基于技術系統進化的節制設計理論及驗證研究*

呂 冰，羅國良，李天航，遲筱雯

（濟南大學，山東濟南 250022）

基于技術系統進化的節制設計理論及驗證研究*

呂 冰，羅國良，李天航，遲筱雯

（濟南大學，山東濟南 250022）

對于產品的創新設計，依據產品技術系統進化的理論，通常會產生一條特定的進化軌跡。然而，在進化過程中，難免會存在一些陷阱，給人類社會和自然帶來嚴重的負面影響。根據節制設計的理論，這些陷阱可稱為進化路徑負面陷阱。依據節制設計的方式，這些負面陷阱通常可以根據預測分析進行判斷，從而避免進化路徑進入這個區域。

技術進化；節制設計；負面陷阱

0 引言

自然和諧是道家生態思想的核心，人類社會的本質是自然的，自然是世界的中心，萬事萬物包括人類社會的最高生態理想是完全態的自然境界。人類的天職是愛護自然、保護環境、維護生態、追求自然的生態和諧。

從新石器時代開始，技術就出現在人類的視野中，人們利用技術制作耕具，從最原始的打獵生活，改變到了耕種糧食的方式，從而推動了人類的進步，進入了農業文明。技術的發展大大地推動了社會的進步，隨著技術的發展，社會形式也發生了很大的改變。從工業革命開始，蒸汽動力的發明，改變了原來的社會結構，產生了資產階級和工人階級的新的社會階級。二次世界大戰以后，信息技術、自動化等領域產生大量新技術，極大地改變了人們的日常生活。所以，技術在人類文明史上扮演了舉足輕重的角色。然而，當技術發展的過快，不計后果的經濟增速必然帶來嚴重的代價，如空氣污染、水污染和能源枯竭等問題，技術創新軌跡漸漸地引導人們走入了萬劫不復的深淵。所以，必須警醒和緊急調整創新機制的進化軌跡。

當代科學的發展，尤其是生物學、遺傳學、物理、天體物理以及人工智能等方面的突破，使人們還來不及適應它，它卻又向更深的領域跨越。人類必須學會在行動之前更全面地探測危機的本領，人類行為的決策——也可以說“設計”的功能己被提高到經濟管理、社會管理和規劃人類未來生存方式的高度上來了。基于此，在當代陸續涌現出諸多設計方法。如20世紀40年代末建立起來，并在60年代以后迅速發展的環境倫理學和環境保護運動的延續的綠色設計；根據哲學思想誕生的慢速設計，提倡設計的角色是在與環境相協調的條件下保持社會文化與個性需求的平衡，然而，它僅僅提出了理想化的設計狀態，但是沒有指出如何解決由設計帶來的危機問題；還有一種說法就是低碳化設計，它要求設計部門和設計師必須以節能、低消耗、無污染和可回收利用作為設計行為的首要出發點，從產品設計的最初階段來降低對自然和環境帶來的影響。

1 節制設計的理論基礎

對于TRIZ（發明問題解決理論，theory of in?ventive problem solving）[1]理論的研究，目前基本上有兩種說法，分別為西方理論和蘇聯理論。前者是根據以前的各種產品模型的參數，然后建立數學模型，通過參數的推敲進行預測。而后者作為一種方法學——技術進化理論，是由前蘇聯的Altshuller等專家經過對世界的專利庫進行大量的分析，總結和歸納了產品結構在不同時期的發展趨勢規律，并且，還發現一個工程中總結出來的規律可以運用到另一個工程領域中，也就是技術進化具有傳遞性。當今技術進化理論有以下幾種表現形式：技術進化理論[2]、技術進化引導理論[3]，直接進化理論[4]和技術進化定律[5]。對于這兩種理論進行分析對比（表1所示），明顯技術進化具有更加科學的依據和優越性。

表1 兩種理論分析對比

通過對世界專利庫的大量分析，專業人員總結并歸納出了技術從結構上進化的技術進化模式與進化路線。目前有以下幾個版本，如：Savran?sky的技術進化理論(ET，Evolution of Technique)，Fey and Rivin的技術進化引導理論(GTE，Guided Technology Evolution)，Zusman等的直接進化理論(DE，Directed Evolution)，Petrov的技術進化定律(The law of system evolution)[6]，由于各個理論都有相當復雜的闡述和解釋，下文就以DE為例作介紹。

