檀潤(rùn)華，王凡凡，張俊磊，劉芳

【特別策劃】

突破性創(chuàng)新與突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究綜述

檀潤(rùn)華，王凡凡，張俊磊，劉芳

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

將突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)從突破性創(chuàng)新與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究中分離出來(lái)進(jìn)行專題分析。采用跨學(xué)科橫向關(guān)聯(lián)的方法，通過(guò)文獻(xiàn)檢索，分析技術(shù)創(chuàng)新管理領(lǐng)域關(guān)于突破性創(chuàng)新的研究成果，并歸納了3個(gè)主題。分析了設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特征，并將創(chuàng)新設(shè)計(jì)分為3類，其中一類是突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后對(duì)突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)所涉及內(nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)分析。實(shí)現(xiàn)了Leifer等提出的突破性創(chuàng)新的3個(gè)基本特征，這些特征的實(shí)現(xiàn)也是突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功的參考。突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一類，其關(guān)鍵是通過(guò)已有跨學(xué)科效應(yīng)或跨行業(yè)技術(shù)的搜索與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的突破。突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程包括機(jī)遇識(shí)別、突破性技術(shù)實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵階段，在C–TRIZ框架下已構(gòu)建了幾種過(guò)程模型，并可供企業(yè)參考。技術(shù)創(chuàng)新管理領(lǐng)域中關(guān)于突破性創(chuàng)新的研究，為突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供特征參考，兩類研究屬于不同領(lǐng)域，但可形成上下游關(guān)系。這種觀點(diǎn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)跨學(xué)科研究提供了一種新思路。

突破性創(chuàng)新；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)；機(jī)遇識(shí)別；突破性技術(shù)；設(shè)計(jì)過(guò)程模型

經(jīng)濟(jì)全球化致使技術(shù)與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)白熱化，而逆全球化凸顯我國(guó)關(guān)鍵技術(shù)被“卡脖子”依然存在[1]。改變這種局面的措施之一是我國(guó)更多的企業(yè)實(shí)施突破性創(chuàng)新戰(zhàn)略[2]。突破性創(chuàng)新可以毀滅原有的價(jià)值鏈結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生新的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，從而帶動(dòng)整個(gè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)、市場(chǎng)格局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的再造與重塑[3]。如4G到5G的突破性創(chuàng)新，帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)速度的跨越式提升，開(kāi)拓了醫(yī)療、智慧城市、智能交通和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等方面廣闊的藍(lán)海市場(chǎng)，也成就了華為在5G時(shí)代的領(lǐng)導(dǎo)者和標(biāo)準(zhǔn)制定者的地位。大力投入突破性技術(shù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，不僅是中國(guó)裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，構(gòu)建創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)的主動(dòng)選擇[4]，也是企業(yè)和國(guó)家推進(jìn)突破性創(chuàng)新能力構(gòu)建的必然選擇。突破性創(chuàng)新過(guò)程包含設(shè)計(jì)過(guò)程，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)從原有技術(shù)軌道向新技術(shù)軌道的跨越，是典型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程。

國(guó)家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略使創(chuàng)新設(shè)計(jì)得到全社會(huì)的關(guān)注。2013年8月，中國(guó)工程院?jiǎn)?dòng)了“創(chuàng)新設(shè)計(jì)發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目，眾多專家學(xué)者參加該項(xiàng)目的研究，其成果已寫入《中國(guó)制造2025》，用于指導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)組織編著《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》包含創(chuàng)新設(shè)計(jì)一節(jié)[5]。路甬祥院士[6]出版專著《論創(chuàng)新設(shè)計(jì)》，并撰寫了“創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力研究”一文[7]。譚建榮院士[8]、徐志磊院士[9]分別撰寫了創(chuàng)新設(shè)計(jì)專題論文。中國(guó)好設(shè)計(jì)大賽吸引眾多企業(yè)參加，充分展示了企業(yè)對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重視。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)是企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新過(guò)程的一個(gè)階段。從管理的視角研究產(chǎn)品創(chuàng)新要素與過(guò)程管理是技術(shù)創(chuàng)新管理的研究?jī)?nèi)容，該領(lǐng)域研究的基本思想、觀點(diǎn)與成果[10]必然對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，如突破性創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)路徑[11]和對(duì)國(guó)家與企業(yè)發(fā)展的影響[12]，在該領(lǐng)域已有較多研究。然而，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將技術(shù)創(chuàng)新管理理念、方法、成果引入創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行跨學(xué)科研究實(shí)屬罕見(jiàn)。本文從突破性創(chuàng)新的視角出發(fā)，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新管理領(lǐng)域突破性創(chuàng)新研究與發(fā)展、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)等3個(gè)方面的研究進(jìn)行跨學(xué)科整理分析。

