3.2.1 产品功能的定义与基本概念
3.2.1.1 产品功能定义
19世纪40年代，美国学者迈尔斯（Miles）在美国通用电气公司工作时发现，客户对产品的需求并不是产品本身而是产品所具有的功能，产品只是功能的载体，只要满足功能，其他的替代品可以将其取代，功能体现了客户的某种需要。于是他根据工作实践总结了功能、设计、费用、材料等要素之间的关系并撰写了《价值工程》一书，首次明确地提出功能的概念，获得了国内外研究者的广泛关注。帕尔（Pahl）、檀润华、曹国忠等学者对产品功能进行相关研究，认为功能是对产品或技术系统所能完成任务的抽象描述，是从技术实现角度对产品的一种理解，是产品在特定约束条件下输入输出时参数或状态变化的一种抽象描述。功能分析一般应用于产品的概念创新设计阶段。美国的斯卡福斯（Sickafus）提出USIT（unified structured inventive thinking）定义，认为每一个对象都有许多属性，影响属性量值的动作是功能，或者说功能是两个对象属性量值的动作。TRIZ对功能也有着不同的定义，经典TRIZ认为两个物质的相互作用可以实现某个功能，而现代TRIZ认为一个组件改变或保持作用对象的某个参数就是该组件的功能。
功能分类用于建立功能等级并明确功能与设计需求间对应关系，功能集包括操作集、流集和属性集，是功能规范表示的术语集。功能是从技术实现的角度对设计系统的一种理解，是指在某个系统中，具有能源、材料、信息或转化的其他物理特性，是输入量和输出量之间的关系，准确、合理、简洁的功能描述能使设计目的更加清晰。由于功能是一个抽象而又广泛的概念，不同领域的学者对其有不同的认识，至今仍没有一个获得普遍认可的功能定义，在文献中对于功能的定义存在不同甚至矛盾的解释。目前，国内外学者对功能的理解多种多样，综合分析有关功能定义的文献，可将其中的功能定义观点归纳为如图3-2所示的3种类型。总之，功能定义需要考虑的因素太多，给出一个涵盖各方面因素且能够被广泛接受的定义是一项极具挑战性的课题，功能设计研究还有很大的发展空间。
图3-2 基于不同观点的功能定义
功能理解研究的主旨在于揭示功能的本质特征，为其他功能研究提供框架基础。功能是设计需求、设计认识、设计原理、设计活动和设计环境的综合体，它在不同的设计阶段呈现不同的表现形式，功能定义体现了研究者对功能的不同理解。从设计需求的角度出发，功能是产品目的的描述；从设计认识的角度出发，功能是设计的意图；从设计原理的角度出发，功能是物质、能量和信号之间的转换；从设计活动的角度出发，功能是行为的抽象；从系统的角度出发，功能是产品与环境之间的相互关系。
3.2.1.2 产品功能的基本概念
功能的实现建立在与环境发生物质、能量和信号交换关系的基础上。
［定义］流：是指功能中的输入/输出量（或实体）。流是设计过程中的基本对象，反映产品结构中的物理信息。
流可分为物料流、能量流和信号流3类。更具体的信息应该用参数表示。实际上，参数既可以是物料流，也可以是能量流，之所以被归为一个特殊的类，是因为它的功能是携带信息。
流具有属性，可以描述流的状态。输入流与输出流的转换包括属性转换和关系转换两种形式。属性转换是指属性类型或属性值的变化，关系转换是指流之间二元关系、元组关系、继承关系或集成关系的变化。流表示如下：
式中，W为流的名称，流由W唯一标识；type为流的类型；A为流的属性；R为流之间的关系；TA为属性的类型；VA为属性的值；TR为关系的类型；VR为关系的值。
［定义］功能：是指对一定设计环境下用以实现设计意图的输入与输出之间关系的抽象描述。功能表示如下：
式中，Function为功能的名称；WI为输入流（input flow）；WO为输出流（output flow）；IE（F）为功能F的接口描述；SPF为功能F的实现条件描述；DOF为输入流的取值范围；RAF为输出流的取值范围；ICF（WI）为前断言，表示DOF上的关系；OCF（WI，WO）为后断言，表示DOF×RAF上的关系。DOF中凡满足前断言的输入值称为合法输入（legal input）WLI；给定合法输入WLI，凡满足OCF（WI，WO）的输出WO称为关于WLI的合法输出（legal output）WLO。
为了支持产品功能的表达、共享和交流，在功能设计阶段，既需要研究如逻辑、知识表述、知识检索等知识的形式化，又需要研究知识的内容，在形式化前对知识内容进行处理。没有明确的形式化定义的功能本体，功能设计的研究很难深入进行下去。从专利检索、原理解的索引的视角，功能的表示分为3类：①“动词+名词”（verb-noun pair，VNP）；②输入输出流变化（input and output flow transformation，IOFT）；③输入输出状态变化（input and output state transformation，IOST）
功能分类是功能认知实现的基础，科勒（Koller）、帕尔（Pahl）、阿奇舒勒（Altshuller）和斯通（Stone）等学者提出了多种基本功能和通用功能，但这些功能分类存在过于抽象或过于具体的问题，不适于功能结构的建立；IOFT和IOST表达方式比较复杂，不适合作为原理解的索引；VNP表达方式符合设计人员的习惯，但无法准确表达设计者的意图，存在容易丢失信息的问题。