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技術人工物設計中功能分解的方法和邏輯

時間:2021-02-02作者:李秀波
本文導讀:這是一篇關于技術人工物設計中功能分解的方法和邏輯的文章,在技術人工物設計中,設計者需要回答技術人工物如何實現某種功能,又為何能夠實現該功能,并圍繞“功能”展開對技術人工物的解釋和分析[2]。要打開工程設計的黑箱,需要描述工程設計活動的推理鏈,發現推理活動中的

  摘    要: 技術人工物的設計遵循功能推理的邏輯,通過功能分解方法實現。文章通過梳理功能分解的三種方法,分析功能分解的內在邏輯,認為功能分解的邏輯基礎來自技術人工物的工作機制及其與使用者的互動方式,其實現的基礎條件是功能的可分隔性和性能的可降層性。功能分解作為一個橋梁,幫助設計者連接了“意向圖景”與“物理/機械圖景”,在部分與整體的結構/功能之間獲得一種邏輯上的互通性。功能分解思維幫助設計者得到了易于理解的,具有可預測性、可靠性、穩定性、可控性的牛頓機器,并通過設計方案說明設計對象的性能/行為是嚴格可預測的,與預期運行效果是一致的。這實質上是機械論和還原論在設計思維中的反映。

  關鍵詞: 技術人工物; 工程設計; 功能推理; 功能分解;

  Abstract: The Technical artifact design realized by functional decomposition follows the logic of functional reasoning.By combing the three methods of functional decomposition and analyzing the inherent logic of functional decomposition,the paper advocates that the logical basis of functional decomposition comes from the operating mechanism of technical artifacts and the way they interact with users,and that the basic conditions for functional decomposition are the separability of function and the degradability of performance.As a link,functional decomposition helps designers connect "intentional picture" and "physical/mechanical picture" so that they can obtain a logical interoperability between the structure/function of the part and the whole.Functional decomposition thinking helps designers to get Newton machines that are intelligible,predictable,reliable,stable and controllable,and shows that the performance/behavior of the design object is strictly predictable and consistent with the expected running effect through design schemes.Essentially,functional decomposition thinking is the reflection of reductionism in technical artifacts design thinking.

  Keyword: technical artifacts; engineering design; functional reasoning; functional decomposition;

  自技術哲學的“經驗轉向”以來,技術哲學的荷蘭學派試圖打開技術設計的黑箱,聚焦于技術是如何產生、使用和起作用的,并試圖建立一種體現技術實踐的情境化和描述性的技術哲學理論?寺逅梗≒.Kroes)等人基于“結構-功能”的概念框架,將工程設計描述為“一個將功能翻譯或轉換為結構的解題過程。該過程起始于收集所需的功能知識,終結于一個可實現預想功能的物理客體、系統或過程的設計藍圖”[1]。要打開這個“解題過程”的黑箱,需要解釋設計者在實踐中是如何以“功能”為核心展開推理的,又是何以確定某個結構能夠實現某個功能的,即功能推理(functional reasoning)的過程。在該過程中,功能分解是主要的思維工具,是功能推理的實現方法。通過設計任務的“分而治之”,設計者將任務轉換為便于設計和制造的具體結構。設計者通過對結構的分析和具體化,將設計問題分解為各個零部件的制造。然后,根據部分之間的某種邏輯重新集成和綜合為結構整體。但問題在于,如何分解設計任務才合理?如何集成和綜合才能保證結構與功能相一致?這就涉及分解和集成過程中使用的思維與方法,是概念設計和詳細設計階段的核心問題。

  一、功能推理與功能分解

  在技術人工物設計中,設計者需要回答技術人工物如何實現某種功能,又為何能夠實現該功能,并圍繞“功能”展開對技術人工物的解釋和分析[2]。要打開工程設計的黑箱,需要描述工程設計活動的推理鏈,發現推理活動中的關鍵概念,并嘗試建立這些概念之間的關聯,建立描述功能推理過程的模型。