1 突破性創(chuàng)新

1.1 突破性創(chuàng)新的特征

突破性創(chuàng)新是一類創(chuàng)新程度高、創(chuàng)新影響力大的創(chuàng)新活動(dòng)。該類創(chuàng)新能夠完成技術(shù)軌道的躍遷，具有顛覆原有形式、變革市場(chǎng)的重要意義。突破性創(chuàng)新存在研發(fā)難度大、不確定性高、早期優(yōu)勢(shì)不顯著等問(wèn)題，但隨著技術(shù)難題的克服，產(chǎn)品性能的快速上升使其性能極限超過(guò)原有的技術(shù)軌道，實(shí)現(xiàn)S曲線的躍遷，見(jiàn)圖1。在突破性創(chuàng)新關(guān)鍵特征的界定方面，Leifer等[13]認(rèn)為滿足3個(gè)特征之一可被視為突破性創(chuàng)新（提供全新的技術(shù)，或主要性能指標(biāo)提高5倍及以上，或產(chǎn)品成本至少降低30%）。技術(shù)創(chuàng)新管理領(lǐng)域?qū)ν黄菩詣?chuàng)新的研究經(jīng)歷了概念萌芽階段、概念發(fā)展多樣化階段，后一類包含實(shí)現(xiàn)路徑的研究。

圖1 突破性創(chuàng)新的S曲線

1.2 概念的萌芽時(shí)期

盡管關(guān)于突破性創(chuàng)新的研究可以追溯到熊彼特1921年出版的《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》，但絕大多數(shù)關(guān)于突破性創(chuàng)新的研究都以Leifer等提出的突破性創(chuàng)新3個(gè)主要特征為切入點(diǎn)。考慮到突破性創(chuàng)新技術(shù)軌道的不連續(xù)特征，1982年Dosi[14]關(guān)于“技術(shù)范式”與“技術(shù)軌道”關(guān)系的論證，也是重要的突破性創(chuàng)新研究起點(diǎn)。該文將突破性創(chuàng)新與漸進(jìn)性創(chuàng)新統(tǒng)一到一個(gè)理論框架之內(nèi)，并指出技術(shù)軌道的發(fā)展與技術(shù)范式有關(guān)，不連續(xù)的技術(shù)軌道則與新范式的出現(xiàn)有關(guān)。1995年Ehrnberg[15]進(jìn)一步指出突破性創(chuàng)新中新技術(shù)范式出現(xiàn)的原因主要分為3類：新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)、已有產(chǎn)業(yè)中新舊技術(shù)替代、新技術(shù)和新技術(shù)發(fā)展子循環(huán)中的替代。依據(jù)上述分析，Ehrnberg進(jìn)一步建立了不同主導(dǎo)設(shè)計(jì)模式下的技術(shù)軌道不連續(xù)發(fā)展模型，分為并行技術(shù)軌道和串行技術(shù)軌道，見(jiàn)圖2。

圖2 突破性創(chuàng)新的2種技術(shù)軌道[15]

圖2中并行軌道主要描述在某一產(chǎn)業(yè)興起的時(shí)候，技術(shù)處于醞釀階段，多種技術(shù)同時(shí)涌現(xiàn)，主導(dǎo)技術(shù)尚未出現(xiàn)，存在多種不同的可行性技術(shù)發(fā)展路線。經(jīng)過(guò)多方面的發(fā)展，最終某一占據(jù)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)勝出，并成為行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)。串行技術(shù)的出現(xiàn)更多的是新舊技術(shù)替代、新技術(shù)和新技術(shù)發(fā)展子循環(huán)中的替代。這些關(guān)于技術(shù)軌道發(fā)展規(guī)律的研究構(gòu)建了突破新創(chuàng)新的早期概念，屬于突破性創(chuàng)新概念的萌芽時(shí)期。

1.3 概念的多樣化發(fā)展時(shí)期

圍繞對(duì)突破性創(chuàng)新的特征總結(jié)，學(xué)者們進(jìn)一步從技術(shù)演化、技術(shù)軌道轉(zhuǎn)換、技術(shù)創(chuàng)新結(jié)果等單一視角或多視角綜合的方向?qū)ν黄菩詣?chuàng)新做進(jìn)一步的分析和概念界定。關(guān)于突破性創(chuàng)新的研究也隨之進(jìn)入了快速增長(zhǎng)時(shí)期。Mcdermott等[16]從創(chuàng)新的結(jié)果評(píng)價(jià)出發(fā)，將突破性創(chuàng)新定義為能為公司和市場(chǎng)創(chuàng)造新業(yè)務(wù)的一類創(chuàng)新，其形成途徑仍然從突破性創(chuàng)新的主要特征出發(fā)。Kasmire等[17]認(rèn)為所有對(duì)未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的創(chuàng)新都可以稱之為突破性創(chuàng)新；如全新的研究領(lǐng)域，淘汰現(xiàn)有主導(dǎo)地位的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)或生產(chǎn)流程。Davenport[18]和Forés等[19]提出突破性創(chuàng)新是指那些對(duì)現(xiàn)有服務(wù)提供的改變，這種改變來(lái)源于新的技術(shù)或新的產(chǎn)品架構(gòu)；顯然，Davenport和Fores定義了廣義上的產(chǎn)品，即產(chǎn)品應(yīng)該包括有形產(chǎn)品和無(wú)形產(chǎn)品。而Verganti[20]從產(chǎn)品語(yǔ)義學(xué)角度研究了設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的關(guān)系，并從該視角定義了突破性創(chuàng)新：產(chǎn)品語(yǔ)義具有重大突破的一類創(chuàng)新，包括那些被重新賦予新的、重大意義的既有產(chǎn)品也屬于突破性創(chuàng)新；例如手表從顯示時(shí)間的原始意義到身份象征意義的轉(zhuǎn)變就屬于突破性創(chuàng)新。

