突破性創新及其實現方法研究綜述

張換高，賈樹璇

（河北工業大學 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津 300401）

創新是一個組織持續成功的關鍵。通過創新，企業建立了可持續的競爭優勢，提高了利潤，并為股東創造出了高于平均水平的回報[1]。自黨的十八大以來，我國持續深入實施創新驅動發展戰略，大力建設創新型國家和科技強國。黨的二十大報告指出應持續貫徹創新精神，將創新融入經濟社會發展中，令全社會高度重視并主動參與創新，從此步入全面創新時代[2]。按照創新的強度可將其分為突破性創新與漸進性創新。其中，與漸進性創新相比突破性創新具有更高的價值，特別是在技術迅速變化的高新技術產業中。在這種情況下，突破性創新對于解決行業乃至國家的技術鎖定問題至關重要，是提高可持續競爭力的重要因素[3]。

在歷史上，數碼相機的出現令如柯達、寶麗來等傳統相機及相關產品供貨商們的銷售額發生暴跌直至破產，而佳能、尼康等公司卻借機不斷發展壯大[4]；晶體管的發明大規模替代了不斷進行漸進性創新的電子管；而華為面臨著美國在通訊與芯片兩個領域的技術封鎖，華為通過自主研發推出了5G 技術與鴻蒙系統，從而打破了當前市場的壟斷局面。此外突破性創新還能大幅度地提高客戶利益、降低成本，并提升創造新業務的能力，使組織能夠在高速變化的環境中與快速演進的客戶需求保持一致[5]，從而對垂直市場和圍繞該垂直市場的經濟活動產生重大影響[6]。2000年處于線下視頻租賃市場領先地位的百視達拒絕了Netflix 為其拓展線上業務的合作請求，然而隨著互聯網行業的蓬勃發展，人們的消費方式逐漸由線下轉變為線上，直到2010 年百視達終是難以為繼，不得已宣布破產，而Netflix 卻逐漸成為了全球首屈一指的視頻網站；圓珠筆一經問世便由于其便利性受到了廣大用戶的青睞，從而淘汰了大多數的鋼筆制造商[4]；此外，石英表由于其低廉的價格與更高的精度對瑞士傳統機械表行業造成了極大的挑戰，令日本搶占了大部分的鐘表市場。而近些年來我國一些關鍵核心技術的突破，如載人航天事業的高速發展、北斗衛星導航系統的全面開通、港珠澳大橋的順利通車亦使我國由制造大國轉變為創造大國[7]，并成功躋身于創新型國家行列。當前國際競爭日益激烈，通過突破性創新可以打破技術壁壘、搶占國際市場先機，大幅度提高我國的國際競爭能力，從而在國際上占據技術領先地位與市場主導地位，無需再受其他國家的掣肘。然而，突破性創新雖能帶來高額的利潤與領先的地位，但由于其實現過程通常無章可循而導致實施困難大、風險高，令眾多企業對其望而卻步，局限于安全穩妥的漸進性創新。因此，進行突破性創新方法的研究不僅對降低創新難度、促進技術跨越式發展具有重要的理論指導意義，更有幫助企業與國家成為領域領跑者的現實意義。

自突破性創新這一概念提出以來，便有大量學者對其展開研究。早期的研究重點大多集中于對突破性創新的概念進行界定，并將其與漸進性創新進行辨析以便將二者區分開來進行后續的研究。在管理學領域，學者在宏觀層面上從不同的研究視角對突破性創新的驅動因素與驅動機制進行了研究，試圖通過對創新過程的合理化管理來促進突破性創新的實現。而在工程領域，學者則是從微觀角度出發，探討了突破性創新機遇的識別方法，建立了系統化的創新過程模型，以在模糊前端階段產生具有突破性的高質量設想，為后續的技術躍遷奠定基礎，從而幫助企業實現突破性創新。

1 突破性創新的概念、特征

1.1 突破性創新概念

突破性創新來源于熊彼特的“創造性破壞”，隨著這一思想的提出，便不斷有學者從不同角度對突破性創新進行界定，如表1 所示。

表1 突破性創新的概念界定Tab.1 Definition of radical innovation

總結上述文獻，突破性創新的定義可以分為實現原理、創新結果與對超系統的影響三個層次，如圖1所示。即突破性創新最終要對市場、產業等外界超系統產生巨大影響，而這一影響可以通過應用全新的技術與科學知識使產品的性能特征、概念結構等產生大幅度的改變來實現。其中，原理的改變與技術的突破只是突破性創新的實現手段，其本質在于解決超系統發展過程中由當前系統發展滯后引起的沖突，從而實現對超系統的積極影響。

