第2章技术系统的进化法则

第2章技术系统的进化法则一个产品或物体都可以看做是一个技术系统，技术系统可以简称为系统。系统是由多个子系统组成的，并通过子系统间的相互作用来实现一定的功能，子系统可以是零件或部件甚至于构成元素。系统是处于超系统之中的，超系统是系统所在的环境，环境中的其他相关的系统可以看做是超系统的构成部分。技术系统的进化是指实现系统功能的技术从低级向高级变化的过程，进化是客观进行着的，不管人们是认识了它还是没有认识它。如果认识和掌握了系统的进化规律，有利于设计者开发出更先进的产品，从而提升产品的竞争力。同样地，对系统的子系统或元件进行持续改进，以提高整个系统的性能，也属于技术系统的进化过程。在介绍技术系统的进化论之前，有必要先了解一点进化论的主要内容，以便更好地理解和掌握技术系统的进化法则。2.1三大进化论说起进化，人们自然会联想到达尔文，因为达尔文的生物进化论一举终结了长期统治人们思想

的神创论。其实，在达尔文的生物进化论之外，还存在着另外 2个进化论，一个是社会学界的社会达尔文主义，另一个是技术领域的技术系统进化论。因为社会达尔文主义所极力倡导的是自由放任的资本主义社会制度，所以一直到近些年来，在国内才可以了解到有关社会达尔文主义的相关信息。而技术系统进化论属于TRIZ理论，TRIZ发源于20世纪中期的苏联，属于苏联的国家秘密而不被世人所知，直到20世纪90年代初，苏联解体后，TRIZ才开始传播到欧美等发达国家。而我国对TRIZ的研究和应用才刚刚起步，所以人们对技术系统的进化论还是相当陌生的。下面先简要介绍一下生物进化论和社会达尔文主义，然后详细介绍技术系统的八大进化法则。1.1达尔文和生物进化论生物学进化论是作为神创论的对立面而出现的。 18世纪以前，《圣经》及其宣扬的神创论在西方的学术界、知识界以及整个西方文化中占据着统治地位。神创论认为，地球及万物是上帝在大约6000年以前，即公元前4004年10月26日上午9时创造出来的。自从被上帝创造出来以后，地球上的生命没有发生任何变化!在那个时代，大多数人相信世界是上帝有目的地设计和创造的，由上帝制定的法则所主宰，是有序谐调、安排合理、美妙完善且永恒不变的。第1个提出完整进化论思想的是法国生物学家拉马克(1744一1829)。通过大量化石和近代生物系统分类研究，拉马克越来越坚定地认识到，生物经历了一个从简单到复杂、从低级到高级的进化过程，物种不是像《圣经》中说的那样是由上帝创造的，物种是变化的。他在《动物哲学》中提出著名的“获得性遗传”原则。比如长颈鹿，在古代时它的脖子并不像现在这么长，是一种类似玲羊的原始动物。长颈鹿生活在干旱的非洲，靠吃树叶为生，吃光了低处的树叶后，不得不拼命伸长脖子吃高处的树叶，于是脖子渐渐变长了。这种获得的特征又传给了后代，一代又一代传下去， 长颈鹿的脖子就越变越长，最后成为我们今天看到的这个样子。人们公认，拉马克为达尔文的科学进化论的诞生奠定了基础，他的《动物哲学》和达尔文的《物种起源》 被称为现代进化论思想的两大源泉。达尔文，1809年2月出生在英国的施鲁斯伯里。于1831年12月到1836年10月乘坐英国“贝格尔号”军舰进行了长达5年的环球考察，收集了大量的生物化石和标本。 1842年，他写出《物种起源》的简要提纲，但迫于当时强大的神创论力量，他将书稿交给妻子收藏，盼咐在他死后才可以发表。随后的时间里，其他的一些科学家相继提出了类似的进化论观点并向达尔文进行讨教，达尔文终于在1859年发表了著名的《物种起源》。在这部书里，达尔文旗帜鲜明地提出了进化论的思想，说明物种是处在不断的变化之中，是由低级到高级、由简单到复杂的演变过程。