上述關(guān)于突破性創(chuàng)新的定義主要是從市場(chǎng)化和商業(yè)化的視角給出的分析。后期學(xué)者們繼續(xù)對(duì)這種市場(chǎng)化和商業(yè)化的現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。Story等[21]、O'Connor等[22]相繼提出如果一項(xiàng)創(chuàng)新在性能特征方面有了前所未有的改進(jìn)，并且可以進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，那么該類創(chuàng)新屬于突破性創(chuàng)新。該定義是從突破性創(chuàng)新能提供前所未有全新性能特征的產(chǎn)品或者服務(wù)視角出發(fā)，同時(shí)考慮了設(shè)計(jì)規(guī)范的概念，因?yàn)椤扒八从小钡母倪M(jìn)往往是偏離當(dāng)前技術(shù)設(shè)計(jì)軌道的再設(shè)計(jì)。Sood等[23]進(jìn)一步驗(yàn)證了技術(shù)軌道進(jìn)化發(fā)展的路徑，并指出技術(shù)進(jìn)化并不是遵循單一的S曲線，而是一個(gè)不斷向上的階段函數(shù)，隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)品性能較前技術(shù)會(huì)有大幅度的提高，這種情況稱之為突破性創(chuàng)新。

在此期間，國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)突破性創(chuàng)新的定義進(jìn)行了多樣化的研究。張洪石等[24]指出突破性創(chuàng)新是導(dǎo)致產(chǎn)品性能主要指標(biāo)發(fā)生巨大躍遷，或者對(duì)市場(chǎng)規(guī)則、競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)版圖具有重大影響力，甚至可能導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)重新洗牌的一類創(chuàng)新。陳勁等[25]認(rèn)為突破性創(chuàng)新是指基于突破性技術(shù)的創(chuàng)新。薛紅志等[26]認(rèn)為突破性創(chuàng)新是建構(gòu)在全新的知識(shí)基礎(chǔ)上，并對(duì)主導(dǎo)企業(yè)核心能力產(chǎn)生替代、破壞的一類創(chuàng)新。張金柱等[27-28]指出突破性創(chuàng)新是指技術(shù)創(chuàng)新的方法、產(chǎn)品、設(shè)備、材料等技術(shù)主題發(fā)生不連續(xù)性變化，并引發(fā)性能的躍遷或功能的變化，最終導(dǎo)致市場(chǎng)、產(chǎn)品、服務(wù)、商業(yè)模式等發(fā)生不連續(xù)性變化。趙息等[29]則認(rèn)為突破性創(chuàng)新是以全新的產(chǎn)品、生產(chǎn)方式和競(jìng)爭(zhēng)形態(tài)，對(duì)市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)做出顛覆性改造的創(chuàng)新模式。郭小超等[30]采用知識(shí)圖譜的方法研究突破性創(chuàng)新的特征。

總之，突破性創(chuàng)新的概念與形成的路徑特征已清晰，企業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐中也已證明該類創(chuàng)新的重要性。企業(yè)急需應(yīng)用的是突破性設(shè)計(jì)方法，即構(gòu)建突破性、程序性設(shè)計(jì)過(guò)程模型，企業(yè)設(shè)計(jì)人員可應(yīng)用該模型完成突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為后續(xù)制造并推出突破性產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。技術(shù)創(chuàng)新管理領(lǐng)域已有的研究成果可以作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究的上游知識(shí)加以應(yīng)用。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程起始于需求的概念描述到被設(shè)計(jì)對(duì)象或產(chǎn)品的詳細(xì)描述，產(chǎn)品是意圖驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。設(shè)計(jì)是有意識(shí)、有目的的一系列活動(dòng)，其結(jié)果是使某事件從未滿足需求的狀態(tài)達(dá)到一個(gè)新滿足需求的狀態(tài)。設(shè)計(jì)是人們需要改變所涉及環(huán)境的一類活動(dòng)。

設(shè)計(jì)有各種定義。如設(shè)計(jì)是按照任務(wù)的目的和要求，預(yù)先定出工作方案和計(jì)劃，繪出圖樣；設(shè)計(jì)是把一種計(jì)劃、規(guī)劃、設(shè)想，通過(guò)視覺(jué)的形式傳達(dá)出來(lái)的活動(dòng)過(guò)程；設(shè)計(jì)是把一種設(shè)想，通過(guò)合理的規(guī)劃與周密的計(jì)劃，以各種感覺(jué)形式傳達(dá)出來(lái)的過(guò)程；設(shè)計(jì)是對(duì)未來(lái)的工程“制造物”及其建造過(guò)程的構(gòu)思與設(shè)想，用圖紙、模型、方案等來(lái)表達(dá)。設(shè)計(jì)是一個(gè)過(guò)程，該過(guò)程起始于功能需求，終止于滿足功能需求的產(chǎn)品的表達(dá)，這種表達(dá)應(yīng)足夠詳細(xì)到產(chǎn)品的制造、整合與建造。

