科研方向創(chuàng)新的理念與方法

蘇義腦

1) 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206 2) 北京科技大學(xué)井下智能控制研究院，北京 100083

本文討論關(guān)于科研方向創(chuàng)新的方法，它較多地涉及文獻(xiàn)[1]論述的工程哲學(xué)理念.

首先對(duì)“創(chuàng)新”一詞加以解讀.黨中央國務(wù)院高度重視科技創(chuàng)新，做出深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重大決策部署.溫家寶總理曾在2005年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)的報(bào)告中對(duì)科技創(chuàng)新的重要性做過精辟論述，并指出科技創(chuàng)新的三種形式，即原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新.科技創(chuàng)新成為當(dāng)前全國上下耳熟能詳?shù)臒嵩~，但細(xì)究起來，究竟什么是科技創(chuàng)新，它有哪些內(nèi)涵、有何特點(diǎn)、如何界定、又如何驗(yàn)證.

早在我國古代典籍如《周書》、《魏書》中就有“創(chuàng)新”一詞出現(xiàn)，最早的一部百科詞典《廣雅》有“創(chuàng)，始也”的解釋.在西方，英語中Innovation（創(chuàng)新）源于拉丁語，它原有三層含義：一是更新，二是創(chuàng)造新物，三是變更現(xiàn)狀.對(duì)理念和思路的成功變革也是創(chuàng)新，而且是更重要的創(chuàng)新，它是理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)和源頭.學(xué)科交叉是科技創(chuàng)新的重要方式，也是當(dāng)今科技創(chuàng)新的一個(gè)突出特點(diǎn).優(yōu)秀的科技團(tuán)隊(duì)是科技創(chuàng)新的主體.堅(jiān)持不懈是科技創(chuàng)新成功的保證.轉(zhuǎn)化和應(yīng)用是科技創(chuàng)新成功的標(biāo)準(zhǔn).

其次討論什么是方向創(chuàng)新.所謂科研的方向創(chuàng)新，就是提出新的科研方向，明確攻關(guān)目標(biāo)和任務(wù).德國物理學(xué)家海森堡曾說過：“提出正確的問題往往等于解決了問題的大半.”筆者在給北京博士后聯(lián)誼會(huì)的寄語中說過：“科研的最高境界就是十個(gè)字：知道干什么，知道怎么干.”這里的“提出正確的問題”和“知道干什么”指的就是科研方向創(chuàng)新.科研方向創(chuàng)新屬于戰(zhàn)略層面，至于“怎么去解決問題”和“知道怎么干”則屬于戰(zhàn)術(shù)層面.

筆者曾將工程技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新歸結(jié)為三個(gè)類型，即“無中生有，優(yōu)中求優(yōu)，物美價(jià)廉”，一個(gè)原創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展也包括這三個(gè)階段.所謂“無中生有”，就是發(fā)明，就是原始創(chuàng)新；所謂“優(yōu)中求優(yōu)”，就是在諸多的同類技術(shù)中加以深化研發(fā)，是指在功能或技術(shù)性能指標(biāo)上超過同類技術(shù)；所謂“物美價(jià)廉”，就是在保證技術(shù)或產(chǎn)品質(zhì)量的前提下追求降低成本，使之具有更好的性價(jià)比，這樣才會(huì)有更大的市場占有率和受眾面，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.對(duì)于上述三個(gè)類型或曰三個(gè)階段進(jìn)行介入，都可以找到相關(guān)的研究方向.

為便于討論，有必要對(duì)工程科技中常用到的概念和術(shù)語如發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、工藝、技術(shù)、工程的內(nèi)涵加以說明.根據(jù)筆者的理解，工藝是指用一定的工具（裝備），按一定方法（軟件）去完成的一個(gè)過程操作；技術(shù)則是工藝、工具、方法、軟件的統(tǒng)稱；工程是用一種或多種技術(shù)去完成的實(shí)體操作；發(fā)現(xiàn)是首次揭示原本存在的事物或規(guī)律，“率先性”是其特征；而發(fā)明則是指首次創(chuàng)造未有之物，“新穎性”是其特征.

以下探討科研方向創(chuàng)新的方法.

2006年筆者寫過有關(guān)科研創(chuàng)新方法的32字口訣如下:

科研創(chuàng)新方法偶感

尋找矛盾，打破平衡.轉(zhuǎn)換視角，正反縱橫.

