3.3.2 功能结构表达符号系统
产品功能表达是表达产品的重要方法，也是产品设计理论和方法的一项重要研究内容。功能表达最关心的是如何表示关于功能的知识。功能表达中的“表达”有两方面的含义：一是语义表达，指对被表达对象的特征、属性及其相互关系等的描述；二是句法表达，指这些描述所采取的某种具体表现形式，从而使被表达对象被方便地定义、处理和操作，如图表、数学表达式和计算机程序等。下文从语义表达和句法表达两个角度来讨论现有功能的表达方法。功能表示的目的在于为功能的描述和处理提供语义和语法支持，语义用于说明符号的含义及符号之间的关系，语法用于说明符号的结合方式以表达信息。功能的表示主要有自然语言方法和输入-输出转换方法两种。
3.3.2.1 功能结构的语义表达
3.3.2.1.1 “输入-输出转换”表达法
输入-输出转换方法使用严格的数学描述而非自然语言语句来描述输入如何转换为输出。施梅克尔（Schmekel）用描述输入量、输出量特征的功能对象与功能模型来表示功能。韦尔奇（Welch）等将功能用七元组表示，即类型、时间操作、类、数量、方向和位置。克拉巴尔蒂（Chakrabarti）等开发出功能原语集合作为结构单元，结构单元用矢量表示，包含类、方向、方向的检测、数量和位置，并且给出了约束矢量联结的规则。
基于输入-输出模型的功能表示方法还包括矩阵和图论。输入-输出功能表示方法在构成上要比自然语句功能表示方法完善，并提供了严格的数学描述以便于功能推理。“输入-输出转换”表达法源于19世纪的工程设计研究和20世纪的系统论，与系统设计理论的研究有密切的关联。这种方法被设计人员广泛应用，其中“转换”的思想符合系统论中的“黑箱”特征，认为功能是物质、能量和信息等物理量的输入-输出转换，如图3-4所示。因为“输入-输出转换”表达法反映了产品在实现功能时所需的行为或操作，所以它更适用于操作功能的表达。
3.3.2.1.2 “功能-行为-结构”表达法
“功能-行为-结构”表达法认为，功能与结构之间的联系必须通过行为才能建立，将概念设计看作“功能→行为→结构”的映射过程，功能和行为之间是一对多的联系，行为和结构之间也是一对多的联系。“功能-行为-结构”表达法的描述对象是设计实例，突出了设计实例中结构的存在，其最大贡献就是将行为作为联系结构和功能之间的桥梁引入二者之间，体现了“结构如何实现功能”这一关系。这种方法较适用于描述操作功能，在描述目的功能时略显不足，如图3-7所示。
图3-7 “功能-行为-结构”表达法
3.3.2.1.3 “功能-行为-状态”表达法
“功能-行为-状态”表达法在表达设计问题时，采用抽象的方法将设计问题表示为物理模型，如图3-8所示。这种方法的特点是首先将功能分解转换为行为分解，其次将行为分解成一个状态集合，任意一个子行为作用的结果采用两个状态间的变化来表示，并能与某一基本的物理规则相对应。
图3-8 “功能-行为-状态”表达法
与“功能-行为-结构”表达法相比，“功能-行为-状态”表达法的描述对象是抽象的物理模型，对于具体的实现结构则不涉及。与“功能-行为-结构”表达法一样，这种方法在描述目的功能时略显不足，更适用于描述操作功能。
另外，还有许多研究者在功能的语义表达方面做出了很多有益的工作，如钱德拉塞克兰（Chandrasekara）等认为功能是功能主体为完成或避免某些任务而导致的状态或状态序列，并采用自顶向下的方法来表达功能。喜田村（Kitamura）等基于功能和行为的观点提出部件表达的方法和本体论，他们给出的功能和行为建模语言并不依赖于特殊领域的专业词汇，使建模者可在不同抽象层次上描述每个部件。TRIZ理论提出的“物质-场分析”表示法，认为所有功能都可分解为三个基本元件，将组成功能的三个基本元件表示为两种物质和一种场，采用图形表示待设计系统的功能，并可以表示设计过程中的各种冲突。