與設(shè)計(jì)活動(dòng)緊密相關(guān)的幾個(gè)概念是目的、功能、行為與結(jié)構(gòu)[31]。目的是意向或意圖驅(qū)動(dòng)做某事的行動(dòng)或事實(shí)，目的也可簡(jiǎn)單定義為意圖。功能是執(zhí)行、履行或?qū)嵤┑男袆?dòng)。行為是在某種特定條件或環(huán)境下，某事物執(zhí)行或作用的方式方法。結(jié)構(gòu)是在關(guān)系協(xié)調(diào)的條件下，由各部分或元件所構(gòu)成的具有獨(dú)特性質(zhì)的總體。結(jié)構(gòu)表示“是什么（What is）”，行為表示“怎樣做（How Does）”，功能表示“做什么（What Does）”，目的表示“為什么要做（Why Does or What for）”。

上述幾個(gè)概念之間的關(guān)系概括如下：結(jié)構(gòu)展示行為，行為導(dǎo)致功能，功能實(shí)現(xiàn)目的；或目的由功能實(shí)現(xiàn)，功能由行為導(dǎo)致，行為由結(jié)構(gòu)展示。

結(jié)構(gòu)是給定物理環(huán)境中產(chǎn)品所處的狀態(tài)，在該環(huán)境中呈現(xiàn)出特定的行為；這些行為孕育出各種功能；而功能的實(shí)現(xiàn)很好地詮釋了人們需要產(chǎn)品存在的目的。結(jié)構(gòu)、行為、功能屬性可以體現(xiàn)產(chǎn)品滿足人們需求的價(jià)值。

Trott[32]將設(shè)計(jì)分為3類：工程類、日用消費(fèi)類、時(shí)尚類，見(jiàn)表1。不同類型的設(shè)計(jì)所關(guān)注的重點(diǎn)不同，工程設(shè)計(jì)關(guān)注工程解決方案，日用消費(fèi)品類設(shè)計(jì)關(guān)注形態(tài)概念的產(chǎn)生，而時(shí)尚類設(shè)計(jì)關(guān)注變化或流行趨勢(shì)，見(jiàn)表2。不同類型的設(shè)計(jì)所用的知識(shí)也不同。本文綜述的重點(diǎn)是工程設(shè)計(jì)或該類產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新，因此工程設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

表1 設(shè)計(jì)活動(dòng)的范圍

Tab.1 Scope of design activities

表2 設(shè)計(jì)活動(dòng)的影響方面

Tab.2 Impact aspects of design activities

工程設(shè)計(jì)是在滿足各應(yīng)用領(lǐng)域需求，不斷總結(jié)機(jī)械、建筑、化工、水利等工程設(shè)計(jì)方面的理論、方法和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合系統(tǒng)工程、價(jià)值工程、創(chuàng)造工程、優(yōu)化設(shè)計(jì)、決策學(xué)等自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的多種理論所構(gòu)建。工程設(shè)計(jì)經(jīng)歷了自發(fā)階段、自覺(jué)階段、計(jì)算機(jī)輔助的現(xiàn)代階段。自發(fā)設(shè)計(jì)階段又稱直覺(jué)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)過(guò)程主要依靠直覺(jué)摸索和設(shè)計(jì)靈感，主要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。第2個(gè)發(fā)展階段是16世紀(jì)后，隨著數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)自然科學(xué)的發(fā)展，人類在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)始自覺(jué)應(yīng)用自然科學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程由自發(fā)階段走向自覺(jué)階段，工程設(shè)計(jì)學(xué)理論逐漸建立形成，設(shè)計(jì)的可靠性大大增加。第3個(gè)階段是計(jì)算機(jī)輔助的現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)過(guò)程面向制造、分析、工藝等，并向著智能化設(shè)計(jì)發(fā)展。

工程設(shè)計(jì)需用工程方法產(chǎn)生有用裝置的表征，該表征的產(chǎn)生需包含分析與綜合2個(gè)主要階段。分析階段詳細(xì)確定設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明與產(chǎn)品的功能，綜合階段確定各個(gè)元件與部件，并指出它們之間可能的相互關(guān)系。

工程設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。針對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，形成的設(shè)計(jì)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的一個(gè)順序過(guò)程，經(jīng)過(guò)多年的研究，已提出多個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程模型。Cross[33]將這些模型歸為描述型（Descriptive Models）與規(guī)定型（Prescriptive Models）兩類過(guò)程模型。前者對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中可行的活動(dòng)進(jìn)行描述，后者規(guī)定設(shè)計(jì)過(guò)程所必需的活動(dòng)。Pahl等[34]的工程設(shè)計(jì)模型是一類典型的規(guī)定型過(guò)程模型，在國(guó)際工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，被稱為經(jīng)典設(shè)計(jì)理論。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其特征

