5.2.2 新产品功能创新设计过程及关键支撑技术
5.2.2.1 新产品功能创新设计过程
在关键技术的支撑下，面向新产品开发的功能创新设计过程模型为设计者快速、规范地完成功能设计并形成可行的创新原理解提供了方法和技术支持，也是对功能设计理论研究的一种有益探索。在借鉴传统概念设计理念的基础上，根据上文所提出的改进措施，将功能创新关键支撑技术融入功能设计过程，提出了面向新产品开发的功能创新设计流程。
在功能创新方面，曹国忠提出了功能创新关键使能技术，包括功能进化与预测技术、功能组合与配置技术、功能失效判定与消除技术，与功能设计过程融合建立功能创新过程模型，基于功能进化定律进行产品功能进化预测，以保证功能结构的可靠性。图5-2显示了新产品功能创新设计过程模型。新模型（图5-2）相对于现有模型（图5-1）而言，在功能设计过程中有根本性改进，主要体现在流程的多层次迭代设计、操作步骤的细化、功能类别与等级界定、表达方式的形式化与规范化、实现过程的方法支撑、功能结构的优化与重组等方面（见图5-2）。
图5-2 新产品功能创新设计过程模型
注：模型中
表示需要多次重复使用。
5.2.2.2 新产品功能创新关键支撑技术
上文所述的新产品功能创新设计过程模型中的功能创新及各操作步骤与以下4个模块关键支撑技术有对应关系（见图5-3）。
图5-3 新产品功能创新关键支撑技术模型
（1）进一步挖掘和扩展有效的客户需求。由图5-3（a）可知，从传统的需求获取方法（政治、环境、科技、政策、法规、企业和发展战略等）获取客户信息的基础上，首先利用聚类分析方法，严格筛选有效原始数据及清洗原始数据，防止遗漏、丢失；其次基于需求进化定律、产品生命周期的需求预测模型，进一步挖掘和扩展有效的客户需求，确定产品的总功能。
（2）如图5-3（b）所示，为功能结构优化提供支持。界定主要功能、辅助功能等功能等级，明确各功能的设计顺序，改进功能结构建立过程中先构建功能树后设计功能链的设计思路，基于扩展效应、系统可用资源分析和客户需求进行功能链设计；基于专利知识挖掘抽取功能进化定律及理想化的功能进化定律预测方法，为优化、更新和重组产品功能结构提供方法支持。
（3）如图5-3（c）所示，根据设计目标规划，利用法规进化、需求进化、技术进化等功能进化模型和功能组织定律、功能改进定律等可持续的功能进化定律，进一步优化新产品功能结构。
（4）根据功能设计中信息表达的需要，扩展功能表达方法，将单一的“动名词”功能表达扩展为三类表达，可更全面地描述功能信息且符合设计实际。在功能设计过程中采用总功能、主功能、功能链、功能树、功能结构优化和功能原理解构建等多因素迭代设计，更好地适应设计规律，且易于设计者操作［见图5-3（d）］。
图5-2和图5-3中模型所对应的设计流程如下：
［流程1］客户需求分析：主要包括需求获取、需求聚类和需求预测步骤。
（1）需求获取。通过访谈法、问卷法、观察法和客户资料研究法等常规方法获取原始客户需求信息。
（2）需求聚类。通过需求聚类方法对原始客户需求进行清洗和分类，确定客户需求类别，如基本需求、期望需求和兴奋需求。
（3）需求预测。根据客户需求类别和产品生命周期各阶段需求特点确定其所处阶段，再选取需求进化定律推演客户新需求，建立扩展客户需求集，并确定后续创新策略，为功能设计做好事前准备。
［流程2］明确设计任务，确定产品总功能：根据扩展客户需求来确定设计任务，主要是对设计目标、设计约束、可用资源等进行描述，在此基础上抽取产品总功能。抽取总功能的主要目的是确定待设计系统的预期输出，为后续功能建模做好准备。总功能以黑箱形式表达，但是待设计系统的输入流和输出流尚不能全部确定，还需要后续建立功能结构后再进行补充和完善。
［流程3］确定产品主功能：产品主功能是指产品系统与作用对象间的作用关系。确定产品主功能是指通过客户需求分析、扩展效应选取并确定主功能的实现原理及其输入流和输出流。
说明1：按照功能原理解的获取难易程度，功能可分为常规功能和困难功能。常规功能是通过设计者自身经验或能力即可确定的功能原理解，困难功能则需要应用扩展效应来确定功能实现原理解。因此，在功能设计的过程中，并非所有功能均需利用扩展效应求解。在后续设计中，如设计者可确定所需信息，则相应扩展效应的应用步骤可直接跳至下一操作。
