产品进化过程及进化定律.docx

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1、产品进化过程及进化定律S11021043 林禄生1 概述 从历史观点研究一类产品，如汽车、计算机、自行车、机床等，会发现这些产品今天实现形式及其刚诞生时相比已有很大或根本性变化。但这些产品主要功能并没有变化，如汽车及自行车主要功能是“运送货物及人”，计算机主要功能是“代替人进行计算”，机床主要功能是“加工零件”。人类需求质量、数量及对产品实现形式不断变化，迫使企业不得不根据需求变化及实现可能，增加产品辅助功能、改变其实现形式。即从历史观点看，产品处于进化之中。 为了生存及发展，快速、有效地开发新产品是企业在竞争中取胜重要武器。世界上大多数新产品是在老产品或当前产品基础上开发出来。企业在新产品研

2、发决策过程中，要预测当前产品技术水平及新一代产品可能进化方向，这种预测过程称为技术预测(Technology Forecasting)。技术预测研究起始于半个世纪以前。最初应用于军工产品，即对武器及部件性能进行技术预测，后来也用于民用产品。在长期研究过程中，理论界提出了技术预测多种方法，图1.1被祢为Worlton逻辑树，其内涵为不同预测方法抽象描述。图1.1 Worlton逻辑树 树最高层为预测方法，该方法被分为两大类：规范化方法(Normative)及探索性方法(Exploratory)。规范化方法核心是“发现某个特征，确认使该特征能够实现活动”，即该方法倾向于堤出促使理想特征实现策略及过

3、程，该类方法中核心方法是形态分析法(Morphologic Analysis)。探索性方法通过对过去及将来从低级到高级进化过程预测未来，该类方法中核心方法为S曲线及Delphi法，前者为客观、定量法，后者为主观、小组法。 上述各种方法是西方世界提出方法。MITFrauens 2000年指出西方传统技术预测存在如下3条缺点： 1)预测所需要准则太弱。 2)支持提出及实现可能特征工具集是有限。 3)确定目前产品功能潜力主要取决于专家。 Frauens还指出：前苏联TRIZ中技术系统进化(Technology System Evolution)理论已提供了强有力技术预测工具，这些工具包括产品进化定律

4、及进化路线等。 本文系统地介绍TRIZ中产品进化理论成果及应用实例。2 产品进化过程实例21 潜艇 公元前332年，亚历山大大帝命令其部下建造一只防水玻璃桶，自己进入桶里，让部下们把桶放到海水下面，他记录了所见到各种动物。亚力山大是早期进行水下探索人之一。 1624年，德雷贝尔建造了一个能在水中被驱动防水舱，他让12人进入船体，并划六支桨推动这个装置。 1776年，布什内尔建造了一潜水器，用来攻击停在美国纽约港英国军舰。这是第一艘参加战斗潜水器。该潜水器像一只大木筒，里面有一张条凳，像自行车脚蹬似东西驱动船体。该潜水器还配有罗盘、深度尺、驾驶装置、可变压舱、防水船体配件和一只锚。 19世纪末，

5、现代潜艇之父霍兰主持建造了“霍兰”号潜艇。该潜艇在水下使用电动机，在水面巡航时使用蒸汽机，是第一艘能够下沉、潜行、上浮并发射鱼雷潜艇。该潜艇没有潜望镜，艇员们要从平板玻璃向外观察。为了监测氧气含量，艇员们常把老鼠装在笼子里带上潜艇，如果老鼠死亡或接近死亡，说明氧气不足了，应赶快返航。1900年，美国海军购买了“霍兰”号潜艇，并且又订购了几艘同样潜艇。 又经过了半个世纪，全世界第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号诞生了，及柴油机驱动潜艇不同，该潜艇可在水下连续呆几个星期。1954年，该潜艇在水下穿越了北极。 从产品观点看，亚历山大大帝玻璃桶只是对海洋水下初步探索，其核心技术是构造一个不漏水水下空间；16

6、24年防水舱及1776年潜水器其核心技术都是采用人工产生动力驱动，潜水器中罗盘等是对防水舱不断改进；“霍兰”号潜艇核心技术是采用机械驱动电动机或蒸汽机驱动，能真正装备海军，因此是现代潜艇；“鹦鹉螺”号潜艇核心技术是采用了核动力驱动，可在水下呆更长时间。22 自行车 自行车是1817年发明。称为“木房子”第一辆自行车由机架及木制轮子组成，没有手把，骑车人脚是驱动动力。从工程观点看，该车不舒适、不能转向等。 1861年，基于“木房子”新一代自行车设计成功，该车是现在所说“早期脚踏车”，“木房子”缺点依然存在。 1870年，被称为“Ariel自行车设计成功；该车前轮安装在 一个垂直轴上，使转向成为可