DE如今有8種進化模式[6]：（1）技術系統生命周期分為嬰兒期、成長期、成熟期和退出期；（2）增加理想化水平；（3）子系統的不均衡發展導致沖突的出現；（4）增加動態性及可控性；（5）通過集成增加系統功能；（6）部件的匹配與不匹配交替出現；（7）由宏觀系統向微觀系統進化；（8）增加自動化程度，實現無人化。根據進化的模式的不同，每個模式都有其對應的進化路線，而且進化路線的數量相對龐大，據研究，目前DE中已經確立了350多種進化路線。圖1是DE中進化模式和進化路線的樹形結構。

圖1 DE樹形結構

技術進化的路線其本質就是產品如何從一種核心技術移動到另一種核心技術，并且其所完成的基本功能相同。但是進化路線的實施，可以帶來很多的優點，比如操作更簡便，結構更優化，成本更加低廉等。目前Ideation研究小組已確認了300多條進化路線和50多條市場進化路線，這些進化路線將為設計人員進行設計創新帶來非常可觀的便利和可實現性，并且通過這些路線，設計出的產品更能符合時代發展的趨勢。

市場需求是技術系統開發的原動力，同時也是技術系統易變的結點，理解及獲取用戶需求經常是創新的第一步，通過研究發現需求處于進化狀態，這種進化受客觀規律支配，并歸納為5條需求進化定律，即需求進化理想化、需求進化動態化、需求進化協調化、需求進化集成化、需求進化專門化。在很多情況下，需求進化理想化通過需求進化動態化、需求進化集成化及需求進化專門化實現，后三者又經常通過需求進化協調化實現，如圖2所示。

圖2 需求進化定律系統圖

需求進化理想化，指增加需求的數量、提高需求的質量，減少實現這些需求的時間消耗、成本及副作用，這是需求進化的趨勢。用公式定性描述：

I——需求進化理想化水平；

Qi——需求的數量；

Qj——需求的質量；

Ck——滿足需求所需的成本，包括時間；

Hi——實現需求的副作用。

公式中，需求進化理想化水平趨于無窮大是需求進化理想化進化趨勢。根據這種趨勢可以有4種方法推進需求進化的理想化，即增加需求的數量、提高需求的質量、減少滿足需求的時間及成本、減少實現需求的副作用。

技術系統的進化特征體現在：整體性、不平衡性、開放性、目的性、非線形、相干性、初始狀態極端敏感性。其中非線形和初始狀態極端敏感性最易導致技術系統進化危機的產生，主要表現在以下兩個方面。

非線形的基本含義為：由于技術進化過程中進化節點的存在，導致技術系統及其各子系統在技術進化節點處的混沌狀態，整個技術系統進化過程表現為線形線段組成非線形過程。

初始狀態極端敏感性的基本含義為：根據復雜性理論，系統的最初狀態即使只有細微的差別，那么其后的行為也將是完全不同的，系統這種特征被稱為“蝴蝶效應”，技術系統這一特征表現為技術節點一個細微的變化，將可能導致一個巨大的產品群的形成，一個產品進化分支是進化節點的一個偶然因素引起的，但可以進化成一個龐大的產品族。

設計創新的過程實際上是一個發現問題、提出問題、解決問題的過程。產品開發中的每一次創新，都是針對問題的解決過程。TRIZ作為世界經典的發明問題解決理論，其核心就是為解決系統進化中的各種沖突，理想化是TRIZ理論中解決問題的重要途徑：

Ideality為理想化水平;

Benefits為效益;

Expenses為代價;

Harms為危害。

代價包括原料的成本、系統所占用的空間、所消耗能量及所產生的噪音等。危害包括廢棄物及污染等。

通過以上公式可以了解技術系統理想化水平是受到效益、成本、危害三者決定的，效益和成本是顯而易見的，很容易測算，但是危害或者是副作用的代價卻很難計算清楚，同時這種代價隨著時間的推移還會發生變化，如果這種變化是正向的還可以接受，如果發生負向變化，而且不可控，將產生災難性后果，大大降低技術系統理想化水平。

2 節制設計的提出

由于人們對于物質和精神上的需求越來越大，這些需求從而刺激技術進步。然而當技術的發展所帶來的后果與社會發展產生一定的矛盾時，正確的方式應當是通過改變技術進化軌跡，重新規劃設計進化路線，使其避免掉入負面陷阱。產生一些次生技術系統最好在觸發階段，就可以消滅，重新構建替代技術系統，或者通過預判，在虛擬設計階段就能夠發現技術系統的弊端，以及給社會產生的負面影響，不斷地更迭各種替代技術，直到這種技術系統能夠安全繞過技術陷阱的沼澤地帶。當前由于人們對于技術的過度依賴，以及經濟增速過快，使得技術進化產生的負面影響彰顯出來。

