技术系统进化

颜惠庚 李 弘

（常州市技术创新方法研究会，江苏 常州 213031）

任何一个有生活和工作经验的人都十分清楚一个事实，所有的产品都有生命周期，老产品在不断死亡、消失，新产品在不断地取代原有的老产品。不仅如此，随着科学技术的不断进步，更新换代的节奏也在不断加快。这也就意味着，一个企业想要做成百年老店是一件多么不容易的事，商场如战场，企业间的竞争就是你死我活的战斗。

那么接下来的问题就是：怎样才能保持技术领先，让企业和产品立于不败之地。这就是本讲将着重讨论的问题：技术系统进化法则，这也是TRIZ 九大经典理论之一。

技术预测的研究起始于二十世纪中叶，最初应用于军工产品，即对武器及其部件的性能进行预测，然后逐渐应用到民用产品之中。在长期的研究过程中，如何预测未来技术的发展以及快速开发新一代产品，已经成为市场竞争强有力的武器。理论界提出了多种技术预测方法，而TRIZ 的技术进化理论恰恰是众多产品技术预测理论中最具优势和生命力的。

在TRIZ 理论中，阿奇舒勒提出了关于产品生命周期的S 曲线进化法则，此外还有关于技术系统发展演变的八大进化法则（即八种进化途径），其中包括：完备性法则、能量传递法则、协调性法则、提高理想度法则、子系统不均衡进化法则、动态性进化法则、向微观级进化法则和向超系统进化法则。

1 S 曲线进化法则

阿奇舒勒通过对大量发明专利的分析，发现产品的进化规律都满足一条S 形的曲线，如图1 所示。

图1 中横坐标代表发展时期，纵坐标代表技术系统的性能参数。一个技术系统的进化一般都有经历四个过程，分别是婴儿期、成长期、成熟期和衰退期。

图1 S 曲线

1.1 婴儿期

当技术系统处于婴儿期时，尽管它能够提供新的功能，但存在着效率低、成本高、可靠性差或一些尚未解决的问题。由于人们对其未来比较难以把握，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、物力方面的投入是非常有限的，此阶段的产品处于负利润期。例如：最早期的火车，其运行速度比牛车还要慢。

1.2 成长期（快速发展期）

进入成长期的技术系统，系统中原来存在的各种问题会逐步得到解决，效率和产品可靠性会得到较大程度地提升，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、物力和财力，大量资金的投入会推进技术系统获得高速发展。

处于成长期的产品开始获利并进入不同的细分市场，系统及其部件会有些适度的改变，这个阶段是产品生命周期中最好的阶段。

1.3 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三个阶段——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局部的改进和完善。处于成熟期的系统特点是系统会消耗大量的特定资源、系统被赋予一些与其主要功能完全不相关的附加功能、系统发展寄希望于新的材料和技术（如纳米材料）、系统的改变主要是外在的变化。同时，由于市场竞争激烈，产品利润逐步降低。

当产品处于成熟期，企业应当努力降低成本、改善外观，增添系统服务功能的可能性，简化系统或与其他系统和技术相结合，并需要着手布局下一代的产品，制定相应的企业发展战略，以保证本代产品在淡出市场时，有新的产品来承担起企业发展的重担。

1.4 衰退期

成熟期后产品面临的是衰退期，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。处于衰退期的产品，其性能参数、专利等级、专利数量和经济收益等四个方面均呈现快速下降趋势。

当一个技术系统的进化完成四个阶段以后，必然会出现一个新的技术系统来替代它，如此不断地替代，就形成了S 形曲线族，如图2 所示。

图2 S 曲线族

随着产品的不断更新换代，形成了该类产品的进化曲线族。对此TRIZ 理论提供了一种识别和确认产品所处状态的技术，即首先总结出特定时间内与产品相关的专利数量、专利级别、市场利润和产品性能的基本变化规律，通过对当前产品的相关参数变化情况，就可以确定该产品处于生命周期的哪个阶段，从而为制定产品开发策略提供参考。

2 完备性法则

任何产品的创新与进化都遵循着一定的规律。要想实现某项功能，一个完整的技术系统必须包含以下四个部件：动力装置、传输装置、执行装置和控制装置（如图3 所示）。它们最终的目标是使产品达到最理想的功能与状态。

图3 技术系统完备性

(1)动力装置：从能量源获取能量，转化为系统所需的能源。

(2) 传输装置：把能量或场传递给执行装置。

(3) 执行装置：对系统作用对象实施功能，常称为“工具”。

(4) 控制装置：控制其他组件如何协调，以实现功能。

技术系统从能量源处获得能量，并将能量转换后作用到对象上。系统如果缺少其中的任一部件，就不能成为一个完整的技术系统；如果系统中的任一部件失效，则整个技术系统也将无法“幸存”。例如：一辆马车的动力装置是马，传输装置是车轴，执行装置是车辕和车轮，控制装置是鞭子。

