第三章创新与需求(6学时) 3.1创新 3.1.1创新的内涵 什么是创新？简单地说，创新就是指创造新事物。人类历史的发展过程，其实也就是一 部创新的历史。创新产生的新事物，既可以是物质的，也可以是非物质的。物质创新导致了 可以触摸的各种产品，大到飞机，轮船，小到钢笔、燕尾夹等。非物质创新导致了各种非物 质事物的产生，大的如社会制度，小的如一首乐曲。在本课程中，我们着重于物质产品或技 术系统的创新。 创新的过程本质上属于一种人工料学(The Sciences of The Artificial)范畴。人工 科学的概念由赫伯特·西蒙(Herbert Simon)提出。赫伯特·西蒙（1916.06.15-2001.02.09) 是20世纪美国的著名学者，人工智能的莫基人之一，其研究涉及经济学、心理学、计算机 科学等多个学科，曾获得Nobel经济学奖和Turing奖。他认为，人工科学与传统的自然科 学在目标和方法上有本质不同。自然科学以发现自然规律（知识）为目标，而人工科学则重 在利用自然规律创造新事物。自然科学研究的方法是以分析(Analysis.)为基础，而人工科 学则以综合(Synthesis)为主要方法。一直以来，国内的教育非常侧重于自然科学，而对 人工科学不太重视。结果是：学生们常常满足于在问题明确的情况下做分析类型的题目。这 也是为什么国内学生动手能力弱、创新能力差的原因。 创新有一定的目的性，它应该以解决人类现有的或潜在的需求(Demand)为目的。也就 是，不是所有的创造新事物的过程都可以被看作是创新。人类的无目的行为导致的新事物不 能称之为创新。例如，当人很无聊时，随意的用剪刀剪纸，尽管纸的形状可能是新的，但由 于它是一种不以解决任何需求为目的的活动，这种过程就不能称为创新。石器时代，人类创 造性地将石头加工成较尖锐的形状，用于击杀野兽，这就是一种创新。过去，古人将弓箭和 火药进行组合，创造出能飞得更快更远的火箭，也属于一种创新。今天，Apple公司将多种 电子元器件进行组合，创造出一种具有大储存量、适合户外运动佩带的MP3一iPod,这也 是一种典型的创新。 综上所述，创新是一种以解决人类某种需求为目的的创造新事物的过程。 3.1.2创新与知识 在创新过程中，经常需要利用知识(Know l edge。知识构成了人类创新的基础。人类也 总是以已掌握的知识为基础，创造出新的事物来满足人类的各种需求。 知识是一个太容易听到的词，知识经济，知识爆炸，知识工程。我们上大学的目的是什 么？很多人肯定是“学知识”。但是，很少有人去仔细想过：什么是知识？知识到底是什么， 目前虽然还有一定的争议。这里，我们不对这个问题做非常深入的探讨。根据目前大多数的 研究，我们把知识定义客观世界中各种对象间及其变化规律在人类脑袋中的概念化。知识反 映了人类对于客观世界规律的认识。例如，石器时代，人类根据生活经验获得了这样的知识： “尖锐的石头可以对动物造成伤害”。因此，人类就利用这个知识创造了简易的捕猎工具， 石梭镖。 目前，一个和知识极易混淆的概念是“信息(Information)”。什么是信息？信息和知 识的区别在哪里？这常常困绕着很多人。通常，信息可以被理解成是对客观世界某种状态 (State)的描述，信息和知识的区别主要在于：知识常常描述的是一组客观对象间的状态 约束规律，通常以关系来表示。这种关系既可以是时序关系，也可以是因果关系，还可以是 一些其它关系。以十字路口为例，红灯亮着是一种信息，它描述了红灯的一种状态：汽车停
1 第三章 创新与需求 (6 学时) 3.1 创新 3.1.1 创新的内涵 什么是创新？简单地说，创新就是指创造新事物。人类历史的发展过程，其实也就是一 部创新的历史。创新产生的新事物，既可以是物质的，也可以是非物质的。物质创新导致了 可以触摸的各种产品，大到飞机，轮船，小到钢笔、燕尾夹等。非物质创新导致了各种非物 质事物的产生，大的如社会制度，小的如一首乐曲。在本课程中，我们着重于物质产品或技 术系统的创新。 创新的过程本质上属于一种人工科学（The Sciences of The Artificial）范畴。人工 科学的概念由赫伯特·西蒙(Herbert Simon）提出。 赫伯特·西蒙（1916.06.15-2001.02.09） 是 20 世纪美国的著名学者，人工智能的奠基人之一，其研究涉及经济学、心理学、计算机 科学等多个学科，曾获得 Nobel 经济学奖和 Turing 奖。他认为，人工科学与传统的自然科 学在目标和方法上有本质不同。自然科学以发现自然规律（知识）为目标，而人工科学则重 在利用自然规律创造新事物。自然科学研究的方法是以分析（Analysis）为基础，而人工科 学则以综合（Synthesis）为主要方法。一直以来，国内的教育非常侧重于自然科学，而对 人工科学不太重视。结果是：学生们常常满足于在问题明确的情况下做分析类型的题目。这 也是为什么国内学生动手能力弱、创新能力差的原因。 创新有一定的目的性，它应该以解决人类现有的或潜在的需求（Demand）为目的。也就 是，不是所有的创造新事物的过程都可以被看作是创新。人类的无目的行为导致的新事物不 能称之为创新。例如，当人很无聊时，随意的用剪刀剪纸，尽管纸的形状可能是新的，但由 于它是一种不以解决任何需求为目的的活动，这种过程就不能称为创新。石器时代，人类创 造性地将石头加工成较尖锐的形状，用于击杀野兽，这就是一种创新。过去，古人将弓箭和 火药进行组合，创造出能飞得更快更远的火箭，也属于一种创新。今天，Apple 公司将多种 电子元器件进行组合，创造出一种具有大储存量、适合户外运动佩带的 MP3——iPod，这也 是一种典型的创新。 综上所述，创新是一种以解决人类某种需求为目的的创造新事物的过程。 3.1.2 创新与知识 在创新过程中，经常需要利用知识（Knowledge）。知识构成了人类创新的基础。人类也 总是以已掌握的知识为基础，创造出新的事物来满足人类的各种需求。 知识是一个太容易听到的词，知识经济，知识爆炸，知识工程。我们上大学的目的是什 么？很多人肯定是“学知识”。但是，很少有人去仔细想过：什么是知识？知识到底是什么， 目前虽然还有一定的争议。这里，我们不对这个问题做非常深入的探讨。根据目前大多数的 研究，我们把知识定义客观世界中各种对象间及其变化规律在人类脑袋中的概念化。知识反 映了人类对于客观世界规律的认识。例如，石器时代，人类根据生活经验获得了这样的知识： “尖锐的石头可以对动物造成伤害”。因此，人类就利用这个知识创造了简易的捕猎工具， 石梭镖。 目前，一个和知识极易混淆的概念是“信息（Information）”。什么是信息？信息和知 识的区别在哪里？这常常困绕着很多人。通常，信息可以被理解成是对客观世界某种状态 （State）的描述，信息和知识的区别主要在于：知识常常描述的是一组客观对象间的状态 约束规律，通常以关系来表示。这种关系既可以是时序关系，也可以是因果关系，还可以是 一些其它关系。以十字路口为例，红灯亮着是一种信息，它描述了红灯的一种状态；汽车停
