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基于破坏性创新机理的工程创新方法
基于破坏性创新机理的工程创新方法
檀润，孙建广
摘要:
面向企业需求挖掘破坏性创新机理，并构造工程创新方法是工程科学的研究课题。
以企业需求为背景，以破坏性创新主要条件可归纳性、源产品性能状态可识别性为基础，将工程传统新产品开发过程与破坏性机遇识别、破坏性概念设计与方案评估过程相融合，构造了一类破坏性工程创新方法。
关键词:
破坏性创新；创新机理；机遇识别；工程创新方法
1前言
破坏性创新又译为颠覆性创新，由哈佛大学商学院Christensen提出[1]。
其是指引入低于主流市场上成熟产品的性能指标，依托新的特征吸引低端用户或新用户，并通过性能的不断提升实现创新，继而在竞争中取代在位企业的领先地位。
由于该类创新开创了一种新的创新模式，能帮助企业抓住发展先机并实现竞争优势的突破，因此不仅是理论研究热点[2]，而且是企业创新驱动发展亟需应用的模式。
破坏性创新基本原理自提出到现在，对其内涵及其如何实现的理论研究从未停止过。
已有的研究分为两类，即完善对其出现的事后认识和事前出现的原因及过程的研究[3]。
第一类研究很多，如吴佩等[4]认为价值链的任一环节都存在低端市场或新市场破坏的机遇；谢福泉等[5]认为非主流技术构建是实现对主流技术替代的关键；周江华等[6]则认为破坏性包括技术、产品或商业模式的创新；Nagy等[7]给出了确认破坏性创新的3步法；Solomon[8]通过商业模型架构证明了技术驱动与市场拉动破坏性商业模式创新的不同特征。
第二类研究是破坏性创新出现的前因和过程[3]，预测该类创新出现的条件并构建其形成模型，如李飞等[9]构建了包括破坏性创新的框架；Petrick等[10]针对变化的世界提出了发现及解决问题的10步法，认为该模型适合于破坏性创新的产生；Raja[11]认为特殊领先用户对铺平破坏性技术产生道路有特殊作用。
尽管这两类研究均取得了很多成果，但研究主要集中于经济与管理领域，未形成适合企业工程师研发过程运用的结构化模型与方法，企业破坏性创新的模式依然是试验纠错方法，破坏性创新是偶然出现的结果。
工程创新是指那些发生在工程活动中的创新[12]。
破坏性创新是通过开发破坏性技术与产品并占领低端或新市场实现的，新技术与产品的破坏性开发属于工程创新研究的范畴，破坏性创新方法应该是工程创新方法的一种类型。
以经管领域关于破坏性创新的理论研究成果为基础，应用已有工程与技术创新方法构建破坏性创新方法，应是工程创新方法研究的一个新方向。
目前，在工程创新方法领域已开展了该类研究，孙建广等[13]应用发明问题解决理论（TRIZ）中的技术进化构建了破坏性创新实现模型；郭靖等构建了以功能差异化为基本方法的新市场破坏设计过程模型[14]，还提出了破坏性创新定量评估模型[15]；檀润华与孙建广[16]提出了系统分析、状态识别及破坏性创新实现的结构化方法；檀润华[17]在C-TRIZ构建了一类破坏性创新机遇发现与实现结构化模型。
这些研究以企业工程师应用为视角，构建了破坏性创新过程模型，但突出与企业已有工程传统方法的融合依然是该类研究亟待解决的问题。
本文首先在梳理已有研究结果的基础上，以企业工程师应用为目标研究其产生的机理，即归纳破坏性创新产生的条件及基于系统分解的破坏性创新机遇的产生过程，之后与企业工程传统的新产品开发方法融合，构建一类结构化破坏性创新方法。
2破坏性创新产生的条件
Christensen等[18]归纳了破坏性创新4个方面的特征：
由于某些方面的性能不佳而不受主流用户的关注；在已有产品上增加的新功能或特征不受主流用户重视；成本低且获利潜力有限；随着时间的推移及技术的不断改进，将吸引包括主流用户在内的越来越多的用户。
Keller等[19]对上述的特征进行了完善与补充，指出破坏性创新产生的新兴市场未引起主流市场重视，为推出该类产品的企业提供了发展空间。
陈卉等[20]对过去20年国际管理主流期刊所发表的关于破坏性创新文献进行了分析研究，指出了破坏性创新的4个必要特征：
