《Design Science》：A framework for evaluating function modelling in industry practice
编辑推荐：
本期推荐聚焦工业设计方法落地难题，针对功能建模在工业界推广受限的痛点，研究人员基于汽车OEM的41份技术报告，结合学术与产业专家联合评审，提出了包含技术特征、应用场景与商业影响的三维评估框架。该研究不仅明确了SSFD（系统状态流图）方法的6项关键技术特性，更打通了从理论方法到商业价值的转化路径，为设计方法的工业化部署提供了实证支撑。
在汽车、航空航天等复杂产品领域，工程师们常面临这样的困境：明明有成熟的功能建模理论，却总在落地时碰壁。就像拿着精密的地图却在迷宫里打转——抽象的设计方法难以匹配具体的工程场景，投入大量时间学习后却看不到立竿见影的商业回报。这种理论与实践的断层，让许多企业宁愿沿用老办法，也不愿冒险尝试新方法。更棘手的是，现有评估体系多停留在学术层面的技术指标，缺乏能说服企业决策者的商业价值证明框架。
正是瞄准这个行业痛点，来自学术界与汽车产业的联合团队展开了一项实证研究。他们深入一家全球知名汽车OEM的“技术认证计划(TAS)”项目，对300多名工程师提交的100份技术报告进行筛选，最终选取41份详细应用系统状态流图(SSFD)方法的案例进行深度剖析。通过三阶段分析法，研究团队不仅梳理出功能建模在真实工业场景中的应用规律，更构建了一个连接技术特性与商业价值的评估框架，相关成果发表在《Design Science》期刊。
为开展这项研究，团队采用了多阶段混合研究方法。首先基于汽车OEM的“技术认证计划(TAS)”积累的技术报告资源，筛选出41份充分应用SSFD方法的工程案例。随后组建由2名学术研究员和1名产业技术专家构成的核心评审团队，采用三阶段分析流程：第一阶段进行项目背景分析，从工程能力领域、产品开发阶段、应用目的及方法集成度四个维度梳理应用场景；第二阶段开展技术特征分析，识别功能建模面临的实际挑战与方法需求；第三阶段实施影响评估，结合Campean等人提出的商业影响框架，从业务结果、流程改进、团队能力提升三个维度量化方法价值。整个过程还引入特定领域专家进行交叉验证，确保评估的客观性。
4.1. 功能建模的应用背景分析
通过对41个项目报告的背景梳理，研究团队发现功能建模的应用呈现出明显的场景分化特征。在应用类型上，66%的项目集中在“遗留系统/流程/功能开发分析(LSA/LPA/LFA)”，即对已有系统进行逆向工程式的功能梳理；29%属于“新系统/流程/功能开发(NSD/NPD/NFD)”，用于全新设计的早期定义；仅5%涉及“功能集成(FI)”。从产品开发阶段分布看，83%的应用集中在概念、产品创造和系统整合阶段，显示出功能建模在前端设计中的核心价值。值得注意的是，超过80%的项目将SSFD与其他方法（如边界图(BD)、接口矩阵(IM)、FMEA）进行了集成应用，证明了其在系统工程方法论中的枢纽作用。
4.2. 功能建模方法的技术特征
基于实际工程挑战，研究团队提炼出功能建模方法必须具备的六项核心技术特征：
4.2.1. 输入-输出可测量属性
研究发现，将材料、能量、信息流描述为可测量属性（如“项目得分”“几何公差”）是功能建模落地的关键。16位从业者明确指出，基于可测量属性的状态驱动思维能有效支持需求捕获与FMEA关联。例如在项目39中，通过将流程步骤定义为“项目状态”等可测量属性，成功实现了与FMEA的无缝衔接，如图4所示，“错误决策”失效模式直接与“项目进度”状态和“项目评分”属性关联。
4.2.2. 功能模型作为流的操作（主流、连接流与分支流）