第一原理，分層否定.檢討雙方，妥協(xié)折衷.

所謂“尋找矛盾，打破平衡”，指看待一個(gè)系統(tǒng)，要有對(duì)立統(tǒng)一觀點(diǎn)，因?yàn)槿魏螁栴}，都是包含矛盾的，里面都有不同的矛盾側(cè)面相互交織，對(duì)立依存，形成一個(gè)整體.要想發(fā)展一個(gè)技術(shù)—發(fā)展就是打破現(xiàn)狀，建立新的東西—一定要在系統(tǒng)里邊尋找矛盾，確定哪一個(gè)方面是主要的，打破矛盾的一方，促成矛盾的轉(zhuǎn)化，從而建立起新的系統(tǒng).要維持一個(gè)舊的系統(tǒng)，就要協(xié)調(diào)矛盾，力求平衡，取中庸之道；而要打破舊系統(tǒng)，就要激化矛盾，打破平衡，取創(chuàng)新之道.打破平衡就預(yù)示著發(fā)展.

所謂“轉(zhuǎn)換視角，正反縱橫”，就是當(dāng)審視一個(gè)技術(shù)體系，作為一個(gè)技術(shù)問題來探討，或者作為一個(gè)專業(yè)問題、作為一個(gè)行業(yè)問題來看，都要從不同角度去看，正面看、反面看，縱向看、橫向看，多角度來看這個(gè)問題，啟發(fā)思路，而不要只從一個(gè)方面看.

所謂“第一原理，分層否定”，就是做事情強(qiáng)調(diào)“第一原理”.這里指第一原理B[1].當(dāng)來了一個(gè)科研任務(wù)或提出一個(gè)新問題時(shí)，首先不看資料，而是自己去想，自己去認(rèn)識(shí)，然后再去看資料，看別人是怎么做的.這樣，不管看到多少資料，往往會(huì)保留自己原來的一些想法.如果什么問題都不去思考，拿到問題先去看人家的資料，看了那么多的專利和文章，到最后自己是六神無主沒有想法，即使有也往往是模仿別人的，失去了自己思考的余地；“分層否定”，指一個(gè)科研問題，有不同的級(jí)別，不同的層次，譬如說進(jìn)行力學(xué)分析，建立的力學(xué)模型往往是有假設(shè)的，如果把這個(gè)力學(xué)模型的假設(shè)修改了，這個(gè)問題的模型實(shí)際上也就變了，模型修改說明否定的層次比較高.當(dāng)然也有同樣一個(gè)模型，有人用特殊函數(shù)來解的，而你是用差分來解的，這是方法上的否定，這種否定比模型假設(shè)的修改要低一層次.否定的層次越高，將來的創(chuàng)新就越大.

所謂“檢討雙方，妥協(xié)折中”，搞工程的要解決實(shí)際問題，要把很多東西組合在一起形成一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng).但在實(shí)際的設(shè)計(jì)方案中，往往是要妥協(xié)的.什么叫“設(shè)計(jì)”？我給出的定義是：“設(shè)計(jì)就是綜合考慮多種因素，最終達(dá)成妥協(xié).”這就是第一原理C[1]的內(nèi)涵.

在上述32字口訣基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步總結(jié)提出方向創(chuàng)新的具體方法“第一原理，需求引領(lǐng)，順勢(shì)外推，學(xué)科交叉，反向思維，節(jié)點(diǎn)窮舉”和模型樹、節(jié)點(diǎn)法的概念，使方向創(chuàng)新有法可循，而且這種方法具有廣義性，不局限于某一專業(yè)，甚至對(duì)于人文學(xué)科也會(huì)有一定的參考價(jià)值.

