探索中国机械产品的创新设计与开发
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摘要:“十一五”规划纲要明确提出把增强自主创新能力作为中心环节。本文首先论述了创建创新型企业是时代的要求,然后着重对“创新”的内涵和机械产品的创新设计与开发进行深入的探讨,最后还谈到了如何利用信息技术进行创新。
从20世纪50年代开始,中国工业化的进程就是以建立基于机械制造业的现代工业体系为龙头的,它使当时中国的经济获得迅速的提升。在继美国与俄罗斯之后50年代中国数控机床的研究开发成功、以及精密坐标镗床与螺纹磨床和60年代精密齿轮磨床关键技术的成功开发证明,中资企业有可能建立实现机械和装备产品创新和技术创新的能力。
经过28年改革开放,中国经济获得空前的快速发展和举世瞩目的成就。但是,在这个时期大多数中资企业处在创建和改革的时期,还没有来得及进入在新的巿场经济环境条件下创新的轨道,总体的创新能力与世界先进国家之间的差距明显。因此,为了实现创新型国家,探索中国机械技术与产品,特别是装备制造技术与产品的自主创新和基于创新的自主设计开发有着重要的“社会-技术-经济”意义。

一、创建创新型企业是时代的要求

  1. 中资企业面对的挑战
    建立创新型国家是实现中国和平崛起的重大战略,它的提出标志着中国的改革开放应该从过去28年的“淘金时代”转向以“实现经济增长方式和产业结构转变”为目标的崭新的自主创新时代。面对国内外多种不同的看法和全国已经掀起的创新舆论,我们认为最重要的问题是研究如何实现创新。新近欧盟等先进国家对土耳其工业化及其创新能力的研究结果值得我们借鉴。土耳其从1900年就开始了工业化的历程,虽然已经成功地发展了国家经济,但它是一个缺乏创新的国家。研究指出土耳其还不是创新型国家的根本原因是:缺乏有远见而强有力的创新领导与社会和政治的支持;官员的腐败;没有建立现代创新必要的商业环境;基础教育的低质量和缺乏现代创新理论与方法的指导和支持;未能有效地调动企业与个人创新的积极性。
    当代中国制造企业面临的主要挑战有:
    1. 从传统的“三高(高物耗、高为能耗与高污染)”和低技术产品为主导与低收益的工业化道路转变成以“转变创意与创新的理念、以创新管理开路、以专业技术和产品创新为本”;从“传统的学习方式和产品或技术的引进”为焦点转变为以“顾客巿场需求驱动的设计理念与产品功能与性能的创新”为中心的新型工业化道路。
    2. 从高度依赖国外的专业技术、技能与应用能力,极度依赖不断投资和高度密集地利用资源与能源的增长方式转变为以利用现代创新理论与方法、创新管理和产品与专业技术改造产业结构和经济增长的方式。为此,应该端正创意与创新的理念,培养掌握现代创新理论与方法、能够独立思考、提问和产生创意、有创新能力、数量众多的创新骨干人才,造就支持创新的企业文化和能够推动和支持不断创新的领导及适应创新的组织、管理和激励制度。
    3. 通过良性的兼并和在竞争基础上的合作快速扩大企业的规模,提高中资企业的整体实力和巿场竞争力。
    4. 有效地管理外资与民营资本的巿场准入和深化金融改革,提升中国经济抵抗风险与支持经济长期快速发展的能力。
    5. 采取强有力的措施迅速改变大多数中资企业创新能力低下的现实状况,有力地打击权钱交易、欺诈、制假和贩假,改变急于求成的浮躁心态,树立创新与务实的理念和艰苦奋斗精神。
    6. 学习和发扬中国“两弹一星”的创新与研发经验,确立以理论创新和科技创新为龙头的管理和技术创新路线。
    如何应对上述挑战呢?我们的研究与许多企业的实践证明,应该:
    1. 构建“基于掌握现代创新理论与方法的各类创新骨干的创新型企业—发展创新力经济—创新型国家”的国家创新链/创新体系,充分发挥各级政府、组织与企业和个人的创新积极性、实干精神与作用
    2. 正确理解创意与创新的理念,消除一切干扰和阻碍创新的倾向,同时采取正确的创新策略推动和保证企业与其它组织和个人沿着正确的创新道路前进。
    3. 在继续保证中小学基础教育质量的基础上,全力推动活跃创意思维和开展系统创新理论与方法的学习、培训和应用。
    4. 开发指导可持续制造和产品模块化的理论与方法。
    5. 正确利用信息技术加速机械制造技术和产品的创新。
  2. 什么是创新?
    创新(Innovation)的基本涵义是引入或者产生新事物,并造成明显变化的结果。创新是一个容易使许多人迷惑不解、必须全面、正确与综合理解的广泛概念,因此实施创新前的第一要务是搞清创意与创新的理念。经合组织OECD将创新定义为:创新是利用知识提取新的经济和社会收益的过程。一个更接近商务应用的概念是,2005年德国Trott教授将创新定义为:创新是对包括创意产生、技术开发、制造和一种新产品或者改进产品的营销或制造与装备的过程所有活动及其管理的集合。因而正确理解创新概念必须把握以下要点:
    1. 创新是一个复杂的连续过程,涉及知识与经验、创新理论与方法的应用、科学技术创造或发明、经济、管理和组织之间竞争与合作的六位一体的有组织的社会—技术—经济过程。
    2. 创意是创新的起始点,没有高质量与众多的创意就不可能获取好的创新结果。创意指的是新颖的思考和合适的构思主意。支持创新成功的创意是从众多创意中筛选出的,在严肃的创新中创意的可利用率经常只是千分之几或者万分之几。大量高质量的创意、以顾客巿场驱动的设计理念和产品功能与性能研究能力的获取需要学校、企业和社会的大力改进和共同努力,它是中国实施创新必须解决的一个难题。