初始目标关注低端市场或全新市场；在降低主流市场用户所重视特征的同时满足目标市场用户所看重的特征；沿着新技术轨迹发展；是一个由低端不断提升直至满足主流市场用户需求的过程。
破坏性创新出现的另一个特征是被破坏的产品已经进入成熟期，其技术是主流技术，占领了主流市场，形成了可观的用户群，在这种条件下才有可能出现破坏性创新。
上述关于破坏性创新特点的研究成果是工程破坏性创新方法研究的基础。
破坏性创新方法是为企业工程师开发结构化方法，首先要研究破坏性技术与产品产生的条件，之后以之为前提，启动破坏性开发过程。
2.1低端破坏产生的条件
低端破坏性创新的主要特征为：
存在这样的低端用户，他们愿意购买质量有保障但性能较差的产品；企业可以降低产品价格，其方法是降低主流技术指标，或简化制造工艺过程，以保障产品获得可观的利润。
低端用户不是特殊的固定群体，是愿意承受降低产品主流技术指标的部分消费者。
新兴企业以争取被在位企业忽视了的低端用户为破坏性创新的开始，通过建立针对低端用户的营销机制蚕食市场份额，同时随着技术的不断改进，逐渐进入主流市场。
开发破坏性创新产品的目标是对在位企业的主流产品实施“破坏”，首先应选定一个处于成熟期的待破坏产品，称为“源产品”，以此为对象开发破坏性创新产品，称为“目标产品”。
总结上述的特征，以企业新产品开发的视角，可归纳出低端破坏性创新出现的如下3个条件。
条件1：
源产品处于成熟期。
待实施破坏性创新的源产品在市场上已处于成熟期，生产该类产品的企业是在位企业，其技术是市场上该类产品的主流技术，并已占领了主流市场。
条件2：
部分用户需求过度满足。
产品的部分技术指标超出了一些用户的需求。
条件3：
存在低端用户群。
对主流技术降低要求存在一定规模的用户群。
2.2新市场破坏产生的条件
新市场破坏产生的市场特征为[18]：
存在潜在用户群，这些用户对产品的主流功能性能的要求可以降低，而对产品的附加功能性能有新的或更高的要求。
主流用户最重视产品性能的改进，是产品持续创新的直接推动者，而新市场用户可以承受产品“传统”主要性能指标的降低，但对其非主要性能指标希望能得到改进。
产品中非主流技术的水平决定其非主要性能指标，企业可以有目的地改进与提升非主流技术，以此吸引新用户，当该用户群增加到较大数量时，新市场破坏成为可能。
新市场破坏的根源是存在对产品性能需求具有差异的用户群，如图1所示。
主流与非主流技术进化均存在技术极限，技术极限与当前技术水平之间的差距称为技术潜力，非主流技术潜力P远远大于主流技术潜力Pm。
新市场破坏发生的自然过程是非主流技术水平不断提升，主流技术进化逐渐停止或主动降低，组成产品的各项技术重要程度重新划分，原有主流市场受到冲击。
图1产品技术进化分布状态
总结上述特征，可归纳出新市场破坏需要满足如下3个条件。
条件1：
源产品处于成熟期。
待实施破坏性创新的源产品在市场上已处于成熟期，生产该类产品的企业是在位企业，其技术是市场上该类产品的主流技术，并已占领了主流市场。
条件2：
构成源产品的各种技术进化严重不平衡。
非主流与主流技术之间存在的潜力差为△P=P-Pm，该值越大，实施破坏性创新的可能性越大。
条件3：
存在新的用户群。
这些用户需要进化滞后的技术。
3破坏性创新机遇识别方法
为了研究产品破坏性创新实现的过程与方法，首先应对选出的源产品进行分解，确定其组成子系统或模块，之后分析其当前性能状态及未来可能的变化，从中发现可能的破坏性创新机遇。
3.1源产品分解
产品是用来交换的人工制品，其技术系统是由相互联系、相互作用的子系统形成的一个整体，是能实现产品总功能和综合行为的统一体。
根据系统构成原理，源产品可分解为执行、传动、控制与能源四个子系统，每个子系统又可分解为下一级的子系统。
图2是采用树形分解方法对一个已知产品进行分解的示意图。
为避免产品分解层次过多，分解的最小单元应为产品的模块，或为产品生产时的外购单元，这些模块或单元具有单一功能及对用户具有可识别的性能。
最终得到的分解项为n项，表示为E={E1，E2，E3，…，En}。
