 相 同 或
相 似 的 述 詞 ， 則 將 此 案 例 規 範 項
目 納 入 候 選 清 單 中 。 而 各 個 待 解
決 問 題 規 範 項 目 分 別 有 一 個 候 選
清 單 ， 其 中 紀 錄 對 應 到 這 個 規 範
項目的案例規範項目。
判 斷 兩 個 述 詞 是 否 相 同 或
相 似 的 方 法 ， 是 藉 由 查 詢 兩 個
述 詞 各 自 所 屬 案 例 之 字 典 ， 找
出 它 們 分 別 對 應 的 字 詞 物 件 ，
再 針 對 這 兩 個 字 詞 進 行 比 較 ，
得 到 兩 個 字 詞 之 間 的 相 似 程
度 。 在 這 個 階 段 比 較 兩 個 字 詞
是 否 相 似 的 方 法 ， 是 先 比 對 兩
個 字 詞 的 內 容 ， 也 就 是 原 本 的
述 詞 ； 若 內 容 相 同 ， 則 代 表 這
兩 個 述 詞 相 同 ； 若 內 容 不 同 ，
則 進 一 步 將 兩 個 字 詞 對 應 的 同
義 詞 加 入 比 對 ， 若 仍 然 沒 有 找
到 相 同 者 ， 則 代 表 這 兩 個 述 詞
不 相 似 。
3.2 評 估 案 例 相 似 度
由 「 搜 尋 相 似 案 例 」 步 驟
得 到 各 個 待 解 決 規 範 項 目 的 候
選 清 單 ， 接 著 要 進 一 步 比 對 清
單 中 案 例 規 範 項 目 和 對 應 的 待
解 決 規 範 項 目 間 語 句 的 相 似 程
度 。
本 研 究 是 以 結 合 結 構 式 比 對
以 及 語 意 比 對 的 方 式 來 進 行 語 句
相 似 度 的 評 比 。
3 . 2 . 1 語 句 相 似 度 比 對 法 則
本 研 究 中 規 範 項 目 語 句 比 對
是 以 待 解 決 規 範 項 目 的 語 句 結 構
為 基 準 ， 依 序 由 上 層 向 下 層 、 由
左 而 右 取 得 元 素 ， 進 行 和 案 例 規
範 項 目 語 句 中 對 應 位 置 元 素 相 互
比 較 。
3 . 2 . 2 字 詞 相 似 度 比 對 法 則
本 研 究 進 行 字 詞 相 似 度 比 對
時 ， 是 將 兩 個 字 詞 的 字 詞 本 身 、
同 義 字 詞 、 反 義 字 詞 皆 納 入 考
慮 。 比 對 的 流 程 如 圖 3-6所 示 。 若
有 兩 個 字 詞 分 別 為 字 詞1與 字 詞
2， 首 先 比 較 兩 個 字 詞 本 身 是 否 相
同 ， 如 果 不 同 ， 則 接 著 進 行 「 字
詞1本 身 與 字 詞2同 義 詞 」、「 字 詞
1同 義 詞 與 字 詞2本 身 」 、 「 字 詞1
同 義 詞 與 字 詞2同 義 詞 」 以 及 「 字
詞1反 義 詞 與 字 詞2反 義 詞 」等 四 個
階 段 的 比 對 。 在 每 一 個 階 段 中 ，
都 是 遞 迴 地 進 行 字 詞 相 似 度 比 對
的 流
程 。
3 . 2 . 3 語 句 比 對 結 果 表 示 法
待 解 決 問 題 規 範 項 目 與 案 例
規 範 項 目 之 間 語 句 相 似 度 的 表 示
法 ， 是 建 立 一 個 和 待 解 決 問 題 規
範 項 目 樹 狀 圖 架 構 相 同 的 新 樹 狀
圖 ， 並 且 在 此 一 新 樹 狀 圖 的 節 點
上 儲 存 待 解 決 問 題 規 範 項 目 各 元
素 與 案 例 規 範 項 目 元 素 比 對 的 結
果 。 儲 存 的 資 料 包 括 ： 待 解 決 問
題 規 範 項 目 元 素 內 容 、 對 應 的 案
例 規 範 項 目 元 素 內 容 以 及 比 對 得
分 。
3 . 2 . 4
語 句 相 似 度 計 算 法
在 語 句 中 各 元 素 的 字 詞 相
似 度 皆 已 得 知 之 後 ， 便 可 進 行
語 句 相 似 度 的 計 算 。 依 此 計 算
方 式 ， 兩 個 語 句 的 相 似 度 是 由
語 句 比 對 結 果 樹 狀 圖 中 底 層 的
各 元 素 開 始 ， 逐 步 向 樹 狀 圖 上
方 累 加 各 元 素 的 字 詞 相 似 度
值 ， 累 加 至 最 上 方 的 節 點 所 得
之 值 ， 即 為 這 兩 個 語 句 的 相 似
度 。
3.3 運 用 設 計 案 例
尋 得 資 料 庫 中 相 關 案 例 並
