科研方向创新的理念与方法

苏义脑

1) 中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206 2) 北京科技大学井下智能控制研究院，北京 100083

本文讨论关于科研方向创新的方法，它较多地涉及文献[1]论述的工程哲学理念.

首先对“创新”一词加以解读.党中央国务院高度重视科技创新，做出深入实施创新驱动发展战略的重大决策部署.温家宝总理曾在2005年度国家科学技术奖励大会的报告中对科技创新的重要性做过精辟论述，并指出科技创新的三种形式，即原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新.科技创新成为当前全国上下耳熟能详的热词，但细究起来，究竟什么是科技创新，它有哪些内涵、有何特点、如何界定、又如何验证.

早在我国古代典籍如《周书》、《魏书》中就有“创新”一词出现，最早的一部百科词典《广雅》有“创，始也”的解释.在西方，英语中Innovation（创新）源于拉丁语，它原有三层含义：一是更新，二是创造新物，三是变更现状.对理念和思路的成功变革也是创新，而且是更重要的创新，它是理论创新和技术创新的基础和源头.学科交叉是科技创新的重要方式，也是当今科技创新的一个突出特点.优秀的科技团队是科技创新的主体.坚持不懈是科技创新成功的保证.转化和应用是科技创新成功的标准.

其次讨论什么是方向创新.所谓科研的方向创新，就是提出新的科研方向，明确攻关目标和任务.德国物理学家海森堡曾说过：“提出正确的问题往往等于解决了问题的大半.”笔者在给北京博士后联谊会的寄语中说过：“科研的最高境界就是十个字：知道干什么，知道怎么干.”这里的“提出正确的问题”和“知道干什么”指的就是科研方向创新.科研方向创新属于战略层面，至于“怎么去解决问题”和“知道怎么干”则属于战术层面.

笔者曾将工程技术的发展和创新归结为三个类型，即“无中生有，优中求优，物美价廉”，一个原创技术的发展也包括这三个阶段.所谓“无中生有”，就是发明，就是原始创新；所谓“优中求优”，就是在诸多的同类技术中加以深化研发，是指在功能或技术性能指标上超过同类技术；所谓“物美价廉”，就是在保证技术或产品质量的前提下追求降低成本，使之具有更好的性价比，这样才会有更大的市场占有率和受众面，从而获得更大的经济与社会效益.对于上述三个类型或曰三个阶段进行介入，都可以找到相关的研究方向.

为便于讨论，有必要对工程科技中常用到的概念和术语如发现、发明、工艺、技术、工程的内涵加以说明.根据笔者的理解，工艺是指用一定的工具（装备），按一定方法（软件）去完成的一个过程操作；技术则是工艺、工具、方法、软件的统称；工程是用一种或多种技术去完成的实体操作；发现是首次揭示原本存在的事物或规律，“率先性”是其特征；而发明则是指首次创造未有之物，“新颖性”是其特征.

以下探讨科研方向创新的方法.

2006年笔者写过有关科研创新方法的32字口诀如下:

科研创新方法偶感

寻找矛盾，打破平衡.转换视角，正反纵横.

第一原理，分层否定.检讨双方，妥协折衷.

所谓“寻找矛盾，打破平衡”，指看待一个系统，要有对立统一观点，因为任何问题，都是包含矛盾的，里面都有不同的矛盾侧面相互交织，对立依存，形成一个整体.要想发展一个技术—发展就是打破现状，建立新的东西—一定要在系统里边寻找矛盾，确定哪一个方面是主要的，打破矛盾的一方，促成矛盾的转化，从而建立起新的系统.要维持一个旧的系统，就要协调矛盾，力求平衡，取中庸之道；而要打破旧系统，就要激化矛盾，打破平衡，取创新之道.打破平衡就预示着发展.

所谓“转换视角，正反纵横”，就是当审视一个技术体系，作为一个技术问题来探讨，或者作为一个专业问题、作为一个行业问题来看，都要从不同角度去看，正面看、反面看，纵向看、横向看，多角度来看这个问题，启发思路，而不要只从一个方面看.

