基于技术系统进化的节制设计理论及验证研究*

吕 冰，罗国良，李天航，迟筱雯

（济南大学，山东济南 250022）

基于技术系统进化的节制设计理论及验证研究*

吕 冰，罗国良，李天航，迟筱雯

（济南大学，山东济南 250022）

对于产品的创新设计，依据产品技术系统进化的理论，通常会产生一条特定的进化轨迹。然而，在进化过程中，难免会存在一些陷阱，给人类社会和自然带来严重的负面影响。根据节制设计的理论，这些陷阱可称为进化路径负面陷阱。依据节制设计的方式，这些负面陷阱通常可以根据预测分析进行判断，从而避免进化路径进入这个区域。

技术进化；节制设计；负面陷阱

0 引言

自然和谐是道家生态思想的核心，人类社会的本质是自然的，自然是世界的中心，万事万物包括人类社会的最高生态理想是完全态的自然境界。人类的天职是爱护自然、保护环境、维护生态、追求自然的生态和谐。

从新石器时代开始，技术就出现在人类的视野中，人们利用技术制作耕具，从最原始的打猎生活，改变到了耕种粮食的方式，从而推动了人类的进步，进入了农业文明。技术的发展大大地推动了社会的进步，随着技术的发展，社会形式也发生了很大的改变。从工业革命开始，蒸汽动力的发明，改变了原来的社会结构，产生了资产阶级和工人阶级的新的社会阶级。二次世界大战以后，信息技术、自动化等领域产生大量新技术，极大地改变了人们的日常生活。所以，技术在人类文明史上扮演了举足轻重的角色。然而，当技术发展的过快，不计后果的经济增速必然带来严重的代价，如空气污染、水污染和能源枯竭等问题，技术创新轨迹渐渐地引导人们走入了万劫不复的深渊。所以，必须警醒和紧急调整创新机制的进化轨迹。

当代科学的发展，尤其是生物学、遗传学、物理、天体物理以及人工智能等方面的突破，使人们还来不及适应它，它却又向更深的领域跨越。人类必须学会在行动之前更全面地探测危机的本领，人类行为的决策——也可以说“设计”的功能己被提高到经济管理、社会管理和规划人类未来生存方式的高度上来了。基于此，在当代陆续涌现出诸多设计方法。如20世纪40年代末建立起来，并在60年代以后迅速发展的环境伦理学和环境保护运动的延续的绿色设计；根据哲学思想诞生的慢速设计，提倡设计的角色是在与环境相协调的条件下保持社会文化与个性需求的平衡，然而，它仅仅提出了理想化的设计状态，但是没有指出如何解决由设计带来的危机问题；还有一种说法就是低碳化设计，它要求设计部门和设计师必须以节能、低消耗、无污染和可回收利用作为设计行为的首要出发点，从产品设计的最初阶段来降低对自然和环境带来的影响。

1 节制设计的理论基础

对于TRIZ（发明问题解决理论，theory of in⁃ventive problem solving）[1]理论的研究，目前基本上有两种说法，分别为西方理论和苏联理论。前者是根据以前的各种产品模型的参数，然后建立数学模型，通过参数的推敲进行预测。而后者作为一种方法学——技术进化理论，是由前苏联的Altshuller等专家经过对世界的专利库进行大量的分析，总结和归纳了产品结构在不同时期的发展趋势规律，并且，还发现一个工程中总结出来的规律可以运用到另一个工程领域中，也就是技术进化具有传递性。当今技术进化理论有以下几种表现形式：技术进化理论[2]、技术进化引导理论[3]，直接进化理论[4]和技术进化定律[5]。对于这两种理论进行分析对比（表1所示），明显技术进化具有更加科学的依据和优越性。

表1 两种理论分析对比

通过对世界专利库的大量分析，专业人员总结并归纳出了技术从结构上进化的技术进化模式与进化路线。目前有以下几个版本，如：Savran⁃sky的技术进化理论(ET，Evolution of Technique)，Fey and Rivin的技术进化引导理论(GTE，Guided Technology Evolution)，Zusman等的直接进化理论(DE，Directed Evolution)，Petrov的技术进化定律(The law of system evolution)[6]，由于各个理论都有相当复杂的阐述和解释，下文就以DE为例作介绍。

DE如今有8种进化模式[6]：（1）技术系统生命周期分为婴儿期、成长期、成熟期和退出期；（2）增加理想化水平；（3）子系统的不均衡发展导致冲突的出现；（4）增加动态性及可控性；（5）通过集成增加系统功能；（6）部件的匹配与不匹配交替出现；（7）由宏观系统向微观系统进化；（8）增加自动化程度，实现无人化。根据进化的模式的不同，每个模式都有其对应的进化路线，而且进化路线的数量相对庞大，据研究，目前DE中已经确立了350多种进化路线。图1是DE中进化模式和进化路线的树形结构。