7、能，但依然不安全、不舒适、驱动困难。 1879年，脚蹬驱动、链轮及链条传动自行车设计成功，该类车速度可以达到很高，但该类自行车没有车闸，因此高速骑车时很危险。 1888年，车闸设计成功，前轮直径已变大，但零部件材料不过关，影响了自行车速度。 20世纪，各种新材料用于自行车零件。 在自行车进化过程中，全世界申请了相关专利1万件。产品进化实际上是产品核心技术从低级向高级变化过程。对于一种核心技术，产品应不断地对其子系统或部件进行改进，以提高其性能。设计人员不断努力，是推动产品进化根本动力。图2.2 S-曲线23 产品进化过程曲线 231 通常S-曲线S一曲线通常如图2.2所示。图中横坐标为时间，即

8、依据一项核心技术所推出一系列产品时间；纵坐标为产品性能参数值，该参数值不能超过自然限制。从横坐标上将产品分为三个阶段：新发明、技术改进及技术成熟。在新发明阶段，一项新物理、化学、生物发现，被设计人员转变成产品。不同设计人员对同一原理实现是不同，已设计出产品还要不断改善。因此，随时间推移，产品性能指标不断提高。 在上一阶段结束时，很多企业已认识到，基于该发现产品有很好市场潜力，应大力开发。因此，将投入很多人力、物力及财力用于新产品开发，新产品性能参数快速增长。这就是技术改进阶段。随产品进入技术成熟阶段，所推出新产品性能参数只有少量增长。继续投入进一步完善已有技术效益减少，企业应研究新核心技术以在

9、适当时间替代已有产品核心技术。 对于企业决策，具有指导意义是能够确定曲线拐点。第一个拐点之后，企业应从原理实现研究转入商品化开发，否则，该公司将被恰当转入商品化开发公司甩在后面。当出现第二个拐点后，产品技术已进入成熟期，企业因生产该类产品获取利润，同时要研究优于该产品工作原理更高一级核心技术，以便将来在适当机会转入下一轮产品竞争。一代产品发明要依据某一项核心技术，之后经过完善使该技术逐渐成熟。在这期间，企业要有大量投入，但如果技术已成熟，推动技术更加成熟投入不会取得明显收益。此时，企业应转入研究、选择替代技术或新核心技术。该过程可用S-曲线族表示，如图2.3所示。图2.3 S曲线族232 TR

10、IZ中S曲线 通过对大量专利分析，Almhuller发现产品进化规律满足S-曲线。但进化过程是靠设计者推动，当前产品如没有设计者引入新技术，它将停留在当前水平上，新技术引入使其不断沿某些方向进化。TRIZ中S-曲线如图2.4所示。图2.4是分段线性SI曲线。其优越性是曲线中拐点容易确定。图中将一代产品分为婴儿期、成长期、成熟期、退出期。确定产品在S-曲线上位置是产品进化理论研究重要内容，并称为产品技术成熟度预测。处于婴儿期及成长期产品应对其结构、参数等进行优化，使其尽快成熟，以为企业带来利润。处于成熟期及退出期产品，企业在赚取利润同时，应开发新替代技术，以便推出新一代产品，使企业在未来市场竞争

11、中取胜。233 产品技术成熟度预测曲线 企业在制定R&D计划时，知道自己产品技术成熟度是正确决策关键。但事实上，很多企业决策并不科学。Ellen Domb认为：“人们往往基于他们情绪及状态来对其产品技术成熟程度做出预测，假如人们处于兴奋状态，则常把他们产品置于成长期，如果他们受了挫折，则可能认为其产品已处于退出期”。因此，需要一种系统化产品技术成熟度预测方法。Altschuller通过研究发现：任何系统或产品都按生物进化模式进化，同一代产品进化分为婴儿期、成长期、成熟期和退出期四个阶段，这四个阶段可用生物进化中“S-曲线”表示，如图2.4所示。图2.4 分段线性S-曲线 四种曲线用于技术系统在