  霍克斯(W.Houkes)等人認為,技術人工物的設計推理涉及目的、行動、功能、行為和結構五個范疇,構成了推理過程的五層次結構[3]。在該描述模型中,功能是技術人工物設計推理中的核心概念,在推理過程中起到鏈接或融通的作用。他們利用“使用計劃”的概念,對設計推理進行理性重建。通過推理,將上一階范疇轉譯為下一階范疇。當然,每一次轉譯都不是線性的、單向的,而是一個在設計實踐中不斷往復迭代的創造性過程。
 

技術人工物設計中功能分解的方法和邏輯
 

  基于該描述模型,霍華德(T.J.Howard)進一步區分了使用功能(use functions)和工作功能(work functions),提出了一種更為完善的鏈接模型(the link model)[4](如圖1所示)。其中使用功能是描述“拿技術人工物來干什么用的”,與使用者的行為及其與技術人工物的互動有關,指向使用的結果。而工作功能是描述“技術人工物是如何工作和運行的”,與技術人工物的屬性和行為有關,指向產品發揮功能的能力。實際上,在設計情景和使用情景的關聯中,這種區分是對霍克斯模型中“行動”范疇的細化。

  圖1 描述功能推理的鏈接模型
圖1 描述功能推理的鏈接模型

  根據鏈接模型,技術人工物的功能既與其物性有關,也與使用方式有關,是由技術人工物與使用者在使用情境中的協作行為來定義的。在使用情景中,技術人工物“能否被使用者認為可用”是基于對使用功能的認識而作出的判斷。技術人工物具有一種在使用情境中采取適宜行動的能力,傳遞某種使用者可感知的提示或建議,為使用過程提供一種行動指向。也就是說,技術人工物和使用者都成為了一種行為主體?梢哉f,鏈接模型是基于人-物的協作模式描述技術人工物設計的推理邏輯。

  遵照功能推理的邏輯,設計者通過功能分解展開設計活動。在設計實踐中,設計者“把任務分解成一系列可以單獨完成的次級任務,這種方法無論有多復雜,在任何設計活動的組織方面都是切實可行的”[5]。通過任務的“分而治之”,設計者將設計任務轉換為便于設計和制造的具體結構。在概念設計階段,設計者以功能為分析原點,將技術人工物看作是由一系列具有子功能的組分構成的整體,采用自上而下的思路將總功能(overall functions)劃分為一系列子功能(sub-functions),建立起層次化的功能樹體系,這種設計思路即為功能分解。遵照功能推理的邏輯,設計者通過功能分解獲得具有可操作性的結構單元或部件。根據鏈接模型,功能推理涉及使用者的使用目的、使用方式和使用結果以及技術人工物的結構、行為等不同側面的描述,這些描述可以幫助設計者找到不同的分解方法和分解邏輯,為功能分解給出某種設計指向。

  需要特別指出,在技術人工物的設計實踐中,設計工作不是起始于基礎性的技術理論或工程運行的原理,而是基于設計領域中設計者積累的設計案例和經驗,從中發現可供效仿和參照的設計方案,以此作為設計起始。然后,根據工程目的對前人與之相近的設計案例加以調整、修改或刪減,逐漸向設計目的靠攏?梢哉f,它是一個包含隱性知識的實踐推理過程[6]。這是設計實踐的程序或步驟中體現的時間結構。而本文所討論的功能推理和功能分解,不是要呈現設計活動的時間結構,而是要呈現設計者面對設計問題時的解題思維和邏輯,并不否認設計經驗和效仿案例對設計工作的重要性。