1.第一原理

這里指第一原理A即“理想化原理”.正如文獻(xiàn)[1]所述，第一原理A的內(nèi)涵是把某一技術(shù)理想化，從各個(gè)方面都是最優(yōu)的，現(xiàn)實(shí)技術(shù)與理想化之間必定存在差距，這些差距就是要?jiǎng)?chuàng)新研究的方向.以汽車為例，根據(jù)理想化狀態(tài)的“適應(yīng)性強(qiáng)（可在城市、山地、極地、水里、空中行駛）”這一條，就產(chǎn)生了適于城市道路的小轎車，適于野外道路的越野車，適于低溫和冰雪道路條件的極地汽車，可在水里行駛的水陸兩棲汽車，現(xiàn)在已研發(fā)出交通擁堵時(shí)可在空中飛行的概念車，等等.根據(jù)理想化狀態(tài)的“性能好（速度快，平穩(wěn)、自動(dòng)化、安全，舒適）”這一條，產(chǎn)生了大馬力的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、ABS自動(dòng)平衡系統(tǒng)、高配置音響與裝修、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、定位雷達(dá)和無人駕駛智能汽車.根據(jù)理想化狀態(tài)的“經(jīng)濟(jì)性好（節(jié)能，環(huán)保，價(jià)格低，壽命長）”這一條，產(chǎn)生了節(jié)能汽車、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等，新材料的應(yīng)用和自動(dòng)化生產(chǎn)線大幅度地提升了汽車的壽命和降低了汽車的制造成本.每一項(xiàng)性能的改進(jìn)和指標(biāo)的提升，無不對(duì)應(yīng)著一項(xiàng)或多項(xiàng)新技術(shù)的研發(fā)，而這些新技術(shù)的提出均可以通過第一原理A經(jīng)對(duì)比找到差距，解決這些差距就是科技創(chuàng)新的方向.

2.需求引領(lǐng)

此處的需求是廣義的，可以是市場需求、社會(huì)需求、政府需求，等等.恩格斯有句名言：“社會(huì)上一旦有技術(shù)上的需求，則這種需求就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn).”重大社會(huì)需求是產(chǎn)生科研新方向的重要途徑，重大工程需求是產(chǎn)生一系列多種技術(shù)新方向的重要途徑.例如戰(zhàn)爭的需求導(dǎo)致了原子彈、氫彈和導(dǎo)彈的產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境的保護(hù)導(dǎo)致了清潔能源的開發(fā)，對(duì)地球深層認(rèn)知的需求導(dǎo)致了萬米鉆機(jī)的研發(fā)，我國北方水資源的匱乏和對(duì)水源的需求導(dǎo)致了南水北調(diào)工程，等等，這種例子不勝枚舉.對(duì)于油氣工業(yè)，也存在多種不同層面的需求，如對(duì)地下資源精細(xì)了解的需求催生了三維地震技術(shù)，對(duì)于提高單井油氣產(chǎn)量和采收率的需求催生了水平井鉆井技術(shù)，對(duì)于鉆進(jìn)過程中及時(shí)和準(zhǔn)確掌握地下情況催生了隨鉆測(cè)量技術(shù)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，等等.在這里了解需求是第一位的，這是戰(zhàn)略科學(xué)家的基本任務(wù)，只要知道需求，就會(huì)提出新的研究方向.當(dāng)然，技術(shù)的發(fā)展是有階段性的，受制于現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)的總體發(fā)展水平，也即存在可行性問題.對(duì)于一些超前的研究方向，當(dāng)前做不到并非沒有意義，隨著技術(shù)的發(fā)展，制約瓶頸逐漸得到克服，則終歸可以實(shí)現(xiàn)，這就是一些科研新方向須經(jīng)多年才能完成的原因之一.對(duì)此筆者曾提出過新技術(shù)“審視期”這一概念[2]，即一項(xiàng)具有生命力的創(chuàng)新技術(shù)一旦出現(xiàn)后要等待相關(guān)的技術(shù)配套才能逐步完善的時(shí)間過程.

3.順勢(shì)外推

順勢(shì)外推指的是任何技術(shù)的發(fā)展都遵循一定的規(guī)律，也有一定的發(fā)展趨勢(shì)，如果掌握了這一發(fā)展規(guī)律，則可通過邏輯順推，去進(jìn)行發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，也就可以找到未來科研的新方向.以鉆井技術(shù)的發(fā)展為例：我國是世界上最早開始鉆井的國家，始于先秦時(shí)期，鉆井技術(shù)長期居世界領(lǐng)先地位，這在四川自貢的鹽業(yè)博物館有大量史料可以證明.英國科學(xué)家李約瑟在其《中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展史》一書中對(duì)中國古代的鉆井技術(shù)給予很高的評(píng)價(jià).有些專家稱中國古代的鉆井技術(shù)是我國對(duì)世界的“第五大發(fā)明”.清代道光15年（1835年）在自貢鉆成了世界上第一口千米井—燊海井（1001.42 m）,歷時(shí)3年.有資料稱世界上的第一口石油井于1859年在美國鉆成[3]，由此開創(chuàng)了石油時(shí)代.由于工業(yè)革命和機(jī)器的出現(xiàn)，石油鉆井技術(shù)至今經(jīng)歷了150余年的發(fā)展歷程，筆者對(duì)此做過一定的研究，力求從中找出鉆井技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，掌握其發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)其未來的發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè).