着也是一种信息，它描述了汽车的一种状态：知识则描述了红灯亮和汽车停之间的因果规律： IF(红灯亮着)，THEN(汽车停着)。 人类只有掌握了一定的知识，才可能实现产品或技术系统的创新。例如，人类必须了解 红灯和绿灯的含义，才能够设计出合理的交通灯。创新的过程其实也可以理解成是人类有目 的地对知识进行组合与应用的过程。 3.1.3创新的价值 3.1.3.1创新的国家价值 在上世纪，创新还没有能得到重视。国家产业发展上也是以引进外资和技术为主，走来 料加工的路子。一直以来，我们都是以低廉的劳动力和广阔的市场换取经济的高速发展。但 是，这种缺乏自主创新能力的发展道路不是一种可持续发展的道路。为了发展经济，我们也 付出了巨大的代价：为了赚取外汇，我们不得不花费大量的资源来生产廉价的产品。在此过 程中，我们栖牲的不仅是资源，我们的环境也遭到了很大的破坏：近年的海洋赤潮频发、2007 年的太湖蓝澡爆发。 在国际上，中国成为世界工厂并没有使我们从世界赢得应有的尊重。近两年，西方排华 势力开始抨击我们的环境污染，怀疑产品的质量和安全性。近年来，关于中国产品质量问题 导致事故的国外报道时有发生。另一方面，西方势力也常常指责我们的产品缺乏创新，不尊 重知识产权，不时有国内企业被国外公司以侵权的名义告上法庭。 由于一直以技术引进为主，我们国家在一些重大装备上常常不得不依靠国外的技术。这 使我们国家常常受制于西方国家，不得不在一些国家利益上对西方国家做出让步。 为什么我们拼命的劳动，却赚不到钱？为什么国外企业可以很轻松的工作，却可以赚到 很多钱？这里需要介绍供应链的微笑曲线这样一个概念。在生产以及流通过程中，上下游企 业所形成的链条将产品或服务提供给最终客户。从整个供应链来看，产品和服务价值更多得 被拥有终端客户的跨国公司所获取了。产业价值链中价值增加呈现一个U”字形，即所谓的 微笑曲线（如下图）。 价 愛 批发配送 霍 后服务 上游 下游 图供应链价值分布微笑曲线图[) 在微笑曲线中，一头是研发、设计，另一头是销售、服务，中间是加工生产。在典型的 制造业中，处在两头的产业利润率在20%至25%之间，而处在中间的加工生产产业的利润 只有5%。在整个产业链中，只有处于上游和下游两端的企业，其创造的附加值是比较高的， 而对于那些处于中间领域的制造企业来说，尤其是中心装备这个领域创造的附加值是最低的 [如。这就解释了为什么我们的工厂最苦最累，而得到的经济利益却最少。 因此，以引进技术、来料加工、仿制为主的产业发展方法，已经不适合我们国家目前的 经济形势。缺乏自主创新，我们不能挺起腰杆做中国人。我们需要通过自主创新来引导国家 的经济发展，使我们赢得世界各国的尊重中华民族，帮助中华民族屹立于世界民族之林。 2
2 着也是一种信息，它描述了汽车的一种状态；知识则描述了红灯亮和汽车停之间的因果规律： IF（红灯亮着），THEN （汽车停着）。 人类只有掌握了一定的知识，才可能实现产品或技术系统的创新。例如，人类必须了解 红灯和绿灯的含义，才能够设计出合理的交通灯。创新的过程其实也可以理解成是人类有目 的地对知识进行组合与应用的过程。 3.1.3 创新的价值 3.1.3.1 创新的国家价值 在上世纪，创新还没有能得到重视。国家产业发展上也是以引进外资和技术为主，走来 料加工的路子。一直以来，我们都是以低廉的劳动力和广阔的市场换取经济的高速发展。但 是，这种缺乏自主创新能力的发展道路不是一种可持续发展的道路。为了发展经济，我们也 付出了巨大的代价：为了赚取外汇，我们不得不花费大量的资源来生产廉价的产品。在此过 程中，我们牺牲的不仅是资源，我们的环境也遭到了很大的破坏：近年的海洋赤潮频发、2007 年的太湖蓝澡爆发。 在国际上，中国成为世界工厂并没有使我们从世界赢得应有的尊重。近两年，西方排华 势力开始抨击我们的环境污染，怀疑产品的质量和安全性。近年来，关于中国产品质量问题 导致事故的国外报道时有发生。另一方面，西方势力也常常指责我们的产品缺乏创新，不尊 重知识产权，不时有国内企业被国外公司以侵权的名义告上法庭。 由于一直以技术引进为主，我们国家在一些重大装备上常常不得不依靠国外的技术。这 使我们国家常常受制于西方国家，不得不在一些国家利益上对西方国家做出让步。 为什么我们拼命的劳动，却赚不到钱？为什么国外企业可以很轻松的工作，却可以赚到 很多钱？这里需要介绍供应链的微笑曲线这样一个概念。在生产以及流通过程中，上下游企 业所形成的链条将产品或服务提供给最终客户。从整个供应链来看，产品和服务价值更多得 被拥有终端客户的跨国公司所获取了。产业价值链中价值增加呈现一个“U”字形，即所谓的 微笑曲线（如下图）。 图 供应链价值分布微笑曲线图 [蔡剑] 在微笑曲线中，一头是研发、设计，另一头是销售、服务，中间是加工生产。在典型的 制造业中，处在两头的产业利润率在 20％至 25％之间，而处在中间的加工生产产业的利润 只有 5％。在整个产业链中，只有处于上游和下游两端的企业，其创造的附加值是比较高的， 而对于那些处于中间领域的制造企业来说，尤其是中心装备这个领域创造的附加值是最低的 [蔡剑]。这就解释了为什么我们的工厂最苦最累，而得到的经济利益却最少。 因此，以引进技术、来料加工、仿制为主的产业发展方法，已经不适合我们国家目前的 经济形势。缺乏自主创新，我们不能挺起腰杆做中国人。我们需要通过自主创新来引导国家 的经济发展，使我们赢得世界各国的尊重中华民族，帮助中华民族屹立于世界民族之林
3.1.3.1创新的个人价值 如果问一下刚刚踏进大学校门的学生，将来想从事什么样的工作？可能很多人都会很迷 茫。有的学生可能会想出国。但是，出国只是一个中间过程，并不是最终的目标。这个问题 如果放在一个刚刚入学的研究生，可能答案会稍微明确一点：想进世界500强企业。一个问 题是：进500强是人生的最终目标吗？ 讲几个现实的例子。2000年，我有一些同学如愿以偿地进了一些大公司。我的一个同 学去了微软(Microsoft)。这位同学现在还在微软，拿着较高的薪水。他每天都忙于公司安 排的各种工作。很多工作在刚开始做的时候，会比较新鲜。但时间长了后，就纯粹是一种事 务性的工作，对于工作的兴趣也会慢慢减弱，工作热情也会逐渐消失。现在，我的同学就处 于这样一种状况。他产生了一个困惑，自己的事业究竟是什么？ 我的另一个同学去了朗讯(Lucent)。现在知道朗讯的人可能不是很多，它是一个从BELL 公司分出来的主要从事电信设备研发和制造的美国公司。朗讯在2000年形势很好，当时我 同学进去时薪水也很高。但只过了两年，朗讯由于技术决策的错误，它就失去了技术领先优 势，被迫大量裁员。当然，我的同学也难逃被裁的命运。这位同学后来又去了Kota,现在在 自己创业。 通过这件事，可以看出：很多人进了世界500强后，常常会变成一颗大机器里的螺丝钉。， 个人价值常常难以体现。在这台大机器里，他们可能只需要做一些事务性的工作，经过一段 时间后，由于缺乏创新的意识和环境，会变得很迷茫：而一旦这台大机器被更先进的机器所 替代，这些人也就难逃被淘汰的厄运。 相比于成为世界500强的螺丝钉，我觉得自主创业更有意义，更容易实现个人价值。一 旦有了一些新的想法，并把这些想法进行实施，产生一些能满足人类某种需求的创新事物。 一旦这些新事物获得成功，他带给个人的不仅仅是经济利益，也会给个人带来很强的荣誉和 满足感，也能使他在人类历史长河中留下一些印记。因此，创新是创业的重要基础。 这里插一句。现在学校鼓励大家自主创业，以前有的大学生课都不上就出去开电脑公司， 搞一些没有创新的业务，如电脑装机之类的服务。我认为这是不可取的。创业一定要以创新 的产品或服务为基础，否则创业会很难成功。 3.1.4创新的难度 国家也在一直提倡自主创新，也出了一些政策鼓励创新。但为什么还是缺乏创新？创新 是不是很难？创新的瓶颈在哪里？ 创新难点之一在于需要发现新的需求，这也是创断的前提。这里举几个例子来看发现 需求是否很难。第一个发现需求的例子是关于欧洲空中客车A380的需求。A380是目前世界 上最大商业运输机，其最大载客量接近美国波音747的2倍。在与客户多次交流后，空客公 司认为： 1) 载客550人到650人、航距1.5万公里领域，全球航空运输市场潜力巨 大。如果国际航空客运每年保持5%的速度增长，到2020年市场对上述超 大客机的需求为1235架。 2) 未来旅客仍将沿用现有旅行方式，即在几个大型国际中转空港转乘小飞机前往 较小目的地： 3) 在扩展空间和保护环境方面，这些国际大机场都面临巨大压力。先进的大型客 机一方面具有较好的环境友好性（耗油低），另一方面可以缓解机场的压力。 不谈飞机设计所涉及的高技术性，单纯从需求的角度来看，发现这样的大型需求显然不 是很难：