《物种起源》 的问世，第一次把生物学建立在完全科学的基础上，以全新的生物进化思想，推翻了神创论和物种不变的理论。《物种起源》是达尔文进化论的代表作，标志着进化论的正式确立。《物种起源》的出版，在欧洲乃至整个世界都引起轰动。它沉重地打击了神权统治的根基，从反动教会到封建御用文人都狂怒了。他们群起攻之，诬蔑达尔文的学说“亵渎圣灵”，触犯“君权神授天理”，有失人类尊严。紧接着，达尔文又开始他的第2部巨著《动物和植物在家养下的变异》的写作， 以不可争辩的事实和严谨的科学论断，进一步阐述他的进化论观点，提出物种的变异和遗传、生物的生存斗争和自然选择的重要论点，并很快出版了这部巨著。晚年的达尔文，尽管体弱多病，但他以惊人的毅力，顽强地坚持进行科学研究和写作，连续出版了《人类的由来》等很多著作。 1882年4月19日，这位伟大的科学家因病逝世，人们把他的遗体安葬在牛顿的墓旁，以表达对这位科学家的敬仰。达尔文进化论主要包括4个子学说：一般进化论物种是可变的，现有的物种是从别的物种变来的，一个物种可以变成新的物种。这一点早已被生物地理学、比较解剖学、比较胚胎学、古生物学和分子生物学等学科的观察、实验所证实，我们现在甚至可以在实验室、野外直接观察到新物种的产生。所以这是一个科学事实，其可靠程度跟“地球是圆的”、“物质由原子组成”一样。在今天，除了极其个别的由于宗教信仰偏见而无视事实的人，实际上已无生物学家否认生物进化的事实。共同祖先学说所有的生物都来自共同的祖先。分子生物学发现了所有的生物都使用同一套遗传密码，生物化学揭示了所有生物在分子水平上有高度的一致性，最终证实了达尔文这一远见卓识。所以这也是一个被普遍接受的科学事实。自然选择学说自然选择是进化的主要机制。自然选择决定生物进化的方向，自然选择的存在，是已被无数观察和实验所证实的，所以这也是一个科学事实。但是现在学术界一般认为，自然选择的使用范围并不像达尔文设想的那么广泛。自然选择是适应性进化(生物体对环境的适应)的机制，对于非适应性的进化，有基因漂移等其他机制，所以不能用自然选择来解释所有的进化现象。考虑到适应性进化是生物进化的核心现象，说自然选择是进化的主要机制，也是成立的。渐变论生物进化的步调是渐变式的，是一个在自然选择作用下累积微小的优势变异的逐渐改进的过程，而不是跃变式的。这是达尔文进化论中较有争议的部分。在达尔文在世时以及死后相当长一段时间，大部分生物学家，特别是古生物学家都相信生物进化是能够出现跃变的，认为新的形态和器官是摞自大的跃变，而不是微小的变异在自然选择的作用下缓慢而逐渐地累积下来的。包括赫青黎在内的一些古生物学家由于强调生物化石的不连续性，而持这种观点。在遗传学诞生之后的一段时间内，早期遗传学家们由于强调遗传性状的不连续性，也普遍接受跃变论。 在20世纪40年代，"现代综合"学说将遗传学和自然选择学说成功地结合起来，渐变论逐渐占了优势。但是近二三十年来，古生物学和进化发育生物学的研究表明，生物进化过程很可能是渐变和跃变2种模式都存在的，跃变论又有抬头的趋势。不过进化论所说的跃变，除了某些非常特殊的情形(例如植物经杂交出现新种)，并非是指在一代或数代之间发生的进化，而可能经历了数千年、数万年乃至数百万年，只不过以地质年代来衡量显得很短暂而已。斯宾塞和社会达尔文主义斯宾塞(HerbertSpencer，1820-1903)，英国哲学家、教育学家、社会学家、心理学家和早期进化论者。斯宾塞是达尔文和马克思的同时代人，是社会达尔文主义理论的主要创始人之一。