产品进化可通过子系统的进化表现出来，伴随着产品的进化，用户需求和相关协同技术均处于进化状态。
不同用户群的不同需求推动着产品进化的过程。
协同技术是指与某项分功能实现技术协同进化的技术，一般是指影响产品某项技术水平的其他领域的技术。
3.2技术子系统进化状态
破坏性创新机遇的出现是组成技术系统的各子系统进化不平衡导致的结果。
这种不平衡可以用雷达图的方法定量表征，如图3所示。
其中虚线区域代表用户需求的性能En，实线区域代表技术子系统实际提供的性能Ep。
为了便于描述，假设技术系统E由6个子系统组成，E=﹛E1，E2，…，E6﹜，对应的用户需求的性能为En1~En6，技术子系统实际提供的性能为Ep1~Ep6。
图2技术系统分解模型
技术系统进化过程中有如下6种典型状态。
状态1：
最优性能状态（Optimalperformancestate，OPS）
该状态是破坏性创新所追求的最优状态，如图3a所示。
在这种状态下，组成技术系统各子系统的性能恰恰满足用户需求、资源消耗低、性价比高。
状态2：
理想技术状态（Idealtechnologicalstate，ITS）
该状态是技术系统所处的最合理状态。
在这种状态下，各子系统的性能与主流技术当前所处的状态相符，如图3b所示。
实际技术系统的各个子系统之间往往存在着冲突，某个子系统性能的提高会导致另一个子系统性能的恶化，即各技术子系统技术进化过程中存在相互作用与相互制约。
因此，ITS在现实产品技术系统中很难实现。
图3b中的MTES（mainstreamtechnologicalevolutionstate，MTES）为主流技术进化状态，由行业内主流技术发展状态决定[21]。
状态3：
极限技术状态（Limittechnologicalstate，LTS）
该状态是持续性创新的目标，如图3c所示。
其特征是各子系统的性能均达到各自的技术极限。
企业为了应对市场竞争，通常要最大限度地提高产品各项性能指标，但由于各子系统技术进化过程中的相互作用与制约，LTS在现实产品技术系统中很难实现。
状态4：
性能过度状态（Over-satisfiedneedstate，ONS）
该状态下，一些子系统的性能超出了用户需求，如图3d所示。
产品持续性创新过程是不断提高其性能指标的过程，不注意各子系统性能指标的平衡将导致ONS。
ONS的出现是低端破坏机遇的特征。
状态5：
性能不足状态（Dissatisfiedneedstate，DNS）
该状态的特征是一些子系统的性能指标明显低于其用户需求，如图3e所示。
该状态的出现是用户某些需求增加与相关子系统性能提升较慢导致的结果。
平衡已增加的需求与子系统性能提升的过程孕育了新市场破坏创新的机遇。
状态6：
技术进化滞后状态（Insufficienttechnologyevolutionstate，ITES）
该状态的特点是一些子系统的性能明显低于当前主流技术水平，如图3f所示。
通过改进设计提升这些子系统的性能指标是系统进化的方向。
3.3破坏性创新机遇识别
产品创新过程是其各子系统所采用技术不断进化的过程，如图4所示。
图3技术系统进化状态
图4技术系统进化模型
当产品的技术进化进入成熟期后，其进化状态为：
→Sn-1→Sn→Sn+1→
其中，Sn-1、Sn、Sn+1分别为进化的过去、当前及未来状态。
系统进化到当前状态Sn时，出现了En4>Ep4，即技术系统进化出现性能不足状态（DNS），子系统进化的不平衡为系统带来了破坏性创新机遇。
可以识别如下低端破坏与新市场破坏两类不同形式的机遇。
低端破坏性机遇（LDN）：
为了恰恰满足用户需求，降低子系统性能E1和E2。
此时，在潜力状态SLDI处En1≈Ep1，En2≈Ep2。
E1和E2的降低，可以降低成本及价格，实现对部分用户的低端破坏性创新。
新市场破坏性机遇（NDI）：
为满足用户需求，增加子系统E4的性能。
该子系统功能得到强化，吸引部分用户群购买此产品，其结果开辟了新市场破坏性创新机遇。
另外，功能的增强将导致成本及技术复杂性的增加，对主流性能E1和E2的适当降低可以弥补这一不利因素的影响。