筆者提出了“模型樹”這一概念和“節(jié)點(diǎn)法”這一方法.模型樹就是把鉆井工程這一系統(tǒng)的主體技術(shù)—鉆井工藝作為主干，把各種分支技術(shù)作為樹枝，每一個(gè)分支又衍生出更多的分支，每一個(gè)分支都標(biāo)出產(chǎn)生的時(shí)間，這樣就得到了一棵形象的“模型樹”.主干上的分支，以及分支上的細(xì)小分支，與其母體的結(jié)合點(diǎn)即生長點(diǎn)就是“節(jié)點(diǎn)”.如圖1所示.

圖1 油氣鉆井技術(shù)發(fā)展的模型樹Fig.1 Model tree for the development of oil and gas drilling technology

鉆井技術(shù)的模型樹直觀地顯示了現(xiàn)代鉆井工程的技術(shù)體系構(gòu)成，如果加上時(shí)間標(biāo)識(shí)，它實(shí)際上也就是一部簡明的鉆井技術(shù)發(fā)展史.

這一模型樹的主干是鉆井工藝，先是頓鉆鉆井，再是旋轉(zhuǎn)鉆井.其各個(gè)大的分支是：（1）破巖工具和方法（含鉆頭/破巖方法）；（2）循環(huán)系統(tǒng)；（3）動(dòng)力系統(tǒng)；（4）提升系統(tǒng)；（5）鉆具系統(tǒng)；（6）傳動(dòng)系統(tǒng)；（7）固井完井系統(tǒng)；（8）信息系統(tǒng)等等.每一個(gè)大分支都有很多小的分支，以分支（1）為例，有機(jī)械破巖（含沖擊破巖和旋轉(zhuǎn)切削破巖兩種）基本方式，以及水力噴射和激光破巖等前端分支；對(duì)應(yīng)的鉆頭包括刮刀鉆頭、牙輪鉆頭和PDC鉆頭，以及水力噴嘴和激光破巖器等.仿此，對(duì)每一個(gè)分支都詳細(xì)畫出和列出相應(yīng)的技術(shù)分支，此處不予贅述.

模型樹的重要應(yīng)用是“節(jié)點(diǎn)法”，就是針對(duì)節(jié)點(diǎn)，研究每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表的技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，確定它存在的原因和被淘汰的理由，然后運(yùn)用第一原理A，比照理想狀態(tài)尋找差距，有了差距就有了新方向.具體方法將另文討論.

4.學(xué)科交叉

學(xué)科交叉也是產(chǎn)生新方向和新領(lǐng)域的基本方法，交叉就是結(jié)合，是在兩大學(xué)科或兩大領(lǐng)域的結(jié)合部開展系統(tǒng)研究.這在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上并不鮮見，例如幾何學(xué)與代數(shù)學(xué)的交叉產(chǎn)生了解析幾何，物理與化學(xué)的結(jié)合產(chǎn)生了物理化學(xué)，力學(xué)與天文學(xué)的交叉產(chǎn)生了天體力學(xué)，等等.