1850年发表了第一部著作《社会静力学》。1852年发表论文《进化的假说》，首次提出社会进化论思想。斯宾塞一直有一个梦想，那就是要创造一部“综合哲学”，在这部“综合哲学”中能够包括所有的知识类型，比较有名的是《第一原理》、《生物学原理》、《心理学原理》、《社会学原理》、《伦理学原理》等。斯宾塞的社会有机体论集中反映在他的《社会学原理》第一卷中，他将社会与生物有机体进行了 6项类比，得出了3个结论：1)社会是一个体系，一个由相互联系的各个部分构成的紧密整体；这个体系只能从其结构运转的意义上去理解；体系要存在下去，它的需求就必须得到满足。这些观点开启了结构功能理论的先河。斯宾塞将社会进化定义为某种现象的不连贯的、无序的分布状态向连贯的、有序的变化状态的转变。他使用来自生物学的类比，追溯社会从简单向复杂的发展。他先于《物种起源》约10年发明了“适者生存”的术语。斯宾塞“终身狂热地仇恨国家权力”，认为最好的政府是统治最少的政府。斯宾塞声称，所有的系统不可避免地从不那么有组织的状态向越来越有秩序的状态进步， 自由放任的资本主义是社会进步的关键。他论证说，资本主义所展示的无情的经济竞争应受到鼓励，以便人类社会获得可与展现于自然之中的效率相媲美的效率。在《社会静力学》中，斯宾塞声称自由企业保证了个人和机构迅速地适应于其变化的环境。那些不能适应的人所遭受的痛苦提供了一种激励因素，以便下一次做得更好。人类以降低冲突，使社会和谐最大化从而有利于生存的方式来适应生活。斯宾塞把他的整个思想建立在进化论的基础上，而且丝毫不加反思。这就导致了“社会进化论”的不好名声。阿奇舒勒和技术系统进化论阿奇舒勒于1946年开始创立TRIZ理论，其中重要的理论之一是技术系统进化论。阿奇舒勒技术系统进化论的主要观点是技术系统的进化并非随机的，而是遵循着一定的客观的进化模式，所有的系统都是向“最终理想化”进化的，系统进化的模式可以在过去的专利发明中发现，并可以应用于新系统的开发，从而避免盲目的尝试和浪费时间。阿奇舒勒的技术系统进化论主要有八大进化法则，这些法则可以用来解决难题，预测技术系统，产生并加强创造性问题的解决工具。这八大法则是：1）技术系统的S曲线进化法则；2） 提高理想度法则；3） 子系统的不均衡进化法则：4） 动态性和可控性进化法则：5） 增加集成度再进行简化的法则；6） 子系统协调性进化法则；7）向微观级和增加场应用的进化法则；8）减少人工介入的进化法则。下面，就详细解释阿奇舒勒的技术系统这八大进化法则。2.2八大技术系统进化法则2.2.1技术系统的S曲线进化法则阿奇舒勒通过对大量的发明专利的分析，发现产品的进化规律满足一条S形的曲线。产品的进化过程是依靠设计者来推进的，如果没有引人新的技术，它将停留在当前的技术水平上，而新技术的引人将推动产品的进化。S曲线也可以认为是一条产品技术成熟度预测曲线。图2-1是一条典型的S曲线。S曲线描述了一个技术系统的完整生命周期，图中的横轴代表时间；纵轴代表技术系统的某个重要的性能参数（39个工程参数详见随后的第4章第一节的内容），比如飞机这个技术系统，飞行速度、可靠性就是其重要性能参数，性能参数随时间的延续呈现 S形曲线。一个技术系统的进化一般经历4个阶段，分别是：1）婴儿期2） 成长期3） 成熟期4） 衰退期每个阶段都会呈现出不同的特点。