图1 DE树形结构

技术进化的路线其本质就是产品如何从一种核心技术移动到另一种核心技术，并且其所完成的基本功能相同。但是进化路线的实施，可以带来很多的优点，比如操作更简便，结构更优化，成本更加低廉等。目前Ideation研究小组已确认了300多条进化路线和50多条市场进化路线，这些进化路线将为设计人员进行设计创新带来非常可观的便利和可实现性，并且通过这些路线，设计出的产品更能符合时代发展的趋势。

市场需求是技术系统开发的原动力，同时也是技术系统易变的结点，理解及获取用户需求经常是创新的第一步，通过研究发现需求处于进化状态，这种进化受客观规律支配，并归纳为5条需求进化定律，即需求进化理想化、需求进化动态化、需求进化协调化、需求进化集成化、需求进化专门化。在很多情况下，需求进化理想化通过需求进化动态化、需求进化集成化及需求进化专门化实现，后三者又经常通过需求进化协调化实现，如图2所示。

图2 需求进化定律系统图

需求进化理想化，指增加需求的数量、提高需求的质量，减少实现这些需求的时间消耗、成本及副作用，这是需求进化的趋势。用公式定性描述：

I——需求进化理想化水平；

Qi——需求的数量；

Qj——需求的质量；

Ck——满足需求所需的成本，包括时间；

Hi——实现需求的副作用。

公式中，需求进化理想化水平趋于无穷大是需求进化理想化进化趋势。根据这种趋势可以有4种方法推进需求进化的理想化，即增加需求的数量、提高需求的质量、减少满足需求的时间及成本、减少实现需求的副作用。

技术系统的进化特征体现在：整体性、不平衡性、开放性、目的性、非线形、相干性、初始状态极端敏感性。其中非线形和初始状态极端敏感性最易导致技术系统进化危机的产生，主要表现在以下两个方面。

非线形的基本含义为：由于技术进化过程中进化节点的存在，导致技术系统及其各子系统在技术进化节点处的混沌状态，整个技术系统进化过程表现为线形线段组成非线形过程。

初始状态极端敏感性的基本含义为：根据复杂性理论，系统的最初状态即使只有细微的差别，那么其后的行为也将是完全不同的，系统这种特征被称为“蝴蝶效应”，技术系统这一特征表现为技术节点一个细微的变化，将可能导致一个巨大的产品群的形成，一个产品进化分支是进化节点的一个偶然因素引起的，但可以进化成一个庞大的产品族。

设计创新的过程实际上是一个发现问题、提出问题、解决问题的过程。产品开发中的每一次创新，都是针对问题的解决过程。TRIZ作为世界经典的发明问题解决理论，其核心就是为解决系统进化中的各种冲突，理想化是TRIZ理论中解决问题的重要途径：

Ideality为理想化水平;

Benefits为效益;

Expenses为代价;

Harms为危害。

代价包括原料的成本、系统所占用的空间、所消耗能量及所产生的噪音等。危害包括废弃物及污染等。

通过以上公式可以了解技术系统理想化水平是受到效益、成本、危害三者决定的，效益和成本是显而易见的，很容易测算，但是危害或者是副作用的代价却很难计算清楚，同时这种代价随着时间的推移还会发生变化，如果这种变化是正向的还可以接受，如果发生负向变化，而且不可控，将产生灾难性后果，大大降低技术系统理想化水平。

2 节制设计的提出

由于人们对于物质和精神上的需求越来越大，这些需求从而刺激技术进步。然而当技术的发展所带来的后果与社会发展产生一定的矛盾时，正确的方式应当是通过改变技术进化轨迹，重新规划设计进化路线，使其避免掉入负面陷阱。产生一些次生技术系统最好在触发阶段，就可以消灭，重新构建替代技术系统，或者通过预判，在虚拟设计阶段就能够发现技术系统的弊端，以及给社会产生的负面影响，不断地更迭各种替代技术，直到这种技术系统能够安全绕过技术陷阱的沼泽地带。当前由于人们对于技术的过度依赖，以及经济增速过快，使得技术进化产生的负面影响彰显出来。