完备性法则有助于确定实现所需技术功能的方法并节约资源，利用它可以对效率低下的技术系统进行简化。

3 能量传递法则

技术系统要实现其功能，必须保证能量从能量源流向技术系统的所有零部件。反之，如果技术系统中的某个零件不能接收能量，将会影响其发挥作用，而整个技术系统则不能执行其有用功能，或者有用功能作用的发挥将会大打折扣。

技术系统能量传递进化法则主要表现在两个方面。

第一，技术系统要实现其功能，必须保证能量从能量源流向技术系统的所有元件。如果技术系统中的某个元件不接收能量，就不能发挥作用，则整个技术系统就不能执行其有用功能，或者有用功能的作用不足。如图4 所示的多米诺骨牌，如果中间某个骨牌不能将前一个骨牌的能量接收并传递给下一个骨牌的话，整个骨牌系统将无法把能量从第一个骨牌顺利地传递到最后一个，令人赏心悦目的美妙场景也将无法实现。

图4 多米诺骨牌中的能量传递

第二，技术系统进化应该沿着使能量流动路径缩短的方向发展，以减少能量损失。如图5 所示的手摇绞肉机中的能量传递，用刀片旋转运动代替刀的垂直运动，能量传递路径缩短、能量损失减少，同时提高了效率。

图5 手摇绞肉机中的能量传递

掌握了“能量传递法则”，有助于减少技术系统的能量损失，保证其在特定阶段提供最大效率。

4 协调性法则

有效技术系统存在的必要条件是协调技术系统的进化，沿着使整个系统的各个子系统之间互相更为协调、与超系统更加协调的方向发展，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。

子系统间的协调性主要表现在以下几个方面。

(1) 结构上的协调。例如：早期积木只能摞、搭，而现代积木可自由组合、随意插合成不同的形状，如图6 所示。

图6 积木的结构协调性

(2) 各性能参数之间的协调。例如：网球拍需要考虑两个性能参数的协调，一方面要将球拍整体重量降低，以提高其灵活性；另一方面要增加球拍头部重量，以保证产生更大的挥拍力量，如图7 所示。

图7 网球拍性能参数的协调性

(3) 工作节奏/频率上的协调。例如：板材生产线、洗瓶作业，如图8 所示。

图8 板材生产线与洗瓶作业

如果很好地掌握了协调性法则，就可以让技术系统发挥出最大的功能。现代化军事指挥系统是由电子计算机、指挥运算程序、通信网络、终端和各分系统之间的接口形成的体系结构，要搞好这个体系运作，没有结构、性能参数与工作节奏上的协调一致是难以想象的。

5 提高理想度法则

这一法则规定技术系统应当沿着提高理想度的方向进化，贯穿其整个寿命的始终，趋向更加简单、可靠、有效，它是八大技术系统进化法则的首要法则。例如：为了使有限空间的房间变得更加宽敞，可以将原本分散开的衣柜、电视柜、酒柜等家具组合成一套功能齐全而又完整的组合柜。

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，必然有两方面的作用：有用功能和有害作用。

(2) 理想度是指有用功能和有害作用的比值。

(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并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，如图9 所示。

图9 手机的进化

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”。

6 子系统不均衡进化法则

技术系统中的子系统及子系统之间的进化都存在着不均衡的现象，均以不同的速率进化。系统越复杂，其子系统的发展就越不均衡，这就导致了技术矛盾的出现和技术系统的进化。例如：CPU 作为电脑中的重要子系统，如果没有达到和其他零部件一样先进的水平，就不能使这台电脑达到理想化的状态。

作为发明问题的源头，与主要的有用功能的发展抵触最大的子系统，往往是系统中发展最快的子系统。如图10 所示，船舶是指能航行或停泊于水域进行运输或作业的工具，船舶从史前刳木为舟起，从原始的渡水工具到筏、独木舟、木板船、桨船、帆船和钢船的发展历程来看，船舶的推进也由19 世纪的依靠人力、畜力和风力（即撑篙、划桨、摇橹、拉纤和风帆）发展到使用机器驱动，同时其船体和导航设备等发生了翻天覆地的变化，但是停泊轮船的缆柱却基本上没有什么变化。