考察自然科學(xué)的發(fā)展史可以知道，自然科學(xué)的研究對(duì)象就是客觀世界，原本并不存在學(xué)科的劃分，只是研究者從不同的要求出發(fā)，用不同的研究方法去考察和分析客觀事物的某一方面的特性，于是就形成了學(xué)科的劃分.觀察科學(xué)技術(shù)史上的著名科學(xué)家，都在幾個(gè)不同的學(xué)科領(lǐng)域中做出過重大貢獻(xiàn)，如達(dá)芬奇既是音樂家又是畫家和工程師，牛頓既是數(shù)學(xué)家又是力學(xué)家、光學(xué)家還是天體力學(xué)大家，等等.這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)并沒有進(jìn)行學(xué)科的劃分，這些研究都屬于“自然哲學(xué)”的范疇.隨著研究的深入和廣度的擴(kuò)展，為便于科學(xué)家們能集中精力從事更深入的研究，于是開始了人為的學(xué)科劃分.這是發(fā)展的要求與進(jìn)步的表現(xiàn)，也是對(duì)先前研究方法的一種否定.但任何事物都是“一分為二”的，往往是一種傾向掩蓋著另一種傾向.當(dāng)代學(xué)科門類林立，這是科技高度發(fā)展的結(jié)果，它要求科技人員“術(shù)業(yè)有專攻”，可以促進(jìn)科學(xué)研究向縱深發(fā)展，這是好的一個(gè)方面；但同時(shí)也會(huì)帶來另一傾向，即相近學(xué)科門類之間的研究人員“不敢越雷池”，留下了不少的“空白地帶”乏人問津，把原本是一個(gè)完整的自然領(lǐng)域分割開來，其結(jié)果又阻礙了科技的發(fā)展.所以現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)重要特點(diǎn)是開展“學(xué)科交叉”，在兩個(gè)學(xué)科、兩大技術(shù)領(lǐng)域之間的“空白地帶”開展研究，把兩者的或多個(gè)學(xué)科的研究方法結(jié)合起來尋求突破，從而推進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展.學(xué)科交叉是對(duì)學(xué)科細(xì)分的一種否定，這種“否定之否定”呈現(xiàn)一種螺旋式上升的趨勢(shì)，也正是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律.

學(xué)科交叉在油氣鉆井技術(shù)的發(fā)展過程中也起到很大的推動(dòng)作用.例如，計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程力學(xué)與鉆井技術(shù)的交叉推動(dòng)了定向鉆井技術(shù)的進(jìn)步，井下控制工程學(xué)就是工程控制論與油氣井下各種工藝技術(shù)交叉的新領(lǐng)域[4]，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是鉆井工具、信息技術(shù)和油氣地質(zhì)結(jié)合的產(chǎn)物.

所以有意識(shí)地主動(dòng)地開展學(xué)科交叉和技術(shù)移植，往往可以形成重大的創(chuàng)新方向.

5.反向思維

反向思維是一種重要的思想方法和研究方法，是尋找科技創(chuàng)新方向的一種重要途徑.它主要是針對(duì)人們的思維定式進(jìn)行變革，嘗試采用另一種完全不同的思路進(jìn)行否定，因此有可能引出新的結(jié)果.筆者對(duì)螺桿鉆具線型計(jì)算的求積分問題采用了反向思維，在屢次進(jìn)行積分無果時(shí)提出“它是不是不可積分類型”？然后去證明其不可積分，從而解決了這一難題.

當(dāng)我們?cè)趯徱曇环N現(xiàn)有技術(shù)時(shí)，運(yùn)用反向思維方法，可以提出這樣的問題：為什么會(huì)是這樣？不這樣行嗎？為什么不反其道而行之？此處給出一個(gè)例子：在油氣鉆井技術(shù)的初期，鉆井的動(dòng)力都是由地面動(dòng)力機(jī)（柴油機(jī)）通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)鉆臺(tái)上的轉(zhuǎn)盤，然后由轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn).運(yùn)用反向思維方法，可以提出“為什么動(dòng)力一定要在地面？能否放在井下？”于是產(chǎn)生了井下動(dòng)力鉆具這一新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆井方式的一次重大變革.又如頂部驅(qū)動(dòng)裝置的產(chǎn)生就是運(yùn)用反向思維方法對(duì)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)方式的又一次否定，從而促進(jìn)了鉆機(jī)裝備的發(fā)展.這樣的例子是很多的.

6.節(jié)點(diǎn)窮舉

節(jié)點(diǎn)窮舉也是提出科研新方向的一種方法.它的內(nèi)涵就是針對(duì)模型樹上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，羅列實(shí)現(xiàn)這種功能的各種可能的技術(shù)途徑，然后逐一分析和探討實(shí)現(xiàn)的可行性.雖然不一定每一種可能的技術(shù)具有可行性，但至少可以給出多種可供思考的途徑，而不會(huì)局限于當(dāng)前狀態(tài)找不到新的思路.筆者一向主張?jiān)趯ふ铱蒲蟹较驎r(shí)要用發(fā)散式思維，要?jiǎng)?wù)虛；在確定科研方向時(shí)要用聚焦式思維，要?jiǎng)?wù)實(shí).發(fā)散式思維就包含“節(jié)點(diǎn)窮舉”這一方法.