創(chuàng)新設(shè)計(jì)是面向企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新需求，通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)造新穎、具有獨(dú)特價(jià)值且為企業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品。該類設(shè)計(jì)是形式與情景之間的匹配過(guò)程，形式是解決方案，情景是未來(lái)新產(chǎn)品所處的環(huán)境。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心是解決情景所誘發(fā)的設(shè)計(jì)難題，其結(jié)果形成發(fā)明，經(jīng)過(guò)后續(xù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，形成具有市場(chǎng)推廣意義及商業(yè)價(jià)值的產(chǎn)品。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)合理化的問(wèn)題解決過(guò)程，是打破已有規(guī)則而產(chǎn)生新規(guī)則的過(guò)程。創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅涉及產(chǎn)品，也涉及組織與市場(chǎng)創(chuàng)新。Zhang等[35]認(rèn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)表現(xiàn)出三方面特性：創(chuàng)新設(shè)計(jì)的結(jié)果與已有的產(chǎn)品均不同、創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)果的價(jià)值應(yīng)由用戶與市場(chǎng)直接評(píng)價(jià)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與已有設(shè)計(jì)類型的區(qū)別是其涉及商業(yè)化的轉(zhuǎn)變。孫守謙等[36]認(rèn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一種跨學(xué)科融合的集成創(chuàng)新，由技術(shù)、藝術(shù)、文化、人本與商業(yè)5類構(gòu)成要素組成。胡潔等[37]研究了創(chuàng)新設(shè)計(jì)中創(chuàng)新源泉、創(chuàng)新機(jī)制和評(píng)價(jià)機(jī)制，并提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅需重用本領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識(shí)，而且需要跨領(lǐng)域多學(xué)科知識(shí)的激勵(lì)。鄧衛(wèi)斌[38]等在概念設(shè)計(jì)階段利用參數(shù)化的設(shè)計(jì)思維方法，創(chuàng)造可以激發(fā)設(shè)計(jì)師靈感的環(huán)境，啟發(fā)其更好地進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。李麗等[39]為解決產(chǎn)品造型風(fēng)格創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中存在模糊性、不確定性和缺乏創(chuàng)新性等問(wèn)題，提出從原型角度展開(kāi)產(chǎn)品造型風(fēng)格創(chuàng)新設(shè)計(jì)。這些研究涉及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)涵、源泉、過(guò)程、方法與跨學(xué)科知識(shí)的運(yùn)用。

按照技術(shù)創(chuàng)新管理研究中關(guān)于創(chuàng)新的分類，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果的差異化和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化原理，將作為工程設(shè)計(jì)子類的創(chuàng)新設(shè)計(jì)分為漸進(jìn)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)、突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)和破壞性創(chuàng)新設(shè)計(jì)3類[40]。

1）漸進(jìn)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)。是通過(guò)不斷地、漸進(jìn)地、連續(xù)地改進(jìn)已有技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品而實(shí)現(xiàn)的一類創(chuàng)新，通常表現(xiàn)為產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)化過(guò)程中在同一條S曲線上不斷遞增的過(guò)程，其核心是不斷地發(fā)現(xiàn)并解決沖突，設(shè)計(jì)結(jié)果與已有產(chǎn)品的差異性程度較低。

2）突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)。是以全新、新型的產(chǎn)品生產(chǎn)制造方式或工藝過(guò)程產(chǎn)生新型的競(jìng)爭(zhēng)形態(tài)，而對(duì)市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)帶來(lái)顛覆性變革的一類創(chuàng)新。通常表現(xiàn)為原始創(chuàng)新或產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)化過(guò)程中，2條S曲線間的自然更迭，其結(jié)果可大幅提升產(chǎn)品的性能和企業(yè)的生產(chǎn)效率，與已有設(shè)計(jì)存在顯著差異性。

3）破壞性創(chuàng)新設(shè)計(jì)。是用低于主流市場(chǎng)上定型產(chǎn)品性能的產(chǎn)品取代主流產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)跨越的一類創(chuàng)新。通常表現(xiàn)為產(chǎn)品進(jìn)化過(guò)程中位于成熟期的分支點(diǎn)，分為低端破壞和新市場(chǎng)破壞，其創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)果是對(duì)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)顛覆性變化，因此其結(jié)果也被稱為顛覆性創(chuàng)新。

3 突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)

突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究涉及突破性創(chuàng)新機(jī)遇發(fā)現(xiàn)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)過(guò)程模型構(gòu)建，其結(jié)果要形成能用于企業(yè)突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐的系統(tǒng)化方法。

