2.2 系统功能分析
系统功能分析的主要目的是：对已有系统进行分解，确定技术系统所提供的主要功能，明确各组件的有用功能及对系统功能的贡献，建立并绘制组件功能模型图。
系统功能分析可以分以下3个步骤：
（1）组件分析，描述组成系统的组件以及超系统组件。
（2）相互作用分析，描述组件之间的相互作用关系。
（3）建立功能模型，用规范化的功能描述，揭示整个技术系统所有组件之间的相互作用关系以及如何实现系统功能。
2.2.1 组件分析
系统功能分析的第一步是组件分析。组件是技术系统的组成部分，组件有两个特征：
（1）组件执行一定的功能；
（2）组件可以等同为系统的子系统。组件可分为系统组件（包括子系统组件）和超系统组件两大类。
组件分析的目的是识别技术系统的组件及其超系统组件，从而得到系统组件和超系统组件列表。组件分析回答了技术系统是由哪些组件组成的，具体包括系统作用对象、系统组件、子系统组件（如有必要），以及和系统组件发生相互作用的超系统组件。图2.2是系统组件分析的层次示意图。
图2.2 系统组件分析的层次
通常情况下功能分析只分析到系统组件这一级，也可根据实际需要进一步将个别系统组件拆分为子系统组件。基于分析需要，组件数量即不能太少也不要太多，根据经验构成功能模型的组件总数（包括超系统组件）在10～15个为宜。
超系统组件指对系统造成影响的外部要素，因此超系统是客观存在的外部环境因素，而不是系统内的组成部分。超系统组件和系统组件的一个显著区别是“超系统不能被删除或重新设计”。在进行系统功能分析的时候，如果不知某组件到底是系统组件还是超系统组件，那么就应考虑该组件能否被删除或重新设计，如不能，则一定为超系统组件。
超系统组件的识别是很重要的，因为超系统组件既可能导致工程系统出现问题，也可以作为工程系统的资源，成为解决问题的工具。在工程活动的各个阶段，典型的超系统组件有：
• 生产阶段：设备、原料、生产场地等。
• 使用阶段：功能对象（产品）、消费者、能量源、与对象相互作用的其他系统等。
• 储存和运输阶段：交通手段、包装、仓库、储存手段等。
• 与技术系统作用的外界环境：空气、水、灰尘、热场、重力场等。
经过以上分析后，可以填写系统组件列表，对系统的全部组件进行梳理。系统组件列表示例如表2.3所示。
表2.3 系统组件列表
在对超系统进行分析时，需要注意以下两点：
（1）超系统必须在对系统或系统组件有影响时才可纳入考虑。
（2）系统作用对象也是超系统组件，因为系统作用对象不能被删除和重新设计。
2.2.2 相互作用分析
系统功能分析的第二步是相互作用分析。相互作用分析的目的主要是：全面识别在某一时刻系统组件及超系统组件之间的相互关系，以及辨别这些关系的性质。需要注意的是，在相互作用分析中，只要组件之间存在相互作用就必须都要纳入考虑。一般运用构建相互作用矩阵的方法进行相互作用分析以避免遗漏。
在进行组件相互作用分析时，需要先将组件依次填入相互作用矩阵表格的列和行中。通常把列里的组件作为作用的载体，把行里的组件作为作用的对象，依次检查两个组件间的相互作用。如果存在作用则填写动词，若该作用是负面作用，还应在动词后面加括号并写上有害、不足或过度等字样。假设组件之间存在“连接”“摩擦”“运输”和“照射”几个作用，以表2.4为例说明这几个组件相互作用分析的过程。
表2.4 组件相互作用的分析
（1）组件1和组件2是装配在一起的，这个作用是正常的，且是相互的，所以第2行第3列，以及第3行第2列都填入了“连接”，表示连接作用。
（2）组件n对组件1有“摩擦”作用，这个作用是有害的，所以第6行第2列填入“摩擦（有害）”。