3 3.1.3.1 创新的个人价值 如果问一下刚刚踏进大学校门的学生，将来想从事什么样的工作？可能很多人都会很迷 茫。有的学生可能会想出国。但是，出国只是一个中间过程，并不是最终的目标。这个问题 如果放在一个刚刚入学的研究生，可能答案会稍微明确一点：想进世界 500 强企业。一个问 题是：进 500 强是人生的最终目标吗？ 讲几个现实的例子。2000 年，我有一些同学如愿以偿地进了一些大公司。我的一个同 学去了微软（Microsoft）。这位同学现在还在微软，拿着较高的薪水。他每天都忙于公司安 排的各种工作。很多工作在刚开始做的时候，会比较新鲜。但时间长了后，就纯粹是一种事 务性的工作，对于工作的兴趣也会慢慢减弱，工作热情也会逐渐消失。现在，我的同学就处 于这样一种状况。他产生了一个困惑，自己的事业究竟是什么？ 我的另一个同学去了朗讯（Lucent）。现在知道朗讯的人可能不是很多，它是一个从 BELL 公司分出来的主要从事电信设备研发和制造的美国公司。朗讯在 2000 年形势很好，当时我 同学进去时薪水也很高。但只过了两年，朗讯由于技术决策的错误，它就失去了技术领先优 势，被迫大量裁员。当然，我的同学也难逃被裁的命运。这位同学后来又去了 Kota,现在在 自己创业。 通过这件事，可以看出：很多人进了世界 500 强后，常常会变成一颗大机器里的螺丝钉。， 个人价值常常难以体现。在这台大机器里，他们可能只需要做一些事务性的工作，经过一段 时间后，由于缺乏创新的意识和环境，会变得很迷茫；而一旦这台大机器被更先进的机器所 替代，这些人也就难逃被淘汰的厄运。 相比于成为世界 500 强的螺丝钉，我觉得自主创业更有意义，更容易实现个人价值。一 旦有了一些新的想法，并把这些想法进行实施，产生一些能满足人类某种需求的创新事物。 一旦这些新事物获得成功，他带给个人的不仅仅是经济利益，也会给个人带来很强的荣誉和 满足感，也能使他在人类历史长河中留下一些印记。因此，创新是创业的重要基础。 这里插一句。现在学校鼓励大家自主创业，以前有的大学生课都不上就出去开电脑公司， 搞一些没有创新的业务，如电脑装机之类的服务。我认为这是不可取的。创业一定要以创新 的产品或服务为基础，否则创业会很难成功。 3.1.4 创新的难度 国家也在一直提倡自主创新，也出了一些政策鼓励创新。但为什么还是缺乏创新？创新 是不是很难？创新的瓶颈在哪里？ 创新难点之一在于需要发现新的需求，这也是创新的前提。这里举几个例子来看发现 需求是否很难。第一个发现需求的例子是关于欧洲空中客车 A380 的需求。A380 是目前世界 上最大商业运输机，其最大载客量接近美国波音 747 的 2 倍。在与客户多次交流后，空客公 司认为： 1） 载客５５０人到６５０人、航距１．５万公里领域，全球航空运输市场潜力巨 大。如果国际航空客运每年保持５％的速度增长，到２０２０年市场对上述超 大客机的需求为１２３５架。 2） 未来旅客仍将沿用现有旅行方式，即在几个大型国际中转空港转乘小飞机前往 较小目的地； 3） 在扩展空间和保护环境方面，这些国际大机场都面临巨大压力。先进的大型客 机一方面具有较好的环境友好性（耗油低），另一方面可以缓解机场的压力。 不谈飞机设计所涉及的高技术性，单纯从需求的角度来看，发现这样的大型需求显然不 是很难：
1) 人口密集的亚洲国家（如中国、印度等）的逐渐兴起，必然需要越来越多的大 型客机执行远距离航线的飞行： 2) 有过大型机场出入的旅客常常知道这些机场航班非常繁忙，飞机晚点是家常便 饭。限于空间的有限性，机场的扩建常常是一件非常容易的事： 3) 即便机场能扩建得很大，大型机场的调度由于起降次数过多也会非常难以操作。 再举一个简单的刮泥刀的例子。下图的左边是一个装修工常用的传统刮泥刀，中间的则 是一个新型的多功能刮泥刀，该刮泥刀既可以有刮泥功能，还可以有其它很多功能，如拧六 角螺母，拧各种螺丝，开瓶等。显然，发现这样的组合功能需求更为简单。 从上面可以看出，发现新需求本身并不是很难。 创新离不开知识。创新的过程需要利用大量的现有知识。有些需求的解决方法很简单， 如上面的多功能刮泥刀，通过一些日常知识就可以很容易地得到解决。有些需求的解决方法 则比较复杂，需要涉及多很多专业知识，例如，上面的A380客机。但是，这绝对不是说创 新很难。对于一些外行人来说，设计飞机这样的大型产品确实很难。但是要考虑到，一架飞 机的开发常常涉及来自众多领域的数万个专家，每个专家都专注于解决自己的领域问题，完 成这样的产品开发就不是一件特别难的事。 这里举个Apple公司的例子。iPod是Apple这两年推出的最成功产品之一。iPod并没 有创新出任何知识，它只是一个多种知识的完美结合体。为了比普通的MP3容量更大，iPod 采用了Toshiba的大容量、超薄硬盘，使得iPod可以储存上千首歌曲：为了满足用户在运 动中听歌的功能，iPo采用了大容量的闪存防震缓冲区；为了消除大容量硬盘带来的歌曲 更新速度慢的问题，iPod采用了IEEE1394的连接传输，使得数据传输速度达到400m/s, 更新上千首歌曲只要几分钟就能完成。 现代技术产品常常是各种技术的融合体。工程设计人员必须要有充足的知识面才能进行 现代技术产品的设计和创新。 3.2需求 前面讲到，创新的首要前提是发现新的需求。因此，这里将谈谈需求的概念，如何发现 需求，并对需求的起源进行分类，以帮助大家更容易、更系统性地去发现需求。 3.2.1需求的概念 需求(Demand或Need)可以被认为是人类对于理想世界的追求。需求起源于人类对现 实世界的不满(Dissatisfaction)。例如，夏天温度很高，会使人觉得很热（不满)，人类 因此就产生了对清凉世界的追求。 人具有各种“需求”；美国心理学家马斯洛在他著名的“需求层次”理论中把它们归纳为 “生存需求”、“安全需求”、“归属与爱的需求”、“尊重需求”、“认知和理解需求”、“审美需求”、 “自我实现需求”。 人的需求又可分为两类，一是缺失需求，一是生长需求。缺失需求主要包括生理需求、 安全需求、归属需求和尊重需求。这些需求的共同点就是一旦需求满足，动机就会减弱，甚