（1）根据客户需求和预期输出定义产品主功能，然后应用扩展效应确定其输入流和输出流。
（2）产品与作用对象间可能存在多种作用关系，因此产品主功能可以有多个。根据客户需求重要程度的不同，这些主功能可划分为主要功能和附加功能。设计过程中先进行主要功能设计，然后进行附加功能设计。重复本流程的第一步，为每一产品主功能确定其相应的实现原理并确定其输入流和输出流。
［流程4］建立主功能对应的功能链：该过程是从系统输入到系统输出的角度来确定各主功能的完整转换路径。
（1）按照流程3中确定的主功能的输入流和输出流进行系统可用资源分析，并确定预构建功能链的系统输入流和输出流，然后根据扩展效应构建效应链，对效应链进行分析和评价，选定实现主功能的系统效应链，进而按照功能-效应映射关系转化为功能链。
说明2：在功能原理解确定前，功能单元模型表达中对象信息会缺失，如说明1所述，设计者可确定对象信息并填充到相应位置；若无法确定，则暂时空缺，待流程8完成后再完善功能单元模型信息。
（2）流程1中确定的是主功能实现所必需的功能，即基本功能；为更好地提升待设计系统性能以满足客户需求，还需要依据系统完整性对功能链进行完善，即添加辅助功能。
（3）重复流程1和流程2，每一产品主功能均需要建立相应的系统效应链和功能链。
（4）将所建立的主功能功能链组合形成待设计系统功能链。组合过程中涉及流的整合与合并，为保证流的相容性，需要进行功能的增加、调整或替代。功能链描述的是系统输入流与输出流之间的转换关系，系统可能存在不同工作状态或操作模式，因此其转换关系也需要相应地进行改变。也就是说，系统功能链与系统状态相对应，不同状态的系统功能链不同。
［流程5］建立功能树：功能树构建是面向关系的设计，反映的是系统各工作状态下各功能之间的组合关系，是实现客户需求的各功能链中功能层次化组合关系的描述。功能树中某一组合方式体现为系统某一工作状态，对应一个功能链。
（1）从流程4所建立的功能链中提取功能，按照系统完整性定律和客户需求对功能链中的功能进行模块划分，确定各功能模块之间的连接关系。
（2）功能模块对应于系统分功能，功能模块之间的连接关系对应于分功能之间的组合关系。对功能进行组合与调整，通过自底向上的方法实现功能链中的功能到分功能，以及分功能之间组合关系的抽取，完成系统产品功能树的构建。
［流程6］建立功能结构：主要对功能链和功能树中的功能关系进行检验，判定是否存在冲突或流匹配问题。如存在，则通过功能调整或冲突消除方法对功能结构进行改进与完善。
［流程7］功能创新：依据基于理想化的功能进化定律选择矩阵，选取功能进化定律对流程6中所建立的功能结构进行创新，通过功能的增加、消除、加强、削弱、调整及替代来获得更好的满足客户需求的创新功能结构。
［流程8］确定各功能原理解：该步骤主要是实现功能的定性物理结构的过程，即实现功能到结构的映射。这一过程主要通过功能、扩展效应、结构间映射关系来实现。功能和效应与原理结构之间并不是一一对应的，而是一对多或多对一的关系，需要对功能实现结构进行选择与评定。
［流程9］构建产品原理解：将流程8中确定的各功能原理解，按照功能结构中功能关系组合形成产品原理解。
（1）对各原理结构进行精简与合并，以简化系统结构。
（2）在功能结构中，功能组合方式和效应链中效应连接方式与结构组成方式并不一致，功能和效应主要关注流的兼容性，而结构除了考虑流之外，还要考虑结构连接方式，如连接结构和连接面等，所以进行产品原理解构建时要对各原理结构间连接方式进行分析，通过结构调整完成原理解组合。
［流程10］方案评价：根据最初拟定的设计目标，分别对功能结构，以及原理结构的可靠性和冗余进行检验和修正，验证原理结构是否满足产品总功能并进行等级评定。如不满足需求，则回退到功能设计过程中某一阶段，重新进行推理和求解；如满足需求，则从中选取最优解。
［流程11］选定设计方案，准备后续开发：根据选定的原理解进行后续技术设计和详细设计。