基于协同学的产品创新与工艺创新协同发展研究

基于协同学的产品创新与工艺创新协同发展研究

一、技术创新的概念1912年，schumpeter在《经济发展理论》一书中首次提出了“创新理论”。创新被定义为建立新的生产函数，即生产元素和生产条件的组合，并引入生产体系。Schumpeter认为,技术创新包括5种情况:(1)引进新产品,即产品创新;(2)采用新的生产方法,即工艺创新;(3)开辟新的市场,即市场创新;(4)调控原材料新的供应来源,即材料创新;(5)实现新的组织形式,即组织创新和管理创新。可见,技术创新概念包括的范围很广,既包括产品创新、工艺创新等技术性创新,还包括市场创新、组织创新、管理创新、战略创新,以及近年来被广泛关注的商业模式创新、文化创新等非技术性创新。在技术性创新中,产品创新与工艺创新是两个无法割裂、相互关联、相互影响的要素。从企业核心技术平台角度来看,产品创新与工艺创新存在着明显的交互作用。工艺创新具有生产率效应,产品创新具有市场效应,只有在一定的生产条件和市场条件下,技术创新才能产生经济效应。产品创新可以提高产品的差异化,工艺创新可以降低产品的生产成本,工艺创新为产品创新目标的顺利实现提供了生产工艺保证。产品创新与工艺创新的协同匹配是企业技术创新绩效实现的基础。发达国家的历史经验表明,产品创新与工艺创新的协同发展对提高一个国家的竞争力具有重要作用。美国曾一度只重视产品创新而忽视工艺创新,使美国在很多工业领域内失去了竞争优势,从而导致经济发展缓慢,而日本和德国之所以能形成今天的经济竞争优势,与它们注重制造业企业产品创新和工艺创新的协同发展是密不可分的。因此,对产品创新与工艺创新的协同性进行研究,了解其协同发展程度,从而有针对性加强企业产品创新或工艺创新能力,对全面提高企业技术创新能力,具有重要的理论与实现意义。二、产品创新与工艺创新总的来说,对产品创新与工艺创新协同发展的研究主要关注以下两个方面:一是在特定条件下,产品创新与工艺创新呈现出怎样的匹配关系;二是在特定环境下,特定的企业如何选择合适的创新策略(产品创新与工艺创新)以获取最优的竞争绩效,既涉及理论研究又有实证研究。对于产品创新与工艺创新匹配的研究,主要是从不同技术发展水平、不同行业、不同经济发展水平三个角度进行审视。Abernathy和Utterback(1975)分析了企业创新类型和创新程度随技术生命周期变化的规律,提出了产业技术创新动态模型,即A-U模型,描述了产品创新与工艺创新在产业发展的不同阶段二者如何交替变化。此后,又有众多学者如Abernathy(1983)、Utterback(1994)、姚志坚等(1999)将更多的变量引入到A-U模型中。上述文献主要是从不同技术发展水平下出发,研究产品创新与工艺创新如何协同匹配。随着研究的深入,学者们的研究发现,在不同的行业中,产品创新与工艺创新的匹配是不同的。Barras(1986)指出,A-U模型只适合于制造业,服务业有着不同的模式,提出了服务行业的逆向产品生命周期模型。Linton等(2007)的研究表明,对于流程类的产品,产品创新和工艺创新紧紧交织在一起,在产品生命周期的任一阶段,其制造流程中发生任何变动都会对最终产品的特征产生巨大变化。陈伟(1994)指出,在钢铁、建材和化工原料等产品生命周期长,产品变化小的产业,其产业创新模式是以工艺创新为导向。在不同的经济发展水平下,产品创新与工艺创新匹配关系也有所不同。吴晓波(1995)、许庆瑞等(1998)、古利平等(2006)的研究揭示,由于发展中国家往往是基于发达国家技术引进基础上的二次创新,使得发展中国家的产品创新与工艺创新匹配关系与发达国家有所不同。对于产品创新与工艺创新的选择研究,主要从不同企业类型、不同产品特征、不同市场环境等角度进行。Hayes和Wheelwright(1979)提出了产品创新和工艺创新的形式化关系模型,即产品-工艺矩阵概念模型。每个企业都位于模型中的特定位置,模型描述了不同的企业本质特征决定了其产品和工艺结构及其创新选择策略。