4 1） 人口密集的亚洲国家（如中国、印度等）的逐渐兴起，必然需要越来越多的大 型客机执行远距离航线的飞行； 2） 有过大型机场出入的旅客常常知道这些机场航班非常繁忙，飞机晚点是家常便 饭。限于空间的有限性，机场的扩建常常是一件非常容易的事； 3） 即便机场能扩建得很大，大型机场的调度由于起降次数过多也会非常难以操作。 再举一个简单的刮泥刀的例子。下图的左边是一个装修工常用的传统刮泥刀，中间的则 是一个新型的多功能刮泥刀，该刮泥刀既可以有刮泥功能，还可以有其它很多功能，如拧六 角螺母，拧各种螺丝，开瓶等。显然，发现这样的组合功能需求更为简单。 从上面可以看出，发现新需求本身并不是很难。 创新离不开知识。创新的过程需要利用大量的现有知识。有些需求的解决方法很简单， 如上面的多功能刮泥刀，通过一些日常知识就可以很容易地得到解决。有些需求的解决方法 则比较复杂，需要涉及多很多专业知识，例如，上面的 A380 客机。但是，这绝对不是说创 新很难。对于一些外行人来说，设计飞机这样的大型产品确实很难。但是要考虑到，一架飞 机的开发常常涉及来自众多领域的数万个专家，每个专家都专注于解决自己的领域问题，完 成这样的产品开发就不是一件特别难的事。 这里举个 Apple 公司的例子。iPod 是 Apple 这两年推出的最成功产品之一。iPod 并没 有创新出任何知识，它只是一个多种知识的完美结合体。为了比普通的 MP3 容量更大，iPod 采用了 Toshiba 的大容量、超薄硬盘，使得 iPod 可以储存上千首歌曲；为了满足用户在运 动中听歌的功能，iPod 采用了大容量的闪存防震缓冲区；为了消除大容量硬盘带来的歌曲 更新速度慢的问题，iPod 采用了 IEEE 1394 的连接传输，使得数据传输速度达到 400m/s, 更新上千首歌曲只要几分钟就能完成。 现代技术产品常常是各种技术的融合体。工程设计人员必须要有充足的知识面才能进行 现代技术产品的设计和创新。 3.2 需求 前面讲到，创新的首要前提是发现新的需求。因此，这里将谈谈需求的概念，如何发现 需求，并对需求的起源进行分类，以帮助大家更容易、更系统性地去发现需求。 3.2.1 需求的概念 需求（Demand 或 Need）可以被认为是人类对于理想世界的追求。需求起源于人类对现 实世界的不满（Dissatisfaction）。例如，夏天温度很高，会使人觉得很热（不满），人类 因此就产生了对清凉世界的追求。 人具有各种“需求”；美国心理学家马斯洛在他著名的“需求层次”理论中把它们归纳为 “生存需求”、“安全需求”、“归属与爱的需求”、“尊重需求”、“认知和理解需求”、“审美需求”、 “自我实现需求”。 人的需求又可分为两类，一是缺失需求，一是生长需求。缺失需求主要包括生理需求、 安全需求、归属需求和尊重需求。这些需求的共同点就是一旦需求满足，动机就会减弱，甚
至不再有追求的动力，而是向生长需求上转移。生长需求主要包括审美需求和自我价值实现 的需求，这两种需求具有无限性，当需求的动机得到满足后，不是停止了而是提出了更高的 需求。正是人类的这一需求特性，决定了人们的生活消费最终将会从产品机能消费为主向形 象消费、感觉消费为主进行转移，最终促进人类社会的文明和发展。人总是先逐一满足“缺 失需求”，才依次追求“生长需求”的实现。 以上关于需求的理解是建立在人文科学的研究基础上，是对于需求的一般性的认识。 3.2.2如何发现需求 需求发现是创新的起点。因此，如何发现需求就变得十分重要。这里首先以大家最熟悉 的自行车为例探讨如何发现需求。现代的自行车功能已经十分全面，性能也十分优越。自行 车进化至今天这个成熟的阶段也经历了一个漫长的历史过程。 最早的自行车概念是由法国人西弗拉克于1791年发明的。他发明自行车的想法源于一 次偶然事件。一次，他在街上行走，迎面碰上一辆四轮马车。由于街道不宽，街道上有个小 水洼，马车经过的时候把污水溅在了西弗拉克身上。在恼怒之余，他想要是马车没这么宽就 好了。因此，回去后，他就设计了一个只有前后两个轮的车一“快行脚”，这就是现代自 行车的始祖。快行脚是靠人跨在上面用双脚踩地实现行走的。 在西弗拉克发明快行脚后，一个德国人德莱斯于1818年又对其进行了改进。德莱斯是 村子的看林人，他每天都要从林子的这边走到林子的那边，觉得比较累。他觉得，要是有辆 车，能够让他走一阵，再停下来休息一阵就好了。由于西弗拉克的快行脚不能拐弯，不方便 他巡视树林，因此他设计出了可以拐弯的快行脚， 从快行脚的发明，可以总结出这样一个发现需求的过程性规律：首先，通过实践体会 生活，从中发现问题：其次，通过突破思维定势，寻求解决问题的方法。这样，就把问题 转化为了需求。 在生活中，我们常常会碰到各种问题。大部分时候，我们都习惯于这些问题，习惯于这 些问题带给我们或多或少的不快，而不能突破这些思维定势，去想办法解决这些问题。有时 候，这些问题存在着比较大的通用性，如果能找到比较合适的技术方案，就能创造出有广泛 市场价值的产品。 3.2.3需求起源分类 前面说过，需求起源于人类对于现实世界的不满(Dissatisfaction)。通过分析，我们 发现，这种对于现实世界的不满可以分为三类：1)功能缺失：2)性能不足：3)约束违反。 1)功能缺失 功能缺失是现实世界或系统对于某种功能的遗漏。这种遗漏常常会给我们带来很大的不 便。例如，由于西弗拉克的快行脚不能拐弯，这给看林人德莱斯带来很大的不便，因此他对 快行脚进行了改进，使得它可以拐弯。由于发现了人类需要娱乐，导致了电视机、录音机等 一系列产品的需求。 功能缺失可以分为两种情况。第一种情况是目前现实世界中不存在完成某种新功能的系 统。最早出现的很多技术产品都属于这一类情况，它们常常会产生重大的产品创新。例如， 电视机、空调、电机等的发明。这里给大家简单介绍一下电视机的发明。 上世纪初期，无线电技术广泛运用于通讯和广播以后，人们希望有一种能够传播“现场 实况”的电视机。世界上许多科学家都在着手研究。1906年，18岁的英国青年贝尔德雄心勃 勃，开始研究电视机。贝尔德在箱子上安放着一台马达，用它来转动“扫描圆盘”。扫描圆盘 四周戳着一个个小孔，可以把场景分成许多明暗程度不同的小光点发射出去。这样，一台最 原始的、只值几英镑的电视机便问世了。经过18年夜以继日的努力，1924年春天，他把一
5 至不再有追求的动力，而是向生长需求上转移。生长需求主要包括审美需求和自我价值实现 的需求，这两种需求具有无限性，当需求的动机得到满足后，不是停止了而是提出了更高的 需求。正是人类的这一需求特性，决定了人们的生活消费最终将会从产品机能消费为主向形 象消费、感觉消费为主进行转移，最终促进人类社会的文明和发展。人总是先逐一满足“缺 失需求”，才依次追求“生长需求”的实现。 以上关于需求的理解是建立在人文科学的研究基础上，是对于需求的一般性的认识。 3.2.2 如何发现需求 需求发现是创新的起点。因此，如何发现需求就变得十分重要。这里首先以大家最熟悉 的自行车为例探讨如何发现需求。现代的自行车功能已经十分全面，性能也十分优越。自行 车进化至今天这个成熟的阶段也经历了一个漫长的历史过程。 最早的自行车概念是由法国人西弗拉克于 1791 年发明的。他发明自行车的想法源于一 次偶然事件。一次，他在街上行走，迎面碰上一辆四轮马车。由于街道不宽，街道上有个小 水洼，马车经过的时候把污水溅在了西弗拉克身上。在恼怒之余，他想要是马车没这么宽就 好了。因此，回去后，他就设计了一个只有前后两个轮的车——“快行脚”，这就是现代自 行车的始祖。快行脚是靠人跨在上面用双脚踩地实现行走的。 在西弗拉克发明快行脚后，一个德国人德莱斯于 1818 年又对其进行了改进。德莱斯是 村子的看林人，他每天都要从林子的这边走到林子的那边，觉得比较累。他觉得，要是有辆 车，能够让他走一阵，再停下来休息一阵就好了。由于西弗拉克的快行脚不能拐弯，不方便 他巡视树林，因此他设计出了可以拐弯的快行脚， 从快行脚的发明，可以总结出这样一个发现需求的过程性规律：首先，通过实践体会 生活，从中发现问题；其次，通过突破思维定势，寻求解决问题的方法。这样，就把问题 转化为了需求。 在生活中，我们常常会碰到各种问题。大部分时候，我们都习惯于这些问题，习惯于这 些问题带给我们或多或少的不快，而不能突破这些思维定势，去想办法解决这些问题。有时 候，这些问题存在着比较大的通用性，如果能找到比较合适的技术方案，就能创造出有广泛 市场价值的产品。 3.2.3 需求起源分类 前面说过，需求起源于人类对于现实世界的不满（Dissatisfaction）。通过分析，我们 发现，这种对于现实世界的不满可以分为三类：1）功能缺失；2）性能不足；3）约束违反。 1）功能缺失 功能缺失是现实世界或系统对于某种功能的遗漏。这种遗漏常常会给我们带来很大的不 便。例如，由于西弗拉克的快行脚不能拐弯，这给看林人德莱斯带来很大的不便，因此他对 快行脚进行了改进，使得它可以拐弯。由于发现了人类需要娱乐，导致了电视机、录音机等 一系列产品的需求。 功能缺失可以分为两种情况。第一种情况是目前现实世界中不存在完成某种新功能的系 统。最早出现的很多技术产品都属于这一类情况，它们常常会产生重大的产品创新。例如， 电视机、空调、电机等的发明。这里给大家简单介绍一下电视机的发明。 上世纪初期，无线电技术广泛运用于通讯和广播以后，人们希望有一种能够传播“现场 实况”的电视机。世界上许多科学家都在着手研究。1906 年，18 岁的英国青年贝尔德雄心勃 勃，开始研究电视机。贝尔德在箱子上安放着一台马达，用它来转动“扫描圆盘”。扫描圆盘 四周戳着一个个小孔，可以把场景分成许多明暗程度不同的小光点发射出去。这样，一台最 原始的、只值几英镑的电视机便问世了。经过 18 年夜以继日的努力，1924 年春天，他把一
