制造业企业产品与工艺创新知识流耦合过程与控制

毕克新，黄平

(1.哈尔滨工程大学经济管理学院，黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨理工大学管理学院，黑龙江哈尔滨150080)

1912年，熊彼特在《经济发展理论》一书中首次提出了“创新理论”，他认为创新一般包括开发新产品、采用新工艺、控制原材料或半成品的新供应源、开拓新市场和实行一种新的企业组织方式。其中，开发新产品与采用新工艺即分别指产品创新与工艺创新。而在随后的创新领域研究中，产品创新与工艺创新也成为国内外学者们关注的焦点。如今，学术界对产品创新与工艺创新两个概念的理解逐渐取得一致，产品创新是指引入新的或在性能、用途等方面有重大改进的产品或服务，而工艺创新则是指用新的或有重大改进的生产方法［1-2］。

1975年，Abernathy等揭示了产品创新与工艺创新间的关联关系，并提出了著名的技术创新动态模型(A-U模型)［3-4］，由此开启了创新领域学者对产品创新与工艺创新关系的研究。随后，许庆瑞等的研究验证了工艺创新对产品创新实现的保障作用［5-6］;而Ester等的研究则表明产品创新与工艺创新间存在相互促进的内在联系［7］。

在进一步的研究中，Barras发现A-U模型只适合于制造业［8］。显然，探究产品创新与工艺创新的关系应以制造业企业为对象。在此研究基础上，近十年对产品创新与工艺创新的研究大多以制造业企业和行业作为对象，涵盖了产品创新与工艺创新的创新模式［9-10］、互动关系［11］、协同发展机制［12-14］等多个方面。

综上所述，国内外学者对产品创新与工艺创新关系的研究已经涵盖了众多不同的视角。然而，知识在产品创新与工艺创新关系间的作用则鲜被提及。事实上，在企业技术创新过程中垂直和水平的知识转移是十分必要的［15］。知识中的隐性知识是企业竞争优势的基础与关键性来源［16-17］。对于隐性知识而言，提供渠道要比试图以电子或是书面形式进行记录整理更有效率［18］。显然，对制造业企业产品创新与工艺创新相互作用过程中知识流的研究是十分必要的。

耦合，物理学上指2个或2个以上的系统或运动形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象［20］。耦合度是用来反映系统或要素彼此作用影响的程度［21］。本文把耦合［19］这一概念引入制造业企业产品创新与工艺创新知识流的研究中，将产品创新与工艺创新知识流视为知识的运动形式，产品创新与工艺创新知识节点通过知识流相互作用，本文将这种相互作用称为产品创新与工艺创新知识流耦合。

1 基于Petri网的产品创新与工艺创新知识流耦合模型

1.1 基于Petri网的一般知识流模型

Petri网是用来刻画通信机制的建模工具，在流程控制上得到了广泛应用。Petri网的结构元素包括位置(P，用圆圈“○”表示，又叫库所)和变迁(T，用方块“□”表示，又叫转换)，其间用“弧”(用“→”表示)进行连接，库所中有“标记”(用“·”表示，又叫托肯)［22］。

对于一般知识流模型，知识流的结构包括知识节点N、拓扑特征和内容。N是知识的发送者和接收者;知识流的拓扑特征反映了知识流的连接，实际上反映的是知识流网的拓扑结构［23］。

Petri网已被广泛应用于知识流模型的设计中［24-25］，其中Petri网的结构要素与知识流的结构要素被相互对应起来，用“库所”来表示知识节点，用“变迁”来表示知识流动的条件，用库所中的“托肯”表示知识节点中知识的数量，用“弧”上的权重对知识流进行监控［22］。

1.2 产品创新与工艺创新知识流耦合模型构建

在全球化网络化背景下，市场信息和知识呈现指数增长，这对技术创新组织学习能力提出了更高要求［26-27］。基于日本学者Nonaka等提出的螺旋上升知识创造模型［28］，本文认为对于产品创新与工艺创新组织而言，其学习能力包含知识内化能力和知识外化能力。

基于以上的分析，本文认为产品创新与工艺创新知识流耦合模型中除了包含一般知识流模型的基本要素外，还应该包含知识节点间的耦合度C、知识节点的知识内化能力I和知识外化能力E。知识节点间的耦合度是知识节点间相互作用影响的程度，耦合度越大，知识节点间耦合关系越紧密，相互作用影响的程度越大;知识内化能力是知识节点对知识的整合和吸收能力;知识外化能力是知识节点对自身知识存量进行知识传播的能力，参照一般知识流模型的构建思路，应用Petri网建模工具［23］，本文构建的产品创新与工艺创新知识流耦合模型如下