3.1 突破性創(chuàng)新機(jī)遇發(fā)現(xiàn)方法

在商業(yè)語(yǔ)義中，機(jī)遇是一次可以被創(chuàng)造與發(fā)展的成功嘗試，突破性創(chuàng)新機(jī)遇來(lái)源于變化（如知識(shí)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)、人口結(jié)構(gòu)、地域等的變化）。機(jī)遇的識(shí)別取決于已有的經(jīng)驗(yàn)與方法的應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)與方法使人們將無(wú)關(guān)的變化、知識(shí)或事件等連接在一起，并形成機(jī)遇。機(jī)遇的識(shí)別有多種方法，如基于變化識(shí)別的方法、需求進(jìn)化的方法、裁剪與功能重組的方法、功能集成的方法與情景分析法等。

基于變化識(shí)別的方法：如Drucker[41]給出了激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新的外部變化與內(nèi)部變化。外部變化為人口狀況的改變、理解及意義的改變、新知識(shí)的應(yīng)用。企業(yè)內(nèi)部變化為意外的成功或失敗、不協(xié)調(diào)現(xiàn)象、基于流程需要的創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)或市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變。這些變化如果影響到待研究的產(chǎn)品，可以通過(guò)原型法或案例法[42]確定突破性創(chuàng)新機(jī)遇。

基于需求進(jìn)化的方法：Kano模型[43]定義了基本型、期望型和興奮型三個(gè)層次的用戶需求。其中興奮需求要提供給用戶一些完全出乎意料的產(chǎn)品屬性或服務(wù)行為，使用戶產(chǎn)生驚喜，該類需求能成為一種突破性創(chuàng)新機(jī)遇。需求進(jìn)化定律的應(yīng)用是另一種通過(guò)需求進(jìn)化的機(jī)遇識(shí)別方法。Petrov定義了需求進(jìn)化理想化、需求進(jìn)化動(dòng)態(tài)化、需求進(jìn)化協(xié)調(diào)化、需求進(jìn)化集成化、需求進(jìn)化專門化5條定律[44]，向需求進(jìn)化理想化變化是總體趨勢(shì)?？筛鶕?jù)這5條定律預(yù)測(cè)未來(lái)可能的用戶需求變化，并以此確定突破性創(chuàng)新機(jī)遇。

裁剪與功能重組方法[45]：裁剪是TRIZ中一種用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的方法，依據(jù)已建立的功能模型，識(shí)別問(wèn)題功能，對(duì)問(wèn)題功能和相關(guān)功能實(shí)施裁剪，裁剪后的系統(tǒng)應(yīng)實(shí)施功能重組，為保障功能的不變性，需要構(gòu)建新功能。新功能的出現(xiàn)成為突破性創(chuàng)新機(jī)遇。

功能集成方法[46]：通過(guò)功能或技術(shù)集成，形成新功能，該類功能的實(shí)現(xiàn)形成了突破性創(chuàng)新機(jī)遇。也可以通過(guò)近緣與遠(yuǎn)緣功能的集成，形成具有多個(gè)主功能的產(chǎn)品，能夠滿足用戶多方面的需求。

情景分析方法[47]：以原型產(chǎn)品典型實(shí)踐性情景作為初始場(chǎng)景，對(duì)情景條件中的初始核心情景要素、用戶關(guān)聯(lián)要素和環(huán)境關(guān)聯(lián)要素，采用不同的情景操作策略，探索未來(lái)可能的新情景要素及特征，并通過(guò)形態(tài)學(xué)矩陣組合為新的未來(lái)情景條件，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品集成到不同情景條件下的特征要求。同時(shí)提出支持情景預(yù)期演化的演化原理發(fā)現(xiàn)過(guò)程，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)此原理產(chǎn)品應(yīng)具備作用特征，作為創(chuàng)新機(jī)遇。該方法可用于突破性創(chuàng)新機(jī)遇識(shí)別。

3.2 突破性技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

選定一個(gè)或多個(gè)需要改變工作原理的功能后，需要引入新知識(shí)，確定新的工作原理或原理解，這些選定的功能稱為關(guān)鍵功能。為了提高產(chǎn)品某項(xiàng)性能的物理極限，所引入的新知識(shí)通常是跨學(xué)科的知識(shí)。學(xué)者們已給出了功能實(shí)現(xiàn)的一系列方法，這些方法用于關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果可以產(chǎn)出突破性技術(shù)。

類比方法：類比方法是基于類比推理的功能求解方法[48]。類比涉及源與目標(biāo)兩類事物，源是熟悉的事物或已存在的問(wèn)題，目標(biāo)是新的事物或待解決的問(wèn)題。類比的過(guò)程是根據(jù)源與目標(biāo)在一系列屬性上相同或相似，而且已知其源還具有其他特定屬性，由此推出目標(biāo)也具有同樣的其他特定屬性的結(jié)論[49]，或認(rèn)為類比是將知識(shí)從源轉(zhuǎn)移至目標(biāo)的過(guò)程，轉(zhuǎn)移的依據(jù)是源與目標(biāo)2個(gè)情境間有著某種相似性。如果源或源設(shè)計(jì)與目標(biāo)或目標(biāo)設(shè)計(jì)的功能相同，通過(guò)知識(shí)轉(zhuǎn)移的方法，源設(shè)計(jì)可為目標(biāo)設(shè)計(jì)提供潛在的解決方案?；谡J(rèn)知科學(xué)中對(duì)類比推理過(guò)程的研究，類比設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)知識(shí)存儲(chǔ)和表征、檢索、目標(biāo)設(shè)計(jì)和源設(shè)計(jì)之間的知識(shí)映射和轉(zhuǎn)移、目標(biāo)設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)生[50-51]。因此，應(yīng)用類比方法，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破。