上述六種方法在尋找新方向時(shí)都有重要的應(yīng)用，在實(shí)踐中經(jīng)常是這些方法的綜合運(yùn)用.實(shí)現(xiàn)同一個(gè)技術(shù)目的，可以有不同路徑與方法.針對(duì)模型樹上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們可以用窮舉法，盡可能羅列出多種設(shè)想和可能性，問一問“還有哪些沒有考慮？考慮一下會(huì)如何？”；要大膽運(yùn)用否定法和反向思維法，問一問“為什么必須是這樣？”“改變一下會(huì)如何？”和“反其道而行之可否？”“交叉、復(fù)合一下，行嗎？”在現(xiàn)有理論和技術(shù)中，只要修改一個(gè)假設(shè)或改變一項(xiàng)參數(shù)，就有可能產(chǎn)生一個(gè)新的方向和新的分支，理論和技術(shù)創(chuàng)新的無限性也就表現(xiàn)在這里.

另外，要注意從已被淘汰的技術(shù)中汲取正確的東西.從辯證哲學(xué)的觀點(diǎn)來看，事物沒有絕對(duì)的好和壞，凡是存在的必有道理，不能進(jìn)行絕對(duì)的否定；根據(jù)否定之否定規(guī)律，過去曾被否定的技術(shù)可能因?yàn)槠渲邪姆系谝辉淼恼_成分將來會(huì)被重新肯定，這樣的例子很多，例如渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速和耐高溫這些特性符合鉆井的第一原理，所以渦輪鉆具在一度被螺桿鉆具否定之后，現(xiàn)在又被利用和發(fā)展.下面的例子也可以說明這一道理.

綜合上述，筆者提出了一種實(shí)際操作辦法，形成如下表格(表1)，按照程序完成相關(guān)內(nèi)容即可找到一種新的技術(shù)方向.