所谓“第一原理，分层否定”，就是做事情强调“第一原理”.这里指第一原理B[1].当来了一个科研任务或提出一个新问题时，首先不看资料，而是自己去想，自己去认识，然后再去看资料，看别人是怎么做的.这样，不管看到多少资料，往往会保留自己原来的一些想法.如果什么问题都不去思考，拿到问题先去看人家的资料，看了那么多的专利和文章，到最后自己是六神无主没有想法，即使有也往往是模仿别人的，失去了自己思考的余地；“分层否定”，指一个科研问题，有不同的级别，不同的层次，譬如说进行力学分析，建立的力学模型往往是有假设的，如果把这个力学模型的假设修改了，这个问题的模型实际上也就变了，模型修改说明否定的层次比较高.当然也有同样一个模型，有人用特殊函数来解的，而你是用差分来解的，这是方法上的否定，这种否定比模型假设的修改要低一层次.否定的层次越高，将来的创新就越大.

所谓“检讨双方，妥协折中”，搞工程的要解决实际问题，要把很多东西组合在一起形成一个实际的系统.但在实际的设计方案中，往往是要妥协的.什么叫“设计”？我给出的定义是：“设计就是综合考虑多种因素，最终达成妥协.”这就是第一原理C[1]的内涵.

在上述32字口诀基础上，笔者进一步总结提出方向创新的具体方法“第一原理，需求引领，顺势外推，学科交叉，反向思维，节点穷举”和模型树、节点法的概念，使方向创新有法可循，而且这种方法具有广义性，不局限于某一专业，甚至对于人文学科也会有一定的参考价值.

1.第一原理

这里指第一原理A即“理想化原理”.正如文献[1]所述，第一原理A的内涵是把某一技术理想化，从各个方面都是最优的，现实技术与理想化之间必定存在差距，这些差距就是要创新研究的方向.以汽车为例，根据理想化状态的“适应性强（可在城市、山地、极地、水里、空中行驶）”这一条，就产生了适于城市道路的小轿车，适于野外道路的越野车，适于低温和冰雪道路条件的极地汽车，可在水里行驶的水陆两栖汽车，现在已研发出交通拥堵时可在空中飞行的概念车，等等.根据理想化状态的“性能好（速度快，平稳、自动化、安全，舒适）”这一条，产生了大马力的汽车发动机、ABS自动平衡系统、高配置音响与装修、自动导航系统、定位雷达和无人驾驶智能汽车.根据理想化状态的“经济性好（节能，环保，价格低，寿命长）”这一条，产生了节能汽车、电动汽车、混合动力汽车等，新材料的应用和自动化生产线大幅度地提升了汽车的寿命和降低了汽车的制造成本.每一项性能的改进和指标的提升，无不对应着一项或多项新技术的研发，而这些新技术的提出均可以通过第一原理A经对比找到差距，解决这些差距就是科技创新的方向.

2.需求引领

此处的需求是广义的，可以是市场需求、社会需求、政府需求，等等.恩格斯有句名言：“社会上一旦有技术上的需求，则这种需求就会比十所大学更能把科学推向前进.”重大社会需求是产生科研新方向的重要途径，重大工程需求是产生一系列多种技术新方向的重要途径.例如战争的需求导致了原子弹、氢弹和导弹的产生，对环境的保护导致了清洁能源的开发，对地球深层认知的需求导致了万米钻机的研发，我国北方水资源的匮乏和对水源的需求导致了南水北调工程，等等，这种例子不胜枚举.对于油气工业，也存在多种不同层面的需求，如对地下资源精细了解的需求催生了三维地震技术，对于提高单井油气产量和采收率的需求催生了水平井钻井技术，对于钻进过程中及时和准确掌握地下情况催生了随钻测量技术和地质导向钻井技术，等等.在这里了解需求是第一位的，这是战略科学家的基本任务，只要知道需求，就会提出新的研究方向.当然，技术的发展是有阶段性的，受制于现阶段科学技术的总体发展水平，也即存在可行性问题.对于一些超前的研究方向，当前做不到并非没有意义，随着技术的发展，制约瓶颈逐渐得到克服，则终归可以实现，这就是一些科研新方向须经多年才能完成的原因之一.对此笔者曾提出过新技术“审视期”这一概念[2]，即一项具有生命力的创新技术一旦出现后要等待相关的技术配套才能逐步完善的时间过程.