圖1 突破性創新的定義層次Fig.1 Definition level of radical innovation

續表

因為任何系統存在的目的都是其在超系統中執行一定的有用功能，因此系統的突破性創新必然會對超系統功能和性能產生重大影響，為超系統突破某方面的瓶頸奠定基礎。基于此提出以下定義：突破性創新是指能夠對超系統產生重大影響（改變其相關超系統的種類、數量、運行方式或性能提高等）的一類創新，這種影響是通過改變技術系統的功能、原理、結構提高其性能極限（技術系統）或提升其性能速度（技術子系統）來實現的。如圖2 所示為突破性創新的發生時機與技術系統性能變化，其中技術子系統的突破性創新發生在e點處，技術系統的突破性創新發生在b點和c點處。

圖2 突破性創新的發生時機及技術系統性能變化Fig.2 Opportunity of radical innovation and change of technical system performance

1.2 突破性創新的特征

突破性創新是沿著隨機和非線性的過程展開的；它涉及高度的不可預測性、意外的發現和意外的結果[1]。如表2 所示為突破性創新的特征。

表2 突破性創新特征Tab.2 Features of radical innovation

正是由于上述特征，使企業在進行突破性創新時面臨著極大的困難與挑戰。但是經過不斷的研究發現，突破性創新也是有規律可循的，許多因素能夠驅動突破性創新的產生以及發展，從而促進突破性創新的最終實現。

2 突破性創新的驅動因素

當對突破性創新的概念特征有一個較為清晰的界定后，研究重點便轉向突破性創新的實現方式上，在管理學領域，研究多通過不同的理論視角解釋突破性創新的成因及驅動因素，具體研究內容如表3所示。

上述研究從宏觀視角出發，指明企業可以通過提高組織能力、引入社會資本來促進組織學習獲得全新的或跨領域的知識，以市場需求為指導、以環境為激勵來實現突破性創新，如圖3 所示。

圖3 突破性創新與驅動因素間關系Fig.3 Relationship between radical innovation and driving factors

3 突破性創新方法

3.1 突破性創新機遇識別

突破性創新雖具有高度的不確定性，但其出現的過程并非完全不可預測的，通過合理的手段識別具有突破性創新潛力的領域，可幫助企業明確研發方向、縮短創新周期。早期突破性創新機遇的識別多依賴于專家的主觀判斷，以小組討論或問卷調查的形式探討未來易產生突破性創新的領域與方向[38-39]。然而這種方法易受專家經驗與觀念的影響，預測周期長且結果主觀性高。于是后續逐漸有學者開始將專家經驗與技術預測工具相結合進行機遇識別。蔣國平等[40]以企業研發因素為變量，結合市場占領軌道圖預測了企業進行突破性創新的適當時機。平恩順[41]基于技術進化理論預測了產品中實現主功能的技術子系統的突破性創新潛力。劉力萌等[42]基于情景分析，通過建立演化機制探索產品未來可能的使用情景，從而在產品創新的模糊前端階識別創新機會。

為進一步提升預測結果的客觀性，開始有學者通過信息挖掘來識別突破性創新機遇，其中專利作為技術載體，囊括了大量的先進技術信息，是進行信息提取的優選對象。Schoenmakers 等[43]認為知識間的重組更容易產生突破性創新。于是張金柱等[44-45]分別以知識的新穎性與交叉性作為突破性創新的識別標準，對于新穎性，通過從專利科學引文中抽取關鍵詞和學科分類代表被引科學知識，選擇被引知識突變程度較高的主題作為突破性創新的高發主題；而對于交叉性，則通過專利引文的學科交叉情況預測突破性創新發生的學科分類和主題。曹藝文等[46]從知識躍遷和持續增長兩方面構建識別標準，利用新興技術發文的時序構建引文曲線并擬合，通過提煉引文曲線的主要特征實現對突破性創新技術主題的預測。