众所周知，当今许多产业的发展都建立在对自然的无情掠夺之上的。比如说汽车工业发展到今天，几乎已经到了耗尽地球石油资源，最终将毁灭地球生态资源的境地，但是这种产业发展已不可逆转，同时补救和补偿措施作用微乎其微。再就是空气污染，最近刚刚报道的北京机场雾霾天，300多架飞机被迫在周边地区进行临时停降。APEC会议于2014年11月在京召开，经国务院批准，除会议保障部门，维持城市运行部门，在京中央国家机关事业单位、社会团体及北京事业单位、社会团体，11月7-12日，放假6天。11月7日至11月12日调休放假，共6天。国家强力部门为了保障空气质量竟然启用这种极端方式，可见无节制的发展带来的恶果触目惊心。

过度的技术使用，还使得地球上的物种濒临灭绝，过度排放引起全球变暖；化学污染降低了生物的免疫力；病毒滋生变异，使人类的生理安全岌岌可危；毒品网瘾败坏了社会风气，杀人抢劫等违法犯罪行为呈现上升趋势；贪污腐败的浊流肆意横行，严重侵蚀了社会风气；道德败坏、缺乏信仰、拜金主义、朋党横行等社会现象比比皆是。作为设计师应当做点什么？可以尝试通过节制设计方式规避以上负面陷阱，创造美好的生理和心理环境。这种方式笔者称之为节制设计理论。

节制设计理论，具体内容如下。

图3 节制设计优化曲线

技术系统进化理想化目标通常是很难实现的，因为进化过程会不断受到外界因素的干扰，进化的结果产生了许多副产品，或者叫作次生产品，而且这种进化几乎不可逆转，甚至无法补偿；如果在产品技术系统开发的模糊前端就能预知这些灾难性后果，就可以做到悬崖勒马，通过相应的技术手段预前判断负面陷阱的区域边界和具体位置，对负面陷阱进行有效规避，建构技术系统创新的免疫创新机制，使发明创新理论体系更加完善，健康。节制设计优化曲线如图3所示。

当然，也可以通过节制设计理论形成工业设计战略来引导市场消费和社会价值观，有效地规范技术创新的选择机制，达到节制设计的目的。政府也可以尝试引入节制设计思想，通过法律政策来对技术创新进行一定的强制引导。

3 节制设计的验证

自19世纪50年代以来，帕克斯试着将胶棉与樟脑混合的时候，惊奇的发现了一种可弯曲的硬材料，那便是最早的塑料，当时称之为“帕克辛”。

后来，人们开始各种形式地挖掘塑料的作用，几乎家庭的所有用品都有塑料的踪迹。就在那时，塑料袋也应运而生，由于其轻便性、价格低廉受到广大人民的喜爱。

但是，塑料的发明还不到100年的时间，如果说当时的人们因为它的诞生而欣喜若狂，那现在就可以形容为人们为之抓狂。并且在英国的《卫报》中，塑料袋不幸的荣获“人类最糟糕的发明”。

英国《卫报》称，我们的地球似乎已经变成了塑料星球，土地、河流、高山、海洋……塑料袋无处不在，直到有一天，我们都已离去，这些东西仍然占据着地球，因为它们是“永存”的。

从20世纪70年代起，塑料袋已经在全世界泛滥成灾，例如北京市一年将扔掉十亿个塑料袋。由于人们对它的过度使用，在商店，超市，商场等，不管你买什么，都能免费的拿取塑料袋，所以大家都已经习以为常了。参考图4，对于塑料袋的使用一直在持续增长。

但是，由于塑料是从石油、煤炭中提取的高分子材料，非常的难以降解，人们的过度使用，已经对人类的自然环境造成了巨大的破坏。重庆市1998年8月就由于嘉陵江、长江上漂浮的塑料袋等白色垃圾堵塞了自来水厂的取水口，致使好几家自来水厂停产减产，害得重庆市民守着两条大江没水喝。

图4 塑料袋的使用情况

不仅如此，塑料袋还危害着我们的生态环境。据报道，西安动物园发生5只鹿和一只美洲驼不明不白死去的严重事件，当专家进行动物解剖时发现，动物的胃里居然含有几公斤的塑料垃圾。

虽然塑料袋的发明给人们的生活带来了便利，但是，由于过度使用，使其走向了极端。也就是技术进化由于市场的特殊需求，陷入了负面陷阱当中，必须重视节制设计这一概念，只有通过节制设计，才能有效调整技术进化的路线，使产品的技术系统进化能够真正造福人类。