Cohen等(1987)的研究指出,当产品需求富有弹性时,因成本降低会给企业带来巨大的利润,将促使公司从事工艺创新;反之,因需求增加而带来巨大利润,将促使公司从事产品创新。Bonanm等(1998)、Filippini(2004)分析了在古诺博弈和伯川德博弈下企业产品创新和工艺创新的选择。他们发现竞争激烈时,生产高质量产品的公司将选择产品创新,生产低质量产品的公司选择工艺创新。在竞争不激烈的时候恰好相反。Rosenkranz(2003)总结出消费者如果有产品多样化的偏好,在产品创新和工艺创新研发效率相似时,将促使公司增加产品创新上的投入。当市场需要一种新的不被确定的技术并且潜在市场巨大时,企业产品创新就会变得突出;当产品性能标准化、价格成为重要影响企业成功因素时,创新的重点就从产品创新转移到了工艺创新。Petsas(2005)的研究表明,在既定的产品研发体制下,随着企业将更多的努力投入到产品创新上,企业从产品创新转移到工艺创新的动机增强;如果企业处在工艺研发体制下,企业将无限期地进行工艺研发。在产品创新与工艺创新协同发展理论研究取得一定进展之后,学者们开始从实证研究的角度来验证上述理论,研究方法主要是相关分析和回归分析两种统计方法。Zif等(1997)根据2018个从事研发活动的企业数据,运用相关分析建立了产品创新、工艺创新和短期投资回报之间的循环模式关系。Kraft(1990)通过56家德国中等规模金属加工制造企业数据,采用回归分析指出影响产品创新和工艺创新的主要因素是不一样的,产品创新会促进工艺创新,反之则不然。Martiniz-Ros(2000)采用1990-1993年间西班牙生产制造企业数据用随机效果概率模型,分析了外在变量对创新活动的影响和产品创新与工艺创新之间的相互影响关系。综上所述,从系统的角度对产品创新与工艺创新协同发展进行实证研究在技术创新研究中尚属首次,研究的思路也与以往的研究有所区别,主要揭示的是产品创新与工艺创新的协同一致程度。三、产品创新与技术创新的系统特征和协调模型(一)制造业企业技术创新系统的自组织系统复合系统的协调是指在系统内部的自组织和来自外界的调节管理活动(即他组织)作用下,其各个组成子系统之间的和谐共存,以实现系统的整体效应。系统之间或系统组成要素之间在发展演化过程中彼此和谐一致的程度称为协调度。从系统论的角度来看,企业技术创新系统是典型的需要协调的系统,它是由产品创新子系统与工艺创新子系统通过相互作用、相互影响、相互制约而形成的具有特定功能和结构的复合系统。按照耗散结构理论,一个系统耗散结构的形成必须具备4个条件:一是系统必须是开放的;二是系统必须远离平衡态的;三是系统内的各要素之间存在着非线性的相互作用;四是系统从无序到有序的变化是通过涨落来实现的。因此,制造业企业技术创新系统具备形成耗散结构的条件:企业技术创新系统是开放的,在产品创新和工艺创新的过程中,它不断与系统外部发生物质(资金、设备、技术)、能量(人员)和信息的交换;由于产品创新子系统与工艺创新子系统这两个组成要素之间存在一定的差异,如两个子系统所起的作用的不尽相同,各自拥有的人力资源、资金投入的差异、承担的职责不同等,导致该系统远离平衡;产品创新子系统与工艺创新子系统之间存在着非线性的相互作用;制造业企业产品创新与工艺创新协同发展系统总是存在各种随机的微涨落,如一项新的研究成果的出现、一种先进的制造技术的采用等。由于随机涨落的存在,有些子系统在获取资源上处于优势,一些子系统“涨”、“起”,而另一些子系统“落”、“伏”,有些子系统在获取资源上处于劣势,因此,制造业企业技术创新系统是一个自组织系统。它通过与系统外部进行物质、能量、信息的交换,引进负熵流,以抵消自身的熵产生,使自身的有序程度不断提高,在一定条件下,通过涨落,使制造业企业产品创新与工艺创新协同发展系统形成耗散结构。制造业企业产品创新与工艺创新协同发展系统特性包括:整体性、涌现性、动态性、复杂性和自适应性。总的来看,制造业企业技术创新系统具有自然系统与人造系统的双重特点。