隨著人工智能技術的興起，機器學習被引入該研究領域中，劉健壯[47]通過比較創新產品與主流產品的特征因素差異性，提取相關特征因素并對其進行量化表征，最后利用K 臨近算法對大量創新案例進行分析，建立起了突破性創新的預測模型。馬德榮等[48]先應用解釋結構模型構建了機遇識別特征體系，再將突破性創新案例與非突破性創新案例進行對比提取各特征因素變化趨勢，并以其為自變量通過建立神經網絡，構建了突破性創新機遇識別模型。

此外，還有不少學者從其他視角進行了相關研究。張棟[49]基于突破性創新特征提取測度，并在此基礎上建立了涵蓋突破對象性質、創新資源條件與創新實現影響因素三方面的突破性創新預測體系。劉亞輝等[50]則認為現有研究多注重特征較為明顯的強信號、強關系，而在突破性創新的萌芽期，其常以技術主題間弱關系的形式存在，加強對弱關系的分析可實現對突破性的早期識別。

綜合上述研究發現，突破性創新機遇識別方法不斷向著更客觀、高效與全面的方向發展，從而更快速、準確地幫助企業抓住創新機會，使其能合理地分配創新資源并及時地搶占技術與市場先機。

3.2 突破性創新過程模型

技術系統存在的意義就是要滿足超系統的某種需求，但超系統的需求并非是一成不變的而是會隨著時間與空間進行變換的，這就要求技術系統通過創新來滿足不斷變化的超系統需求。如圖4 所示，按照需求的涉及范圍，可將其分為技術層面、社會層面與自然層面。其中技術層面的需求是指保障技術系統正常運行所需的結構、功能與性能等；社會層面進一步考慮了客戶的想法及社會文化、環境等要素；自然層面則是要求技術系統的存在應順應生態環境，符合生態經濟規律。其中技術作為突破性創新的實現手段，是決定突破性創新能否成功的關鍵之一。而要想在新產品開發階段跳出原有的技術軌道，就要求在創新最開始的模糊前端階段產生具有一定新穎性與獨特性的想法或是能產生從原理上切實解決現有技術阻礙的方案[51]。TRIZ 作為一種高效的創新方法，被廣泛地運用在產品創新的模糊前端階段以產生具有突破性的創新設想來實現超系統不同層面的需求。

圖4 超系統需求的不同層次Fig.4 Different levels of super system requirements

3.2.1 技術層面

3.2.1.1 以技術進化為導向

要想對技術進行突破，就要跳出當前的技術水平，向未來技術狀態進化。而一項新技術或新產品是否被社會所接受取決于技術或產品是否符合技術進化的一般規律[52]。技術進化定律作為提高技術系統當前理想化水平的工具指明了進化的客觀方向[53]，通過應用這些定律，可以預測技術系統的未來潛力狀態，使產品快速地從一種核心技術躍遷到另一種新的核心技術，并突破原有性能的極限，從而實現突破性創新[16]。如5 圖所示為技術系統的技術進化潛力。

圖5 技術進化潛力Fig.5 Technological evolutionary potential

在探究技術進化潛力的過程中還可以通過技術成熟度預測工具約束技術進化的方向，如圖6 所示為S-曲線與技術生命周期，可針對產品在技術生命周期中所處的位置，有針對性地采取不同措施來進行突破性創新。若產品處于嬰兒期或成長期，則應對其結構、性能等進行技術改進，推動其快速發展；若產品處于成熟期或衰退期，則企業應大力進行新技術的研發，以便推出新一代產品來替代現有產品[54]。

圖6 S-曲線與技術生命周期Fig.6 S-curve and technology life cycle

孫建廣等[55]通過對技術進化分支進行深入研究，歸納出了突破性創新的技術進化路線分支機理來指導產品進行突破性創新設計。Ping 等[56]基于TRIZ 的最終理想解與技術進化定律，提出了一種進行產品突破性創新設計的方法，并將其結果作為模糊前端最高質量的理念。平恩順等[57]為指導機械產品突破性創新設計概念的產生，選擇成熟期產品作為研究對象；基于物質-場模型，針對機械產品提出了突破性創新的方法并建立了面向成熟期產品突破性創新設計模糊前端階段過程模型。

