基于技術進化理論的顛覆性技術創新方向選擇研究
——以電動汽車技術為例

許澤浩，張光宇

(廣東工業大學管理學院，廣東　廣州　510520)

1　顛覆性創新的內涵與意義

顛覆性創新理論產生于發達國家的企業競爭和創新實踐，哈佛大學Christensen教授首次在《創新者的困境》中把創新分為兩類：維持性創新與顛覆性創新，并對顛覆性創新理論進行了探索，其目的是研究“領導企業追求新增長的努力為什么會導致失敗”以及“領導企業如何面對顛覆性技術的挑戰[1]”。維持性創新是不斷改進現有產品的主流性能的一類創新。當前領導企業更多采用維持性創新手段，通過不斷強化產品的主流性能鞏固其在市場中的領導地位，同時獲取更多的利潤和政府資助。而顛覆性創新則是改變維持性創新的路徑，通過新的技術創新使得新產品呈現體積小、操作方便、成本低廉等特征，依靠吸引原市場的低端顧客或新顧客，最終顛覆現有產品的一類創新。顛覆性創新的結果更具革命性和破壞性，其對產業的影響是顛覆性的。

顛覆性創新理論提出后，學者們和創新管理者們從顛覆性創新的內涵[2-5]、特征[6-7]、機理與路徑[8-11]做了許多探索研究。總體而言，顛覆性創新具有以下特征：①開展顛覆性創新的新技術或新技術組合與開展維持性創新的原技術，其創新路徑不在同一方向上；②開展顛覆性創新的新技術或新技術組合與原技術成對出現，新技術起源于原技術，成長于原技術所創造的環境，最后顛覆了原技術；③新技術或新技術組合在進入市場時通常采用低端市場或新市場策略，以便避開領導企業的直接扼殺；④新技術或新技術組合起初在主流性能上遠遠不如原技術，但卻擁有諸如體積小、價格低、操作方便、攜帶方便等新的性能特征；⑤新技術或新技術組合在主流性能上能以更快的加速度不斷改進，直至達到甚至超過原技術市場的需求，并通過逐步侵食原技術產品的市場，最終顛覆原技術。

顛覆性創新理論越來越被廣泛認為是后發企業如何在低端環境下顛覆當前市場上領先企業的創新戰略路徑，同時也是發展中國家處于產業鏈低端的企業與國際領導企業開展競爭的重要法寶[12]。然而作為創新驅動發展的重要路徑，顛覆性技術并未能很好地得到資助和扶持，當前政府補貼與社會支持的對象多數是圍繞領導企業的維持性創新，顛覆性技術由于風險高、起初實力弱小、未來前景不明朗、與當前技術體制機制不相容等原因，很難得到有效的保護和資助。本文從創新的兩種不同路徑識別顛覆性創新與維持性創新，致力于通過對創新路徑的識別及早選定顛覆性技術的苗圃并及早培育和扶持，以顛覆性創新的新路徑驅動產業革命進而推動經濟社會發展。

2　技術進化定律

2.1　系統

一般把由相互聯系、相互依賴、相互制約、相互作用的事物或過程形成的具有整體功能和綜合行為的統一體，稱為系統[13]。功能是對產品的具體效用或技術系統能夠完成任務的抽象描述，反映出產品或技術系統的特定用途和特征。產品的技術系統是由不同組件組成，為滿足顧客需求而實現某種功能的系統，其功能是輸入(能量、物質或信號)與輸出(能量、物質或信號)之間的一種關系[14]。與功能分解相似，可將技術產品黑匣子當作一個系統分解為各級子系統，子系統是技術系統的組成部分，每個子系統也是一個獨立完整的系統，具有完整的結構。

2.2　技術進化定律

TRIZ理論通過對大量專利的分析，總結出不同領域中技術進化的一般規律，并提出技術系統進化理論。如Fry和Rivin在TRIZ理論的基礎上，將技術進化定律歸納為9條：系統向理想化水平進化、子系統向非均衡化進化、技術系統向柔性化進化、系統向復雜化進化、系統向微觀化進化、系統向能量流經路徑縮短方向進化、系統向完整化進化、向可控性進化、向和諧性進化[15]。Kalevi和Ellen在Simplified TRIZ體系中介紹了五種有效的進化模式，即系統向不均衡進化、向宏觀性進化、向微觀性進化、向增強相互作用方向進化、向擴充或簡化方向進化[16]。