  二、功能分解的三種方法

  在設計實踐中,“功能”一詞在使用中的含義不盡相同。實際上,這種模糊性反映了設計者依據設計任務使用著不同的功能分解策略,從而在實踐中給設計者帶來某種方法論上的便利[7]。范·艾克(D.Van Eck)從技術人工物的行為、使用目的和效果三個方面梳理了已有功能分解的方法[8]。然而,依據霍華德對技術人工物設計推理的描述,“功能”一詞的內涵還會涉及使用者的使用行為和使用活動的結構。因此,本文從意向性、物性和互動三個進路梳理功能分解的方法。

 。ㄒ唬“意向性”進路

  技術人工物具有明確的目的性,是“為人之物”。因此,技術人工物的設計可以描述為將使用者的意向性內化為技術人工物結構的過程。設計者需要感知使用者的需求,通過設計將用戶的主觀意志和目的凝聚到技術人工物中,賦予技術人工物朝向特定現實需求的定向性,從而在使用者的意向性與功能描述之間建立連接。

  設計者借助使用者的意向來描述技術人工物的功能,一般描述為:在某種使用情境中,某技術人工物具有功能F,是指該技術人工物能夠滿足使用者的目的P。如某手機能夠發揮其功能,是指它能夠滿足使用者的拍照、指紋解鎖、聽音樂、視頻聊天等需求。按照這種描述,設計者將使用者的目的分解為一些子目的,進而定義相應的子功能,最終設計出滿足該子功能的子結構或模塊。如在上述例子中,設計者可將手機分解為一系列子結構:拍照需要攝像頭;指紋解鎖需要指紋識別、存儲器和解碼器等;聽音樂需要音頻解碼器;視頻聊天需要攝像頭、話筒和聽筒等,然后,將這些子結構集成為一個整體,就豐富了手機的功能。該分解方法的關鍵在于是否能夠把握子目的之間的邏輯關系。設計者需要在“人-技術人工物-世界”間的相互塑造和相互揭示中梳理子目的之間的分立性、層次性和協調性關系。比如,在特定的使用過程中,手機的拍照和視頻聊天之間是否會引起設計上的沖突,如何恰當定義兩種子目的以保持它們之間的協調性,需要加以特別考量。

 。ǘ“物性”進路

  克洛斯認為,技術人工物的設計就是在功能描述和結構描述之間建立一種映射,這種映射的一端是由幾何的、物理的、化學的、機械的、材料的規則所定義出的結構屬性,另一端則是由意圖的、用途的、目的的規定給出的功能屬性[9]。在工程實踐中,設計者不僅能夠提供關于所要設計的技術人工物的形式描述,而且還能給出關于使技術人工物如何發揮所需功能的機制描述[10]。通過對運行機制的描述,呈現出從結構細節到功能實現路徑的映射規則,實現從功能到結構的設計推理。因此,結構的可實現性也是功能分解的根據。

  在從功能到結構的設計推理中,設計者借助對技術人工物的期望行為來描述功能,一般描述為:技術人工物具有功能F,是指該人工物能夠做到X、Y和Z等,而這些預期行為一般用物理屬性來描述[11]。例如,汽車具有運輸功能,是指當汽車載貨2噸行駛在平坦的馬路上時,時速可達120公里,可爬上15度的坡道,并持續行駛10小時等。這種功能描述是設計者最常使用的描述方式。在功能的行為分解過程中,設計者首先基于“輸入-輸出”的黑箱思維,將整體功能與一系列行為建立關系,進而將行為轉譯為一系列子功能,每一項子功能又用一系列實現該子功能的行為描述,依次類推,直到子功能與具體的結構組件聯系在一起,得到可直接處理的結構設計問題[12]。在這種分解方法中,設計者根據物理因果的邏輯,利用工程知識在物理世界與行為之間建立映射,并從工程學原理中獲得結構分解的依據。