朵“十字花”发射到3米远的屏幕上，虽然图像忽隐忽现、十分不稳定，但是，它却是世界上 第一套电视发射机和接收器。接着，他想到应该把图像发射得远一点、清晰一点。1925年 10月2日，贝尔德的实验有了突破，他将一个人的图像发射到了屏幕上，而且十分逼真， 眼睛、嘴巴甚至眉毛和头发都清晰可见。一架有实用意义的电视机宣告诞生了。1941年， 贝尔德又研究成功了彩色电视机。1936年秋天，英国广播公司开始在伦敦播放电视节目。 他发明的第一架电视机，现被陈列在英国南肯辛顿科学博物馆中。 另一种功能缺失情况是当前技术系统中不存在完成某种功能的系统，但完成这种功能的 系统在现实世界中已经存在。例如，最早的快行脚发明时，不存在转向功能。但现实世界中 已经存在这样的转向功能。再如，以前的汽车中不存在视频娱乐功能。但近年来，随着液晶 电视的普及，现在很多汽车都具备了这类视频娱乐功能。这一类功能缺失是比较容易得到满 足的需求，它主要体现着技术系统的集成创新机制。 集成创新是现代技术产品实现快速创新的一条重要途径。例如，手机最早作为一种纯粹 的通讯工具，现在已经被集成了很多其它的功能，如播放音乐，上网，甚至3G的视频通话。 通常来说，发现功能缺失有四条途径： )实践体验与反思：在生产实践的过程中体验现实世界的缺陷，突破常规地提出新的 需求； 2)根据马斯洛的五种需求理论，逐一地思考当前技术系统已经满足了哪些需求，还需 要满足那些需求： 3)通过相近领域产品的对比分析，综合发现当前待完善产品的功能缺失，提出集成创 新的创意： 4)聆听客户的声音：认真地收集客户在使用产品中发现的产品问题和意见，可以迅速 地发现产品在功能方面的缺失，这方面企业应该建立相关的网站来专门收集相关的 客户需求信息。 2)性能不足 性能不足是指现实系统在完成某些功能时的所表现出的性能指标不能达到用户的要求。 例如，1886年，被誉为“现代自行车之父”的英国机械工程师斯塔利斯塔利在对自行车进 行大量改进的基础上，设计出了与今天样子基本一致的自行车。虽然该车已经采用了橡胶轮 胎来减震，但人骑在上面还是会颠簸得比较厉害。1888年，爱尔兰的兽医邓禄普从医治牛 胃气膨胀中得到启示，将自家花园用来浇水的橡胶管粘成圆形并打足气装在自行车上，发明 了充气轮胎。这使得自行车的减震性能大大提高。 现代技术产品的进化很多都是由性能不足所驱动的。例如，早期的MP3在储存容量上比 较小（小的只有32M),一般只能存几十首歌，不能满足用户的需求，因此就产生了大容量 MP3的需求，这也是Apple的产品iPod受欢迎的一大原因。 需要指出：大多数情况下，功能不变性能提高的原因都是由于采用了新的技术原理。例 如，充气轮胎所采用的技术原理显然与橡胶轮胎有着本质区别。再如，早期MP3的存储技术 和iPod所采用的大容量、超薄硬盘技术也存在着根本区别。、 相对于功能缺失，性能不足的需求发现更加容易。这里列举四种常见的发现性能不足的 需求的方法： 第一种方法是实践和应用体验。在新产品的样机开发完毕后，通过测试和应用体验，可 以发现很多系统性能有待改进的地方。 第二种方法是：积极跟踪新技术，寻求性能改进的可能技术。在技术进步日新月异的今 天，每天都会出现很多新技术：每得到一条技术信息，都可以仔细思考，它是否能帮助改进 身边熟悉的产品或正在开发的产品。 6
6 朵“十字花”发射到 3 米远的屏幕上，虽然图像忽隐忽现、十分不稳定，但是，它却是世界上 第一套电视发射机和接收器。接着，他想到应该把图像发射得远一点、清晰一点。1925 年 10 月 2 日，贝尔德的实验有了突破，他将一个人的图像发射到了屏幕上，而且十分逼真， 眼睛、嘴巴甚至眉毛和头发都清晰可见。一架有实用意义的电视机宣告诞生了。1941 年， 贝尔德又研究成功了彩色电视机。1936 年秋天，英国广播公司开始在伦敦播放电视节目。 他发明的第一架电视机，现被陈列在英国南肯辛顿科学博物馆中。 另一种功能缺失情况是当前技术系统中不存在完成某种功能的系统，但完成这种功能的 系统在现实世界中已经存在。例如，最早的快行脚发明时，不存在转向功能。但现实世界中 已经存在这样的转向功能。再如，以前的汽车中不存在视频娱乐功能。但近年来，随着液晶 电视的普及，现在很多汽车都具备了这类视频娱乐功能。这一类功能缺失是比较容易得到满 足的需求，它主要体现着技术系统的集成创新机制。 集成创新是现代技术产品实现快速创新的一条重要途径。例如，手机最早作为一种纯粹 的通讯工具，现在已经被集成了很多其它的功能，如播放音乐，上网，甚至 3G 的视频通话。 通常来说，发现功能缺失有四条途径： 1） 实践体验与反思：在生产实践的过程中体验现实世界的缺陷，突破常规地提出新的 需求； 2） 根据马斯洛的五种需求理论，逐一地思考当前技术系统已经满足了哪些需求，还需 要满足那些需求； 3） 通过相近领域产品的对比分析，综合发现当前待完善产品的功能缺失，提出集成创 新的创意； 4） 聆听客户的声音：认真地收集客户在使用产品中发现的产品问题和意见，可以迅速 地发现产品在功能方面的缺失，这方面企业应该建立相关的网站来专门收集相关的 客户需求信息。 2）性能不足 性能不足是指现实系统在完成某些功能时的所表现出的性能指标不能达到用户的要求。 例如，1886 年，被誉为“现代自行车之父”的英国机械工程师斯塔利斯塔利在对自行车进 行大量改进的基础上，设计出了与今天样子基本一致的自行车。虽然该车已经采用了橡胶轮 胎来减震，但人骑在上面还是会颠簸得比较厉害。1888 年，爱尔兰的兽医邓禄普从医治牛 胃气膨胀中得到启示，将自家花园用来浇水的橡胶管粘成圆形并打足气装在自行车上，发明 了充气轮胎。这使得自行车的减震性能大大提高。 现代技术产品的进化很多都是由性能不足所驱动的。例如，早期的 MP3 在储存容量上比 较小（小的只有 32M），一般只能存几十首歌，不能满足用户的需求，因此就产生了大容量 MP3 的需求，这也是 Apple 的产品 iPod 受欢迎的一大原因。 需要指出：大多数情况下，功能不变性能提高的原因都是由于采用了新的技术原理。例 如，充气轮胎所采用的技术原理显然与橡胶轮胎有着本质区别。再如，早期 MP3 的存储技术 和 iPod 所采用的大容量、超薄硬盘技术也存在着根本区别。、 相对于功能缺失，性能不足的需求发现更加容易。这里列举四种常见的发现性能不足的 需求的方法： 第一种方法是实践和应用体验。在新产品的样机开发完毕后，通过测试和应用体验，可 以发现很多系统性能有待改进的地方。 第二种方法是：积极跟踪新技术，寻求性能改进的可能技术。在技术进步日新月异的今 天，每天都会出现很多新技术；每得到一条技术信息，都可以仔细思考，它是否能帮助改进 身边熟悉的产品或正在开发的产品