作为自然系统,系统具有内部的自组织现象;作为人造系统,外界可以对其实施遵从一定准则的、有目的的调节活动,即该类系统具有他组织的特征。企业技术创新系统良性运行的条件是其各个子系统之间的协同发展。因此,制造业企业技术创新系统具备应用复合系统协调模型的条件。(二)有序度在本文中,协同是指企业技术创新系统这个复合系统在发展演化过程中,产品创新子系统与工艺创新子系统之间彼此协同一致的程度。根据协同学的序参量原理和役使原理,通过设定产品创新与工艺创新协同发展的协调度模型来实现。按照协同理论,系统在临界点附近的内部变量分为慢驰豫变量和快驰豫变量两种,慢驰豫变量是决定系统演化进程的根本性变量,并称之为序参量。这类变量数目较少,其衰减变化较慢。而快驰豫变量数目相对较大,其衰减变化较快,快驰豫变量服从于慢驰豫变量,对系统的结构、功能变化不起主导作用,因此可以不加考虑。系统从无序走向有序的关键在于系统内部慢驰豫变量即序参量之间的协调作用,它决定着系统演化的特征与规律。因此,通过研究产品创新—工艺创新复合系统的少数序参量的方程,就可以确定产品创新与工艺创新协同发展路径。设我国企业技术创新复合系统中产品创新与工艺创新子系统为Sj,j∈。设产品创新与工艺创新在发展过程中的序参量为ej=(ej1,ej2,…,ejm),m≥1,βji≤eji≤αji,i∈[1,m]。假设ej1,ej2,…,ejl(j=1,2)的取值越大,系统的有序程度越高,取值越小,系统的有序程度越低;假设ejl+1,…,ejm(j=1,2)的取值越大,系统的有序程度越低,取值越小,系统的有序程度越高。则产品创新与工艺创新子系统Sj(j=1,2)的序参量分量eji的有序度为:uj(eji)={(eji−βji)/(αji−βji)(αji−eji)/(αji−βji)i∈[1‚l]i∈[l+1‚m](1)uj(eji)={(eji-βji)/(αji-βji)i∈[1‚l](αji-eji)/(αji-βji)i∈[l+1‚m](1)其中,αji和βji分别是第j个系统在第i个指标上的上限制和下限值。由公式(1)可知,ui(ej)∈[0,1],其值越大,ej对系统有序的作用越大,对系统有序的功效越大。通过功效系数函数的几何平均数来确定产品创新与工艺创新子系统的有序度函数,即:uj(ej)=∏i=1muj(eji)−−−−−−−−√mj=1‚2(2)uj(ej)=∏i=1muj(eji)mj=1‚2(2)由公式(2)可知,uj(ej)∈[0,1]。uj(ej)越大,子系统的有序度越高,反之,则越低。在一给定初始时刻t0,产品创新与工艺创新子系统序参量的有序度为u0jj0(ej),则在整个复合系统发展演变过程中的时刻t1,产品创新与工艺创新子系统序参量的有序度为u1jj1(ej)。定义产品创新与工艺创新子系统协同发展的协调度为:syn=θ∣∣∣∣∏j=12[u1j(ej)−u0j(ej)]∣∣∣∣−−−−−−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000(3)syn=θ|∏j=12[uj1(ej)-uj0(ej)]|(3)其中,θ=minj[u1j(ej)−u0j(ej)]∣∣∣minj[u1j(ej)−u0j(ej)]∣∣∣θ=minj[uj1(ej)-uj0(ej)]|minj[uj1(ej)-uj0(ej)]|由公式(3)可知,syn∈[-1,1],可得到如下两个结论:(1)syn值越大,表明产品创新与工艺创新两个子系统协同发展的程度就越高,反之则越低;(2)如果一个子系统的有序程度较大,而另一个子系统的有序程度较小或下降,则产品创新与工艺创新协同发展的协调度就不高,即syn∈[-1,0]。(三)产品创新子系统的序参量在产品创新与工艺创新协同发展的协调度模型中,序参量的选择至关重要,它直接影响了研究结果正确与否。由于在国内进行的技术创新测度调查中,很少有专门的调查对产品创新与工艺创新进行分类的定量测度,使得对产品创新与工艺创新序参量的选择带来一定的困难。