    3. 创新是相对于竞争对手比较而言的,现代组织创新的三大步骤是:
      • 第一步:端正创意与创新的理念。为此首先应该使组织的领导人确立正确的创新理念。
      • 第二步:从管理创新入手。积极准备好实现技术与产品创新的基础结构和环境条件,培养一批掌握系统创新理论与方法、有活跃创意能力和能够实施创新的各类骨干人才,建立支持创新的企业文化与社会舆论及奖励机制。
      • 第三步:技术创新为本。利用竞争情报技术CI和约束理论TOC明确创新的方向、目标与战略,有组织地持续开展技术与产品的创新,涉及以顾客巿场需求驱动的产品创新、实施技术、制造过程与商务活动,并始终以“使顾客完全满意TCS”为工作目标与创新质量最终判断标准,以使组织获得明显的收益改进,实现“使受益者完全满意TSS”的组织总目的。
    4. 创新的过程是,个人的创意与/或发明创造、公司运作与活动的管理和组织的结构与外部的联系三者交互作用的时间历程,因此管理和创新的骨干是创新过程两个关键分量。
    5. 创新必须遵循科学和创新的理论与方法。我们发现,从第一次工业革命以来一直存在“科学—准科学—伪科学”的相互争斗。所谓“准科学”就是“半吊子的”科学,指的是有一定的科学依据但人为地夸张其科学性、没有考虑或有意隐匿其副作用或有害的效应与作用而打着科学与新发明的旗帜推出的“新产品”与“新服务”项目。准科学是资本与个人急于通过“创新”实现发财梦的人为表现,它直接违反自然发展的规律,是反科学的,也是传统工业化道路带来高污染和当今危及食品安全与健康的根源,应该特别注意和反对。
  3. 创新的策略:领导先行、管理开路、专业技术与产品创新为本
    如上所述,既然创新是一个在竞争环境下的有组织的社会技术与经济过程,广大的中资企业就应该采取有效地创新实施策略。当代的实践已经证明,少数个人或个体发明家的努力对推动社会发展的作用几乎是零。所以现代实现创新的关键首先是提高公司与组织领导人对创新的认识、了解它与企业生死存亡的关系、激发他们领导与支持产品与专业技术创新的积极性。没有这个过程,创新将是一句空洞的口号,在实践上毫无意义。
    在企业领导人的领导下实施创新的关键是进行组织管理的创新。它包括:管理自身的创新与创新项目的管理、组织的创新、商务流程与活动的创新与再造以及服务的创新四方面的内容,同时它还包括:为成功实施产品与技术创新的硬软件基础结构建设和创新人才的选拔、培训教育与组织,特别是现代系统创新理论、方法与工具的引进、学习和掌握。
    在上述策略成功实施的基础上,企业创新的核心是有目标与规划的实施持续的产品与技术创新,它包括:基础科学的研究与发现、产品的创新、企业运作与制造流程/过程的再造与创新、生产的创新和知识与经验的搜集和管理。我们应该记住上世纪80年代美国制造业严重衰退的教训。事实说明,美国先进的科学与技术并不能自动地生成产品与服务的创新结果,而当时在科技发明方面落后于美国的日本与德国由于实现了产品与服务的创新就能够打垮美国的众多重要制造企业和制造行业,造成80年代后期美国经济的衰退。诚然,我们不会在短期内达到现代美国的科技水平,但是两弹一星的经验证明我们可以在有限领域和目标下将理论与先进技术的学习与创新和产品与服务的创新结合起来达到该项目或领域的世界先进水平。同时,竞争情报等先进的技术可以加快从技术引进和新产品模仿进入实质性创新阶段的速度,以尽可能快地提升中国制造企业的全球竞争力。
  4. 学习与掌握基础的创新技术和管理
    在十余年学习、探索和应用的基础上我们总结出适应中资企业创新历程的以下6门必须掌握的创新知识与技术。
    1. 企业竞争情报技术。含:竞争情报与反情报技术、调查提问技术、横向对比技术、知识产权的保护和利用、品牌建立与保持、关系学(≠人际关系学)基础和创新的知识管理KM。
    2. 创新设计与管理。包括:当今国内外最新、最先进的产品、过程与服务及其管理的创新战略、理论、方法与工具,如:享誉世界的发明问题求解理论TRIZ、革新了的公理设计理论ADT、最新的问题求解技术PST、制度创新和创新度的测度与控制和系统创新的理论与方法等,透析多个成功与失败案例,明确现代创新的方向与发展趋势,通过课堂试验与教学互动研讨深入掌握相关的理念、基本理论与方法。
    3. 现代质量管理与六西格玛法。它是最新的世界创新质量及其管理的理论与方法,是一种适应所有企业最新的精确量化、全员参与和全员负责的系统集成管理和质量创新的技术、TRIZ–6σ与精益6σ等最新理念与技术和创新质量的保证。
    4. 精益生产与管理。它是21世纪主流的生产运作方式与管理,侧重讲授精益生产与管理的本质与核心理念、应用的基本条件,消除各种有意与无意的误导,流程设计与再造PDR技术。为正确理解精益生产的运作原理和它如何成功地应用于中国企业,并提供完整的在中国成功实施精益生产与管理的案例。
    5. 资本运作。主要包括:现代经济学基础、兼并、融资与金融风险规避等核心技术与方法。
    6. 现代企业文化。针对大多数中资企业的实际,除学习与本土化利用先进的管理理念与方法外,最重要的文化建设是能够适应学习与掌握现代先进的系统创新理论与方法的创新文化氛围和学习与掌握世界工业化过程所创造的工作与实施程序的规范化/标准化方法与工具。它主要包括:领导的艺术、领导人的修养、员工的激励与对忠诚员工的培训、团结合作的团队精神、跨专业与创新实干小组的建立、创新企业氛围的营造。