3.顺势外推

顺势外推指的是任何技术的发展都遵循一定的规律，也有一定的发展趋势，如果掌握了这一发展规律，则可通过逻辑顺推，去进行发展趋势的预测，也就可以找到未来科研的新方向.以钻井技术的发展为例：我国是世界上最早开始钻井的国家，始于先秦时期，钻井技术长期居世界领先地位，这在四川自贡的盐业博物馆有大量史料可以证明.英国科学家李约瑟在其《中国科学技术发展史》一书中对中国古代的钻井技术给予很高的评价.有些专家称中国古代的钻井技术是我国对世界的“第五大发明”.清代道光15年（1835年）在自贡钻成了世界上第一口千米井—燊海井（1001.42 m）,历时3年.有资料称世界上的第一口石油井于1859年在美国钻成[3]，由此开创了石油时代.由于工业革命和机器的出现，石油钻井技术至今经历了150余年的发展历程，笔者对此做过一定的研究，力求从中找出钻井技术发展的规律，掌握其发展趋势，并对其未来的发展方向进行预测.

笔者提出了“模型树”这一概念和“节点法”这一方法.模型树就是把钻井工程这一系统的主体技术—钻井工艺作为主干，把各种分支技术作为树枝，每一个分支又衍生出更多的分支，每一个分支都标出产生的时间，这样就得到了一棵形象的“模型树”.主干上的分支，以及分支上的细小分支，与其母体的结合点即生长点就是“节点”.如图1所示.

图1 油气钻井技术发展的模型树Fig.1 Model tree for the development of oil and gas drilling technology

钻井技术的模型树直观地显示了现代钻井工程的技术体系构成，如果加上时间标识，它实际上也就是一部简明的钻井技术发展史.

这一模型树的主干是钻井工艺，先是顿钻钻井，再是旋转钻井.其各个大的分支是：（1）破岩工具和方法（含钻头/破岩方法）；（2）循环系统；（3）动力系统；（4）提升系统；（5）钻具系统；（6）传动系统；（7）固井完井系统；（8）信息系统等等.每一个大分支都有很多小的分支，以分支（1）为例，有机械破岩（含冲击破岩和旋转切削破岩两种）基本方式，以及水力喷射和激光破岩等前端分支；对应的钻头包括刮刀钻头、牙轮钻头和PDC钻头，以及水力喷嘴和激光破岩器等.仿此，对每一个分支都详细画出和列出相应的技术分支，此处不予赘述.

模型树的重要应用是“节点法”，就是针对节点，研究每一个节点代表的技术的优点和缺点，确定它存在的原因和被淘汰的理由，然后运用第一原理A，比照理想状态寻找差距，有了差距就有了新方向.具体方法将另文讨论.

4.学科交叉

学科交叉也是产生新方向和新领域的基本方法，交叉就是结合，是在两大学科或两大领域的结合部开展系统研究.这在科学技术发展史上并不鲜见，例如几何学与代数学的交叉产生了解析几何，物理与化学的结合产生了物理化学，力学与天文学的交叉产生了天体力学，等等.

考察自然科学的发展史可以知道，自然科学的研究对象就是客观世界，原本并不存在学科的划分，只是研究者从不同的要求出发，用不同的研究方法去考察和分析客观事物的某一方面的特性，于是就形成了学科的划分.观察科学技术史上的著名科学家，都在几个不同的学科领域中做出过重大贡献，如达芬奇既是音乐家又是画家和工程师，牛顿既是数学家又是力学家、光学家还是天体力学大家，等等.这是因为当时并没有进行学科的划分，这些研究都属于“自然哲学”的范畴.随着研究的深入和广度的扩展，为便于科学家们能集中精力从事更深入的研究，于是开始了人为的学科划分.这是发展的要求与进步的表现，也是对先前研究方法的一种否定.但任何事物都是“一分为二”的，往往是一种倾向掩盖着另一种倾向.当代学科门类林立，这是科技高度发展的结果，它要求科技人员“术业有专攻”，可以促进科学研究向纵深发展，这是好的一个方面；但同时也会带来另一倾向，即相近学科门类之间的研究人员“不敢越雷池”，留下了不少的“空白地带”乏人问津，把原本是一个完整的自然领域分割开来，其结果又阻碍了科技的发展.所以现代科学发展趋势的一个重要特点是开展“学科交叉”，在两个学科、两大技术领域之间的“空白地带”开展研究，把两者的或多个学科的研究方法结合起来寻求突破，从而推进科学技术的发展.学科交叉是对学科细分的一种否定，这种“否定之否定”呈现一种螺旋式上升的趋势，也正是科学技术的发展规律.