图2-】吕曲线1•技术系统的诞生和婴儿期当有一个新需求、而且满足这个需求是有意义的 2个条件同时岀现时，一个新的技术系统就会诞生。新的技术系统一定会以一个更高水平的发明结果来呈现。处于婴儿期的系统尽管能够提供新的功能，但该阶段的系统明显地处于初级，存在着效率低、可靠性差或一些尚未解决的问题。由于人们对它的未来比较难以把握，而且风险较大，因此只有少数眼光独到者才会进行投资，处于此阶段的系统所能获得的人力、物力上的投入是非常有限的。TRIZ从性能参数、专利级别、专利数量、经济收益 4个方面来描述技术系统在各个阶段所表现岀来的特点，以帮助人们有效了解和判断一个产品或行业所处的阶段，从而制定有效的产品策略和企业发展战略。处于婴儿期的系统所呈现的特征是：性能的完善非常缓慢，此阶段产生的专利级别很高，但专利数量较少，系统在此阶段的经济收益为负。详见图 2-2。图齐阶戎的持总技术系统的成长期（快速发展期）进入发展期的技术系统，系统中原来存在的各种问题逐步得到解决，效率和产品可靠性得到较大程度的提升，其价值开始获得社会的广泛认可，发展潜力也开始显现，从而吸引了大量的人力、财力，大量资金的投入会推进技术系统获得高速发展。从图2-2可以看到处于第2阶段的系统，性能得到急速提升，此阶段产生的专利级别开始下降,但专利数量出现上升。系统在此阶段的经济收益快速上升并凸显出来，这时候投资者会蜂拥而至，促进技术系统的快速完善。3•技术系统的成熟期在获得大量资源的情况下，系统从成长期会快速进入第3个阶段；成熟期，这时技术系统已经趋于完善，所进行的大部分工作只是系统的局部改进和完善。从图2-2可以看到处于成熟期的系统，性能水平达到最佳。这时仍会产生大量的专利，但专利级别会更低，此时需要警惕垃圾专利的大量产生，以有效使用专利费用。处于此阶段的产品已进入大批量生产，并获得巨额的财务收益，此时，需要知道系统将很快进入下一个阶段衰退期，需要着手布局下一代的产品，制定相应的企业发展战略，以保证本代产品淡岀市场时，有新的产品来承担起企业发展的重担。 否则，企业将面临较大的风险，业绩会岀现大幅回落。4.技术系统的衰退期成熟期后系统面临的是衰退期。此时技术系统已达到极限，不会再有新的突破，该系统因不再有需求的支撑而面临市场的淘汰。从图 2-2可以看到处于第4阶段的系统，其性能参数、专利等级、专利数量、经济收益4方面均呈现快速的下降趋势。当一个技术系统的进化完成4个阶段以后（比如图2-3中的系统A，必然会岀现一个新的技术系统来替代它（比如图2-3中的系统B，C）,如此不断的替代，就形成了S形曲线族，见图2-3所示。2.2.2提高理想度法则技术系统的理想度法则包括以下几方面含义。1） 一个系统在实现功能的同时，必然有2方面的作用：有用功能和有害功能；2）理想度是指有用作用和有害作用的比值；3） 系统改进的一般方向是最大化理想度比值；4） 在建立和选择发明解法的同时，需要努力提升理想度水平。也就是说，任何技术系统，在其生命周期之中，是沿着提高其理想度向最理想系统的方向进化的，提高理想度法则代表着所有技术系统进化法则的最终方向。 理想化是推动系统进化的主要动力。 比如手机的进化、计算机的进化。最理想的技术系统应该是：并不存在物理实体，也不消耗任何的资源，但是却能够实现所有必要的功能，即物理实体趋于零，功能无穷大，简单说，就是“功能俱全，结构消失”。提供理想度可以从以下4个方向予以考虑：1）增加系统的功能；2）传输尽可能多的功能到工作元件上；3）将一些系统功能移转到超系统或外部环境中；4）利用内部或外部已存在的可利用资源。子系统的不均衡进化法则技术系统由多个实现各自功能的子系统（元件）组成，每个子系统及子系统间的进化都存在着不均衡。