二、学习与掌握系统创新理论与方法

现代先进而适用的系统创新理论、方法与工具包括:现代问题求解方法PST(包括直觉思维与规范化的头脑风暴法)和基于广义独立公理和对信息公理新理解的系统化创新产品、组织与服务的公理设计理论,以及有指导地利用发明问题求解理论TRIZ、质量功能分配QFD、可制造与可装配的设计DFMA、约束理论TOC和先进的信息技术IT等。
不掌握这些理论与方法使我们在考虑与组织企业未来发展时总是挂一漏万或者陷入方向性的误区,其必然的后果是传统工业化“三高”的重演。例如,在构思与规划21世纪的中国公共交通系统时只是统一而片面地规划为“铁路提速-高速铁路-磁悬浮”与“高速公路”,而不知道即使是技术先进的德国与日本也不愿意将磁悬浮作为主要的实用化方向。现在,各国正在研究与开发的是,能够大量节约土地占用、大幅度节约投资和大大降低污染的新型高架运输工具和利用电离大气中氧气、时速6000公里的高速飞机。因为,它们的创新必须是全面考虑和权衡“投资-技术-对环境的影响-收益”的优化解决方案。

三、创新机械产品的设计与开发

  1. 新产品开发的作用
    创新与改进机械产品的主要作用是:
    1. 是调整产业和产品结构和实现产业与经济增长方式转型的关键措施。例如近几年东莞85%的台资与港资企业通过产业转型与产品的革新升级扭转了收益下降,恢复保持了14年的20%的利润增长率。
    2. 机械产品,特别是关键的装备产品的创新与改进是国家实施宏观调控的有力手段,也是长期持续高速发展国家经济与增强防务能力和使企业迅速提升竞争力与“做大做强”的重要途径。
    3. 是国家创新力的重要测度与评价指标。
    4. 以顾客巿场需求驱动的产品创新与改进是企业快速适应需求变化、实现TCS、保证达到企业总目的TSS的强有力手段。
    5. 是开创与保持品牌,不断增强品牌竞争力的强有力途径。
    6. 是在快速多变的全球化竞争中关系到大多数企业生死存亡和保持企业竞争优势的核心要素。
  2. 新产品创新与开发的误区与挑战
    中国现代机械产品创新与开发的主要误区是:
    1. 不能根据国内外资源(原材料与能源)和劳动力工资的上涨、巿场竞争不断加剧的新形势即时地创新或改进现有的产品与服务。
    2. 无视国内外先进企业与主要竞争对手对产品与服务的创新与改进,仍然依赖于产品、装备和技术的进口和简单地投资增长型的数量增长,甚至听信“以巿场换技术”的炒作,或者只相信已经过时的个人经验,迟迟不愿启动管理与产品的创新和改进。只满足于一时的中低技术产品出口增长,甚至个别领导人头脑发热盲目扩张。
    3. 传统的条块分割。国家投资长期不足和信息产业不参与数控系统硬软件的研究与开发,使中国中高档的数控机床产品仍然基本上配装国外系统,无法摆脱对国外的依赖和制约。
    4. 机械技术现代化的投资长期不足,使国产机械产品设计质量、可靠性和成本效益无法与国外先进公司竞争,甚至出现对国外装备制造公司更大的依赖,如中国刀具材料与制造水平的停滞不前,许多数控机床的常用硬质合金刀具只能依赖进口就是明证。
    5. 可持续制造的发展缓慢。
    6. 订制化与产品模块化的研究与开发严重不足,供应网络生产水平与能力的落后和精益制造长期无法利用,造成中国轿车和汽车某些零配件生产的成本高于美国。
    7. 缺乏创新技术、过程与产品、投资和组织管理的热情,造成99%的中资企业没有专利权和60%的国家专利拥有者是个人而不是企业组织的“硬伤”。
  3. 新产品开发的基本特征
    从大量国内外长期的新产品开发实践和研究证明产品的开发有如下的关键特征:
    1. 自主设计与开发能力是以管理、产品与技术和过程创新为基础的。
