基于基元方法的创造性模仿创新研究

基于基元方法的创造性模仿创新研究

肖会敏

(河南财经政法大学数学与信息科学学院,河南郑州450046)

摘要：论文立足于二次创新中的创造性模仿创新，分析了我国采用这种技术创新的必要性和可行性。以石油机械行业中的振动筛产品为例，运用可拓创新方法研究描述了整个创新过程，并借助可拓变换方法获得了新的创新产品。该方法的运用得到了满意的创新产品，提高了新兴技术的利用率，实证了可拓方法的科学性和有效性。

关键词：人工智能；技术创新；可拓学；基元

收稿日期：2014-03-19

基金项目：国家自科基金资助项目(60374079);河南省基础与前沿技术研究项目(132300410011)

作者简介：肖会敏(1963-)，男，教授，研究方向：从事复杂系统建模与分析、人工智能等研究。

中图分类号：TP182文章标识码：A

Research on the Creative Imitation Innovation Based on Basic Element

XIAO Hui-min

(CollageofMathematicsandInformationScience,HenanUniversityofEconomicsandLaw,Zhengzhou450046,China)

Abstract:Based on the introduction of creative imitation innovation in the secondary innovation, the necessity and feasibility of using this technology innovation are analyzed in this paper. Also it takes vibrating screen of petroleum machinery industry for example and describes the entire innovation process by using extension innovation method. Then, with the extension transfer, an innovative product is obtained. Using this method, we have obtained satisfactory innovative products, improved the utilization of emerging technologies, and proved it to be scientific and effective.

Key words:artificial intelligence; technological innovation; extenics; basic element

0前言

可拓学[1]是我国蔡文研究员创立的一门原创科学，旨在为矛盾问题的解决提供一种新的思路和方法。1983年，《科学探索学报》发表了可拓学的开创性文章“可拓集合和不相容问题”[2]。经过三十年的发展，可拓学以物元分析[3]为基础，造就了一大批从事该学科理论和应用研究的学者，在理论和应用方面取得了巨大的成就。目前，可拓学的理论研究[4]形成了以基元理论、可拓集合理论和可拓逻辑为支柱的理论框架和特有的可拓方法[5]，它们在各个领域的应用技术称为可拓工程[6]。进而由可拓论、可拓方法和可拓工程构成了可拓学[7]。

可拓学是用形式化的模型研究事物拓展的可能性与开拓创新的规律与方法，并用于处理矛盾问题的学科[8]。可拓学在某些领域中应用的成效并不在于发现新的实验事实，而在于提供一种理论与方法，提供一种新的思想和模型。可拓模型是比数学模型应用更广的思维模型，利用这种模型，可以揭示研究对象之所以产生矛盾的内在机制和转化的规律与契机[9]。可拓本身就是一种创新科学，它指导创新的过程，发现创新的机会，提供创新的方法，寻求创新的手段，引发创新的思想，因此很多学者从创新入手，将这种理论和方法应用于二次创新[10]、科技创新[11]、企业自主创新[12]、区域创新[13]等环节中，并取得了很好的效果。

1可拓变换相关理论

可拓创新方法是可拓学中特有的方法，通过对研究对象的拓展、变换、评价等，以生成解决各种矛盾问题的创意的形式化、定量化方法。可拓创新方法的基础是基元，基元[14]包括物元、事元和关系元[4]。

定义1物元。以物Qm为对象，cm为特征，Om关于cm的量值vm构成的有序三元组M=(Qm,cm,vm)作为描述物的基本元，称为一维物元，Qm,cm,vm三者称为物元M的三要素，其中cm和vm构成二元组(cm,vm)称为物Om的特征元。

定义2事元。把动作Oa、动作的特征ca及Oa关于ca所取得的量值va构成的有序三元组A=(Oa,ca,va)作为描述事的基本元，称为一维事元。

定义3事物元。在物元M=(Om,cm,vm)中，若Om=A=(Oa,ca,va)，则称M=(Qm,cm,vm)为事物元[15]，记做M(A)，即M(A)=(A,cm,vm)。

类似于事物元，可以得到物事元的概念：

定义4物事元。在事元a=(Oa,ca,va)中，若va=M=(Om,cm,vm)，则称A=(Oa,ca,va)为物事元，记做A(M)，即A(M)=(Oa,ca,M)。

定义5事物的可加。给定事物M0，若M0与M构成聚合物M′，则称M为M0的可加事物，记做：M0⊕M=M′，事物M′称为事物M0与M之和。

定义6事物的可积。给定事物M0∈F1(m)，若事物M0与M可以构成系统M′，则称M为M0的可积事物，记做：M0⊗M=M′，事物M′称为事物M0与M之积。

定义7可拓变换。可拓变换是创新的工具和手段。在变换过程中，既要讨论其变换的形式，也要讨论变换的主体，变换的方法、工具、时间和地点，即需要从定性和定量两个角度去研究变换的形式和内涵; 既要研究直接的变换，也要研究间接的传导变换。