综合评价这两种机遇，并对企业可用资源进行评估，可以制定相应的破坏性创新策略，并加以实施。
如果条件不允许，也可以按照持续性创新轨迹继续发展，直至进入退出期状态Sn+1，然后进行突破性创新，使系统进化到下一条S曲线。
4面向破坏性创新的工程创新方法
4.1工程传统方法
企业工程创新的目标是开发市场有需求、技术可行、能为企业带来长期效益的新产品。
产品创新在企业内部是一个动态且复杂的系统过程，创意开发、产品开发、市场开发三部分是其主要活动或阶段。
创意开发在模糊前端阶段实现，该阶段通过对企业外部与内部的扫描，发现潜在机遇或初始机遇并产生创意，并将创意输出给下一个阶段。
产品开发过程将上一阶段所输入的创意转变为产品，该过程由设计与制造两阶段组成，产品设计又分为概念设计、技术设计、详细设计三个阶段。
新市场开发是将上一个阶段所生产产品的商业化过程。
由这三个阶段组成的新产品开发系统称为企业传统新产品开发系统，如图5所示。
图5企业传统新产品开发系统
图5中的一个子过程称为新技术开发。
为了保证企业为市场提供的产品可靠，组成产品各子系统的相关技术均应相对成熟，对于不成熟甚至还未完成开发的技术需要进一步开发，待其相对成熟后可为新产品开发过程选用，这类开发过程称为新技术开发，一些企业设有专门研发机构从事新技术开发工作。
从复杂的产品开发活动中抽出主要的活动，构建模型加以研究，是一个去粗取精的方法。
图5所示模糊前端、新技术开发、新产品开发及商业化组成的模型为企业传统新产品开发过程模型。
该模型滤掉了管理活动，保留了主要的技术活动，我国很多制造企业目前依然按照该过程开发新产品。
该模型继承了国内外多年来企业、行业设计制造的经验及理论界研究成果，即继承了工程传统，工程师们可依据该模型及模型各阶段的活动开发新产品。
破坏性产品也是一类新产品，而且是在源产品即已有产品基础上的变异。
源产品是由传统新产品开发方法产生人造物，通过对已有开发方法的变异应能开发破坏性产品。
如果用破坏性创新机遇替代模糊前端，由该类机遇驱动新产品开发过程，可能开发出破坏性创新产品。
构造以破坏性创新机遇驱动且与传统新产品开发过程融合的结构化过程模型即为一类新型破坏性工程创新方法。
4.2一类破坏性工程创新方法
破坏性工程创新方法是将图5所示模型专门化的过程，即采用破坏性创新机遇替代模糊前端，并使后续的新产品开发、新技术开发及商业化过程适应于破坏性创新，从而形成新的创新过程模型。
为了能抓住破坏性的本质，我们认为新技术开发蕴含于新产品开发过程之中，是新产品开发的内在组成部分，即传统新产品开发过程由模糊前端、新产品开发及商业化三个阶段组成，新产品开发的设计阶段又包括概念设计、技术设计与详细设计。
破坏性创新过程首先应识别出现该类机遇的可能性。
如果存在机遇，应以再设计规格说明的形式表达破坏性创新需求，之后转入传统新产品开发的概念设计阶段；如果不存在机遇，可以终止研发过程，也可继续持续性创新活动。
概念设计结果一般获得多个设计方案，需要评估决定这些方案是否具有破坏性创新性，并从中选出或经过重新组合确定需要后续开发的方案，之后进入技术设计及后续的开发过程。
综上所述，破坏性创新过程包含4个阶段：
破坏性创新机遇识别、机遇驱动的破坏性创新概念设计、破坏性评估、后续的开发过程，如图6所示。
其中破坏性概念设计及后续的开发过程是传统新产品开发过程的主要子过程。
前三个过程是本研究的内容（如下文所述），后一个过程可应用已有的工程创新方法。
第1阶段：
破坏性创新机遇识别过程
第1步：
选择源产品。
根据企业实际和市场环境状况，选择一种待改进的产品为源产品，作为被破坏性的标杆。
第2步：
技术成熟度预测。
对源产品进行技术成熟度预测，产品性能随时间变化、专利数量随时间变化等4组曲线可用于预测技术成熟度[22]。
第3步:
路径判断。
如果选定的源产品不在成熟期，说明产品市场不成熟，不适合破坏性创新过程，重新选择源产品。
如果源产品处于成熟期，继续后续操作。
第4步：
源产品组成技术分解。