式中:N对应Petri网中的位置，其中产品创新知识节点(产品创新组织)用Nt表示，工艺创新知识节点(工艺创新组织)用Ns表示;知识流动条件T对应Petri网中的变迁，C为知识流动条件的权重，知识节点间的耦合关系是实现知识流动的前提，耦合度则是控制知识流量的关键要素;弧A对应Petri网中的弧，表示知识节点间知识的流动方向，知识内化能力I和知识外化能力E分别为输入弧和输出弧的权重;知识存量S对应Petri网中的标记，表示知识节点保有的知识量;知识流量F和知识流速V在模型中分别用F和V表示。

2 产品创新与工艺创新知识流耦合过程分析

2.1 产品创新与工艺创新知识流耦合过程模型构建

以Nt1与Ns1间的知识流为例，其中知识流向为Nt1→Ns1，时间节点为t0，提出模型构建的5个前提:

1)产品创新与工艺创新知识节点间不存在交流障碍，即产品创新组织与工艺创新组织不存在因地理位置差异等所导致的交流障碍;不考虑知识节点间知识转移的时间，只对知识流量进行分析。

2)知识通过知识宽度和知识深度2个维度进行衡量，知识宽度是知识节点中知识所覆盖的领域范围，知识深度是知识节点在某个领域内所拥有知识的数量，反映知识所处的不同阶段［29］。知识流中知识宽度和深度由输出知识节点及节点间的耦合度决定，知识宽度w和知识深度d的函数为

3)知识宽度是技术创新中复杂技术实现整合和创新的基础，知识深度决定了技术创新能达到的先进程度，因此知识的宽度和深度与其对技术创新的贡献率成正比，用i表示相应知识宽度和深度中知识对技术创新的贡献率。基于不同知识宽度和深度知识对创新的贡献程度，知识流量和知识存量中的知识量是不同知识深度和宽度上知识量的加权总量，根据式(2)、(3)，变量F和S的函数为

4)知识节点的创新任务和知识存量存在差异，因而其知识内化能力和外化能力不同。知识内化能力和外化能力是知识节点对不同知识宽度和深度知识的内化能力和外化能力的加权值，根据式(2)、(3)，变量I和E的函数为

5)基于知识的不减性，知识节点的知识存量不会随着知识的流出而减少，一般情况下只会随着时间的推移而发生知识的老化或失效，本文认为知识的老化率和知识内化能力与知识外化能力乘积的平方根成反比，根据式(5)～(7)，在某一时点t0，变量S的函数为

基于以上的假设，根据式(4)、(6)～(8)，本文构建的产品创新与工艺创新知识流耦合过程模型如下

式中:Nt1流向Ns1的知识流量由Nt1的知识存量、Nt1与Ns1的耦合度以及Nt1的知识外化能力决定。Ns1作为知识流中输入知识节点，其知识存量的大小取决于2个方面，即Ns1自身知识老化的程度和Ns1对输入知识的知识内化能力，其知识内化能力越大，获取的知识量就越大。基于以上模型，在产品创新与工艺创新知识流耦合过程中，知识节点间的耦合度和知识节点的知识内化能力与知识外化能力对知识流量的控制起到决定性作用，是控制知识流量和知识存量的关键要素。

2.2 产品创新与工艺创新知识流耦合的动态过程

基于产品创新与工艺创新知识流耦合过程模型，本文应用Petri网建模工具描绘了知识流耦合的动态过程(如图1所示)，结合图1进行分析，本文认为产品创新与工艺创新知识流耦合过程的动态特征表现在以下3个方面:

1)产品创新与工艺创新知识节点的数量是动态变化的。如图1所示，产品创新知识节点Nt5是一个新的创新任务，由于创新进度的缓慢或停滞而最终被淘汰，而工艺创新知识节点Ns3随着产品创新知识节点Nt4对其的需求而产生。

2)知识节点间的耦合度、知识节点的知识内化能力、知识外化能力和知识存量是互动变化的。如图1所示，Nt3与Ns2间的耦合度随着知识节点知识存量的增加而增大，Nt3的知识内化能力也随着知识存量的增加而提高。相对于知识存量，耦合度起到的影响更加直接和显著，Nt1和Nt2具有相同的知识内化能力和知识外化能力，由于与Ns1间耦合度的差异，Nt1的知识存量增加了，而Ns1的知识存量则因为知识老化而减少。

3)产品创新与工艺创新知识节点的创新能力是动态变化的。如图1所示，随着知识存量的增加，Ns2与Nt3的耦合度增大，又产生与Nt4的耦合关系，为Nt4进行产品创新提供工艺技术支持，同时获取Nt4的相关知识，进一步增大其知识存量，这一良性循环使得Ns2的创新能力不断提高。

图1 产品创新与工艺创新知识流耦合的动态过程Fig.1 Product innovation and process innovation knowledge flow coupling dynamic process

3 基于耦合度的产品创新与工艺创新知识流耦合过程控制

结合知识流耦合过程模型，进行知识流耦合过程控制涉及到耦合度、知识内化能力、知识外化能力等众多因素，而耦合度作为知识节点间产生知识流的前提，是知识流耦合过程控制的决定性因素，可见基于耦合度的产品创新与工艺创新知识流耦合过程控制是十分必要的。