1）每个子系统都是沿着自己的S曲线进化的；2） 不同的子系统将依据自己的时间进度进化；3） 不同的子系统在不同的时间点到达自己的极限，这将导致子系统间矛盾的出现；4） 系统中最先到达其极限的子系统将抑制整个系统的进化，系统的进化水平取决于此子系统；5） 需要考虑系统的持续改进来消除矛盾。掌握了子系统的不均衡进化法则，可以帮助我们及时发现并改进系统中最不理想的子系统，从而提升整个系统的进化阶段。通常设计人员容易犯的错误是花费精力专注于系统中已经比较理想的重要子系统，而忽略了“木桶效应”中的短板，结果导致系统的发展缓慢。比如，飞机设计中，曾经出现过单方面专注于飞机发动机，而轻视了空气动力学的制约影响，导致飞机整体性能的提升比较缓慢。动态性和可控性进化法则动态性和可控性进化法则是指：1）增加系统的动态性，以更大的柔性和可移动性来获得功能的实现；2）增加系统的动态性要求增加可控性。增加系统的动态性和可挖性的路径很多，下面从4个方面进行陈述。向移动性增强的方向转化的路径本路径反映了下面的技术进化过程：固定的系统T可移动的系统T随意移动的系统。比如电话的进化：固定电话T子母机T手机。增加自由度的路径本路径的技术进化过程：元动态的系统T结构上的系统可变性T微观级别的系统可变性。即:刚性体T单镀链T多镀链T柔性体T气体/液体T场。比如，飞机的进化：直板机T翻盖机；门锁的进化：挂锁T链条锁T密码锁T指纹锁。增加可控性的路径本路径的技术进化过程：无控制的系统T直接控制T间接控制T反馈控制T自我调节控制的系统。比如城市街灯，为增加其控制，经历了以下进化路径：专人开关T定时控制T感光控制T光度分级调节控制。改变稳定度的路径本路径的技术进化阶段：静态固定的系统T有多个固定状态的系统T动态固定系统T多变系统。增加集成度再进行简化法则技术系统趋向于首先向集成度增加的方向，紧接着再进行简化。比如先集成系统功能的数量和质量，然后用更简单的系统提供相同或更好的性能来进行替代。增加集成度的路径本路径的技术进化阶段：创建功能中心T附加或辅助子系统加入T通过分割、向超系统转化或向复杂系统的转化来加强易于分解的程度。简化路径本路径反映了下面的技术进化阶段：1）通过选择实现辅助功能的最简单途径来进行初级简化；2） 通过组合实现相同或相近功能的元件来进行部分简化；3） 通过应用自然现象或"智能"物替代专用设备来进行整体的简化。单一双一多路径本路径的技术进化阶段：单系统T双系统T多系统。双系统包括：1） 单功能双系统：同类双系统和轮换双系统，比如双叶片风扇和双头铅笔；2） 多功能双系统：同类双系统和相反双系统，比如双色圆珠笔和带橡皮擦的铅笔；3） 局部简化双系统：比如具有长、短双焦距的相机；4） 完整简化的双系统：新的单系统。多系统包括：1）单功能多系统：同类多系统和轮换多系统；2） 多功能多系统：同类多系统和相反多系统；3） 局部简化多系统；4） 完整简化的多系统：新的单系统子系统分离路径当技术系统进化到极限时，实现某项功能的子系统会从系统中剥离出来，进入超系统，这样在此子系统功能得到加强的同时，也简化了原来的系统。比如，空中加油机就是从飞机中分离出来的子系统。子系统协调性进化法则在技术系统的进化中，子系统的匹配和不匹配交替出现，以改善性能或补偿不理想的作用。也就是说技术系统的进化是沿着各个子系统相互之间更协调的方向发展。即系统的各个部件在保持协调的前提下，充分发挥各自的功能。匹配和不匹配元件的路径本路径的技术进化阶段：不匹配元件的系统T匹配元件的系统T失谐元件的系统T动态匹配/失谐系统。调节的匹配和不匹配的路径本路径的技术进化阶段：最小匹配/不匹配的系统T强制匹配/不匹配的系统T缓冲匹配/不匹配的系统T自匹配/自不匹配的系统。工具与工件匹配的路径本路径的技术进化阶段：点作用T线作用T面作用T体作用。匹配制造过程中加工动作节拍的路径本路径反映了下面的技术进化阶段：1）工序中输送和加工动作的不协调；