眾所周知，當今許多產業的發展都建立在對自然的無情掠奪之上的。比如說汽車工業發展到今天，幾乎已經到了耗盡地球石油資源，最終將毀滅地球生態資源的境地，但是這種產業發展已不可逆轉，同時補救和補償措施作用微乎其微。再就是空氣污染，最近剛剛報道的北京機場霧霾天，300多架飛機被迫在周邊地區進行臨時停降。APEC會議于2014年11月在京召開，經國務院批準，除會議保障部門，維持城市運行部門，在京中央國家機關事業單位、社會團體及北京事業單位、社會團體，11月7-12日，放假6天。11月7日至11月12日調休放假，共6天。國家強力部門為了保障空氣質量竟然啟用這種極端方式，可見無節制的發展帶來的惡果觸目驚心。

過度的技術使用，還使得地球上的物種瀕臨滅絕，過度排放引起全球變暖；化學污染降低了生物的免疫力；病毒滋生變異，使人類的生理安全岌岌可危；毒品網癮敗壞了社會風氣，殺人搶劫等違法犯罪行為呈現上升趨勢；貪污腐敗的濁流肆意橫行，嚴重侵蝕了社會風氣；道德敗壞、缺乏信仰、拜金主義、朋黨橫行等社會現象比比皆是。作為設計師應當做點什么？可以嘗試通過節制設計方式規避以上負面陷阱，創造美好的生理和心理環境。這種方式筆者稱之為節制設計理論。

節制設計理論，具體內容如下。

圖3 節制設計優化曲線

技術系統進化理想化目標通常是很難實現的，因為進化過程會不斷受到外界因素的干擾，進化的結果產生了許多副產品，或者叫作次生產品，而且這種進化幾乎不可逆轉，甚至無法補償；如果在產品技術系統開發的模糊前端就能預知這些災難性后果，就可以做到懸崖勒馬，通過相應的技術手段預前判斷負面陷阱的區域邊界和具體位置，對負面陷阱進行有效規避，建構技術系統創新的免疫創新機制，使發明創新理論體系更加完善，健康。節制設計優化曲線如圖3所示。

當然，也可以通過節制設計理論形成工業設計戰略來引導市場消費和社會價值觀，有效地規范技術創新的選擇機制，達到節制設計的目的。政府也可以嘗試引入節制設計思想，通過法律政策來對技術創新進行一定的強制引導。

3 節制設計的驗證

自19世紀50年代以來，帕克斯試著將膠棉與樟腦混合的時候，驚奇的發現了一種可彎曲的硬材料，那便是最早的塑料，當時稱之為“帕克辛”。

后來，人們開始各種形式地挖掘塑料的作用，幾乎家庭的所有用品都有塑料的蹤跡。就在那時，塑料袋也應運而生，由于其輕便性、價格低廉受到廣大人民的喜愛。

但是，塑料的發明還不到100年的時間，如果說當時的人們因為它的誕生而欣喜若狂，那現在就可以形容為人們為之抓狂。并且在英國的《衛報》中，塑料袋不幸的榮獲“人類最糟糕的發明”。

英國《衛報》稱，我們的地球似乎已經變成了塑料星球，土地、河流、高山、海洋……塑料袋無處不在，直到有一天，我們都已離去，這些東西仍然占據著地球，因為它們是“永存”的。

從20世紀70年代起，塑料袋已經在全世界泛濫成災，例如北京市一年將扔掉十億個塑料袋。由于人們對它的過度使用，在商店，超市，商場等，不管你買什么，都能免費的拿取塑料袋，所以大家都已經習以為常了。參考圖4，對于塑料袋的使用一直在持續增長。

但是，由于塑料是從石油、煤炭中提取的高分子材料，非常的難以降解，人們的過度使用，已經對人類的自然環境造成了巨大的破壞。重慶市1998年8月就由于嘉陵江、長江上漂浮的塑料袋等白色垃圾堵塞了自來水廠的取水口，致使好幾家自來水廠停產減產，害得重慶市民守著兩條大江沒水喝。

圖4 塑料袋的使用情況

不僅如此，塑料袋還危害著我們的生態環境。據報道，西安動物園發生5只鹿和一只美洲駝不明不白死去的嚴重事件，當專家進行動物解剖時發現，動物的胃里居然含有幾公斤的塑料垃圾。

雖然塑料袋的發明給人們的生活帶來了便利，但是，由于過度使用，使其走向了極端。也就是技術進化由于市場的特殊需求，陷入了負面陷阱當中，必須重視節制設計這一概念，只有通過節制設計，才能有效調整技術進化的路線，使產品的技術系統進化能夠真正造福人類。