功能導(dǎo)向搜索方法（FOS）：該方法由Litivn等[52]提出。當(dāng)確定關(guān)鍵功能后，以功能作為關(guān)鍵詞進(jìn)行技術(shù)搜索，以確定實(shí)現(xiàn)該功能在不同領(lǐng)域內(nèi)的成熟技術(shù)，經(jīng)過(guò)評(píng)估后將成熟技術(shù)引入本領(lǐng)域并實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新，所搜索的領(lǐng)域應(yīng)該是不同的工業(yè)領(lǐng)先領(lǐng)域，如航空航天、軍工、機(jī)器人等領(lǐng)域。該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)跨行業(yè)搜索得到的技術(shù)已經(jīng)成熟，將其移植到本領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)較小。

功能–效應(yīng)搜索方法[53-54]：對(duì)已確定的關(guān)鍵功能，應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科或跨學(xué)科中的效應(yīng)可以確定其新的原理解，該原理解可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能物理極限的提升，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破。因此，關(guān)鍵功能可通過(guò)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并得到突破性技術(shù)。

功能–行為–效應(yīng)–原理–結(jié)構(gòu)方法（FBOS）[55]：該方法是功能–行為–結(jié)構(gòu)（FBS）的進(jìn)一步發(fā)展。其中的行為可以是機(jī)械、聲學(xué)、熱力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等不同的行為。效應(yīng)是某類行為之下的不同效應(yīng)，如可以通過(guò)摩擦、振動(dòng)或擠壓效應(yīng)產(chǎn)生力。原理即是將效應(yīng)用簡(jiǎn)單圖形結(jié)構(gòu)表征的原理解。結(jié)構(gòu)是將原理解表征為準(zhǔn)確且精細(xì)的結(jié)構(gòu)。由于采用不同的效應(yīng)，可以產(chǎn)生突破性技術(shù)解決方案。

技術(shù)進(jìn)化[44,53-55]方法：TRIZ中的技術(shù)進(jìn)化系統(tǒng)由技術(shù)進(jìn)化定律與進(jìn)化路線構(gòu)成，技術(shù)進(jìn)化定律代表技術(shù)進(jìn)化的方向，某定律下的一條進(jìn)化路線代表技術(shù)從低級(jí)到高級(jí)進(jìn)化的不同狀態(tài)。將關(guān)鍵功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與選定定律和路線的進(jìn)化狀態(tài)對(duì)比，確定潛力狀態(tài)，這些潛力狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)可能是突破性技術(shù)。

以上這些方法可單獨(dú)應(yīng)用，也可綜合應(yīng)用。

3.3 突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程

以Leifer等[52]所提出的突破性創(chuàng)新3個(gè)特征之一為參考，構(gòu)建從機(jī)遇識(shí)別、關(guān)鍵功能確定、突破性技術(shù)搜索與實(shí)現(xiàn)、后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)化模型，形成結(jié)構(gòu)化方法。

C–TRIZ[53]已構(gòu)建一類基于突破性發(fā)明的突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型。該模型首先以形成突破性發(fā)明為基礎(chǔ)，其次完善后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程，最終形成突破性產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。突破性發(fā)明包括機(jī)遇發(fā)現(xiàn)、機(jī)遇分析、突破性發(fā)明設(shè)想產(chǎn)生、設(shè)想評(píng)價(jià)與概念產(chǎn)生4個(gè)部分。機(jī)遇確認(rèn)是根據(jù)企業(yè)需要和市場(chǎng)環(huán)境狀況，選擇一種目標(biāo)產(chǎn)品，對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)，如果目標(biāo)產(chǎn)品已到成熟期，符合突破性創(chuàng)新的時(shí)機(jī)，就需要考慮進(jìn)行突破性發(fā)明創(chuàng)新。機(jī)遇分析是建立所選產(chǎn)品關(guān)系型功能模型，根據(jù)元件間相互作用的關(guān)系，確定產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)的主功能，建立產(chǎn)品核心技術(shù)子系統(tǒng)物質(zhì)—場(chǎng)模型，確定主功能的工作原理，選擇一個(gè)需要強(qiáng)化的技術(shù)子系統(tǒng)，針對(duì)此子系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)進(jìn)化預(yù)測(cè)，確定技術(shù)潛力狀態(tài)，即為突破性發(fā)明的技術(shù)機(jī)遇。突破性發(fā)明設(shè)想產(chǎn)生是利用類比、功能導(dǎo)向、FBOS等方法搜索所需知識(shí)或技術(shù)進(jìn)行整合，并形成突破性發(fā)明的技術(shù)方案。設(shè)想評(píng)價(jià)和概念產(chǎn)生是根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況對(duì)可以實(shí)現(xiàn)的設(shè)想進(jìn)行評(píng)價(jià)并產(chǎn)生最終創(chuàng)新設(shè)想，然后經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)階段的完善，形成領(lǐng)域解，即突破性創(chuàng)新的產(chǎn)品原理解。之后可以進(jìn)入傳統(tǒng)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，最終開(kāi)發(fā)出滿足市場(chǎng)需要的突破性創(chuàng)新產(chǎn)品。

