3.1 引言
产品功能创新设计是设计师根据客户需求结合多种知识和信息进行加工，采用多元的创新设计模型、创新工具和创新方法推导出创新概念方案的过程。设计理论是功能创新设计的核心与基础，代表性设计理论主要包括质量功能展开（QFD）、公理化设计理论（AD）、通用设计理论（GDT）、系统设计理论（SAPB）、稳健设计理论（RD）、发明问题解决理论（TRIZ）等。目前大多数国内外学者的创新设计方法都在以上述代表性设计理论的基础上，提出了集成创新设计等诸多创新设计理论与方法，如杨育等基于TRIZ理论建立了客户协同创新设计原型系统；特林科（Terninko）博士集合TRIZ和RD，以QFD的5个步骤为框架，构建了“客户驱动的稳健创新模型”。
产品在功能、性能、质量等方面的竞争成败基本取决于设计，在设计的各阶段，概念设计主要完成设计过程中的创新任务。概念设计的方法可以分为基于逻辑思维的方法和基于直觉思维的方法。基于逻辑思维的方法主要依靠技术数据库及科学和工程原理，其代表性设计方法有基于层次映射的系统化设计理论、发明问题解决理论（TRIZ）、公理化设计理论（AD），主要模型有功能-效应-结构（FES）模型、功能-效应-作用原理-结构模型（FEPS）、功能-行为-结构（HBS）模型等。基于直觉思维的概念设计方法主要有基于启发规则的方法和基于类比的方法。基于启发规则的设计方法主要有TRIZ的九屏幕法、小人法、金鱼法、理想化方法等。近年来，伊尔马斯（Yilmaz）等通过分析案例和研究专家的设计过程，提出了60条设计启发规则，促进了概念设计阶段方案的产生和多解性。曹国忠构建了多生物效应知识库，提出了基于生物效应的产品情感化设计方法。但是，基于类比的方法的缺点是通过构建类比库来进行人工知识搜索，工作量较大且效率不高。当前代表性设计理论如图3-1所示。
图3-1 代表性的设计理论
在目前众多产品的表示方法中，产品的功能描述是从技术实现的角度对待设计系统的一种抽象描述。目前主流的现代设计理论和方法也都不约而同地使用功能这一概念。产品功能是产品设计的核心问题，产品功能贯穿设计的整个过程，其中所有的设计活动都应围绕功能进行，因此产品设计过程的本质就是基于功能的设计过程。在客户需求映射为产品功能要求时，功能定义与表示的科学性、准确性和简洁性将直接影响产品概念设计方案及产品的创新，“功能”在很大程度上决定了“设计”。此外，客户购买产品时，起决定性的因素就是产品性能（即功能+质量），因此产品设计应将功能作为主要研究对象。
功能是各个工程领域中技术人员必须考虑的重要因素。功能不是一个独立的范畴，它总是或多或少地与目标、行为、结构、环境等因素相联系。虽然各种设计理论和方法从不同的角度分别研究了功能形式化表达、功能分解与功能求解过程，但功能设计阶段通常会涉及不同领域的设计知识及复杂的设计活动，需要对设计知识进行全面描述和有效推理，并协同组织功能设计过程中的各项活动。现有文献对功能设计过程的研究主要包括以下几个方面，但尚未形成有效、可行的研究成果。
（1）功能分解与功能结构构建过程。采用自顶向下或自底向上的单向方式建立功能结构，在产品尤其是新产品功能分解操作中一次性完成功能结构构建是难以实现的，在功能如何分解及分解到何种程度的问题上也缺乏针对性的流程指导。分解过程主要取决于设计者的经验，故现有方法可操作性差，且难以与实际过程相对应。另外，在现有功能设计过程中很少关注功能类别和功能等级，功能设计的侧重点应随客户需求或设计任务的不同而相应调整，功能结构中各功能的等级或优先级别是不同的。
（2）功能结构形式化表达。现有功能结构表达方式主要有基于系统化设计方法中动名词表示法和基于TRIZ的元件关系表示法两类。动名词表示法主要反映功能实现过程中流的转换，有利于从较抽象的层面进行功能设计，突破固有思维模式束缚，但在新产品开发中功能到结构的映射，以及在已有产品改进中的功能抽取上，因其存在抽象性，往往难以实现。元件关系表示法主要反映系统组成和组成关系，只适合于已有产品功能模型的描述，而不适合新产品开发，原因在于新产品开发过程因系统尚未构建故无法确定其组成和组成关系。另外，该方法无法反映功能实现过程中流的转变和流属性的变化，所以在功能实现原理求解中难以应用已有创新知识。因此，现有功能结构表达方式存在各自的弊端，无法适应各类设计的要求。
（3）功能结构的创新设计。功能创新是在需求拉动和技术推动导向下对产品的功能结构进行优化、更新和重组的过程。功能创新的对象是功能系统，包括渐进型功能创新和激进型功能创新，其目标是达到功能理想化。现有功能研究虽然能在技术方面取得一定成果，但仍属于初步探索阶段。目前尚未有关于系统化功能创新过程模型方面的研究，日后在功能进化趋势预测、功能配置方法、功能失效产生机制和演化规律等方面需要开展深入研究。
（4）功能原理解构建。功能原理解构建即由功能到结构的映射。该类研究可分为直接映射与间接映射两类。直接映射适合于结构良好问题或显式功能，通常采用设计目录驱动方法；间接映射适合于结构不良（非结构化）问题或隐式功能，通常采用功能-行为-结构（function-behaviour-structure，FBS）方法。现有方法仅针对单一功能求解问题，并未与功能结构构建过程建立联系，缺乏系统性考量；虽然给出了功能-结构映射过程，但因在映射过程中缺乏映射内在规律研究，所以未揭示出功能原理解构建中的多层次映射关系；类比源是功能创新设计中的重要组成部分，主要为解决设计问题提供可用的设计知识，现有文献主要侧重于映射关系研究而缺乏对功能原理解构建与类比源关系的研究。因此，应用现有方法会导致无法构建功能原理解或解非最优化。在设计理论与方法领域，上述功能创新设计中存在的问题，致使现有的功能创新设计研究成果不能为企业设计人员提供功能创新设计的理论指导，因此，急需构建一种具有可操作性的系统化功能创新设计理论与方法。
首先，本章将针对产品功能概念与分类、产品功能集构建、产品功能认知与功能结构规范表达、功能结构分析法进行研究。功能结构规范表达主要通过集成并扩展能量-物质-信息模型和物质-场模型构建产品功能建模符号系统来实现，功能结构分析法主要有基于组件的功能分析、基于减件运行法的功能分析、基于功能分析系统技术的功能分析、基于建立功能链的功能分析、基于功能结构模型的功能分析、功能情景与功能-结构映射。其次，基于功能结构层次分解的思路，构建了一个有序的产品功能创新设计过程模型，分层次、详细、清晰地描述了产品不同层次功能创新设计的过程，包括功能设计准备阶段、功能设计创新阶段和功能设计后期阶段，明确各阶段的目标与功能。最后，通过将TRIZ功能创新理论与AD、QFD、TOC、KANO、功能结构分析、功能转用和发明原理使用频次结果集成或融合创新设计的理论和方法相结合，建立产品设计的集成创新模型，探究基于TRIZ集成的产品创新设计理论与方法，促使产品的设计过程规律化、系统化与模型化。