    2. 实践证明成功创新所利用的创意只是其中的极少数,新产品的开发成功率也相当低,即使在有效的创新管理支持下其成功率一般也只能达到2-5%,最有实力的先进公司也只能达到10%。所以,相对于创意新产品的创新开发是高风险、高投资和高收益的,一旦成功完成整个创新过程,新产品创新带来的收益可能达到公司年销售额的98%。
    3. 开发过程的不确定性和动态性是高风险和高投资的根源。国外先进公司的实践证明,以TCS为新产品设计与开发的工作目标和设计开发质量的最终判据和顾客与供应商参与的设计与开发是极大地降低风险和投资的关键。
    4. 70~85%的产品成本与质量取决于可制造的6σ设计与改进能力。
    5. 早期的评审与淘汰是提高投资回报率的有效方法,因为产品不同的设计开发阶段投资回报率有很大的差别。
    6. 实施风险管理与创新的知识管理是降低开发风险和保持知识产权的有效手段。
  4. 可持续制造
    当今的世界被社会政治挑战所困扰,这些挑战包括:世界范围的恐怖主义(terrorism)、中东的冲突、严重污染带来的环境挑战与饥荒等等。由于二氧化碳大量地排放使自然灾害频发与冰川大量的融化造成的环境变化、灾害频发和污染的加剧;由于石油在40年后、天然气在50年后和煤在150年后有可能枯竭所形成的资源可利用性的挑战(Achcar P.等,2003),所以人们在呼唤可持续制造。可持续制造的目标是消除生态的限制,在提高生活水平的同时降低对自然资源的消耗。达到可持续制造的方法是:通过科学技术和管理的创新极大地降低自然资源的消耗,大大提升资源的利用率,将经济、社会政治的需求和生活水平的提升与生态协调发展,使人们的制造与经济活动和生活遵循资源的可循环利用和生态系统守恒的规律。
  5. 大量订制化和模块化
    研究与实践证明,机械产品及其零部件的模块化和订制化是实施可持续制造的有效途径和使能器(Seliger, 2006)。
    近年大量订制化成为90%的快递业与服装业的主导模式。但是,近年的实践又证明大量订制化的过程可能带来新的不确定性和复杂性,即为满足顾客与供应商参与设计带来的需求及其时间的不确定性和资源利用与生产、安装、货物存储等的复杂性及运作成本的提升和同时带来的管理革新和管理能力的增强要求。因此,选择机械产品的大量订制化的可能性和时机成为能否利用其优势和成功实施的关键问题。所以大量订制化是现代公司面临的一个重要挑战,经理们应该更加努力地研究与改进它,表1总结了大量订制化的战略要素。
    表1 影响大量定制化运作先进性的战略要素(Piller与Kumar,2006.9)
    大量定制化的实践所影响的战略特性实现战略优势的机制
    模块化设计定制化、成本与速度降低复杂性、更容易规划、经济的规模、减少需求的变化、利用交货期的差异降低导入时间
    订单设计、制造与装配(延迟)成本、速度与定制化降低需求的变化,安全的库存、循环时间和引入的时间
    单元或柔性的过程成本、质量与速度单元的有效性、周期性的问题求解技能、过程稳定性与柔性、减少安装成本与时间、快速学习的有效性、降低复杂性与提高规划的效率
    顾客参与的同步设计顾客的满意产品的匹配、顾客满意设计中有自己特色、降低维护成本/投资/产品的责任。明显降低风险
    大量订制化的第一个设计要求是产品的模块化,但是由于现有模块化理论研究与实践的冲突使它还无法获得圆满的模块设计解决方案。这一冲突主要来源于设计要求实现系统功能的独立性、高的产品柔性与重构性的要求、模块的物理划分和交互作用界面的复杂性之间经常性的协调困难性。因此,解决这一冲突的关键是应用我们提出的广义独立公理及其相关的定律和推论,即将系统功能的独立性要求转变成同时保证系统功能和其不可忽略的交互作用要求的功能的独立性、系统基本组元的完整性和实现顾客巿场需求驱动,如此才可能将功能要求、物理划分、事实上存在的功能交互作用和界面复杂性协调一致。