学科交叉在油气钻井技术的发展过程中也起到很大的推动作用.例如，计算机技术、工程力学与钻井技术的交叉推动了定向钻井技术的进步，井下控制工程学就是工程控制论与油气井下各种工艺技术交叉的新领域[4]，地质导向钻井系统也是钻井工具、信息技术和油气地质结合的产物.

所以有意识地主动地开展学科交叉和技术移植，往往可以形成重大的创新方向.

5.反向思维

反向思维是一种重要的思想方法和研究方法，是寻找科技创新方向的一种重要途径.它主要是针对人们的思维定式进行变革，尝试采用另一种完全不同的思路进行否定，因此有可能引出新的结果.笔者对螺杆钻具线型计算的求积分问题采用了反向思维，在屡次进行积分无果时提出“它是不是不可积分类型”？然后去证明其不可积分，从而解决了这一难题.

当我们在审视一种现有技术时，运用反向思维方法，可以提出这样的问题：为什么会是这样？不这样行吗？为什么不反其道而行之？此处给出一个例子：在油气钻井技术的初期，钻井的动力都是由地面动力机（柴油机）通过传动系统带动钻台上的转盘，然后由转盘驱动钻杆进行钻进.运用反向思维方法，可以提出“为什么动力一定要在地面？能否放在井下？”于是产生了井下动力钻具这一新技术，实现了钻井方式的一次重大变革.又如顶部驱动装置的产生就是运用反向思维方法对转盘驱动方式的又一次否定，从而促进了钻机装备的发展.这样的例子是很多的.

6.节点穷举

节点穷举也是提出科研新方向的一种方法.它的内涵就是针对模型树上的任何一个节点，罗列实现这种功能的各种可能的技术途径，然后逐一分析和探讨实现的可行性.虽然不一定每一种可能的技术具有可行性，但至少可以给出多种可供思考的途径，而不会局限于当前状态找不到新的思路.笔者一向主张在寻找科研方向时要用发散式思维，要务虚；在确定科研方向时要用聚焦式思维，要务实.发散式思维就包含“节点穷举”这一方法.

上述六种方法在寻找新方向时都有重要的应用，在实践中经常是这些方法的综合运用.实现同一个技术目的，可以有不同路径与方法.针对模型树上的每个节点，我们可以用穷举法，尽可能罗列出多种设想和可能性，问一问“还有哪些没有考虑？考虑一下会如何？”；要大胆运用否定法和反向思维法，问一问“为什么必须是这样？”“改变一下会如何？”和“反其道而行之可否？”“交叉、复合一下，行吗？”在现有理论和技术中，只要修改一个假设或改变一项参数，就有可能产生一个新的方向和新的分支，理论和技术创新的无限性也就表现在这里.

另外，要注意从已被淘汰的技术中汲取正确的东西.从辩证哲学的观点来看，事物没有绝对的好和坏，凡是存在的必有道理，不能进行绝对的否定；根据否定之否定规律，过去曾被否定的技术可能因为其中包含的符合第一原理的正确成分将来会被重新肯定，这样的例子很多，例如涡轮钻具的高转速和耐高温这些特性符合钻井的第一原理，所以涡轮钻具在一度被螺杆钻具否定之后，现在又被利用和发展.下面的例子也可以说明这一道理.

综合上述，笔者提出了一种实际操作办法，形成如下表格(表1)，按照程序完成相关内容即可找到一种新的技术方向.