12、“S曲线”上所处位置预测。这四种曲线分别是：单位时间内专利数、单位时间内专利或发明级别、单位时间内技术性能和单位时间内利润。各曲线形状如图45所示。收集当前产品有关数据建立这四条曲线，所建立曲线形状及这四条曲线形状比较，就可确定产品技术成熟度。 当一条新自然规律被科学家揭示后，设计人员依据该规律提出产品实现工作原理，并使之实现。这种实现是一项级别较高发明，该发明所依据工作原理是这一代产品核心技术。一代产品可由多种系列产品构成，虽然产品要不断完善，不断推陈出新，但作为同一代产品核心技术是不变。图2.5 技术成熟度预测曲线 一代产品第一个专利是一高级别专利，如图2.5“时间一专利级别曲线”所示。后

13、续专利级别逐步降低。但当产品由婴儿期向成熟期过渡时，有一些高级别专利出现，正是这些专利出现，推动产品从婴儿期过渡到成长期。 图2.5“时间一专利数”曲线表示专利数随时间变化。开始时，专利数较少，在性能曲线第三个拐点处出现最大值。在此之前，很多企业都为此产品不断改进而投入，但此时产品已到了退出期，企业进一步增加投入已没有什么回报。因此，专利数降低。图2.5中“时间一利润”曲线表明：开始阶段，企业仅仅是投入并没有赢利。到成长期，产品虽然还有待于进一步完善，但产品已出现利润。之后，利润逐年增加，到成熟期某一时间达到最大，之后开始降低。图2.5中“时间-性能”曲线表明，随时间延续，产品性能不断增加，但

14、到了退出期后，其性能很难再有所增加。如果能收集到产品有关数据，绘出上述四条曲线，通过曲线形状，可以判断出产品在S-曲线上所处位置。从而，对其技术成熟度进行预测。图2.6 基于产品技术成熟度预测产品R&D决策图2.6表示了产品技术成熟度预测后两种结果。如果产品处于婴儿期或成长期，则需要对产品进行优化，以改善已有S一曲线；反之，则需要产品创新，以产生新核心技术，替代已有核心技术，即使产品移人新S一曲线。3 产品进化模式31 产品进化四个阶段从历史观点看，产品进化分为如下四个阶段： 1)为系统选择零部件。 2)改善零部件。 3)系统动态化。 4)系统自控制。 为系统选择零部件：飞机发明是从1m多年前

15、开始。当时发明人所考虑问题是：飞行部件是什么?发动机是否在机翼内?机翼是固定还是活动?如果是活动，是否及鸟翅膀相同?发动机类型是什么?蒸气发动机还是电动发动机?经过多次实验，选用了固定式机翼及内燃机： 改善零部件：发明人改进组成技术系统不同零部件，对其形状、各种关系进行优化，采用更合适材料、尺寸等。对于飞机改进，该阶段问题是：一架飞机采用几个机翼，一个、两个还是三个；控制系统放在什么位置，前部还是后部；发动机具体位置；螺旋桨应如何设计，是推动型还是拉动型；一架飞机应采用多少个齿轮，等等。经过该阶段进化所设计飞机及今天飞机已很相似了。 系统动态化：在该阶段，很多采用刚性连接零部件改为柔性连接，如

16、发明了飞机可伸缩起落架，能改变形状机翼，机身前部可上下移动，发明了使飞机垂直升降发动机等。由于系统动态化进化，系统性能空前提高。 系统自控制：这一进化步骤还没有广泛实现，但可从火箭、航天器设计中看出该进化步骤已初露端倪，如运行中航天器可对其自身某些行为进行自组织。这只是该进化步骤开始，未来系统能自动地适应环境。32 产品进化定律通过对大量专利分析，Altshuller发现产品通过不同技术路线向理想解方向进化，如图3.1所示，图3.1 产品不同进化路线并提出了八条产品进化定律。定律1：组成系统完整性定律。一个完整系统必须由执行机构、传动部件和控制装置。能源装置为整个系统提供能源，执行机构具体完成