針對過度的塑料袋使用，中國商務部、國家發展改革委和國家工商總局在借鑒國際和國內部分地區的限塑經驗的基礎上，共同頒布了商品零售場所塑料購物袋有償使用管理辦法，并于2008年6月1日生效[7]。這個政策規定了禁止所有商場免費提供塑料袋，對塑料袋的收費不得低于其成本價格。并且提倡大家使用綠色環保的購物袋進行使用。還有一種現狀就是，各國都在研制可降解的塑料，來降低塑料袋對環境的破壞。根據實行的塑料袋限制法規，人們使用塑料袋的頻率得到了明顯的降低，如表2所示。

濟南大學機械學院工業設計系以呂冰教授領銜的創新團隊，研究并創新發明了兩款“報紙紙袋加工機”（如圖5、圖7所示），分別是手動報紙紙袋加工機和全自動報紙紙袋加工機，分別申請了發明專利。

圖5 手工報紙紙袋加工機

表2 政策執行前后指標統計描述

由于人們在任何時刻都離不開袋子的使用，并且需要的量還比較大，所以如果可以自己在家里進行袋子的制作，并且使用起來還特別方便快捷，那就能大大的降低人們對塑料袋的需求。

廢舊報紙經過簡單的裁剪后，放入這個裝置，經過一系列加工可以折疊成一個標準紙袋。該紙袋可以盛放垃圾，即實現了對報紙的再利用，又減少了垃圾的亂扔現象，是一款環保的生活機械。輔以精美的外形，使其與家庭環境融為一體，既是一個實用機械，又是一個工藝飾品。

該產品利用了節制設計的理論和方法，適度將技術系統進化路線進行了調整，利用了生態環保的木質結構，并且還能將報紙進行二次利用，一方面減少了塑料袋的使用，一方面又減小了報紙的浪費，可謂一石二鳥。該加工機的結構如圖6所示。

圖6 手工報紙紙袋加工機結構圖

當在一些小區和公共場所，對于紙袋的需求量比較大地方，可以使用全自動報紙紙袋加工機，制袋效率高，可以免費贈送，大大提高公民的公共衛生意識，創建良好的公德環境。

圖7 全自動報紙紙袋加工機

4 結論

基于此案例可見，在袋子的技術系統進化過程中，由于人們對其輕便、廉價的社會需求，導致了塑料袋技術的過度發展并誤入負面陷阱。通過節制設計對技術進化路線進行適度干涉，使其規避前行。對于產品的創新設計，依據技術系統進化的理論，通常會產生一條特定的進化軌跡，但是當軌跡曲線進入一些技術陷阱，會給人類社會和自然帶來一定的危害。根據節制設計的理論，這些負面陷阱通常是可以預測分析的，進而通過有效地規避設計，提高技術系統進化的價值，優化國家的產業結構。

［1］Altshuller G.The Innovation Algorithm，TRIZ，System?atic Innovation and Technical Creativity［R］.Worces?ter：Technical Innovation Center，1999.

［2］ Savransky S D.Engineering of Creativity［M］.New York：CSC Press，2000.

［3］Fry V R，Rivin E I.Guided Technology Evolution［EB/ OL］.http：//www.trizgroup.com/article2.html，1999.

［4］Zusman A，Zlotin B，Zainiev G.An Application of Di?rected Evolution［EB/OL］.http：//www.ideationtriz. com/Endos-copic_Case_Study.htm.

［5］ Petrov V.The Law of System Evolution［EB/OL］. http：//www.triz-journal.com，2002.

［6］李少波.TRIZ進化理論支持的進化過程研究［D］.貴陽：貴州大學，2009.

［7］何浩然，陳安來.中國限制塑料袋使用的政策效果及國際經驗借鑒［J］.中國人口、資源與環境，2010（11）：167-174.

Verification Research on the Restraint Design Theory Based on Technology Evolution

LV Bing，LUO Guo-liang，LI Tian-hang，CHI Xiao-wen
（University of Jinan，Ji'nan250022，China）

For the improvement of innovative product design，based on the product technology theory of evolution，usually produces a specific evolutionary trajectory.However，in the course of evolution process，it is inevitable there will be some pitfalls，have serious negative impact on human society and nature.According to the theory of restraint design，these traps can be a negative trap of evolutionary path.Based on the method of restraint design，these negative trap can usually be judgment based predictive analysis，to avoid evolution enter this area.

technology evolution；restraint design；negative trap

TB47

：A

：1009－9492(2014)12－0001－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.001

呂 冰，男，1968年生，山東兗州人，碩士，教授。研究領域：產品系統創新設計、產品結構分析設計，產品形象設計、基于技術系統進化的創新方法理論。已發表論文20篇。

(編輯：阮 毅)

*山東省自然科學基金資助項目（編號：ZR2010EL026）

2014－11－12