综合分析以上功能语义的表达方法，可见这些方法注重对被表达对象的特征、属性及其相互关系等的描述，其重点是确定功能的表达对象及其内容。研究者对产品功能的理解不同，所选定的表达对象就不同。例如，“输入-输出转换”表达法的表达对象是能量、材料和信息等物理量的输入输出转换，“功能-行为-结构”表达法的描述对象是设计实例，“功能-行为-状态”表达法的描述对象是抽象的物理模型等。这一方面是由于研究者对产品构成本质的认知不同而产生的，不同的认知方式必然导致选择不同的被表达对象；另一方面即使研究者的认知相似，但由于功能表达的侧重点不同，也会导致所选择的表达对象有差异。
（1）结构表达。结构是产品实现功能的物理载体。结构既是产品的基本属性，又是产品的存在方式，也是产品保持功能性、整体性及层次性的前提和基础。不同于详细设计中的结构设计，概念设计中的结构设计仅涉及结构的初始形态。
（2）行为表达。从功能角度来看，产品设计者所构思的实现功能的方法和过程就是行为。从结构角度而言，行为是结构为达到完成功能的目的所表现出来的一系列动作、运动和反应。
（3）约束表达。对于产品开发的设计要求，在初始方案的提出到具体实现的过程中，这些设计要求作为约束，必须始终得到满足。在设计过程中，约束随着方案的不断完善也在不断变化。因此，在功能表达时必须要求对约束进行充分表达，并通过约束起到限定行为和结构的作用。
3.3.2.2 功能的句法表达
自然语言语句表达法是一种典型的功能句法表达方法，其实质是通过语句形式对上述各类方法的一个具体实现。自然语言语句表达方法使用简单的自然语言语法表示功能，对功能的表达采用动词+名词的方法，而功能产生的条件或特定时机采用一个附加句子来描述，同时将功能的提供者也包括在功能表达之中，其中有代表性的具体方法如下。
（1）迈尔斯（Miles）在价值工程功能表达中提出的“做什么”（to do something）表示法。
（2）布雷（Buur）提出“动词+名词”表示法。
（3）汉森（Hansen）提出“动词+名词+形容词环境的短语”表示法。
（4）基施曼（Kirschman）用完整的句子表示功能。
（5）施梅克尔（Schmekel）提出了一种由符号功能模型组成的形式语言，产品的功能被分解为关联关系，可与标准零部件的功能形成映射。
（6）拉伊（Lai）和威尔逊（Wilson）使用动名词短语和限定词表示功能，包含模块、元素、成分和功能描述语句。
（7）埃默尔（Ermer）提出由假设子句、结果子句和方式子句组合的功能表达方式。
（8）富山（Tomiyama）开发了将功能与子功能（功能网）、功能与相关的物理行为（物理状态网）紧密地集成起来的功能原型模型，用“动词+目标”的形式描述功能。
从以上功能的句法表达方法可以看出，自然语句模式表示功能的共同点在于能涵盖功能的绝大多数方面，在表达方式上符合人们的思维习惯，表达内容的内涵也比较丰富，这一方法既可用于目的功能的表达，也可用于操作功能的表达，是一种较为通用的表达方法。但因无法区分因果关系且在语句构成上不完善，自然语句模式还存在一定的局限性，如表达的严谨性不足，难以描述出作用过程和作用对象的本质，难以在计算机内进行表达和推理，语义中容易存在不确定性，表达的内容不唯一，如可以采用表达式、矩阵、图、表和面向对象方法等。
3.3.2.3 功能表达中存在的问题
通过以上对功能表达研究的分析可以看出，虽然国内外研究者已取得了不少研究成果，但仍有许多关键的功能表达问题有待进一步深入，具体表现如下：①产品的结构和行为是相互依存的，若人为地从结构和行为两个层次研究功能表达，容易割裂结构和行为之间的紧密联系，会导致某些关键功能信息丢失，造成功能信息表达不全面，从而不利于后续设计工作的开展。②较少从功能内涵和外延的辩证关系考虑，不便于拓展设计空间和反映功能的变化过程，功能的内涵和外延及其相互关系有待深入研究。③语义表达和句法表达没有很好地结合，应兼顾语义和句法表达的需求，研究能够全面表示产品功能信息并且具有统一描述形式的功能表达方法。现有功能表达方法或侧重于语义表达，或侧重于句法表达，功能的语义表达和句法表达没有很好地结合，最好的解决途径是探寻一种既是功能语义表达对象又是功能句法表达单元的结合体。