基于技术进化理论的颠覆性技术创新方向选择研究——以电动汽车技术为例

许泽浩，张光宇

(广东工业大学管理学院，广东　广州　510520)

1　颠覆性创新的内涵与意义

颠覆性创新理论产生于发达国家的企业竞争和创新实践，哈佛大学Christensen教授首次在《创新者的困境》中把创新分为两类：维持性创新与颠覆性创新，并对颠覆性创新理论进行了探索，其目的是研究“领导企业追求新增长的努力为什么会导致失败”以及“领导企业如何面对颠覆性技术的挑战[1]”。维持性创新是不断改进现有产品的主流性能的一类创新。当前领导企业更多采用维持性创新手段，通过不断强化产品的主流性能巩固其在市场中的领导地位，同时获取更多的利润和政府资助。而颠覆性创新则是改变维持性创新的路径，通过新的技术创新使得新产品呈现体积小、操作方便、成本低廉等特征，依靠吸引原市场的低端顾客或新顾客，最终颠覆现有产品的一类创新。颠覆性创新的结果更具革命性和破坏性，其对产业的影响是颠覆性的。

颠覆性创新理论提出后，学者们和创新管理者们从颠覆性创新的内涵[2-5]、特征[6-7]、机理与路径[8-11]做了许多探索研究。总体而言，颠覆性创新具有以下特征：①开展颠覆性创新的新技术或新技术组合与开展维持性创新的原技术，其创新路径不在同一方向上；②开展颠覆性创新的新技术或新技术组合与原技术成对出现，新技术起源于原技术，成长于原技术所创造的环境，最后颠覆了原技术；③新技术或新技术组合在进入市场时通常采用低端市场或新市场策略，以便避开领导企业的直接扼杀；④新技术或新技术组合起初在主流性能上远远不如原技术，但却拥有诸如体积小、价格低、操作方便、携带方便等新的性能特征；⑤新技术或新技术组合在主流性能上能以更快的加速度不断改进，直至达到甚至超过原技术市场的需求，并通过逐步侵食原技术产品的市场，最终颠覆原技术。

颠覆性创新理论越来越被广泛认为是后发企业如何在低端环境下颠覆当前市场上领先企业的创新战略路径，同时也是发展中国家处于产业链低端的企业与国际领导企业开展竞争的重要法宝[12]。然而作为创新驱动发展的重要路径，颠覆性技术并未能很好地得到资助和扶持，当前政府补贴与社会支持的对象多数是围绕领导企业的维持性创新，颠覆性技术由于风险高、起初实力弱小、未来前景不明朗、与当前技术体制机制不相容等原因，很难得到有效的保护和资助。本文从创新的两种不同路径识别颠覆性创新与维持性创新，致力于通过对创新路径的识别及早选定颠覆性技术的苗圃并及早培育和扶持，以颠覆性创新的新路径驱动产业革命进而推动经济社会发展。

2　技术进化定律

2.1　系统

一般把由相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物或过程形成的具有整体功能和综合行为的统一体，称为系统[13]。功能是对产品的具体效用或技术系统能够完成任务的抽象描述，反映出产品或技术系统的特定用途和特征。产品的技术系统是由不同组件组成，为满足顾客需求而实现某种功能的系统，其功能是输入(能量、物质或信号)与输出(能量、物质或信号)之间的一种关系[14]。与功能分解相似，可将技术产品黑匣子当作一个系统分解为各级子系统，子系统是技术系统的组成部分，每个子系统也是一个独立完整的系统，具有完整的结构。

2.2　技术进化定律

TRIZ理论通过对大量专利的分析，总结出不同领域中技术进化的一般规律，并提出技术系统进化理论。如Fry和Rivin在TRIZ理论的基础上，将技术进化定律归纳为9条：系统向理想化水平进化、子系统向非均衡化进化、技术系统向柔性化进化、系统向复杂化进化、系统向微观化进化、系统向能量流经路径缩短方向进化、系统向完整化进化、向可控性进化、向和谐性进化[15]。Kalevi和Ellen在Simplified TRIZ体系中介绍了五种有效的进化模式，即系统向不均衡进化、向宏观性进化、向微观性进化、向增强相互作用方向进化、向扩充或简化方向进化[16]。