  這種分解方法的實現需要工程師從物理、化學、機械、動力等方面對技術人工物的工作機制建立一種“流描述”(物質、能量和信息流)的表征模型[13],在“流變化”與“行為變化”之間建立“輸入-輸出”關系。“流描述”的建立一般包含三個步驟[14]:一是通過“流描述”,將高層功能描述為一系列“輸入-輸出”關系的黑箱;二是將每一種“流”用時間鏈條描述為流動的過程,過程描述可能包含“流”的創生、釋放、轉換、接收和存儲等階段;三是將這些“流”集成為一個整體,實現一個能夠實現所有“流”的“輸入-輸出”關系的整體。按照上述步驟,這種“流描述”被進一步細分,如能量被細分為電力的、熱量的、機械的,其中電力能源再分解為直流或交流的、高壓或低壓的等,最終得到機械意義上的元結構。元結構以及它們之間的界限被劃分清楚后,不同領域的設計人員就要把某種對接要求建立起來。“流描述”所呈現的子結構之間的物理關聯預示著整體結構的合理性。

  (三)“互動”進路

  承載著使用者意向性的技術人工物是否能夠在特定使用情境中發揮特定功能,還依賴于對該使用情境的認知和解讀。設計者需要深入到使用過程,剖析使用者與技術人工物的互動細節,包括使用者的操作習慣、技能水平、社會規則等,用以制定合乎人工物工作方式的使用方法。依照這方面的信息,設計者通過撰寫用戶手冊來詳細闡述技術人工物的使用方法,告訴潛在使用者如何使用技術人工物以實現他們的目標,從而給出包含程序性知識的使用方法以定義技術人工物與使用者間的互動模式,使用者則需要通過使用方法來獲得操作知識。

  根據技術人工物與使用者在使用過程中的互動協作,可以將功能分解方法概括為功能的“動作”分解和“效果”分解。

  “動作”分解,是指在特定使用情境中,使用者會采取一系列使用動作以完成使用過程。技術人工物具有某種功能,可以描述為使用者對技術人工物采取了一系列行動后就達到了他的目的。例如,電梯具有載客功能,意指如果乘客依次按了電梯的上升、關門、樓層指示和開門按鈕后,就可以到達預期樓層。設計者可以依據使用動作的分解來確定功能的分解方法,進一步將技術人工物分解為能夠支撐每一個操作行動的子結構。如在電梯的例子中,設計者需要將電梯分解為能夠實現乘客每一個行動所對應的裝置或單元,而當這些裝置或單元集成為電梯,就能夠實現“載客到特定樓層”的功能。這種分解方法即功能的動作分解[15]。動作分解的核心在于使用者操作序列的邏輯結構。使用者在使用情境中,有哪些身體的、習慣的或者社會的約束會塑造使用者的操作方式,這種操作方式如何影響使用者與技術人工物間的互動模式,這些問題都需要認真分析。作為為人之物的技術人工物需要滿足合對象性要求,遵循身體尺度把握設計的“度”[16];谶@種分析,設計者就可以解讀操作序列及其互動模式,并依此劃分實現各動作的子功能。

  “效果”分解,是指設計者依據技術人工物的效果來描述功能。一般描述為:技術人工物具有某種功能,是指使用者給出了某個操作指令后,技術人工物會產生一系列效果。例如,某機器具有彩色打印功能,意思是說,在室內環境中,使用者放入一張空白A4紙,該機器輸出了一張彩色圖片。技術人工物的使用效果與“構成人工物環境的情境因素”直接相關。在特定環境下,使用者按照用戶手冊正確地使用技術人工物,在現實世界中就能產生一系列效果。功能被表述為一系列“觸發-效果對”(triggereffect pairs),即使用者的操作作為觸發器與技術人工物的使用效果之間的對應關系[17]。這樣,技術人工物可以被描述為能夠達到特定效果的一系列子功能的集成。這種分解方法即為技術人工物功能的效果分解。效果分解是從環境要素到內部結構的推理過程,其關注點是技術人工物與使用/運行環境之間的關系。環境因素作為一種約束條件,需要內化為人工物的非功能性屬性。因此,設計就可以看作解決技術人工物與其環境之間的張力的活動。正如西蒙(H.A.Simon)所說,“工程設計的任務就是設計一種適應于環境的人工系統。”[18]設計者試圖從對環境的解讀中抽離出“環境參數”,并將其作為約束條件來開展設計活動,進而考慮技術人工物的物理和技術上的可能性。