    四、利用信息技术进行创新

    许多业界人士和技术与管理创新的文献都公开提倡利用IT进行创新,1998年还提出对包括美国在内的17个国家的70.6%公司的研究报告,试图证明成功应用信息技术进行创新可使投资回报率达到59%。但是,Peslak与Falcaner等人的最新研究和大野与我们的研究证明:笼统地讲利用IT可以提升生产率和投资回报率的说法被宏观经济的研究判定为悖论,而在微观经济层次上公司成功的关键取决于:信息系统报告数据的可靠性与简捷性和及时性、竞争的状况、经济学和信息技术的发展趋势、软件的实用性和软件的故障及其消除的复杂性等要素。同时,由于信息技术的教育和应用缺乏先进综合理论的支持而带来更大的不确定性与复杂性,从而无法保证正确而成功地利用IT进行创新。因此,在机械产品的创新中应该深入地考虑这些问题,避免80-90年代中国引入1100套MRPⅡ软件后没有一套被完全利用造成极大浪费事件的重演。在利用IT进行创新时,已经出现了另外两个值得我们充分地关注的问题:
    第一个问题是抛弃信息管理的理念。近几年IT在创新中应用的一个重要方面是知识管理KM,而KM的最新研究和实践证明:在知识创造和自主创新的KM中应抛弃信息管理的理念,因为它影响了人们对KM的正确理解与技术层面上的重复雷同,并将影响利用IT求解商务问题的解。事实上,在1997年美国信息专家T. Staniev已经公开将信息定义为经过处理可获得人可接受与理解、有确定涵义的意思或情报的那些原材料。可惜,近十年来它一直没有被中国学术界与IT界了解和接受。
    第二个问题是KM理念的最新发展。其最重要而最新的研究成果是知识中心体/知识中间体(knowledge centricity)理念的提出。它是测试一个组织是否是真的以知识为中心的测度,它包含了KM,是对社会技术、知识创造战略、知识传播、探索与管理的概括。

    五、结束语

    本文从创新现代机械产品设计与开发的角度提出了中国机械产品创新与设计开发中应该关注和考虑的问题。学习与应用现代系统创新理论与方法,谨慎地分析研究各种流行的说法与摈弃各种炒作,科学地制定机械制造产品自主创新与自主设计与开发的目标、战略和实施途径是当务之急。数控硬软件系统的自主开发需要国家与“产学研”的共同支持和努力,否则我们无法突破长期存在的这一装备产品创新与自主设计开发的瓶颈。
本文作者:罗振璧 杜维 罗杰 莫如虎 于学军
原载:雅式工业专网
上载于:2007-3-12 9:04:35

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