技术进化定律指出每项技术创新的方向，即技术创新和发展是有规律可言的。颠覆性创新作为以技术创新为本质的创新，同样遵循技术进化发展的规律。技术在创新发展的过程中，技术系统或其子系统将沿一定的方向进行创新发展。具体而言，产品作为完整的技术系统，其本身或子系统根据技术进化定律确定创新方向，进而经过研发选定技术创新路线进行创新，最后对产品的整体或部分进行替换或改进，创新发展的结果通常表现为系统的全部替代或子系统的部分替代，进而形成新的技术产品。因此，要识别技术系统创新的路径，应从系统或子系统进化的角度梳理技术系统进化的定律与路线，分析从一种技术核心转移到另一种新的技术核心的过程，从而确定技术创新方向与路径。

2.3　功能系统

产品的子系统分为基本功能子系统和辅助功能子系统。基本功能子系统指实现技术产品基本功能的子系统，由实现系统基本功能不可或缺的构件组成。辅助功能子系统指为便于技术产品基本功能更好体现的起辅助作用的子系统。辅助功能子系统即使去除也不会因构件的缺失而导致基本功能实现不了。

技术产品创新可能出现在承载基本功能的子系统上，也可能出现在承载辅助功能的子系统上。因此技术产品创新的路径可分成两个不同的方向，即基本功能创新方向与辅助功能创新方向。

3　颠覆性技术的进化方向分析

3.1　颠覆性技术的创新系统

颠覆性创新的最终结果是将原技术进行颠覆，淘汰旧产业产生新兴产业，甚至直接对旧产业实行替代。如果新技术的创新出现在产品承载辅助功能的辅助子系统上，而技术产品承载基本功能的子系统不变，则其基本功能不变，这样创新发展的结果最终将不可能实现对原技术产品的颠覆。因此，颠覆性技术创新的载体必然是基本功能子技术系统(见图1)。当然，基本功能子技术系统也包括多个子系统，根据其重要性不同，其影响的程度也不相同，最后产业进行颠覆的程度也不相同。显然，对于产品创新而言，整体代替是最高程度的颠覆。而对于系统而言，越重要的子系统实现创新，其技术创新对原产业的颠覆程度将越高。鉴于任何系统都可作为上一级超系统的子系统，因此产品整体也可作为子系统进行研究。

图1　维持性创新和颠覆性创新技术进化的方向

3.2　颠覆性技术的创新方向

技术创新的结果将推动技术性能产生各种变化，然而技术的性能指标是多方面的。基本功能子系统的创新可能对产品性能指标形成两个方向的影响，一是使产品的主流性能在原来的基础上进一步创新和改进，二是使产品的主流性能在其他创新方向上进一步创新，三是使产品的非主流性能得到创新与改进。从Christensen的定义可知，前者的创新属于维持性创新，后两者的创新属于颠覆性创新。因此，技术开展维持性创新的进化方向，可以通过原技术之前的创新方向总结分析得出，甚至通过之前的创新路径可以预测技术通过维持性创新的未来状态。颠覆性创新的方向无法确切地通过之前的创新方向进行锁定，但唯一可以确切锁定的是，新技术的创新方向与原技术开展维持性创新的方向不同。比如在提高交通工具速度的创新问题上，维持性的思维是对交通工具外形的改变以减少阻力或提高发动机等的动力来源，然而当前却有人提出利用磁悬浮技术在管道中实现超高速度。

3.3　颠覆性技术创新方向识别的步骤

根据上述分析，在判断新技术创新是否符合颠覆性创新的方向时，重点要分析创新的子系统与创新方向，具体步骤如下：

步骤一：选择一项新技术，同时锁定其对应的原技术；

步骤二：对新技术与原技术产品进行功能系统分解，锁定新技术的创新子系统；

步骤三：对创新子系统的重要程度进行评估；

步骤四：梳理原技术开展维持性创新方向；

步骤五：分析新技术创新的方向，并与原技术开展维持性创新的方向进行对比。

若新技术创新子系统属于基本功能子系统(其重要程度越高，最终实现颠覆性程度越大)，且创新方向与原技术开展维持性创新的方向不同，则新技术的创新符合颠覆性创新方向要求。

4　电动汽车颠覆性创新进化方向实证分析

4.1　内燃机汽车基本功能结构

当前汽车以石油为主要燃料，通过燃烧石油获取能量，进而驱动活塞运动将热能转化为汽车动能，所产生的驱动力通过传动机构传输给车轮，带动汽车运动实现行驶和运输的功能。而汽车在行驶过程中，需要接受转向、制动、加速等各种指令进行运作。根据内燃机汽车的基本功能，构建汽车的功能结构图(见图2)。可见，汽车将能量(石油等)、物质(人或物等)、信息(指令)等通过系统运作，最终转化为运输。