  上述三種進路梳理了功能分解的不同方法。在工程設計實踐中,不同階段和層次的設計任務涉及不同維度的推理過程,功能分解也相應有所不同。根據設計任務的層級、環節與設計知識的不同,設計者會識別出其中包含的子功能之間目的的、行為的、操作的或效果的邏輯,選用合適的功能分解,最終獲得了一系列子功能,并得到相應的子結構,形成“結構-功能子”。在工程實踐中,不同功能分解方法的關聯應用更加符合工程價值。

  三、功能分解的內在邏輯

  在設計者的實踐推理中,功能分解是主要實現方式。那么,功能分解有效性的內在邏輯是什么呢?根據弗馬斯(P.Vermaas)等對功能分解的分析[19],可以將技術人工物的設計描述為下述過程(如圖2所示)。圖中,Φ代指總功能,1,2,…,n代指一系列子功能,S代指總結構,s1,s2,…,sn代指一系列子結構,m是元功能,sm是元結構,Org代表所包含子項的組織邏輯。

  圖2 功能分解的邏輯過程
圖2 功能分解的邏輯過程

  在圖2中,通過功能分解,技術人工物的功能Φ被分解為一系列子功能n,子功能被繼續分解直至元功能m。設計者利用設計經驗和知識找到元功能m對應的元結構sm,形成“結構—功能子”(m→sm),是連接結構S與功能Φ的基本單元。“結構-功能子”起到了一種橋梁作用,幫助設計者將“功能描述”轉譯為“結構描述”[20]。最終,設計者通過功能分解將設計任務還原為元結構的設計,通過“結構-功能子”最終將最高層次的結構與功能聯接起來。當然,工程設計的邏輯分析不是一個單向的從功能走向結構的,而是一個不斷往復迭代的過程。在工程設計實踐中,設計師對功能分解方法和方式的選擇是在不斷認知、協商和妥協中以某種社會形式展開的,功能推理中也是在設計者對功能和結構的一再認識中進行的。通過認識迭代,確保各子功能的實現就意味著總功能的實現,各子結構的合目的性就意味著總結構的合目的性。

  這樣一來,分解后子功能之間的組織邏輯“Org”成為功能分解有效性的關鍵,其中也正蘊含著功能分解得以實現的邏輯基礎。這種邏輯基礎來自技術人工物的工作機制及其與使用者的互動方式,蘊含在功能分解方法中關涉技術人工物功能性的、物理的、目的的、行為的或操作的關系序列中。概括起來,總功能與子功能之間可以形成兩種關系:一是子功能f的決定因素是功能F的決定因素的一部分;二是子功能f是功能F得以實現的序列中的組成部分[21]。

  那么,功能分解實現的基礎條件是什么呢?

  從功能的可分隔性來看,在功能分解的物性主義方法中,由于子功能之間的關系/機制在邏輯上具有某種線性、穩定性和可預見性,子功能之間的關系轉換為一種固定界面的建構。尤其是在模塊化設計中,整體結構被分割開來,設計者只需通過產品之間的界面處理組分之間殘存的依存性就可以確保整體結構的屬性。通過界面化處理,子功能之間的關系可以切除而予以懸置。這樣一來,子結構的“流描述”恰恰是決定總結構的“流描述”的一部分,技術人工物的總結構被分隔為子結構加以設計。結構的這種可分隔性決定了功能被“分隔”實現的可能性。又由于“界面”的穩定性,子結構可以按照界面所定義的關系組裝成為總結構,子結構并置設計后拼接成整體結構符合功能的設計預期。這種操作只需設計者關注部分的性能。設計者所需要專注的變量減少,可操作性增強。