得 到 它 們 和 各 待 解 決 問 題 規 範
的 相 似 程 度 之 後 ， 進 入 運 用 設
計 案 例 的 步 驟 建 立 新 的 功 能 結
構 ， 也 就 是 使 用 過 去 的 設 計 經
驗 來 解 決 目 前 的 問 題 。
運 用 設 計 案 例 分 為 兩 個 步
驟 ， 首 先 是 根 據 各 個 待 解 決 規
範 項 目 和 案 例 規 範 項 目 的 比 對
結 果 ， 分 別 以 對 應 的 案 例 功 能
結 構 建 立 新 的 功 能 結 構 解 ， 稱
之 為 移 轉 功 能 ； 接 著 是 利 用 這
些 功 能 結 構 解 組 合 成 產 品 的 整
體 功 能 結 構 ， 稱 之 為 組 合 功
能 。
3 . 3 . 1 移 轉 功 能
移 轉 功 能 的 主 要 目 的 是 以
新 的 字 詞 代 換 案 例 功 能 中 的 字
詞 ， 以 形 成 新 的 功 能 。 逐 一 取
出 待 解 決 規 範 項 目 ， 並 根 據 其
對 應 候 選 案 例 規 範 項 目 的 相 似
度 ， 由 相 似 度 高 到 相 似 度 低 依
序 取 用 案 例 規 範 項 目 ， 代 換 對
應 的 案 例 功 能 結 構 字 詞 ， 以 建
立 新 功 能 結 構 。 接 著 將 新 建 立
的 功 能 結 構 加 入 可 用 功 能 結 構
的 候 選 清 單 中 ， 以 供 下 一 個 步
驟 組 合 功 能 運 用 。
3.3.2 組 合 功 能
得 到 各 個 規 範 項 目 的 對 應 功
能 結 構 候 選 清 單 之 後 ， 進 入 組 合
功 能 的 步 驟 。 也 就 是 組 織 可 分 別
滿 足 規 範 項 目 的 功 能 結 構 ， 形 成
一 個 產 品 的 功 能 結 構 ， 以 滿 足 規
範 的 需 求 。
四 ､ 結 論 與 成 果
根 據 本 研 究 的 法 則 ， 電 腦 可
以 根 據 使 用 者 輸 入 的 設 計 規 範 ，
透 過 案 例 式 推 理 的 程 序 找 出 相 似
的 設 計 案 例 ， 並 且 修 改 尋 得 的 案
例 ， 以 生 成 可 以 滿 足 設 計 需 求 的
功 能 結 構 。 要 點 整 理 如 下 。
1. 以案例式推理的架構為基礎，使
得電腦能夠透過搜尋相似案例、運用
設 計 案 例 的 過 程 ， 建 立 產 品 功 能 結
構。
2. 使 用 「 規 範 — 功 能 — 行 為 — 實
體」模型表現設計案例，有系統地保
存 設 計 資 訊 以 及 設 計 資 訊 之 間 的 關
係。並且利用物件導向式資料庫儲存
設計資訊，提升存取資訊的效率。
3. 使用結構式比對的方法，作為搜
尋 相 似 設 計 案 例 時 判 斷 語 句 相 似 度
的標準，以提高評估案例相似度的彈
性。
4. 利 用 案 例 中 關 於 功 能 組 合 的 資
訊 以 及 功 能 輸 出 入 的 比 對 組 合 功 能
結構。
參 考 文 獻
1. A. Terry Purcell and John S.
Gero, “Design and Other Types
of Fixation”,
Design Studies
,
Vol. 17, No. 4, pp. 363-383,
1996.
3. Ashwin Ram, Linda Wills, Eric
Domeshek, Nancy Nersessian,
Janet Kolodner, “Understanding
the Creative Mind: A Review of
Margaret
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Creative
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", Artificial Intelligence
,
Vol. 79, pp. 111-128, 1995.
4. B. Raphael and B. Kumar,
“Indexing and Retrieval of
Cases in a Case-Based Design
System
", Artificial Intelligence
for
Engineering
Design,
Analysis and Manufacturing
,