第三种方法是：积极聆听客户的声音。客户很可能是某一行的专家：今天的产品开发越 来越趋向多学科化，所谓条条大路通罗马，客户可能会从另一个领域为当前产品的功能提出 新颖的原理解，使得产品性能能够得到显著提升。 第四种方法是：系统分解，建立功能结构，逐个查看每个功能所采用的原理解，考虑这 些原理解是否有改进的可能性。这种方法在产品的改进创新或适应性创新中特别重要。通过 对产品的原理解进行适当的改变，它可以帮助国内企业避开专利壁垒。另一方面，国外的产 品常常在适应国内的环境方面存在着不少问题，如果根据国内环境的特点对国外产品进行适 当的改进就可以快速地实现产品的适应性创新，实现所谓的引进、消化、吸收。 3)约束违反 约束违反是指系统在实现功能的过程中，违反了现实的约束，因此产生了新的需求。这 种情况在国外产品的引进过程中特别常见。由于国内自然环境或者社会环境（人的习惯、信 仰等)的特点，使得原本在国外可以工作得很好的系统在国内就出现水土不服。如何根据国 内的自然和社会环境的特点改进国外引进的产品就是值得注意的产品创新方向。很多时候， 在引进产品或技术失败的时候，很多人选择放弃。但其实，这恰恰是给了我们进行产品创新 的机会。 3.3概念设计 3.3.1设计的一般阶段 在明确需求后，就需要寻求合适的解决方案。这一过程就是设计。对大部分工程设计而 言，设计过程可以分为如下几个阶段：阐明设计任务、概念设计（方案设计）、技术设计和 施工设计。 阐明设计任务的主要工作是提出对设计解的要求（包括功能要求和性能要求）、设计解 的存在条件等信息。对于设计解的要求又可以分为必达要求和愿望两类。必达要求是在各种 情况下都必须满足的。愿望则是应尽可能考虑的，考虑时可以适当妥协。设计任务书通常可 以设计要求表的形式存在。 概念设计是指在阐明设计任务后，通过抽象化来认识问题的本质，建立功能结构，并通 过需求合适的作用原理将其组合成作用结构，最后确定原理解（解决原理）。概念设计是在 原理方面确定一个解。 技术设计是从作用结构或原理解出发，根据技术观点和经济观点来明确地、完整地拟订 组合结构。技术设计的结果是确定结构方面的解决方案。初步的技术设计，很多情况下必须 同时或先后完成数个按比例的初步技术设计草案，以便能在这些变型的优、缺点方面得到较 多的信息。这个阶段还必须做技术一经济评价，此时可以从更高的信息层面上获得新的认识。 最终的总体技术设计方案表达了对功能、耐久性、空间相容性等等的检验，同时也必须表明 可满足关于成本方面的要求。 施工设计是最终地规定所有零件的形状、尺寸和表面质量，确定所有材料，检验制造 可能性及最终成本，来补充一个技术产物的组合结构，并完成其在物质实现上所需的有关图 纸和其它资料。施工设计的结果是在制造技术方面确定解。 这里，我们主要介绍概念设计的一般方法。 下面主要介绍概念设计的一般方法。 3.3.2概念设计的一般过程 概念设计是设计过程中的这样一个部分，即在阐明了任务书以后，通过抽象化、建立功 能结构、寻求合适的作用原理并将其组合，从而确定原理解。它主要可分为：澄清目的功能
7 第三种方法是：积极聆听客户的声音。客户很可能是某一行的专家；今天的产品开发越 来越趋向多学科化，所谓条条大路通罗马，客户可能会从另一个领域为当前产品的功能提出 新颖的原理解，使得产品性能能够得到显著提升。 第四种方法是：系统分解，建立功能结构，逐个查看每个功能所采用的原理解，考虑这 些原理解是否有改进的可能性。这种方法在产品的改进创新或适应性创新中特别重要。通过 对产品的原理解进行适当的改变，它可以帮助国内企业避开专利壁垒。另一方面，国外的产 品常常在适应国内的环境方面存在着不少问题，如果根据国内环境的特点对国外产品进行适 当的改进就可以快速地实现产品的适应性创新，实现所谓的引进、消化、吸收。 3）约束违反 约束违反是指系统在实现功能的过程中，违反了现实的约束，因此产生了新的需求。这 种情况在国外产品的引进过程中特别常见。由于国内自然环境或者社会环境（人的习惯、信 仰等）的特点，使得原本在国外可以工作得很好的系统在国内就出现水土不服。如何根据国 内的自然和社会环境的特点改进国外引进的产品就是值得注意的产品创新方向。很多时候， 在引进产品或技术失败的时候，很多人选择放弃。但其实，这恰恰是给了我们进行产品创新 的机会。 3.3 概念设计 3.3.1 设计的一般阶段 在明确需求后，就需要寻求合适的解决方案。这一过程就是设计。对大部分工程设计而 言，设计过程可以分为如下几个阶段：阐明设计任务、概念设计（方案设计）、技术设计和 施工设计。 阐明设计任务的主要工作是提出对设计解的要求（包括功能要求和性能要求）、设计解 的存在条件等信息。对于设计解的要求又可以分为必达要求和愿望两类。必达要求是在各种 情况下都必须满足的。愿望则是应尽可能考虑的，考虑时可以适当妥协。设计任务书通常可 以设计要求表的形式存在。 概念设计是指在阐明设计任务后，通过抽象化来认识问题的本质，建立功能结构，并通 过需求合适的作用原理将其组合成作用结构，最后确定原理解（解决原理）。概念设计是在 原理方面确定一个解。 技术设计是从作用结构或原理解出发，根据技术观点和经济观点来明确地、完整地拟订 组合结构。技术设计的结果是确定结构方面的解决方案。初步的技术设计，很多情况下必须 同时或先后完成数个按比例的初步技术设计草案，以便能在这些变型的优、缺点方面得到较 多的信息。这个阶段还必须做技术-经济评价，此时可以从更高的信息层面上获得新的认识。 最终的总体技术设计方案表达了对功能、耐久性、空间相容性等等的检验，同时也必须表明 可满足关于成本方面的要求。 施工设计是 最终地规定所有零件的形状、尺寸和表面质量，确定所有材料，检验制造 可能性及最终成本，来补充一个技术产物的组合结构，并完成其在物质实现上所需的有关图 纸和其它资料。施工设计的结果是在制造技术方面确定解。 这里，我们主要介绍概念设计的一般方法。 下面主要介绍概念设计的一般方法。 3.3.2 概念设计的一般过程 概念设计是设计过程中的这样一个部分，即在阐明了任务书以后，通过抽象化、建立功 能结构、寻求合适的作用原理并将其组合，从而确定原理解。它主要可分为：澄清目的功能
功能结构设计、原理方案设计、原理方案综合和组合原理解评价这几个阶段。 需要指出，这几个过程虽然是顺序开展的，但常常会有一定的反复(iteration)：即当 后续过程无法继续时，需要返回到前面的过程重新开始。 1)澄清目的功能 澄清目的功能的目的是对设计任务进行抽象化以认清问题的本质。几乎没有一个解的原 理和结构能被持久地认为是最佳的。新工艺、新材料、新工艺流程以及新的自然科学知识， 都会以新型组合揭示出其它的、更好的解。每一个企业和设计室都有其经验，但也有偏见和 传统，再加上力求冒最小的风险，都会妨碍他们去需求新的突破常规的解。因此，在争取最 佳结果的过程中，不可过分依赖先入之见或传统观念，需要仔细验证是否有更新型、更合适 的解决方案。 设计问题通常以目的功能和性能约束的形式存在。其中，目的功能通常可以用两种形式 来表示：一种是动名词对，另一种是输入输出对象之间的关系。性能约束通常是关于一些产 品性能指标的约束。需要注意，功能表达应该尽可能与解保持中立(Solut io-neutral), 使得设计师可以在广阔的解域里寻求最合适的原理解。 在实际生活中，描述功能往往比较随意，这就会不自觉地限制解的范围。例如，洗衣机 的功能可以被认为是“洗衣”，但这个功能描述其实与洗衣机的解紧密相关的：“洗”这个词 其实已经包含了特定的意义，它肯定是以水或者溶剂为基础的，通常应该采用溶解效应来达 到目的功能。