（3）同时，组件n对组件1还有运输作用（如传送带），如果存在多个作用，那么都应填在同一格中，于是在第6行第2列继续填入“运输”。
（4）组件3对组件2有“照射”作用，因此在第4行第3列填入“照射”。
需要强调的是，组件间的作用分为两种：一种是物质和物质间的作用，这样的作用是双向的，如组件1和组件2、组件1和组件n，这两个作用都要考虑，然后根据需要选择主要的作用来考虑。例如组件n对组件1有运输作用，反过来组件1一定对组件n也有“摩擦”作用，不然不会被“运输”，但这个“摩擦”作用相较于“运输”作用明显可以忽略。另一种作用是物质与场之间的作用，这样的作用是单向的，一定要注意方向，千万不能搞错。如本例中组件3“照射”组件2，如果填写在第3行第4列就错了，那就变成组件2“照射”组件3了，方向反了。
2.2.3 建立功能模型
功能模型基于关系矩阵采用规范化的功能描述方式来表述组件之间的相互关系，能够形象地将各组件间的所有功能关系及功能性质全部展示出来，有助于对系统进行深入分析。
1. 作图规范
功能模型要素（代号）及绘制功能模型图例需要遵循一定的作图规范，本书采用统一的作图规范如图2.3所示。
图2.3 功能模型图绘制图例
功能模型图的绘制有助于人们加深对系统本身的理解，也有助于后续解题，因此要充分重视建立功能模型图的重要性。在建立组件功能模型图过程中，主要有以下经验可供参考：
（1）功能模型图只针对特定条件下的具体技术系统进行功能陈述，即强调“此时此景”，不要考虑系统随时间的变化情况。
（2）只有在作用中才能体现功能，所以在功能描述中必须有动词反映该功能。不能采用不体现作用的动词，也不能采用否定动词。
（3）功能存在的条件是作用改变了功能受体（对象）的参数。
（4）功能陈述包括作用与功能受体（对象），体现作用的动词能表明功能载体要做什么。功能受体是物质，不能是参数。
（5）在陈述功能时可以增添补充部分，指明功能的作用区域、作用时间和作用方向等。
2. 近视眼镜的功能分析实例
下面通过近视眼镜的例子来具体解释功能分析的步骤，如图2.4所示。
首先进行组件分析，绘制系统组件列表。为简化分析，只将眼镜分成三个组件，镜片、镜框和镜腿。其实如果继续分下去还可以有更多组件，例如镜腿还可以分为金属杆、塑料套等，但不一定有必要。
超系统组件选择了鼻子、耳朵和光线。
图2.4 眼镜的系统组件分析层次图
再根据上述分析，填写组件列表，如表2.5所示。
表2.5 眼镜系统的组件列表
根据组件间的相互作用绘制相互作用矩阵。在分析相互作用的时候尽量考虑全面，但在绘制功能模型的时候，可以忽视一些不关键的作用，例如镜框和镜腿以及镜框和镜片间的相互装配作用。完整的系统组件相互作用表如表2.6所示。
表2.6 眼镜系统组件相互作用表
随后绘制功能模型图，眼镜系统的系统功能模型如图2.5所示。绘制功能模型图的时候要对照相互作用矩阵。去掉忽略的两个“连接”装配作用之后，矩阵中还剩下7个作用，这样功能模型图中应该有7条线。如果数量不一致，就要看一下是否有遗漏。
图2.5 眼镜系统的系统功能模型图
对于这个功能模型图，有学员会提出疑问，戴眼镜是为了改善视力，超系统中应该要考虑眼睛啊，怎么模型中居然没有“眼睛”呢？其实这个很好理解，因为绘制的是“眼镜”的功能模型，“眼镜”的功能就只是“改变光线方向”，戴在人眼睛上是这样，放在地上也是这样，所以眼镜的功能与眼睛没有关系，因此在“眼镜”的功能模型图中没有眼睛。
事实上从另一个角度考虑，如果加入“眼睛”，会发现它与组件（镜腿、镜框和镜片）都没有直接发生作用，所以不符合超系统的定义，因此眼睛在这里不能或者不需要纳入超系统组件来考虑。