表1 技术创新分析样表Table 1 Analysis table for technology innovation

以下以井下信息测量技术发展作为案例进行分析.井下信息测量技术的第一原理A所表示的理想化状态是：测量参数多，传输速度快、测量精度高；地层适应性强；工作介质适应性强；操作方便，效率高；成本低.几十年来，油气井井下信息测量传输技术经历了氢氟酸瓶→单点/多点→有线随钻→无线随钻的发展过程.第一代技术是氢氟酸瓶，它的优点是可测量井斜角，而且是从无到有的技术突破；缺点是测量参数少（不能测方位角）、测量时间长和不准确（靠氢氟酸对玻璃瓶的腐蚀痕迹）、不安全（用氢氟酸）和间断性测量（下入、测量和提出要停钻）.因此，它的缺点与第一原理A所表示的理想化状态存在很多差距，不满足这些差距就要创新，差距就是创新方向.对此进行否定，于是产生了第二代技术单点测量仪，其优点是增加了测量参数（可测井斜角、方位角和工具面角），安全性增加（以机械、电子技术取代氢氟酸），这是一个很大的技术创新，于是否定和取代了氢氟酸瓶而获得广泛应用；其缺点是只能进行间断性测量（停钻）而不能随钻测量，不满足理想状态的“效率高”这一要求.因此人们又不满足，希望实现随钻测量，于是产生了第三代技术“有线随钻测量系统”，这是一个机械电子系统，依靠电缆把井下测量的数据实时上传，有很多优点：如测量参数多（井斜角、方位角和工具面角，温度和振动），传输速度快（电缆）和可以随钻测量（即定向钻进时不用停钻实时测传）；这是一个很大的技术进步，于是得到推广.但它也有明显缺点，即只能用于定向钻进（钻柱不能旋转），操作工艺复杂影响效率（要靠旁入接头处理电缆），缺少地质参数.于是人们又不满足，因为它和理想化状态存在这些差距，所以否定和创新又针对主要差距即不能旋转钻柱开始，从而出现了第四代技术“无线随钻测量系统（MWD）”，它是一个更为复杂的机电液与控制技术系统，利用钻井液作为信息载波，把传感器测到的信息经井下控制器转变为脉冲发生器的机械动作进而转变为泥浆的压力载波，上传到地面的压力传感器，再经解码技术变成井下测量信息的数据信号.这一技术扩大了有线随钻的应用场合，保留了有线随钻的可测参数多的优点，实现了可满足定向和旋转两种状态下的随钻测量并具有操作方便（没有旁入接头）的优点，因而很快就淘汰了有线随钻.但它的缺点也是明显的：（1）没有地质参数（同有线随钻）；（2）信号传输速度太慢（0.5～1 bit·s−1）,远低于有线随钻（10000 bit·s−1以上）；（3）无法用于空气、泡沫介质钻井.这些和理想状态形成明显差距.但为什么MWD能得到推广，其合理的原因是满足了可以旋转/定向的随钻要求，在当时的技术阶段具有明显优势.但随着钻井技术的发展，人们要求测量的信息越来越多，气体钻井和泡沫钻井的出现和日趋普及，MWD的缺点就日渐突出，急需加以改进和发展.首先是针对传输速率的改进，继负脉冲信号发生器之后出现了正脉冲发生器和连续波脉冲发生器，把传输速率提高到5～10 bit·s−1.这在一定程度上维持了 MWD 作为主体技术的地位.但是前几年笔者在分析这一技术的发展趋势时指出，无线传输的MWD终将会被有线随钻替代，“无线回归有线”是一个必然的发展趋势.因为钻井技术的发展要求实时传输更多的参数，而且要进行井下成像更是需要上传海量数据，这对于无线传输方式是很难实现的，而只有有线传输具有这个优势.这一判断很快得到证实，当前正在研制中的智能钻杆就是这样的技术，它可以把数传率提高到 1×105bit·s−1，同时克服了传输介质的影响，无论是用泥浆、气体或泡沫作为介质，均可实现快速传输.

今后随钻测量系统的发展主要是针对泥浆脉冲MWD与理想状态的3点差距展开,例如：上述的智能钻杆技术是针对差距（1）和（3）的否定和发展，连续波脉冲发生器是针对差距（1）的发展，电磁波随钻传输系统是针对差距（2）的发展，无线随钻测井系统（LWD）是针对差距（3）的发展，声波无线传输技术是针对差距（1）和（2）的发展，微波传输技术是针对差距（2）的发展.

从对井下信息测量传输系统的发展分析这一实例可以看出，我们应用了上述关于科研方向创新的多种方法，它是这些方法的综合应用.