因此，它违反了功能表达应该尽可能保持解中立的原则。如果我们把洗衣机的 功能表示为“分离衣物和脏物”，那么功能表达就能更中立。 2)功能结构设计 在认清问题本质并确定目的功能后，就需要建立所需系统的功能结构，这也就是功能结 构设计的过程。像一个技术系统可以分解为子系统和元件一样，总的目的功能也可以分解为 几个复杂程度比较低的，可以看清楚的分功能。将各个分功能组合起来，就可以得到功能结 构。 技术系统的作用对象可以分为三类：能量、物料和信号（信息）。在建立功能结构时， 分功能和分功能之间可以功过这三类作用对象进行连接，如下图。 能量 能量 物 总功能 物料 信号 分功能及 ■■■■ y 复杂程度 在地道的新设计中，通常既不知道单个分功能，也不知道它们是如何结合的，因此这时 候寻求并且建立最优功能结构是方案设计阶段最重要的分步骤之一。这种情况下，功能结构 以一种共进化(Co-Evolutionary)的方式逐渐形成。共进化主要有如下几种形式：a)提供必 需条件：b)消除不利作用：c)消除环境影响。 在建立功能结构时，必须考虑各分功能之间的关系。第一类是顺序关系，即分功能之间 的先后关系：第二类逻辑关系，即各分功能之间的“与”、“或”、“非”等关系；第三类是主 次关系，即功能之间的主、从关系
8 功能结构设计、原理方案设计、原理方案综合和组合原理解评价这几个阶段。 需要指出，这几个过程虽然是顺序开展的，但常常会有一定的反复(iteration)：即当 后续过程无法继续时，需要返回到前面的过程重新开始。 1）澄清目的功能 澄清目的功能的目的是对设计任务进行抽象化以认清问题的本质。几乎没有一个解的原 理和结构能被持久地认为是最佳的。新工艺、新材料、新工艺流程以及新的自然科学知识， 都会以新型组合揭示出其它的、更好的解。每一个企业和设计室都有其经验，但也有偏见和 传统，再加上力求冒最小的风险，都会妨碍他们去需求新的突破常规的解。因此，在争取最 佳结果的过程中，不可过分依赖先入之见或传统观念，需要仔细验证是否有更新型、更合适 的解决方案。 设计问题通常以目的功能和性能约束的形式存在。其中，目的功能通常可以用两种形式 来表示：一种是动名词对，另一种是输入输出对象之间的关系。性能约束通常是关于一些产 品性能指标的约束。需要注意，功能表达应该尽可能与解保持中立(Solution-neutral)， 使得设计师可以在广阔的解域里寻求最合适的原理解。 在实际生活中，描述功能往往比较随意，这就会不自觉地限制解的范围。例如，洗衣机 的功能可以被认为是“洗衣”，但这个功能描述其实与洗衣机的解紧密相关的：“洗”这个词 其实已经包含了特定的意义，它肯定是以水或者溶剂为基础的，通常应该采用溶解效应来达 到目的功能。因此，它违反了功能表达应该尽可能保持解中立的原则。如果我们把洗衣机的 功能表示为“分离衣物和脏物”，那么功能表达就能更中立。 2）功能结构设计 在认清问题本质并确定目的功能后，就需要建立所需系统的功能结构，这也就是功能结 构设计的过程。像一个技术系统可以分解为子系统和元件一样，总的目的功能也可以分解为 几个复杂程度比较低的，可以看清楚的分功能。将各个分功能组合起来，就可以得到功能结 构。 技术系统的作用对象可以分为三类：能量、物料和信号（信息）。在建立功能结构时， 分功能和分功能之间可以功过这三类作用对象进行连接，如下图。 在地道的新设计中，通常既不知道单个分功能，也不知道它们是如何结合的，因此这时 候寻求并且建立最优功能结构是方案设计阶段最重要的分步骤之一。这种情况下，功能结构 以一种共进化(Co-Evolutionary)的方式逐渐形成。共进化主要有如下几种形式：a)提供必 需条件；b)消除不利作用；c)消除环境影响。 在建立功能结构时，必须考虑各分功能之间的关系。第一类是顺序关系，即分功能之间 的先后关系；第二类逻辑关系，即各分功能之间的“与”、“或”、“非”等关系；第三类是主 次关系，即功能之间的主、从关系
3)原理方案设计 原理方案设计的目的是为每个分功能寻求合适的作用原理。从设计原理的角度来说，它 的目的是实现从功能域到物理域的映射。作用原理是指为实现一个功能所需的物理效应及几 何和物料特征标志。需要说明：许多设计任务只有结构设计方面的问题，不必寻求新的物理 效应。因此，这里的作用原理既包含狭义的物理效应，又包含几何特征为基础的效应。 原理方案设计的方法主要有三类：传统的辅助手段，直觉思维方法和逻辑思维方法。 传统的辅助手段主要有：查阅文献，分析自然系统，分析已知技术系统，类比考察等。 知觉思维方法主要有：智暴法(Brainstorming).,635法，陈列法，德尔菲法(Delphi), 联想法，以及上述方法的组合应用。 逻辑思维方法主要有：系统地研究物理事件，依靠编排表式进行系统的寻求，设计目录 法。这里设计目录法是一种比较重要的方法，是智能CD系统常用的方法。目录是一定设计 任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。德国Aachen工业大学教授Roth提出了设计 目录的概念并在此基础上做了大量研究工作，整理了大量的设计解。设计目录主要包括四大 部分：分类部分，主体部分，检索部分和备注。分类部分决定了如何有系统地建立目录：主 体部分是对设计解本身的描述：检索部分汇集了各个对象的特性，可以在具体情况下选出合 适的原理解；备注栏可编入关于其来源及补充注释的说明。 4)原理解综合 在为每个分功能找到原理解后，必须根据功能结构所列的关系将这些原理解组合起来， 以形成整个技术系统的原理方案，这就是原理解综合的任务。在原理解组合的过程中，需要 识别各个需要连接起来的作用原理之间在物理方面是否相容，以期达成不受干扰的能量流、 物料流和（或）信号流，并确保几何关系上不发生干涉。 原理解综合的方法主要有形态学矩阵方法(Morphological Matr ix)。形态学矩阵是由 Zwicky提出的方法。形态学矩阵的构成如下图所示，图中的每一行解（多个）对应了一个 相应的功能。原理解综合只要将相关功能的合适原理解按照功能结构的顺序连接起来就可以 形成一定的组合原理解。 解 2 j 功能 0 F E E12 & Ein 2 F2 E E2n Ex E m ② ①原理解组合 图基于形态学矩阵的原理解综合 基于形态学矩阵综合方法的主要问题是需要判断各功能的原理解是否相容且不会冲突。 5)原理解评价 原理解评价的目的是要查明一个解关于预定目标的“价值”、“放用”或“优度”。原理 解的评价主要包括如下步骤： a)确定评价准则； 9