  從性能的可降層性來看,在技術人工物的設計中,性能是連接結構描述和功能描述之間的概念,它既涉及技術參量或指標,也涉及功用的效果。在功能分解中,總功能/結構的性能描述降回到“結構-功能子”層次的性能描述中。這里的降回包含解釋降回和方法降回,解釋降回是指通過各部分性能及其關系的分析解釋整體性能的合理性;方法降回是指整體性能通過具有相關性能的部分按照既定秩序和關系加和來實現。在總功能的行動的或者使用動作的實現序列中,子功能具有一種可區分性,使得總功能具有了可分解性。設計者將總功能對子功能的約束和選擇作用擱置起來,專注于“結構-功能子”的實現。“結構-功能子”作為結構和功能之間的橋梁,搭建起一種整體性能和部分性能之間的對應規則。設計者可以將子功能從功能的實現序列中隔離出來予以實現。

  四、討論

  一般而言,技術人工物的設計分為三個方面:一是將用戶的需求轉換為技術人工物的功能,解決意向性問題;二是將環境約束轉換為技術人工物的參數,解決適應性問題;三是利用功能分解得到具體結構,解決制造問題。在展開功能分解前,在邏輯上需要先完成前兩個方面,使用戶意向和環境約束以參數形式進入設計視野,從而將技術人工物與用戶意向和環境約束分隔,使技術人工物孤立地出現在設計視野中。最終把思維中的技術構思規范化、定量化,以標準的圖紙或說明書的形式展現出來[22]。功能分解得以實現存在兩個前提:一是設計者已經對部分之間的關系產生了清晰明確的認識,甚至可以表達為確定的數學公式;二是部分之間的這種關系是線性的、穩定的,不會隨時間發生顯著變化;诖,設計對象成為既定的,被描述為線性因果關系驅動下的確定性系統。

  首先,功能分解作為一個橋梁,連接了“意向圖景”與“物理/機械圖景”。“意向圖景”關涉用戶的意向性投射、具身認知和使用方式等,而“物理/機械圖景”則關涉物理因果、數學語言以及分解-組合的操作方式等。這個橋梁也說明,兩個圖景的分隔不是因為他們之間沒有關系,而是因為這種關系是穩定的、可預見的,能夠簡化為一種“界面”,這樣,功能分解才得以搭建,并讓機械世界得以被“孤立”地面對,營造了一個價值無涉的物理設計領域。

  其次,通過功能分解,技術人工物在結構/功能的部分與整體之間具有了一種邏輯上的互通性。這種互通性讓設計方案具有了關于“技術人工物何以具有某種功能”的解釋力,暗示整體在邏輯上依賴于它的部分,整體因部分而合理化,失去了某個部分的整體也不再續存。這是一種功能解釋的還原方法,即根據部分的性質解釋或預言整體的性質。設計者可以通過部分獲得整體,依靠自下而上的因果力對整體作出解釋。通過來自“部分”的解釋理由幫助設計者獲得了一種反事實理解,即“如果不是如此這般的部分,整體也會有所不同”。這種反事實理解對于功能失效現象有很強的解釋力。在人類的設計觀念中,設計者已經熟知了這種將整體還原為部分加以處理的技術和思維,并發展起來一套完整而有效的分析、設計、測試、生產和評估的方法體系,也形成了與“還原思維”相適應的溝通語言和說明方式。

  總體來看,功能分解思維能夠幫助設計者得到易于理解的,具有可預測性、可靠性、穩定性、可控性的牛頓機器,并通過設計方案說明設計對象的性能/行為可嚴格預測的,與預期運行效果是一致的。實質上,這是機械論和還原論在設計思維中的反映,說明還原論思維不僅仍占據著技術的認識領域,更占據著實踐領域。

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