本着科学性、实用性、可操作性的原则,本文借助统计学中因子分析的基本思想,选取的序参量是从指标反映的主要方面进行考虑的,它们代表或解释了大部分产品创新或工艺创新的内容。如发明专利数主要反映的是产品创新内容,劳动生产率、技术引进与技术改造主要反映的是工艺创新内容等。本文确定产品创新子系统的序参量包括:新产品开发经费支出(万元)、拥有发明专利数(项)、新产品产值(万元)、新产品销售收入(万元);工艺创新子系统的序参量包括:劳动生产率1(元/人)、新工艺开发经费支出(万元)2、技术改造经费支出(万元)、消化吸收经费支出(万元)。本文以《中国高新技术产业统计年鉴2009》发布的制造业科技活动数据为依据,数据统计口径是全部国有及年销售收入在500万元及以上的非国有制造业企业。经过对数据的处理,得到2000-2008制造业企业产品创新与工艺创新子系统各序参量的值。如表1所示。四、中国制造业企业产品创新与工艺创新的协同发展以1999年的数值作为下限值,以2009年的预测值作为上限值。将表1的数据代入公式(1),得到制造业企业产品创新与工艺创新子系统序参量各分量的有序度,如表2所示。将表2中的数据代入公式(2),得到产品创新与工艺创新子系统有序度,如表3所示。由表3可知,从2000-2008年,制造业企业产品创新子系统有序度与工艺创新创新子系统有序度在逐步提高。这说明,随着国内外市场竞争的日趋激烈,制造业企业越来越重视技术创新所起到的重要作用,通过产品创新提高产品的差异化,通过工艺创新降低生产成本,从而在市场竞争中确立竞争优势。最后,以产品创新与工艺创新子系统有序度为中间变量,以2000年的有序度为基准年,将表3中的数据代入公式(3),从而得到产品创新与工艺创新协同发展的协调度,如表4所示。由表4可知,从2001-2008年间,我国制造业企业技术创新复合系统中产品创新与工艺创新协同发展的协调度处在稳步提升的状态,即产品创新与工艺创新协同发展的程度不断提高,如图1所示。这主要是由于产品创新子系统与工艺创新子系统的有序度都在不断提高,从而导致整个复合系统的协调度随之提高。特别是从2004年开始,产品创新与工艺创新的协调度增加的幅度更快。从图1中也可以看出,我国制造业企业产品创新与工艺创新协同发展的大概路径,即产品创新与工艺创新同步协同发展。经过计算,从2001-2008年,我国制造业企业产品创新与工艺创新平均协调度为0.3082。这说明,从总体上看,我国制造业企业产品创新与工艺创新协同发展的程度不高,这主要是由于从2000-2004年,我国制造业企业产品创新与工创新的有序度较低造成的,但是从总的发展趋势上看,这种状况正在逐步改善。这与我国制造业企业产品创新与工艺创新协同匹配的现状也是相吻合的。2006年全国工业企业创新调查统计数据显示1,2004-2006年间,在开展创新活动的83290个制造业企业中,有96.8%的进行了产品创新或者工艺创新,83.5%的企业进行了产品创新,84.1%的企业进行工艺创新,而其中仅有12.7%和13.3%的企业单独进行了产品创新和工艺创新。也就是说,在开展创新活动的制造业企业中,多数企业是产品创新与工艺创新并举,产品创新与工艺创新是相互协同配套和支撑的。从理论上分析,我国大多数制造业企业发展的基础主要来自“规模优势”和“比较优势”,对产品的技术含量、附加含量和产品质量等方面要求并不是很高。与此同时,由于受到资金实力、技术实力、研发人员素质等因素的制约,使得制造业企业对产品创新与工艺创新投入达不到合理的比例和有效的协同匹配。但随着国际竞争的深入,以及生产要素价格的上涨,我国制造业企业的这种优势正逐步减弱。掌握自主知识产权,提高产品的科技含量、附加价值和产品质量,降低生产成本是我国制造企业在国际竞争中取得主动权的关键。产品创新、工艺创新以及二者之间的协同发展对制造业企业就越来越重要。此外,随着自身实力的增强,制造业企业已初步具备同时兼顾产品创新与工艺创新的能力。因此,进行