2）工序中输送和加工动作的协调，速度的匹配；3）工序中输送和加工动作的协调，速度的轮流匹配；4）将加工动作与输送动作独立开来。2.2.7向微观级和场的应用进化法则技术系统趋向于从宏观系统向微观系统转化，在转化中，使用不同的能量场来获得更佳的性能或控制性。向微观级转化的路径本路径反映了下面的技术进化阶段：1）宏观级的系统；2）通常形状的多系统平面圆或薄片，条或杆，球体或球；3） 来自高度分离成分的多系统如粉末，颗粒等，次分子系统（泡沫、凝胶体等）T化学相互作用下的分子系统T原子系统；4） 具有场的系统。转化到高效场的路径本路径的技术进化阶段：应用机械交互作用T应用热交互作用T应用分子交互作用T应用化学交互作用T应用电子交互作用T应用磁交互作用T应用电磁交互作用和辐射。增加场效率的路径本路径的技术进化阶段：应用直接的场T应用有反方向的场T应用有相反方向的场的合成T应用交替场/振动/共振/驻波等T应用脉冲场T应用带梯度的场T应用不同场的组合作用。分割的路径本路径的技术进化阶段：固体或连续物体T有局部内势垒的物体T有完整势垒的物体T有部分间隔分割的物体T有长而窄连接的物体T用场连接零件的物体T零件间用结构连接的物体f零件间用程序连接的物体T零件间没有连接的物体。2.2.8减少人工介入的进化法则系统的发展用来实现那些枯燥的功能，以解放人们去完成更具有智力性的工作。减少人工介入的一般路径本路径的技术进化阶段：包含人工动作的系统作完全代替人工。在同一水平上减少人工介入的路径本路径的技术进化阶段：包含人工作用的系统工减少人工介入的一般路径本路径的技术进化阶段：包含人工动作的系统作完全代替人工。在同一水平上减少人工介入的路径本路径的技术进化阶段：包含人工作用的系统工f用能量源替代人工。不同水平间减少人工介入的路径本路径的技术进化阶段：包含人工作用的系统f在决策水平上替代人工。f替代人工但仍保留人工动作的方法f用机器动f用执行机构替代人工f用能量传输机构替代人f用执行机构替代人工f在控制水平上替代人工2.3技术系统进化法则的应用技术系统的八大进化法则是TRIZ中解决发明问题的重要指导原则，掌握好进化法则，可有效提高问题解决的效率。同时进化法则可以应用到其他很多方面，下面简要介绍 5个方面的应用：1）产生市场需求；2）定性技术预测；3）产生新技术；4）专利布局；5）选择企业战略制定的时机。2.3.1产生市场需求产品需求的传统获得方法一般是市场调查，调查人员基本聚焦于现有产品和用户的需求，缺乏对产品未来趋势的有效把握，所以问卷的设计和调查对象的确定在范围上非常有限，导致市场调查所获取的结果往往比较主观、不完善。调查分析获得的结论对新产品市场定位的参考意义不足，甚至出现错误的导向。TRIZ的技术系统进化法则是通过对大量的专利研究得出的，具有客观性和跨行业领域的普适性。技术系统的进化法则可以帮助市场调查人员和设计人员从进化趋势确定产品的进化路径，引导用户提出基于未来的需求，实现市场需求的创新。从而立足于未来，抢占领先位置，成为行业的引领者。定性技术预测针对目前的产品，技术系统的进化法则可为研发部门提出如下的预测：1）对处于婴儿期和成长期的产品，在结构、参数上进行优化，促使其尽快成熟，为企业带来利润。同时，也应尽快申请专利来进行产权保护，以使企业在今后的市场竞争中处于有利的位置。2）对处于成熟期或衰退期的产品，避免进行改进设计的投入或进入该产品领