图10 船的类型

7 动态性进化法则

技术系统的发展变化就像生物进化一样存在着一些客观规律，以我们身边的产品为例，如切割工具，经历了从刚性刀子到铰接剪子、从线切割到水切割又到激光切割的进化过程；教师们使用的教鞭，经历了从木杆教鞭到伸缩教鞭又到激光教鞭的进化过程……总之，技术系统的进化是朝着结构柔性、可移动性和可控性方向发展的，这就是动态性进化法则。

动态性进化法则通常又具体分为三个子法则：提高柔性子法则、提高可移动性子法则、提高可控性子法则。

7.1 提高柔性子法则

进化方向：刚性的—单铰链—多铰链—柔性体—气体/液体—场。

例如：键盘的演变脉络是从一体化的刚性键盘到折叠式键盘，再到柔性键盘，进而发展为液晶键盘，最后进化到激光键盘。如果将键盘核心技术的这种演变过程抽象出来，会发现它是按照从刚性到铰链式，再到完全柔性，然后到液体、气体，一直到场的进化路线。其实很多产品和技术的发展也是沿着这条路线不断进化的，比如切割技术，从原始的锯条到砂轮片，再到高压水射流，直至激光切割等，在本质上也是沿着和键盘同样的演变路线不断发展。

如图11 所示，测量长度的工具经历了从刚性直尺到折叠尺、从柔性卷尺到激光测距的进化过程。

图11 测量工具的进化

7.2 提高可移动性子法则

进化方向：固定的系统—可移动的系统—随意移动的系统。

技术系统诞生时通常是静态的、不灵活的、不变的。在技术系统进化过程中，其动态性和可控性会提高，也就是有针对性变化的适应力会提高，而这种有针对性的变化可以保证系统适应可变的系统工作条件，对环境的相互作用也会提高。电话的进化如图12 所示，固定电话—子母机—移动电话（手机）。

图12 电话的进化

7.3 提高可控性子法则

进化方向：单独控制方式—集群控制方式—自动控制方式。

例如：楼道里声控灯的使用，居民只要咳嗽一声或者跺一下脚，灯就亮起来了，这种进化就体现了人为控制的作用。

系统的可变性是为了向可控性增强的方向进化，提高动态性和可控性进化法则呈现的路线很多。

8 向微观级进化法则

该法则规定技术系统是沿着其元件分解的大致方向进化的，这种技术进化的过程是由大到小、由宏观系统向微观系统的转化过程，也就是说技术系统（主要是执行装置）最初在宏观上进化；当资源耗尽时，就开始在微观上进化了。如图13 所示，电子元件向微观级的进化是：电子管—晶体管—集成电路。

图13 电子元器件的进化

9 向超系统进化法则

任何先进的技术系统都会走这样一条路：沿着从简单系统向两个、多个系统或不同系统混合的方向进化。技术系统向超系统进化主要有两种类型。

第一种类型：技术系统的进化是沿着从单系统—双系统—多系统的方向发展。

日常所使用的小刀，其功能单一，就是切东西。然而，现在使用的是一种组合刀，可以从中抽出来的不只是小刀，还有起子、指甲刀、锥子、餐叉、小齿锯、螺丝刀和镊子等具有其他功能的工具。这些原来各自独立分离的物品最终形成了一个统一却又保留了原来功能的新产品。最为典型的例子1 就是如图14 所示的瑞士军刀，又常称为瑞士刀或万用刀，是集许多工具在一个刀身上的折叠小刀，并由于瑞士军方最早为士兵配备这类工具刀而得名。

图14 瑞士军刀

瑞士军刀中的基本工具常为圆珠笔、牙签、剪刀、平口刀、开罐器、螺丝起子、镊子等。在使用这些工具时，只要将它从刀身的折叠处拉出来，就可以使用。

第二种类型：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，再转移至超系统。

作为超系统的一部分，在该子系统的功能得到增强改进的同时，也简化了原有的技术系统。例如：空中加油机在长距离飞行时，飞机需要在飞行中加油。最初，燃油箱是飞机的一个子系统；进化后，燃油箱脱离了飞机，进化至超系统。以空中加油机的形式给飞机加油，飞机系统简化，不必再携带数百吨的燃油。

以上系统介绍了TRIZ 理论中关于技术系统进化的所有内容。本讲内容看似枯燥而复杂，但其地位却比前面几讲的任何内容都更加重要。这是由于技术系统进化是关乎企业生存发展的具有战略意义的理论，而技术矛盾、物理矛盾和创新思维等基本上只属于战术层面的理论。如果说企业家的理想是建立“百年老店”的话，那么不了解和掌握技术进化法则的成功就完全建立在“侥幸”的基础之上。