3.2.1.2 以沖突解決為導向

技術系統中的沖突，是阻礙其發生技術躍遷的主要原因。而沖突的發現與解決則是推動產品與技術進化的動力[52]。如圖7 所示，為沖突與突破性創新關系。楊伯軍等[58]選擇在產品創新的模糊前端階段對其進行激進式裁剪，再通過標準解、效應等工具對裁剪后的產品進行功能重組從而產生突破性創新設想。武勝璇[59]同樣選擇通過裁剪來解決沖突，在對沖突區域進行裁剪后，對被裁剪子系統進行技術預測并獲得多個潛力狀態，最后通過求解得到滿足全局理想化的潛力狀態來指導突破性創新產品的開發。

圖7 沖突與突破性創新關系Fig.7 Relationship between conflict and radical innovation

3.2.1.3 以問題求解為導向

技術系統中存在的問題阻礙著突破性創新的產生，而這些問題也并非獨立存在，大多通過網絡的形式聯結在一起。如圖8 所示為技術系統中的問題網絡。因此，可通過對問題進行分解，找到深層問題之間的聯系，確定關鍵問題再對其進行解決以產生突破性創新。基于此，Wang 等[21]提出了一種對產品設計進行突破性創新的求解方法，包括問題識別、功能分析、關鍵問題確定、效應選擇、結構映射和方案評價。

圖8 技術系統中的問題網絡Fig.8 Problem network in technical system

3.2.1.4 以功能組合為導向

除通過改進現有產品之外，還可以通過研發新產品來實現突破性創新。而效應作為功能與科學原理之間的紐帶，是功能實現的科學依據，利于高級別、高質量創新解的產生[60]。如圖9 所示為新產品突破性創新實現過程。基于以上原理，檀潤華等[61]建立了創新機遇分析、設想產生、功能與效應綜合以及原理方案設計等過程的突破性創新設計模型。侯曉婷[62]則提出利用多生物效應來指導產品的突破性創新設計，在開發了多生物效應知識庫的基礎上，歸納總結了能夠指導工程設計的多生物效應實現的一般模式。

圖9 新產品突破性創新實現過程Fig.9 Realization process of radical innovation of new products

3.2.2 社會層面

在TRIZ 中將需求定義為用戶主觀上對產品的期望狀態與產品實際狀態之間的差距，如圖10 所示為需求分析與需求預測模型。

圖10 需求分析與需求預測Fig.10 Demand analysis and demand forecast

性能作為功能完成的數量與質量的體現，是顧客衡量產品的直接標準。因此，可從顧客需求中獲取技術系統性能，并以性能提升為目的對技術系統中的功能進行改進來實現突破性創新。如圖11 所示為以產品性能提升為目的的突破性創新方法。Yang 等[63]將QFD 擴展為產品質量屋與設計質量屋。以需求為基礎在產品質量屋中開發了基于TRIZ 的功能分解和性能分析方法，以識別突破性創新的性能特征，并將TRIZ 中的標準解和裁剪用于設計質量屋來確定最后的突破性創新產品方案。

圖11 以產品性能提升為目的的突破性創新方法Fig.11 Radical innovation methods aiming at improving product performance

回顧文獻發現，如圖12 所示，不管以何種目的導向進行突破性創新，都會經歷研究對象選擇、問題分析與問題求解過程并最終在模糊前端階段產生突破性創新設想，以預見后續新產品開發階段的突破性創新技術，并為商業化的成功奠定基礎。

圖12 產品創新過程模型[64]Fig.12 Model of product innovation process[64]

TRIZ 通過提供上述標準化工具指導企業技術人員進行突破性創新，不僅可以幫助企業對外部的市場、環境等因素進行分析，指導企業確定問題并求解，產生符合超系統需求的創新設想；還能在問題分析與求解過程中提高組織能力、促進組織學習并替代社會資本幫助企業擴充知識庫、降低創新風險，并最終激發出突破性創新設想。降低了突破性創新的風險與難度，使更多的企業可以參與進來，有利于產業技術的快速發展。

4 不足與展望

通過文獻分析，可以發現對突破性創新及其實現方法的研究取得了很多成果，但還存在以下不足：

1）不同領域的研究成果相對獨立，缺乏有效的融合。管理學領域的研究在宏觀上明確了突破性創新的驅動因素以及驅動機制。而工程學領域則是從微觀角度出發應用各類工具識別突破性創新機遇并構建產生突破性創新設想的模型，其本質是在創新過程中應用創新工具和方法促進各驅動因素發揮作用。即兩個領域的研究存在著對應關系，但現有突破性創新方法的研究多是從技術系統自身出發，通過問題發現與求解實現創新，在突破性創新方法中缺乏對各類驅動因素的考慮。