图2　内燃机汽车功能结构

4.2　内燃机汽车技术系统分析

汽车总体由发动机、车身和底盘三大总成组成。底盘主要由传动系统、制动系统、转向系统等组成，车身主要由座椅、车外附件等组成。从其基本功能出发，对应产生驱动力、传输动力、输出转向力、输出制动力和承载人或货物，本文将其分解为发动机系统、传动系统、转向系统、制动系统、行驶系统、车身系统六大基本子系统。其中发动机系统主要实现能量转换以及提供动力来源等，传动系统主要将发动机提供的动力传输给其他各个子系统等，转向系统实现方向控制等，制动系统实现车速控制等，行驶系统主要实现承载运输人和物等，车身主要是为驾驶员提供良好的驾驶环境。

(1)发动机系统:发动机系统是汽车的心脏，将化学能转化为机械能并对外输出动力，从而为汽车提供驱动力。它由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供油及燃油分配系统、电子传感器、点火系统和润滑系统以及散热系统等零件组成。

(2)传动系统：汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系统,它使汽车具有在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速以及它们之间的协调变化等功能，使汽车有良好的动力性和燃油经济性；还应保证汽车能倒车，以及左、右驱动车轮能适应差速要求，并使动力传递能根据需要而平稳地接合或彻底、迅速地分离。传动系统包括离合器、变速器、万向传动装置、主减速器及差速器、半轴等部分。

(3)转向系统：汽车转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。在汽车转向行驶时，保证汽车各转向轮之间有协调的转角关系。驾驶人员通过操纵转向系统，使汽车保持在直线或转弯运动状态，或者使上述两种运动状态互相转换。转向系统包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构等部分。

(4)制动系统：制动系统是汽车装设的全部制动和减速系统的总称，其功能是使行驶中的汽车减低速度或停止行驶，或使已停驶的汽车保持不动。制动系统包括制动器、制动传动装置。现代汽车制动系中还装设了制动防抱死装置。

(5)行驶系统：汽车行驶系的功用是接受发动机经传动系传来的转矩，并通过驱动轮与路面间的附着作用产生路面对汽车的牵引力，以保证整车正常行驶；此外，它使汽车尽可能缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证汽车行驶平顺性，并且能与汽车转向系很好地配合工作，实现汽车行驶方向的正确控制，以保证汽车操纵稳定性。行驶系统包括车架、车桥、悬架和车轮等部分。

此外还有车身系统，包括座椅、天窗等附件装备，因车身系统对于本文的研究无关紧要，本文未将其做进一步分解。

根据内燃机汽车基本结构图，在六大系统的基础上，对内燃机汽车产品功能结构进一步分解，建立基本技术系统分解图(见图3)，根据研究需要子系统还可进一步往下分解。

图3　内燃机汽车基本技术系统分解图

4.3　电动汽车技术系统分析

电动汽车的基本功能与内燃机汽车相似，只是电动汽车以电能为能量源，通过电动机依据电磁感应定律实现电动的转换，产生驱动转矩作为电动汽车的动力源，所产生的驱动力通过传动机构传输给车轮，带动电动汽车运动实现行驶和运输的功能(见图4)。而电动汽车在行驶过程中，同样需要接受转向、制动、加速等各种指令进行运作。因此，电动汽车的功能结构与内燃机汽车相似，唯一不同的方面是能量源是电能。

图4　电动汽车功能结构

同理，对当前电动汽车的基本功能和结构进行分析和分解[17]。

(1)能源子系统：主要是为纯电动汽车的驱动电动机提供电力，目前已使用的电源类型包括铅酸电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池等。

(2)驱动电动机子系统：主要是依据电磁感应定律，将电能转化为动能，并通过传动装置传输给电动汽车。目前已使用的电动机有直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机等。

(3)传动系统:主要是将驱动电动机的转矩传输给其他相关系统，以使动力源传输到各个需要的系统中进行工作。传动系统主要包括离合器、变速器和主减速器等。

(4)转向系统、制动系统、行驶系统和车身系统的功能及组成与内燃机汽车的相应系统结构相似，这里不做一一阐述。

根据电动汽车的基本结构，在七大系统的基础上，对电动汽车产品功能结构进一步分解，建立技术系统分解图(见图5)，同样根据研究需要各子系统还可进一步往下分解。

图5　电动汽车技术系统分解图

4.4　电动汽车的创新子系统及功能系数分析

从燃油汽车和电动汽车的技术系统分解图对比可以直观看出(见图6)，内燃机汽车和电动汽车的技术系统中制动系统、传动系统、转向系统、行驶系统、车身系统的技术变化不大，组成单元相似。创新的重点是将内燃机汽车的发动机系统替换为电动汽车中的能源系统及驱动电动机系统，也即是汽车的能量转化及动力来源的系统。这个系统的技术创新点正是将原来由燃油提供的热能转化为动能，改变为将电能转化为动能。