可拓学中提供的变换方式主要有三类：

(1)带动变换：给定物元M0=(O0,c0,v0)，由于事物O0的改变而导致量值v0的改变的变换称为带动变换，记为：TO0→v0M0=(O,c0,c0(O))。

2创造性模仿创新的相关理论

创新一词是美籍奥地利经济学家J.A.熊彼特于1912年在《经济发展理论》中首次提出的一个概念[16]，并以此为核心构建起经济发展模型。J.A.熊彼特对以往新古典经济学派的静态观点非常不满，他将经济发展理解为一种变化，并且这种变化不是由经济外部强加的，而是产生于它的内部。他把创新定义为“生产要素和生产条件的一种从未有过的新组合”，将其引入生产体系以获得“企业家利润”或“潜在的超额利润”。创新构成了经济系统发展的根本性内在驱动力。J.A.熊彼特认为，“创新是经济系统中引入新的生产函数，原来的成本曲线因此而不断更新。经济的变革，诸如成本的降低，经济均衡的打破，残酷的竞争，以及经济周期本身，都应主要地归因于创新。”显然，J.A.熊彼特的“创新”是指技术与经济之间的纽带、环节，即技术创新。

一般讨论技术创新会涉及三个方面的内容，即：新产品开发、二次创新以及创新方案的评价[17]。鉴于新产品开发在可拓学中已有所应用[10,17,18]，再者，作为发展中国家的中国，相对于新产品的开发，二次创新的研究更具有迫切性。

关于“二次创新”，国内外的有关文献中均有提及。如国外学者科姆斯(R.Coobms)等人在研究技术创新的扩散时就提到了“二次创新”。国内亦有人在研究技术引进的消化吸收时意识到二次创新的重要性。他们都看到了对初次创新成果进行再创新的重要意义，但是却没有进行深入的系统研究，也没有给出准确的定义。鉴于发展中国家的特点，在进一步深入研究我国技术创新实际的基础上，根据国外学者(G.Dosi等人)关于“技术范式”、“技术轨迹”等重要概念，我国学者许庆瑞在《研究、发展与技术创新管理》中，对“二次创新”定义为[16]：在引进技术基础上，受囿于已有的“技术范式”，结合自身的市场条件，寻新的“技术轨迹”发展的技术创新。

毋庸置疑，“二次创新”是后进国家尤其是发展中国家，形成“后发优势”，进而赶上发达国家的关键和必由之路。日本、韩国等国家和地区的成功便是“二次创新”成功的典范，与传统的先消化吸收后创新的概念不同。二次创新贯穿于对引进技术的消化吸收全过程。它虽然受囿于固有的“技术范式”，但往往沿既定的“技术轨迹”发展。这种方式是后进国家利用后发优势形成自我发展，缩小与发达国家差距的主要手段。“量”的积累蕴含着“质”的变化。

二次创新是一个动态的过程，其落脚点是二次创新向一次创新的转化，最终形成本国或本企业的创新产品。在技术创新过程中，由于引进产品的不同，对于整个二次创新的发展过程也有所不同。例如：原来我国的技术引进是侧重于全盘照搬整个生产线、生产流程及所有生产技术。后期发展到侧重于引进先进的新兴技术，实现生产过程及生产工艺的国产化。随着国家科学技术及研发水平的提高，又将侧重于引进先进的实验室技术，自主实现实验室技术向现实产品的转化。那么依据这一理论实际，我们将二次创新过程划分为四种类型[16]：

(1)模仿创新：这是一种“干中学”的二次创新过程。在这一过程中，引进技术输出国的成熟技术，在消化吸收的基础上，进行设备和工艺的重组，改进流程或生产工艺。

(2)创造性模仿：在本国已有的技术结构基础上，通过引进国外成熟技术，合理的融合两种相关技术，实现技术的国产化。

(3)引进型创新：在本国知识、技术、经验积累的基础上，结合国外的先进新兴技术，逐步实现自我的研究与发展能力。

(4)“后二次创新”：这种二次创新过程是引进实验室技术和国外新兴技术基础上，进行研究与发展，主动实现技术范式的突破和技术轨道的跳跃。

3案例背景简析

纵观四种二次创新的方式，创新的复杂度和难度逐渐递增，采取“后二次创新”是我们所希望的，也是我们的终极目标，四种不同的方式，难度依次增加。鉴于引进型创新[19]和“后二次创新”[10]已经有所论述，因此本文主要探讨第二种情况——创造性模仿。论文的探讨是基于参考文献[19]和[10]的成果，借助两个文献中的成熟产品，从两个产品成果出发，进一步考虑后期的创新结果——创造性创新。这种创新方式较引进型创新和“后二次创新”的难度略有降低，但是目前我国应用的较为广泛。其特点是国内外两种技术的有机融合，通过技术改良和技术改造，实现产品或技术的国产化，并形成自主知识产权。