为了提高企业知识流动效率，Nonaka等提出“超文本结构”组织，它由业务系统、项目团队和知识层组成［28］，该结构形式的组织开放程度大，对知识的吸收和传播能力强。本文认为“超文本结构”知识节点Np基于其项目团队能够通过知识层对不同知识层次的知识进行分类、编码和组合，即将产品创新与工艺创新知识节点输入的知识进行耦合匹配，并通过业务系统层将相互匹配知识节点联系起来，为产品创新与工艺创新知识节点进行交流提供平台。

结合上文构建的知识流耦合过程模型，引入的“超文本结构”知识节点Np，本文构建的产品创新与工艺创新知识流耦合过程控制模型如下

在上面的模型中，“超文本结构”知识节点Np对知识流耦合过程的控制表现在以下2个方面:

1)对于未建立耦合关系的知识节点，“超文本结构”知识节点的引入为知识节点提供了交流的平台，为不存在耦合关系的知识节点挖掘潜在的耦合机会A(Tm，T)，为新兴创新任务提供源源不断的知识流入以增大其知识存量。

2)对于已建立耦合关系的知识节点，“超文本结构”知识节点不仅通过A(Tm，T)提高了知识节点间的耦合度，更拓宽了知识流中知识的深度和宽度，使得对创新贡献率较大的知识最大化的传递到需要这些知识的知识节点。

4 基于耦合度的知识流耦合过程控制算例分析

本节给出具体的数值算例来检验并求解知识流耦合度对知识流耦合过程的影响。结合知识流耦合过程模型，设知识宽度，知识深度d=，知识对技术创新的贡献程度i=γln(wd)。于是，对知识流耦合过程模型进行简化如下

设St1=100，Ss1=100，α=0.4，β=0.6，γ=0.5，Et1=Is1=Es1=0.5，将其代入式(11)中，结果如表1。

表1 知识流耦合度、“超文本结构”知识节点对知识流量和存量的影响Table 1 Knowledge flow coupling degree and"hypertext construct"’s impact on knowledge flow and stock

由表1可以看出，随着知识流耦合度的提高，产品创新与工艺创新知识节点的知识流量显著提高，输入知识节点的知识存量也明显增加，可见知识流耦合度对知识节点间的知识流动产生重要影响。同时，当知识流耦合度较小时，知识存量会由于无法获取外部知识而产生知识老化，其知识存量将减少。

然而，通过调查发现产品创新与工艺创新组织的关系并不密切，其工作不存在太多的交集，耦合关系更是无从谈起。因此，引入“超文本结构”知识节点，设A(Tm，T)=(Tm－T)T/2，知识宽度:

知识深度:

对知识流耦合过程控制模型进行简化如下

令Tm=1，将其代入上式，结果如表1。

由表1可以看出，引入“超文本结构”知识节点后，不同知识流耦合度下知识流量和知识存量都有所提高。可见，“超文本结构”知识节点对维持和提高新兴创新组织的创新能力有突出效果。综上分析结果，在制造业企业产品创新与工艺创新知识流耦合过程中，知识流耦合度发挥着关键作用，是影响知识流量和知识存量的核心;同时，“超文本结构”知识节点的引入能够有效的控制知识流耦合过程，提高知识节点间的知识流耦合度，进而促进知识流量和知识存量的显著提高。

5 结论

通过本文研究，得出以下结论:

1)通过构建产品创新与工艺创新知识流耦合模型和知识流耦合过程模型，并运用Petri网建模工具对知识流耦合过程进行模拟，本文揭示了制造业企业中产品创新与工艺创新知识节点间的耦合关系，以及知识流耦合的动态过程。研究发现，知识流耦合度是影响产品创新与工艺创新组织知识流量和知识存量的核心要素。

2)基于耦合度在产品创新与工艺创新知识流耦合过程中的关键作用，通过引入“超文本结构”知识节点构建产品创新与工艺创新知识流耦合过程控制模型，本文发现旨在协调不同知识节点间耦合度的“超文本结构”知识节点能够对产品创新与工艺创新知识流耦合过程实施有效的控制，增加知识流量和输入知识节点知识存量，进而提高产品创新与工艺创新知识节点的匹配水平。

然而，本文主要基于理论推演构建产品创新与工艺创新知识流耦合过程及控制模型，而对构建的模型缺少实证数据的支持。另外，关于本文提出的“超文本结构”知识节点，其在制造业企业的实际生产运营过程中如何实现其作用的最大化也是本文并未涉及的内容。在进一步的研究中，应搜集制造业不同行业的企业数据以验证本文构建模型的有效性以进一步完善该模型;并探究“超文本结构”组织应如何运作以最大化地促进创新组织间的合作。

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