应用反向鱼骨图或经验将选定产品的组成技术进行分解，识别并确定各底层子系统，构建各子系统技术进化状态图。
第5步：
子系统技术进化状态平衡判断。
如果各子系统技术进化平衡，不适合破坏性创新，转向持续性创新。
反之，如果进化不平衡，继续后续操作。
第6步：
破坏性创新机遇分析与确认。
分析各子系统技术进化状态图，确认低端破坏、新市场破坏或两者的混合破坏的机遇。
第7步：
构建破坏性创新设计规格说明：
再设计规格说明。
将该说明作为破坏性创新机遇及后续概念设计的需求。
第2阶段：
机遇驱动的破坏性创新过程
该过程为再设计过程，是传统工程创新过程，但其输入由上一阶段识别确定的破坏性创新机遇替代，并以再设计规格说明表达。
根据已有的规格说明，概念设计产生多个设计方案，经过方案组合及评估确定最好方案，经过后续技术设计、详细设计、制造与商业化过程实现破坏性创新。
已有很多关于概念设计过程的研究。
在经典的工程设计方法中，P&B[23]构造了概念设计的详细过程模型；冯培恩等[24]提出了产品基因转录、翻译与复制的产品概念设计方法；刘晓敏等[25]构建了以TRIZ为核心的二级类比概念设计方法；祖耀等[26]提出了具有迭代特征的复杂机械产品概念设计方法；陈光柱等[27]构建了模糊多目标免疫算法并将其应用于概念设计；张建辉等[28]将计算机辅助创新技术应用于产品的概念设计。
研发人员可选择其中的一种或几种方法完成概念设计，也可应用本企业已积累的概念设计知识及经验进行设计。
图6破坏性创新过程模型
概念设计、技术设计、详细设计及制造过程均有可能出现发明问题，均属于“一次发明过程”，即“发明过程C或D或E或M”。
一次发明过程为：
应用C-TRIZ[17]中的基本发明过程或支持发明过程获得解决方案，这些方案应反馈到出现发明问题的阶段，再经过本阶段完善形成发明，即形成领域发明，将领域发明输出，继续后续的传统开发过程，最后将产品推向市场。
第3阶段：
评估
概念设计阶段产生了多个设计方案，评估的目的是确定这些方案是否属于破坏性创新，并去掉不属于破坏性创新的方案，通过评估的方案继续后续的开发过程并形成破坏性创新产品。
评估的过程如图6所示。
图中的再设计规格说明是破坏性创新设计过程的起点，概念设计是其关键阶段，需要对概念设计阶段形成的多个设计方案进行评估。
将破坏性创新方案评估作为一个独立的阶段是该模型的一个特色。
工程传统方法中已形成完整的开发活动，但不包含破坏性方案评估。
因此，设置专门的评估阶段可以使过程更加完善。
郭靖等[15]已构建破坏性创新方案评价模型，且提出了破坏性创新方案的概率计算公式p，还给出了详细的评估过程、过程中的参数选择、计算方法及案例，可供参考。
如果计算结果为p>50%，则可以判断被评估的方案为破坏性设计，返回到传统创新过程，继续技术设计及后续的过程；反之，返回到概念设计阶段继续完善已有设计方案并评估；一直到找到确定的破坏性设计方案为止。
图6所示的破坏性创新过程模型与上述3阶段详细开发活动构成了一类破坏性工程创新方法。
该方法在继承了工程传统方法的基础上，增加了破坏性创新机遇识别、发明过程的引入与多方案评估过程，形成了一种结构化的破坏性创新方法。
该方法的核心是概念设计，如果其输入是模糊前端阶端的创意，则开发过程属于传统过程；如果其输入是由破坏性创新机遇确定的再设计规格说明，则过程为破坏性创新开发过程。
应用该方法的过程中，企业已有的新产品开发过程不变，可根据需要确定是否引入破坏性开发过程，从而实现了工程传统方法的变异。
5结论
（1）以企业工程师应用为目标，归纳了低端破坏与新市场破坏性创新产生的条件。
即处于技术成熟期的产品，如果其各性能指标不均衡，并存在低端或新市场用户群，则可对选出的源产品实施破坏性创新。
（2）依据上述条件，构建了破坏性创新机遇的识别方法，该方法由技术系统分解、各子系统性能状态图建立与识别过程组成。
（3）将破坏性创新出现的条件、机遇识别方法与企业已有工程传统新产品开发方法融合，构建了一类四阶段结构化破坏性创新方法。
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