技術進化定律指出每項技術創新的方向，即技術創新和發展是有規律可言的。顛覆性創新作為以技術創新為本質的創新，同樣遵循技術進化發展的規律。技術在創新發展的過程中，技術系統或其子系統將沿一定的方向進行創新發展。具體而言，產品作為完整的技術系統，其本身或子系統根據技術進化定律確定創新方向，進而經過研發選定技術創新路線進行創新，最后對產品的整體或部分進行替換或改進，創新發展的結果通常表現為系統的全部替代或子系統的部分替代，進而形成新的技術產品。因此，要識別技術系統創新的路徑，應從系統或子系統進化的角度梳理技術系統進化的定律與路線，分析從一種技術核心轉移到另一種新的技術核心的過程，從而確定技術創新方向與路徑。

2.3　功能系統

產品的子系統分為基本功能子系統和輔助功能子系統。基本功能子系統指實現技術產品基本功能的子系統，由實現系統基本功能不可或缺的構件組成。輔助功能子系統指為便于技術產品基本功能更好體現的起輔助作用的子系統。輔助功能子系統即使去除也不會因構件的缺失而導致基本功能實現不了。

技術產品創新可能出現在承載基本功能的子系統上，也可能出現在承載輔助功能的子系統上。因此技術產品創新的路徑可分成兩個不同的方向，即基本功能創新方向與輔助功能創新方向。

3　顛覆性技術的進化方向分析

3.1　顛覆性技術的創新系統

顛覆性創新的最終結果是將原技術進行顛覆，淘汰舊產業產生新興產業，甚至直接對舊產業實行替代。如果新技術的創新出現在產品承載輔助功能的輔助子系統上，而技術產品承載基本功能的子系統不變，則其基本功能不變，這樣創新發展的結果最終將不可能實現對原技術產品的顛覆。因此，顛覆性技術創新的載體必然是基本功能子技術系統(見圖1)。當然，基本功能子技術系統也包括多個子系統，根據其重要性不同，其影響的程度也不相同，最后產業進行顛覆的程度也不相同。顯然，對于產品創新而言，整體代替是最高程度的顛覆。而對于系統而言，越重要的子系統實現創新，其技術創新對原產業的顛覆程度將越高。鑒于任何系統都可作為上一級超系統的子系統，因此產品整體也可作為子系統進行研究。

圖1　維持性創新和顛覆性創新技術進化的方向

3.2　顛覆性技術的創新方向

技術創新的結果將推動技術性能產生各種變化，然而技術的性能指標是多方面的。基本功能子系統的創新可能對產品性能指標形成兩個方向的影響，一是使產品的主流性能在原來的基礎上進一步創新和改進，二是使產品的主流性能在其他創新方向上進一步創新，三是使產品的非主流性能得到創新與改進。從Christensen的定義可知，前者的創新屬于維持性創新，后兩者的創新屬于顛覆性創新。因此，技術開展維持性創新的進化方向，可以通過原技術之前的創新方向總結分析得出，甚至通過之前的創新路徑可以預測技術通過維持性創新的未來狀態。顛覆性創新的方向無法確切地通過之前的創新方向進行鎖定，但唯一可以確切鎖定的是，新技術的創新方向與原技術開展維持性創新的方向不同。比如在提高交通工具速度的創新問題上，維持性的思維是對交通工具外形的改變以減少阻力或提高發動機等的動力來源，然而當前卻有人提出利用磁懸浮技術在管道中實現超高速度。

3.3　顛覆性技術創新方向識別的步驟

根據上述分析，在判斷新技術創新是否符合顛覆性創新的方向時，重點要分析創新的子系統與創新方向，具體步驟如下：

步驟一：選擇一項新技術，同時鎖定其對應的原技術；

步驟二：對新技術與原技術產品進行功能系統分解，鎖定新技術的創新子系統；

步驟三：對創新子系統的重要程度進行評估；

步驟四：梳理原技術開展維持性創新方向；

步驟五：分析新技術創新的方向，并與原技術開展維持性創新的方向進行對比。

若新技術創新子系統屬于基本功能子系統(其重要程度越高，最終實現顛覆性程度越大)，且創新方向與原技術開展維持性創新的方向不同，則新技術的創新符合顛覆性創新方向要求。

4　電動汽車顛覆性創新進化方向實證分析

4.1　內燃機汽車基本功能結構

當前汽車以石油為主要燃料，通過燃燒石油獲取能量，進而驅動活塞運動將熱能轉化為汽車動能，所產生的驅動力通過傳動機構傳輸給車輪，帶動汽車運動實現行駛和運輸的功能。而汽車在行駛過程中，需要接受轉向、制動、加速等各種指令進行運作。根據內燃機汽車的基本功能，構建汽車的功能結構圖(見圖2)。可見，汽車將能量(石油等)、物質(人或物等)、信息(指令)等通過系統運作，最終轉化為運輸。