传统线性功能链在复杂系统中存在明显局限。研究指出，完整的模型必须包含主流、连接流和分支流，以确保“数学正确性”。如图5所示，项目29的软件功能模型中，除了主状态流外，还需定义支持性的连接流和分支流，才能完整反映系统逻辑。当前SSFD在这方面缺乏系统化的定义方法，导致部分模型存在逻辑缺口。
4.2.3. 处理多种流类型和操作模式
复杂多学科系统通常具有多种操作模式（如“存放物体”与“取出物体”），每种模式对应不同的功能链。19位从业者提到，同步管理同一模型中不同类型、不同模式的流是重大挑战。如图6所示，项目12的“存放物体”用例需要协调多种能量与信息流，而将这些并行功能链聚合为单一全局模型时，缺乏有效的逻辑条件定义机制。
4.2.4. 闭环系统建模
9位从业者反馈，在涉及传感器反馈的闭环控制系统中，SSFD的线性建模逻辑难以捕捉反馈回路。项目32在开发电子控制单元功能模型时，就遇到了无法准确表达“传感器反馈-控制模块调整”动态关系的困境。目前从业者通常采用简化策略，忽略控制反馈部分，但这会损失系统的完整性。
4.2.5. 递归可分解性
分布式产品开发要求功能建模能跨层级、跨团队应用。如图7所示，32个工程系统项目中，10个实现了多层级分析，其中2个甚至覆盖三个分解层级。项目8采用的嵌套分解方法，将顶层用例分解为功能组再细化到具体功能，虽然实现了需求追溯，但在处理互联模式显示功能时仍遇到分解一致性挑战。
4.2.6. 软件工具支持
当前从业者主要依赖PowerPoint和Visio手动绘制模型，导致表示标准不统一且难以应对大规模系统。项目19明确指出，缺乏专用软件工具限制了SSFD的推广，建议开发支持函数库复用的建模环境。研究认为，将功能建模集成到MBSE（基于模型的系统工程）工具链中，是实现自动化分析与组织级共享的关键路径。
4.3. 对组织的效益评估
通过对41个项目的影响分析，共识别出95个可验证的效益实例，平均每个项目产生2.3项收益。这些效益分布在三个维度：业务流程改进（如项目23通过功能建模识别出15种失效机理）、工具集成增强（如项目37基于功能模型特性开发了PFMEA）、团队协作优化（如项目15通过功能分解优化了接口管理）。特别值得注意的是，功能建模对FMEA的支撑作用最为显著，成为连接前端设计与后端验证的关键纽带。
研究最终构建了一个三维评估框架（图9），将技术特征（C1-C6）、应用场景（工程领域、开发阶段、应用目的、方法集成）与商业影响（业务结果、流程改进、团队能力提升）有机整合。这个框架既帮助研究人员明确方法适用范围，也指导企业从投资回报角度评估方法部署价值。通过对SSFD的具体评估发现，该方法在可测量属性定义和FMEA集成方面表现优异，但在多模式建模、闭环系统支持和软件工具方面存在明显短板，这为后续方法改进指明了方向。
与现有理论框架相比，本研究的最大突破在于引入了工业实践视角。以往Summers等人的框架主要关注表示方法、建模能力等学术指标，而本研究补充了组织落地条件和商业价值验证维度。例如，研究发现“可测量属性”和“递归可分解性”是产业界最关注的特性，这在传统学术评估中常被忽视。同时，通过分析真实项目报告而非访谈数据，研究获得了更具客观性的证据，证实了功能建模必须与FMEA等现有流程集成才能体现价值。
这项研究的意义不仅在于提出了一个评估框架，更重要的是打通了设计方法从学术研究到工业应用的转化路径。它告诉研究者：优秀的设计方法不仅要理论完备，更要能解决工程师的实际痛点，并能证明其商业价值。对于企业而言，该框架提供了系统性的方法选型指南，避免了盲目投资。随着MBSE技术的发展，未来功能建模有望从辅助工具升级为产品全生命周期管理的核心驱动力，而这正是本研究埋下的伏笔。