针对过度的塑料袋使用，中国商务部、国家发展改革委和国家工商总局在借鉴国际和国内部分地区的限塑经验的基础上，共同颁布了商品零售场所塑料购物袋有偿使用管理办法，并于2008年6月1日生效[7]。这个政策规定了禁止所有商场免费提供塑料袋，对塑料袋的收费不得低于其成本价格。并且提倡大家使用绿色环保的购物袋进行使用。还有一种现状就是，各国都在研制可降解的塑料，来降低塑料袋对环境的破坏。根据实行的塑料袋限制法规，人们使用塑料袋的频率得到了明显的降低，如表2所示。

济南大学机械学院工业设计系以吕冰教授领衔的创新团队，研究并创新发明了两款“报纸纸袋加工机”（如图5、图7所示），分别是手动报纸纸袋加工机和全自动报纸纸袋加工机，分别申请了发明专利。

图5 手工报纸纸袋加工机

表2 政策执行前后指标统计描述

由于人们在任何时刻都离不开袋子的使用，并且需要的量还比较大，所以如果可以自己在家里进行袋子的制作，并且使用起来还特别方便快捷，那就能大大的降低人们对塑料袋的需求。

废旧报纸经过简单的裁剪后，放入这个装置，经过一系列加工可以折叠成一个标准纸袋。该纸袋可以盛放垃圾，即实现了对报纸的再利用，又减少了垃圾的乱扔现象，是一款环保的生活机械。辅以精美的外形，使其与家庭环境融为一体，既是一个实用机械，又是一个工艺饰品。

该产品利用了节制设计的理论和方法，适度将技术系统进化路线进行了调整，利用了生态环保的木质结构，并且还能将报纸进行二次利用，一方面减少了塑料袋的使用，一方面又减小了报纸的浪费，可谓一石二鸟。该加工机的结构如图6所示。

图6 手工报纸纸袋加工机结构图

当在一些小区和公共场所，对于纸袋的需求量比较大地方，可以使用全自动报纸纸袋加工机，制袋效率高，可以免费赠送，大大提高公民的公共卫生意识，创建良好的公德环境。

图7 全自动报纸纸袋加工机

4 结论

基于此案例可见，在袋子的技术系统进化过程中，由于人们对其轻便、廉价的社会需求，导致了塑料袋技术的过度发展并误入负面陷阱。通过节制设计对技术进化路线进行适度干涉，使其规避前行。对于产品的创新设计，依据技术系统进化的理论，通常会产生一条特定的进化轨迹，但是当轨迹曲线进入一些技术陷阱，会给人类社会和自然带来一定的危害。根据节制设计的理论，这些负面陷阱通常是可以预测分析的，进而通过有效地规避设计，提高技术系统进化的价值，优化国家的产业结构。

［1］Altshuller G.The Innovation Algorithm，TRIZ，System⁃atic Innovation and Technical Creativity［R］.Worces⁃ter：Technical Innovation Center，1999.

［2］ Savransky S D.Engineering of Creativity［M］.New York：CSC Press，2000.

［3］Fry V R，Rivin E I.Guided Technology Evolution［EB/ OL］.http：//www.trizgroup.com/article2.html，1999.

［4］Zusman A，Zlotin B，Zainiev G.An Application of Di⁃rected Evolution［EB/OL］.http：//www.ideationtriz. com/Endos-copic_Case_Study.htm.

［5］ Petrov V.The Law of System Evolution［EB/OL］. http：//www.triz-journal.com，2002.

［6］李少波.TRIZ进化理论支持的进化过程研究［D］.贵阳：贵州大学，2009.

［7］何浩然，陈安来.中国限制塑料袋使用的政策效果及国际经验借鉴［J］.中国人口、资源与环境，2010（11）：167-174.

Verification Research on the Restraint Design Theory Based on Technology Evolution

LV Bing，LUO Guo-liang，LI Tian-hang，CHI Xiao-wen
（University of Jinan，Ji'nan250022，China）

For the improvement of innovative product design，based on the product technology theory of evolution，usually produces a specific evolutionary trajectory.However，in the course of evolution process，it is inevitable there will be some pitfalls，have serious negative impact on human society and nature.According to the theory of restraint design，these traps can be a negative trap of evolutionary path.Based on the method of restraint design，these negative trap can usually be judgment based predictive analysis，to avoid evolution enter this area.

technology evolution；restraint design；negative trap

TB47

：A

：1009－9492(2014)12－0001－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.001

吕 冰，男，1968年生，山东兖州人，硕士，教授。研究领域：产品系统创新设计、产品结构分析设计，产品形象设计、基于技术系统进化的创新方法理论。已发表论文20篇。

(编辑：阮 毅)

*山东省自然科学基金资助项目（编号：ZR2010EL026）

2014－11－12