图6　燃油汽车和电动汽车子系统差异对比

从汽车的技术系统分解中可见，其一级技术子系统包括发动机系统、传动系统、制动系统、转向系统、行驶系统和车身系统 。

为了分析各子系统的重要程序，采用功能系数进行计算,首先列出各子系统功能重要程度对比(见表1)。

表1　汽车各子系统重要程度对比

按照各子系统功能对比计算方法PA=∑(A/B,A/C,…，A/H)，计算各子系统重要程度对比之和分别为P发动机=5、P传动系统=4、P转向系统=3、P制动系统=2、P行驶系统=1、P车身系统=0。

从各子系统的功能系数可以看出，发动机子系统的功能系统最高，是内燃机汽车中最重要的子系统。发动机是汽车的关键执行系统，其体现的功能是汽车的最主要性能。

4.5　电动汽车技术符合汽车颠覆性进化方向

电动汽车的技术创新子系统是能量源子系统和驱动电机系统，而创新的子系统所代替的部分将是原汽车产品的发动机系统。发动机系统功能系数最高，是汽车最核心的子系统之一。因此，电动汽车对于燃油汽车而言，其将创新的是基本功能子系统中最重要的系统。下面重点分析电动汽车子系统的创新方向与原燃油汽车开展的维持性创新是在同一方向上，还是在不同方向上。

从美国权威杂志《Ward′s Auto World》杂志社创立的全球十大最佳汽车引擎数据库中，选取2003—2015年排气量为3.0L、结构为六缸的全球十大最佳汽车发动机，统计各年具有代表性的汽车发动机相关数据(见图7)，以此了解发动机的进化方向。从图7中可以看到，在近十几年的进化过程中，发动机的功率、扭矩、升功率、压缩比等主要性能指标均在不断提升当中，这与人们一开始对汽车的最高速度、起步速度、加速度等需求密切相关。发动机从直列式到V式，从自然吸气到涡轮增压等结构和工作模式的进化，均是为提升这些性能而进行的设计。

经过对汽车发动机技术进化情况调查分析，发现发动机进化的方向在其主要性能如功率、扭矩、升功率、压缩比等，而就目前汽车发动机的功率、扭矩、转速等性能而言，已经完全超出人们日常驾驶汽车的需求。通过对汽车用户的调查表明，除了部分汽车发烧友之外，绝大多数用户对于汽车最高速度、马力等持续性提升已不感觉到增值，反而对汽车石油消耗等精打细算。而作为汽车动力的另一项重要技术进化方向节能和环保技术进化缓慢，虽然近年来各国推出轻便、小型的汽车，但缓解能源和环保的问题有限。新能源汽车的创新方向与燃油汽车的创新方向显然不同，属于非主流性能的创新。正如各国纷纷将新能源汽车作为国家战略新兴产业，新能源汽车已成为汽车产业发展中具有颠覆性意义的潜力方向。

(数据来源：汽车科技网、无敌汽车网、中国汽车消费网、梅赛德斯奔驰网、爱卡汽车网、太平洋汽车网、新浪汽车网)

5　小结

在对颠覆性技术创新方向进行识别与选择时，首先研究新技术创新承载的系统是否为原产品系统的基本功能子系统，新技术创新的系统对原产品的重要性越高，其创新后颠覆的程度将越高。再者理清与新技术对应的原技术开展维持性创新的方向，颠覆性创新方向与维持性创新方向不同，其产生的结果也不同，因此存在两种情况，一是主流性能沿着新的创新方向进行改进，二是非主流性能得到创新和发展。电动汽车的技术创新子系统能量源子系统和驱动电机子系统所替代的对象是汽车的发动机和石油燃料，正是汽车基本功能子系统中最关键、最重要的子系统；发动机进化的方向集中在功率、续航里程等主要性能指标上，而电动汽车的创新方向与其不同，正是向着汽车的非主流性能创新方向发展，符合颠覆性创新的方向。颠覆性创新方向的判断与选择，对于政府扶持颠覆性技术的发展以及对产业方向的选择和提前布局具有重要的现实意义，对于国家产业的规划同样具有极为重要的战略意义。