17、系统功能，传动部件将能源装置中能量传递到执行机构，控制装置对其他三个部分进行控制，以协调其工作。定律2：能量传递定律。技术系统能量从能源装置到执行机构传递效率向逐渐提高方向进化。选择能量传递形式是很多发明问题核心。定律3：交变运动和谐性定律。技术系统向着交变运动及零部件自然频率相和谐方向进化。定律4：增加理想化水平定律。技术系统向增加其理想化水平方向进化。定律5：零部件不均衡发展定律。虽然系统作为一个整体在不断改进，但零部件改进是单独进行，不同步。定律6：向超系统传递定律。当一个系统自身发展到极限时，它向着变成一个超系统子系统方向进化，通过这种进化，原系统升级到一种更高水平。定律7：由宏观向微

18、观传递定律。产品所占空间向较小方向进化。在电子学领域，先是应用真空管，之后是电子管，再后是大规模集成电路，就是典型例子。定律8：增加物质一场完整性定律。对于存在不完整物质一场系统，向增加其完整性方向进化。物质一场中场从机械或热能向电子或电磁方向进化。33 技术系统进化模式TRIZ一直处于发展及完善过程中，20世纪90年代，美国Ideation lncTRIZ专家们，将Altshuller产品进化四个阶段及八条定律发展成为技术系统进化八种模式。这些模式更适合于技术系统及生产过程创新。 模式1：技术系统生命周期为出生、成长、成熟、退出。考虑到原有技术系统及新技术系统交替，可描述为六个阶段。 阶段1

19、 系统还没有存在，但出现重要条件已发现。 阶段2 高级别创新已出现，但发展很慢。 阶段3 社会认识到新系统价值。 阶段4 初始系统概念资源已用尽。 阶段5 新一代产品开始出现，并代替原系统。 阶段6 原系统部分应用可能及新系统共同存在。 例：飞机 阶段1 人类希望飞行愿望失败了，但飞行成功重要条件已发现。 阶段2 怀特兄弟在一双翼飞机上以每小时30公里速度成功地完成了飞行。 阶段3 在第一次世界大战中飞机被用于战争。很多投资被用于飞机开发，其速度增加到每小时100公里。 阶段4 采用木材及绳索所构成飞机本体所能实现空气动力学已达到极限。 阶段5 采用金属本体单翼飞机研制成功。 阶段6 若干新型

20、飞机已研制成功，但双翼飞机仍然存在。 模式2：增加理想化水平。 第一台计算机重数吨、需占用一大房间，但确实具有计算四部分组成：能源装、 功能。目前便携式计算机质量及体积都很小，且具有文字处理、数学计算、通信、绘图和播放多媒体等功能。 模式3：系统不均衡发展导致冲突出现。 不同子系统具有不同生命周期，某些子系统阻碍了系统整体进化。产品进化中常见错误是非关键子系统得到设计人员特别关注。如设计人员努力开发更好飞机发动机，但对飞机影响最大是其空气动力学系统，因此，设计人员努力对提高飞机性能作用影响不大。 模式4：增加动态性及可控性。 早期汽车是靠发动机速度控制，后来靠手工操纵齿轮变速器控制速度，之后是

21、自动变速器。 模式5：通过集成以增加系统功能。 组合音响将AMFM收音机、磁带机、VCD机和喇叭等集成为一个系统，用户可根据需要选择自己需要功能。 模式6：部件匹配及不匹配交替出现。 早期轿车采用板簧吸收振动，这种结构是从当时马车上借用。随着轿车进化，板簧及轿车其他部分已不匹配，后来研制出轿车专用减振器。 模式7：由宏观系统向微观系统进化。 烹调用灶具开始采用烧木材、或烧煤炉子，之后灶具烧气，后来出现了电加热灶具及微波炉。 模式8：增加自动化程度，减少人介入。 最初洗衣服用挫板，后来出现了单缸、双缸洗衣机，之后是全自动洗衣机。 这八种模式导致产品不同进化路线。通常，一个系统从其原始状态开始沿模

22、式1和模式2进化，当达到一定水平后将沿其余六种模式进化。每种模式都存在多条进化路线。进化路线研究结果对指导产品创新具有重要意义。目前进化路线正在一些创新研究单位中进行研究，发表研究结果较少。 4 工程实例：滚筒型纺纱机纺织机械是一种典型机械产品。企业R&D部门需要制定长期新产品开发策略。纺织机械很复杂，在其能被销售之前，需要有很长开发周期，因此，需要确定预算及开发方向。错误方向不仅导致短期效益损失，还可能及竞争者们技术产生巨大差距，这对任何企业发展都是致命。下面以滚筒型纺纱机为例说明产品进化理论应用。41 滚筒技术成熟度预测首先，从专利库中查出及该机器相关238件专利，对每件专利进行详细分析并