圖2　內燃機汽車功能結構

4.2　內燃機汽車技術系統分析

汽車總體由發動機、車身和底盤三大總成組成。底盤主要由傳動系統、制動系統、轉向系統等組成，車身主要由座椅、車外附件等組成。從其基本功能出發，對應產生驅動力、傳輸動力、輸出轉向力、輸出制動力和承載人或貨物，本文將其分解為發動機系統、傳動系統、轉向系統、制動系統、行駛系統、車身系統六大基本子系統。其中發動機系統主要實現能量轉換以及提供動力來源等，傳動系統主要將發動機提供的動力傳輸給其他各個子系統等，轉向系統實現方向控制等，制動系統實現車速控制等，行駛系統主要實現承載運輸人和物等，車身主要是為駕駛員提供良好的駕駛環境。

(1)發動機系統:發動機系統是汽車的心臟，將化學能轉化為機械能并對外輸出動力，從而為汽車提供驅動力。它由機體組、曲柄連桿機構、配氣機構、供油及燃油分配系統、電子傳感器、點火系統和潤滑系統以及散熱系統等零件組成。

(2)傳動系統：汽車發動機與驅動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動系統,它使汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速以及它們之間的協調變化等功能，使汽車有良好的動力性和燃油經濟性；還應保證汽車能倒車，以及左、右驅動車輪能適應差速要求，并使動力傳遞能根據需要而平穩地接合或徹底、迅速地分離。傳動系統包括離合器、變速器、萬向傳動裝置、主減速器及差速器、半軸等部分。

(3)轉向系統：汽車轉向系統是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構。在汽車轉向行駛時，保證汽車各轉向輪之間有協調的轉角關系。駕駛人員通過操縱轉向系統，使汽車保持在直線或轉彎運動狀態，或者使上述兩種運動狀態互相轉換。轉向系統包括轉向操縱機構、轉向器、轉向傳動機構等部分。

(4)制動系統：制動系統是汽車裝設的全部制動和減速系統的總稱，其功能是使行駛中的汽車減低速度或停止行駛，或使已停駛的汽車保持不動。制動系統包括制動器、制動傳動裝置。現代汽車制動系中還裝設了制動防抱死裝置。

(5)行駛系統：汽車行駛系的功用是接受發動機經傳動系傳來的轉矩，并通過驅動輪與路面間的附著作用產生路面對汽車的牽引力，以保證整車正常行駛；此外，它使汽車盡可能緩和不平路面對車身造成的沖擊和振動，保證汽車行駛平順性，并且能與汽車轉向系很好地配合工作，實現汽車行駛方向的正確控制，以保證汽車操縱穩定性。行駛系統包括車架、車橋、懸架和車輪等部分。

此外還有車身系統，包括座椅、天窗等附件裝備，因車身系統對于本文的研究無關緊要，本文未將其做進一步分解。

根據內燃機汽車基本結構圖，在六大系統的基礎上，對內燃機汽車產品功能結構進一步分解，建立基本技術系統分解圖(見圖3)，根據研究需要子系統還可進一步往下分解。

圖3　內燃機汽車基本技術系統分解圖

4.3　電動汽車技術系統分析

電動汽車的基本功能與內燃機汽車相似，只是電動汽車以電能為能量源，通過電動機依據電磁感應定律實現電動的轉換，產生驅動轉矩作為電動汽車的動力源，所產生的驅動力通過傳動機構傳輸給車輪，帶動電動汽車運動實現行駛和運輸的功能(見圖4)。而電動汽車在行駛過程中，同樣需要接受轉向、制動、加速等各種指令進行運作。因此，電動汽車的功能結構與內燃機汽車相似，唯一不同的方面是能量源是電能。

圖4　電動汽車功能結構

同理，對當前電動汽車的基本功能和結構進行分析和分解[17]。

(1)能源子系統：主要是為純電動汽車的驅動電動機提供電力，目前已使用的電源類型包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。

(2)驅動電動機子系統：主要是依據電磁感應定律，將電能轉化為動能，并通過傳動裝置傳輸給電動汽車。目前已使用的電動機有直流電動機、感應電動機、永磁同步電動機和開關磁阻電動機等。

(3)傳動系統:主要是將驅動電動機的轉矩傳輸給其他相關系統，以使動力源傳輸到各個需要的系統中進行工作。傳動系統主要包括離合器、變速器和主減速器等。

(4)轉向系統、制動系統、行駛系統和車身系統的功能及組成與內燃機汽車的相應系統結構相似，這里不做一一闡述。

根據電動汽車的基本結構，在七大系統的基礎上，對電動汽車產品功能結構進一步分解，建立技術系統分解圖(見圖5)，同樣根據研究需要各子系統還可進一步往下分解。

圖5　電動汽車技術系統分解圖

4.4　電動汽車的創新子系統及功能系數分析

從燃油汽車和電動汽車的技術系統分解圖對比可以直觀看出(見圖6)，內燃機汽車和電動汽車的技術系統中制動系統、傳動系統、轉向系統、行駛系統、車身系統的技術變化不大，組成單元相似。創新的重點是將內燃機汽車的發動機系統替換為電動汽車中的能源系統及驅動電動機系統，也即是汽車的能量轉化及動力來源的系統。這個系統的技術創新點正是將原來由燃油提供的熱能轉化為動能，改變為將電能轉化為動能。