9 3）原理方案设计 原理方案设计的目的是为每个分功能寻求合适的作用原理。从设计原理的角度来说，它 的目的是实现从功能域到物理域的映射。作用原理是指为实现一个功能所需的物理效应及几 何和物料特征标志。需要说明：许多设计任务只有结构设计方面的问题，不必寻求新的物理 效应。因此，这里的作用原理既包含狭义的物理效应，又包含几何特征为基础的效应。 原理方案设计的方法主要有三类：传统的辅助手段，直觉思维方法和逻辑思维方法。 传统的辅助手段主要有：查阅文献，分析自然系统，分析已知技术系统，类比考察等。 知觉思维方法主要有：智暴法（Brainstorming），635 法，陈列法，德尔菲法（Delphi）， 联想法，以及上述方法的组合应用。 逻辑思维方法主要有：系统地研究物理事件，依靠编排表式进行系统的寻求，设计目录 法。这里设计目录法是一种比较重要的方法，是智能 CAD 系统常用的方法。目录是一定设计 任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。德国 Aachen 工业大学教授 Roth 提出了设计 目录的概念并在此基础上做了大量研究工作，整理了大量的设计解。设计目录主要包括四大 部分：分类部分，主体部分，检索部分和备注。分类部分决定了如何有系统地建立目录；主 体部分是对设计解本身的描述；检索部分汇集了各个对象的特性，可以在具体情况下选出合 适的原理解；备注栏可编入关于其来源及补充注释的说明。 4）原理解综合 在为每个分功能找到原理解后，必须根据功能结构所列的关系将这些原理解组合起来， 以形成整个技术系统的原理方案，这就是原理解综合的任务。在原理解组合的过程中，需要 识别各个需要连接起来的作用原理之间在物理方面是否相容，以期达成不受干扰的能量流、 物料流和（或）信号流，并确保几何关系上不发生干涉。 原理解综合的方法主要有形态学矩阵方法(Morphological Matrix)。形态学矩阵是由 Zwicky 提出的方法。形态学矩阵的构成如下图所示，图中的每一行解（多个）对应了一个 相应的功能。原理解综合只要将相关功能的合适原理解按照功能结构的顺序连接起来就可以 形成一定的组合原理解。 1 2 ... j ... n 解 功能 E1j E12 E11 1 E2j E22 E21 F2 2 Eij Ei2 Ei1 Fi i Emj Em2 Em1 F m m . . . . . . F1 E1n E2n Ein Emn ... ... ... ... ... ... ... ... 2 1 原理解组合 图 基于形态学矩阵的原理解综合 基于形态学矩阵综合方法的主要问题是需要判断各功能的原理解是否相容且不会冲突。 5）原理解评价 原理解评价的目的是要查明一个解关于预定目标的“价值”、“效用”或“优度”。原理 解的评价主要包括如下步骤： a) 确定评价准则;
b)决定各准则对于总价值的重要性； ©)汇总原理解的特征值： d)子价值评价： e)确定总价值。 原理解的评价在后续的评价与决策中会详细论述，这里不再赘述。 3.3.3适应性概念设计方法 前面的概念设计方法描述了概念设计的一般进程，它主要适合于全新的创新设计。完全 的创新设计在实际情况中占的比例较少。更多情况下，设计常常表现为适应性的改进设计。 适应性设计主要是指根据新的情况对原有的设计作适当的改进。产品的更新换代常常属于适 应性设计。 适应性概念设计的主要过程如下： 1)对现有产品进行分析考察，建立现有系统的功能结构： 2)根据新的情况，为每个功能寻求可能更合适的原理解： 3)根据新引进的原理解对产品的功能结构做相应的调整，如有必要，引入新的功能， 建立新的功能结构： 4)为新引入的功能寻求合适的原理解： 5)根据新的功能结构，对相关的子功能原理解进行组合，并检查子功能原理解之间的 兼容性： 6)对组合原理解进行评价、分析，确定最终的原理解方案。 上述过程特别适合于对国外的产品和系统根据国内的情况进行适当的改进，既能避开专 利的壁垒，又可以快速地创造出适合国内自然和社会环境的新产品，实现自主创新。 3.4需求评估 3.4.1设计机会评价 一是否应该设计该产品？ 产品设计是否成功，在很大程度上取决于企业内部条件与外部环境的结合。每家企业都 有自己的内部优势和劣势，她所面对的外部环境有机遇也有威胁。成功的产品设计，应该是 下述几个因素综合作用的结果：(1)企业实时抓住了外部环境提供的产品设计机会：(2)企 业在产品设计过程中具有自己的优势，或者能够采取措施弥补自己的劣势：(3)企业能够采 取措施最大程度地消除威胁（或规避风险）。因此，通过需求分析获取产品设计机会之后， 还需要通过SWoT(“Strength--优势，Weakness-劣势，Opportunity~机会，Threat-威胁”) 分析对设计机会进行评价，以确定企业是否有足够的能力和优势、以较低的风险完成该项产 品的设计。 举例来说。某家电视机公司通过市场需求分析和自身的优劣势分析，整理出如下SW0T 分析结果：(1)外部机会0：农村市场逐步变热：(2)外部威胁T:跨国公司大举进入中国： (3)企业内部优势S:生产技术领先，拥有一批优秀的技术人员：(4)内部劣势W:技术 人员的积极性不够。从上述分析中，企业可以获得如下产品设计机会：开发更适合农村市场 的电视机。对于该设计机会，企业自身具有技术先进的优势，这对产品设计的成功非常关键。 对于技术人员积极性不够这一消极因素，可以通过完善企业激励机制来激发技术人员的积极 性和创造性。对于跨国公司大举进入中国这一风险，可以通过本土化、低成本等措施加以消 除或者降低。 可见，设计机会评价是企业在投入技术力量和资金进行产品开发之前，对自身的体制和 管理做出一些调整，对风险进行预估和规避，使设计机会成功的可能性更大。 S
10 b) 决定各准则对于总价值的重要性; c) 汇总原理解的特征值； d) 子价值评价； e) 确定总价值。 原理解的评价在后续的评价与决策中会详细论述，这里不再赘述。 3.3.3 适应性概念设计方法 前面的概念设计方法描述了概念设计的一般进程，它主要适合于全新的创新设计。完全 的创新设计在实际情况中占的比例较少。更多情况下，设计常常表现为适应性的改进设计。 适应性设计主要是指根据新的情况对原有的设计作适当的改进。产品的更新换代常常属于适 应性设计。 适应性概念设计的主要过程如下： 1） 对现有产品进行分析考察，建立现有系统的功能结构； 2） 根据新的情况，为每个功能寻求可能更合适的原理解； 3） 根据新引进的原理解对产品的功能结构做相应的调整，如有必要，引入新的功能， 建立新的功能结构； 4） 为新引入的功能寻求合适的原理解； 5） 根据新的功能结构，对相关的子功能原理解进行组合，并检查子功能原理解之间的 兼容性； 6） 对组合原理解进行评价、分析，确定最终的原理解方案。 上述过程特别适合于对国外的产品和系统根据国内的情况进行适当的改进，既能避开专 利的壁垒，又可以快速地创造出适合国内自然和社会环境的新产品，实现自主创新。 3.4 需求评估 3.4.1 设计机会评价 ——是否应该设计该产品？ 产品设计是否成功，在很大程度上取决于企业内部条件与外部环境的结合。每家企业都 有自己的内部优势和劣势，她所面对的外部环境有机遇也有威胁。成功的产品设计，应该是 下述几个因素综合作用的结果：（1）企业实时抓住了外部环境提供的产品设计机会；（2）企 业在产品设计过程中具有自己的优势，或者能够采取措施弥补自己的劣势；（3）企业能够采 取措施最大程度地消除威胁（或规避风险）。因此，通过需求分析获取产品设计机会之后， 还需要通过 SWOT（“Strength-优势, Weakness-劣势, Opportunity-机会, Threat-威胁”） 分析对设计机会进行评价，以确定企业是否有足够的能力和优势、以较低的风险完成该项产 品的设计。 举例来说。某家电视机公司通过市场需求分析和自身的优劣势分析，整理出如下 SWOT 分析结果：（1）外部机会Ｏ：农村市场逐步变热；（2）外部威胁Ｔ：跨国公司大举进入中国； （3）企业内部优势Ｓ：生产技术领先，拥有一批优秀的技术人员；（4）内部劣势Ｗ：技术 人员的积极性不够。从上述分析中，企业可以获得如下产品设计机会：开发更适合农村市场 的电视机。对于该设计机会，企业自身具有技术先进的优势，这对产品设计的成功非常关键。 对于技术人员积极性不够这一消极因素，可以通过完善企业激励机制来激发技术人员的积极 性和创造性。对于跨国公司大举进入中国这一风险，可以通过本土化、低成本等措施加以消 除或者降低。 可见，设计机会评价是企业在投入技术力量和资金进行产品开发之前，对自身的体制和 管理做出一些调整，对风险进行预估和规避，使设计机会成功的可能性更大