以石油机械行业为例，在我国石油勘探过程中广泛运用一种泥沙振动筛，这种振动筛又称高频振动筛，具有效率高、振幅小、筛分频率高等特点。与普通筛分设备的原理不同，由于泥沙振动筛采用了高频率，一方面破坏了矿浆表面的张力和细粒物料在筛面上的高速振荡，加速了大密度有用矿物的析离作用，增加了小于分离粒度物料与筛孔接触的概率。从而造成了较好的分离条件，使小于分离粒度的物料，特别是比重大的物粒和矿浆一起透过筛孔成为筛下物。这种设备体积大、价格高，基本上由激振器、矿浆分配器、筛框、机架和筛网等部件组成，可以应用于矿山、建材、交通、能源、化工等行业。

全球来看，日本一直是该产品的技术领先者。日本在技术的发展初期，应用物体惯性原理及机械振动等机械学原理，在实验室研究中产生了三种技术。一是偏心电机生产技术，该技术生产的设备在380V工业交流电的驱动下可以产生高频激振力，并且具有体积小，寿命长等优点；二是金属粘接技术，采用该技术可以达到使粘接物品具有抵抗冲击和耐磨损的优点，并且粘接工艺简单；三是高目数筛布制造技术，该技术生产的筛布具有筛孔均匀、网孔小的优点。

3.1技术输出国的成熟技术

基于论文[10]的研究成果，日本已经形成了成熟的振动筛产品M1，这是实现技术融合的基础。

3.2技术输入国的成熟技术

根据论文[19]的内容，国内引进新兴技术后，得到了成熟产品M2，这是实现技术融合的第二个基础。

3.3技术融合与技术改良

(1)基元融合

很显然，M1与M2直接融合即可获得符合国内需求的新产品M3。融合的方法有两种，一种是基元相加，即M3=M1⊕M2；另一种是基元相乘，即M3=M1⊗M2。可以得到：

关于可加和可积的内容已经在论文[10,19]中有所论述，这里不再赘述。

(2)技术改造

简单的技术融合并不能适应国内生产的需要，因此需要根据市场状况以及用户需求进行技术的改良。案例中，根据现场应用的跟踪测试，需要对融合产品M3进行改进以提高产品的性能，并适应不同的生产环境，扩大市场份额。

M3的泥浆引入口位于主机的上部，由于落料口距离筛网有一定的高差，因而造成泥浆喷溅，配料浪费严重，工作环境脏污，所以需要改进该设备：

(3)设备改良

创造性模仿的另一个特点在于“创造”，简单理解就是改进。作为二次创新中的产品性能改进过程，可拓学中提供了第三创造法，下面以筛网的改进为例进行创造性模仿的过程。

振动筛设备中，筛网的作用是固液筛分，它是整个振动筛设备中的易耗产品，也是主频激振电机的受动者。因此筛网的质量不仅影响到筛分效果也会直接决定运营中的流动成本。

令物元N=“筛网”，

根据油田现场使用单位操作人员的反馈意见，M6有以下问题亟待解决：筛网不易压紧，更换螺栓不便，螺栓易锈死，筛网易脱胶剥落，筛网损坏率高。

为了解决以上问题，分析相关原因，如表1第2列所示。

表1　筛网问题分析

分析以上产生问题的物元特征如表1第3列所示。进而，将M6的分物元重新排列(将缺点分物元放在前面)：

将缺点转化变为优点的过程实质上就是产品的二次创新过程，这也是可拓学的特点所在——解决矛盾问题。通常采用的方法是物元特征的置换变化，也即可拓变换。

VE(V2)={v2，手工涂胶，机械滴胶，机械涂胶，智能滴胶，…}

VE(V3)={v3，双层，三层，四层，…}

VE(V4)={v4，测力扳手压紧，液压压紧，气动压紧，电动杆压紧，…}。

基于以上分物元的要素可拓集模型，对缺点的分物元进行变换，由于物元可拓要素集中的元素有若干个，故缺点物元也有若干种变换方式，从而得到一系列新物元M7,M8,M9,M10…，即TM6=Mi(i=7,8,9…)，也就创新出了多种新的筛网产品。对于不同的创新方案可以从经济性，安全性等多个角度，采用优度评价方法进行方案间的评价，最终得到较优产品N*，如：

此时，N*即为由N经过若干次物元变换后得到的新产品。

4结论

二次创新具有博大而丰富的内容，是一个国家和社会发展的基点。可拓学用形式化的语言描述和解决现实当中的诸多矛盾问题，它不仅是一种方法，更是一种全新的思路。论文是站在参考文献[10,19]的基础上，进一步丰富和拓展相关的研究成果。

论文以石油机械产品为例，通过实际调研，研究了创造性模仿创新这种较高层次的二次创新形式，基于创新形式的复杂性，论文采用可拓学的语言描述一般过程，得到了具有开创性的新产品。

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