圖6　燃油汽車和電動汽車子系統差異對比

從汽車的技術系統分解中可見，其一級技術子系統包括發動機系統、傳動系統、制動系統、轉向系統、行駛系統和車身系統 。

為了分析各子系統的重要程序，采用功能系數進行計算,首先列出各子系統功能重要程度對比(見表1)。

表1　汽車各子系統重要程度對比

按照各子系統功能對比計算方法PA=∑(A/B,A/C,…，A/H)，計算各子系統重要程度對比之和分別為P發動機=5、P傳動系統=4、P轉向系統=3、P制動系統=2、P行駛系統=1、P車身系統=0。

從各子系統的功能系數可以看出，發動機子系統的功能系統最高，是內燃機汽車中最重要的子系統。發動機是汽車的關鍵執行系統，其體現的功能是汽車的最主要性能。

4.5　電動汽車技術符合汽車顛覆性進化方向

電動汽車的技術創新子系統是能量源子系統和驅動電機系統，而創新的子系統所代替的部分將是原汽車產品的發動機系統。發動機系統功能系數最高，是汽車最核心的子系統之一。因此，電動汽車對于燃油汽車而言，其將創新的是基本功能子系統中最重要的系統。下面重點分析電動汽車子系統的創新方向與原燃油汽車開展的維持性創新是在同一方向上，還是在不同方向上。

從美國權威雜志《Ward′s Auto World》雜志社創立的全球十大最佳汽車引擎數據庫中，選取2003—2015年排氣量為3.0L、結構為六缸的全球十大最佳汽車發動機，統計各年具有代表性的汽車發動機相關數據(見圖7)，以此了解發動機的進化方向。從圖7中可以看到，在近十幾年的進化過程中，發動機的功率、扭矩、升功率、壓縮比等主要性能指標均在不斷提升當中，這與人們一開始對汽車的最高速度、起步速度、加速度等需求密切相關。發動機從直列式到V式，從自然吸氣到渦輪增壓等結構和工作模式的進化，均是為提升這些性能而進行的設計。

經過對汽車發動機技術進化情況調查分析，發現發動機進化的方向在其主要性能如功率、扭矩、升功率、壓縮比等，而就目前汽車發動機的功率、扭矩、轉速等性能而言，已經完全超出人們日常駕駛汽車的需求。通過對汽車用戶的調查表明，除了部分汽車發燒友之外，絕大多數用戶對于汽車最高速度、馬力等持續性提升已不感覺到增值，反而對汽車石油消耗等精打細算。而作為汽車動力的另一項重要技術進化方向節能和環保技術進化緩慢，雖然近年來各國推出輕便、小型的汽車，但緩解能源和環保的問題有限。新能源汽車的創新方向與燃油汽車的創新方向顯然不同，屬于非主流性能的創新。正如各國紛紛將新能源汽車作為國家戰略新興產業，新能源汽車已成為汽車產業發展中具有顛覆性意義的潛力方向。

(數據來源：汽車科技網、無敵汽車網、中國汽車消費網、梅賽德斯奔馳網、愛卡汽車網、太平洋汽車網、新浪汽車網)

5　小結

在對顛覆性技術創新方向進行識別與選擇時，首先研究新技術創新承載的系統是否為原產品系統的基本功能子系統，新技術創新的系統對原產品的重要性越高，其創新后顛覆的程度將越高。再者理清與新技術對應的原技術開展維持性創新的方向，顛覆性創新方向與維持性創新方向不同，其產生的結果也不同，因此存在兩種情況，一是主流性能沿著新的創新方向進行改進，二是非主流性能得到創新和發展。電動汽車的技術創新子系統能量源子系統和驅動電機子系統所替代的對象是汽車的發動機和石油燃料，正是汽車基本功能子系統中最關鍵、最重要的子系統；發動機進化的方向集中在功率、續航里程等主要性能指標上，而電動汽車的創新方向與其不同，正是向著汽車的非主流性能創新方向發展，符合顛覆性創新的方向。顛覆性創新方向的判斷與選擇，對于政府扶持顛覆性技術的發展以及對產業方向的選擇和提前布局具有重要的現實意義，對于國家產業的規劃同樣具有極為重要的戰略意義。