23、确定其发明级别。专利按10年分为一组，其性能确定为转子速度，该速度相对于纤维长度及滚筒直径之比有一极限。效益不易算出，但可用所售出设备台数近似估计。图4.1是各种曲线汇总。由汇总图可以看出，产品技术已处于成熟期。图4.1预测结果表明，被预测产品技术已处于成熟期，企业虽然可以继续生产该产品获取利润，但必须进行产品创新，寻找新核心技术替代已经采用技术，以使企业在未来竞争中不败。为了寻找新核心技术，可按八种进化模式去探索。现以其中一种模式来说明。42 产品进化模式应用假定按进化模式4即增加动态性及可控性确定寻找新替代技术可能方向。模式4可分为五条路线：使物体零件部分可活动、增加自由度个数、变成柔性体

24、、变成微小物体和变成场。图4.2是增加动态性进化路线。图4.1 滚筒式纺纱机技术预测图4.2 增加动态性进化路线 按第1条路线，滚筒式纺纱机核心部件是纱箱及滚筒，后者已是可活动零件，因此，按该路线进化已完成。 第2条路线应增加自由度个数。前后平动是可以增加一个自由度，该自由度可在机器纺纱过程中或在调整时采用。 第3条路线为使系统某一部分变为柔性体。用柔性材料制造滚子还不存在。 第4条路线是使滚子变为微小物体，这似乎不能实现。 第5条路线是采用场。静电纺纱技术已进行过研究，但商品 化前景并不乐观。早期涡流纺纱机采用气体抽纱，纱线质量并不理想，新型纺纱机采用空气射流技术，纱线质量提高。从上面分析可

25、以看出：采用第5条路线，研究当前已有技术，可能获得本产品新核心技术。5 进化理论应用 TRIZ中进化理论主要成果为：S-曲线、产品进化定律及产品进化模式。这些关于产品进化知识具有如下三方面应用： 1)定性技术预测。 2)产生新技术。3)市场创新。51 定性技术预测 S-曲线、产品进化定律及产品进化模式可对目前产品提出如下预测： 1)指出需要改进子系统。 2)避免对处于技术成熟期或退出期产品大量投入进行改进设计。 3)指出技术发展可能方向。 4)指出对处于婴儿期及成长期产品应尽快申请专利进行产权保护，以使企业在今后市场竞争中处于最有利地位。 上述四条预测将为企业设计、管理、研发等部门及企业领导决

26、策提供重要理论依据。52 产生新技术 产品基本功能在产品进化过程中基本不变，但其实现形式及辅助功能一直发生变化。因此，按照进化理论对当前产品进行分析结果可用于功能实现分析，以找出更合理功能实现结构。其分析步骤为： 1)对每一个子系统功能实现进行评价，如果有更合理实现形式，则取代当前不合理子系统。 2)对新引入子系统效率进行评价。 3)对物质、信息、能量流进行评价，如果需要，选择更合理流动顺序。 4)对成本或运行费用高子系统及人工完成功能进行评价及功能分离，确定是否用成本低其他系统代替。 5)评价用高一级相似系统、反系统等代替4)中所评价已有子系统可能性。 6)分离出能由一个子系统完成一系列功能

27、。 7)对完成多于一个功能子系统进行评价。 8)将4)分离出功能集成到一个子系统之中。 上述分析过程将协助设计人员完成所选定技术或子系统直接进化。53 市场创新 质量功能布置(QFD)是市场研究有力手段之一。目前，用户需求主要通过用户调查法获得。负责市场调研人员一般不知道正在被调研中技术未来发展细节。因此，QFD输入，即市场调研结果，往往是主观、不完善、甚至是过时。 TRIZ中产品进化定律及进化模式是由专利信息及技术发展历史得出，具有客观及不同领域通用特点。一种合理观点是用户从可能进化趋势中选择最有希望进化路线，之后经过市场调研人员及设计人员等加工将其转变为QFD输入。 TRIZ及QFD结合是目前TRIZ研究中一个热点。研究结果将成为市场创新一种强有力工具。 本文介绍了产品进化基本概念、S-曲线、进化定律及进化模式，并用实例说明了进化理论应用。企业决策部门如能掌握这些理论，将使企业研发决策更加科学合理，增加企业创新能力及市场竞争力。15 / 15