Wang等[56]構(gòu)建了一類以LT表為基礎(chǔ)的突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型。LT表是將物理量用長(zhǎng)度L（Length）和時(shí)間T（Time）二維量綱表示后匯總的表格。Bartini[57]提出了物理參數(shù)量綱化的具體方法，系統(tǒng)研究了物理常量之間的關(guān)系，建立了一個(gè)由長(zhǎng)度L和時(shí)間T 2個(gè)基本量表示的運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)的各物理量。Wang等構(gòu)建了一類系統(tǒng)化突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型（ESM），包括問(wèn)題確定、功能分析、關(guān)鍵功能選擇、效應(yīng)搜索與選擇、結(jié)構(gòu)構(gòu)建與評(píng)估等幾個(gè)階段。其中效應(yīng)搜索部分采用LT表的方法。

圖3給出了另一種突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型[40]。該模型細(xì)分為7個(gè)步驟：突破性創(chuàng)新的技術(shù)機(jī)遇分析、初步設(shè)想產(chǎn)生、設(shè)計(jì)要素分析、功能設(shè)計(jì)、資源匹配、效應(yīng)搜索與選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該過(guò)程還包含3次評(píng)估，分別為“初步設(shè)想合理性驗(yàn)證”“技術(shù)方案可行性驗(yàn)證”和“方案結(jié)構(gòu)合理性驗(yàn)證”，評(píng)估合格繼續(xù)，否則需返回到之前的相關(guān)步驟，最后完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖3 突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型

4 結(jié)論

突破性創(chuàng)新是對(duì)市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)帶來(lái)顛覆性變革的一類創(chuàng)新。目前已有的研究結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)Leifer等提出的3個(gè)基本特征之一是該類創(chuàng)新成功的指標(biāo)。這些特征的實(shí)現(xiàn)也是突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功的參考。

突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一類，其關(guān)鍵是通過(guò)已有跨學(xué)科效應(yīng)或跨行業(yè)技術(shù)的搜索與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的突破。該類創(chuàng)新設(shè)計(jì)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，但對(duì)提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有戰(zhàn)略意義。

突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型是企業(yè)急需的一類設(shè)計(jì)方法。突破性創(chuàng)新機(jī)遇識(shí)別方法和突破性技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法是該過(guò)程的關(guān)鍵階段。在C–TRIZ框架下已構(gòu)建了幾種過(guò)程模型，并可供企業(yè)參考。目前的研究與Pahl等所構(gòu)建的設(shè)計(jì)過(guò)程模型相比還有很大的發(fā)展空間。

本文將技術(shù)創(chuàng)新管理領(lǐng)域關(guān)于突破性創(chuàng)新的研究成果與突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了橫向關(guān)聯(lián)，使不同領(lǐng)域的平行研究成為上下游關(guān)系。下游借鑒上游的研究成果，上游參考下游的研究方法與目標(biāo)，這為創(chuàng)新設(shè)計(jì)跨學(xué)科研究提供了一種新思路。

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Study of Radical Innovation and Radical Innovative Design

TAN Run-hua, WANG Fan-fan, ZHANG Jun-lei, LIU Fang

(Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

The paper aims to separate the radical innovative design from the radical innovation and innovative design as an independent design method for thematic analysis. The basic method for study is interdisciplinary literature search both in technological innovation management and design. The first, three topics is divided from the studies of the technological innovation management. Then, the analysis is carried out for the studies of the design, engineering design and innovative design. The innovative design is divided into three types and the radical innovative design is one of them. The opportunities, key implement methods for radical technologies and process models for radical innovative design is analyzed. Some conclusions are drawn from the literature analysis. The first is that the three features of radical innovations given by Leifer can be the key features for radical innovative designs. The second, the radical innovative design is a kind of innovative design in which interdisciplinary knowledge and technologies are searched and applied. The topics for the radical innovative design are opportunity identification, radical technology implementation and design process model development. Under C-TRIZ framework a few design models for radical innovation have been developed. The last, the both studies in the technological innovation management and the design for radical innovation can be reference each other. This view is a new thinking for interdisciplinary study of innovative designs.

radical innovation; innovative design; radical innovative design; opportunity identification; radical technologies; design process model

TB472

A

1001-3563(2022)18-0009-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.18.002

2022–08–07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51675159）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（18241837G）；國(guó)家創(chuàng)新方法專項(xiàng)（2020IM020600）

檀潤(rùn)華（1958—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)閯?chuàng)新設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作