2）在進行突破性創新機遇識別時，研究局限于識別“突破性技術”。突破性創新需要同時滿足技術與商業兩個維度上的成功。而在現有研究中，鮮有考慮技術是否符合社會需求與自然需求，即是否能實現成功的商業化；且在突破性創新的早期，技術大多尚未發展成熟且突破性特征尚不明顯，此時僅以技術作為研究對象容易導致其被誤判為漸進性創新，使企業失去了進行突破性創新的機會。

3）對阻礙突破性創新實現因素的分析限制在所研究的技術系統范圍內，而忽略了超系統對系統進化的決定性作用。對一個技術系統而言，超系統決定了當前技術系統應具有哪些功能及性能水平，并為其功能的實現提供了場景及約束。如圖13 所示，除了技術系統不能滿足超系統的需求外，超系統還會對技術系統產生限制作用，即突破性創新的瓶頸會以技術系統與超系統間的不協調現象的形式出現。

圖13 突破性創新實現阻礙Fig.13 Obstacles to realization of radical innovation

4）在進行突破性創新時，目標導向的建立未能準確把握突破性創新的本質。技術系統因超系統需求而存在，其作用就是要對超系統產生積極影響，而技術系統的功能、性能僅是產生這種影響的實現手段。當技術系統由于滯后阻礙了超系統的發展時，技術系統就會對超系統產生負面影響，此時就需要重點解決當前技術系統與超系統間的沖突來實現突破性創新。但現有創新過程模型皆是通過技術系統功能的改進及性能極限的提升來實現突破性創新的，因此也難以保證最終的創新結果符合突破性要求。

5）現有研究中所提出的創新過程模型只能滿足低層次的超系統需求。通過應用現有研究中提出的方法進行創新雖然能夠對超系統產生一定的積極影響，但研究更多地注重技術上的躍遷，使創新結果局限在技術需求的滿足上，而未能考慮更高級別的社會需求與自然需求，從而限制了創新的突破程度。

綜合上述研究中存在的不足，對未來的研究方向提出展望。在研究方法方面，可通過管理學的研究成果指導突破性創新過程模型的建立，在創新模型的各階段中體現對驅動因素的促進作用，從而提升創新模型的有效性與可靠性，提高突破性創新的成功概率。在研究視角方面，未來可將視角由技術系統拓展至超系統，一是要從超系統視角更加全面地分析實現突破性創新的阻礙，在創新過程中不僅要挖掘、求解技術系統內部的問題，更要消除技術系統與超系統間的不協調現象；二是要把握突破性創新的本質，以提升技術系統對超系統的影響為目標導向進行創新，并通過預測創新對超系統的影響程度來識別突破性創新機遇；三是要繼續對超系統視角進行拓展，在進行突破性創新機遇的識別時，不能單純地考慮技術上的突破還要進一步考慮其與社會、自然層面需求的符合程度，最后通過技術與商業兩個維度的綜合評判預測突破性創新機遇；而進行創新設計時同樣不僅要滿足超系統的技術需求，還應進一步考慮通過用戶特征、社會文化來滿足社會需求，通過順應自然環境并合理利用自然資源來滿足自然需求，進而擴大創新對超系統的有益影響，實現更高級別的創新并提升創新的突破性。

5 結語

隨著經濟的快速發展，企業乃至國際間的競爭也日益激烈。要想提高競爭實力，成功應對快速變化的市場就要積極地進行創新。漸進性創新只能幫助組織維持當前的市場，當競爭對手成功地實現突破性創新并將其引入市場時，就會大幅度削減組織當前的市場份額與競爭能力。因此，想要趕超競爭對手，實現市場格局重塑，就要進行突破性創新。

眾多文獻表明，突破性創新與漸進性創新的本質區別就在于其能對超系統帶來更為重大的影響。基于此，以創新對超系統的影響程度為標準對突破性創新進行定義。從宏觀視角歸納了不同理論視角下突破性創新的驅動因素與驅動機制。從微觀視角，梳理了突破性創新機遇的識別方法；以創新對超系統的影響范圍為標準，論述了不同目標導向作用下突破性創新設想的產生方法，指出了突破性創新實現的基本步驟及應用創新工具指導突破性創新設想產生的意義。最后對當前研究的不足進行了分析并對未來研究方向進行了展望。