表1 技術(shù)創(chuàng)新分析樣表Table 1 Analysis table for technology innovation

以下以井下信息測(cè)量技術(shù)發(fā)展作為案例進(jìn)行分析.井下信息測(cè)量技術(shù)的第一原理A所表示的理想化狀態(tài)是：測(cè)量參數(shù)多，傳輸速度快、測(cè)量精度高；地層適應(yīng)性強(qiáng)；工作介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)；操作方便，效率高；成本低.幾十年來，油氣井井下信息測(cè)量傳輸技術(shù)經(jīng)歷了氫氟酸瓶→單點(diǎn)/多點(diǎn)→有線隨鉆→無線隨鉆的發(fā)展過程.第一代技術(shù)是氫氟酸瓶，它的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)量井斜角，而且是從無到有的技術(shù)突破；缺點(diǎn)是測(cè)量參數(shù)少（不能測(cè)方位角）、測(cè)量時(shí)間長和不準(zhǔn)確（靠氫氟酸對(duì)玻璃瓶的腐蝕痕跡）、不安全（用氫氟酸）和間斷性測(cè)量（下入、測(cè)量和提出要停鉆）.因此，它的缺點(diǎn)與第一原理A所表示的理想化狀態(tài)存在很多差距，不滿足這些差距就要?jiǎng)?chuàng)新，差距就是創(chuàng)新方向.對(duì)此進(jìn)行否定，于是產(chǎn)生了第二代技術(shù)單點(diǎn)測(cè)量儀，其優(yōu)點(diǎn)是增加了測(cè)量參數(shù)（可測(cè)井斜角、方位角和工具面角），安全性增加（以機(jī)械、電子技術(shù)取代氫氟酸），這是一個(gè)很大的技術(shù)創(chuàng)新，于是否定和取代了氫氟酸瓶而獲得廣泛應(yīng)用；其缺點(diǎn)是只能進(jìn)行間斷性測(cè)量（停鉆）而不能隨鉆測(cè)量，不滿足理想狀態(tài)的“效率高”這一要求.因此人們又不滿足，希望實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量，于是產(chǎn)生了第三代技術(shù)“有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)”，這是一個(gè)機(jī)械電子系統(tǒng)，依靠電纜把井下測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，有很多優(yōu)點(diǎn)：如測(cè)量參數(shù)多（井斜角、方位角和工具面角，溫度和振動(dòng)），傳輸速度快（電纜）和可以隨鉆測(cè)量（即定向鉆進(jìn)時(shí)不用停鉆實(shí)時(shí)測(cè)傳）；這是一個(gè)很大的技術(shù)進(jìn)步，于是得到推廣.但它也有明顯缺點(diǎn)，即只能用于定向鉆進(jìn)（鉆柱不能旋轉(zhuǎn)），操作工藝復(fù)雜影響效率（要靠旁入接頭處理電纜），缺少地質(zhì)參數(shù).于是人們又不滿足，因?yàn)樗屠硐牖癄顟B(tài)存在這些差距，所以否定和創(chuàng)新又針對(duì)主要差距即不能旋轉(zhuǎn)鉆柱開始，從而出現(xiàn)了第四代技術(shù)“無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）”，它是一個(gè)更為復(fù)雜的機(jī)電液與控制技術(shù)系統(tǒng)，利用鉆井液作為信息載波，把傳感器測(cè)到的信息經(jīng)井下控制器轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖發(fā)生器的機(jī)械動(dòng)作進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槟酀{的壓力載波，上傳到地面的壓力傳感器，再經(jīng)解碼技術(shù)變成井下測(cè)量信息的數(shù)據(jù)信號(hào).這一技術(shù)擴(kuò)大了有線隨鉆的應(yīng)用場合，保留了有線隨鉆的可測(cè)參數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了可滿足定向和旋轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下的隨鉆測(cè)量并具有操作方便（沒有旁入接頭）的優(yōu)點(diǎn)，因而很快就淘汰了有線隨鉆.但它的缺點(diǎn)也是明顯的：（1）沒有地質(zhì)參數(shù)（同有線隨鉆）；（2）信號(hào)傳輸速度太慢（0.5～1 bit·s?1）,遠(yuǎn)低于有線隨鉆（10000 bit·s?1以上）；（3）無法用于空氣、泡沫介質(zhì)鉆井.這些和理想狀態(tài)形成明顯差距.但為什么MWD能得到推廣，其合理的原因是滿足了可以旋轉(zhuǎn)/定向的隨鉆要求，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)階段具有明顯優(yōu)勢(shì).但隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，人們要求測(cè)量的信息越來越多，氣體鉆井和泡沫鉆井的出現(xiàn)和日趨普及，MWD的缺點(diǎn)就日漸突出，急需加以改進(jìn)和發(fā)展.首先是針對(duì)傳輸速率的改進(jìn)，繼負(fù)脈沖信號(hào)發(fā)生器之后出現(xiàn)了正脈沖發(fā)生器和連續(xù)波脈沖發(fā)生器，把傳輸速率提高到5～10 bit·s?1.這在一定程度上維持了 MWD 作為主體技術(shù)的地位.但是前幾年筆者在分析這一技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)指出，無線傳輸?shù)腗WD終將會(huì)被有線隨鉆替代，“無線回歸有線”是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì).因?yàn)殂@井技術(shù)的發(fā)展要求實(shí)時(shí)傳輸更多的參數(shù)，而且要進(jìn)行井下成像更是需要上傳海量數(shù)據(jù)，這對(duì)于無線傳輸方式是很難實(shí)現(xiàn)的，而只有有線傳輸具有這個(gè)優(yōu)勢(shì).這一判斷很快得到證實(shí)，當(dāng)前正在研制中的智能鉆桿就是這樣的技術(shù)，它可以把數(shù)傳率提高到 1×105bit·s?1，同時(shí)克服了傳輸介質(zhì)的影響，無論是用泥漿、氣體或泡沫作為介質(zhì)，均可實(shí)現(xiàn)快速傳輸.

今后隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展主要是針對(duì)泥漿脈沖MWD與理想狀態(tài)的3點(diǎn)差距展開,例如：上述的智能鉆桿技術(shù)是針對(duì)差距（1）和（3）的否定和發(fā)展，連續(xù)波脈沖發(fā)生器是針對(duì)差距（1）的發(fā)展，電磁波隨鉆傳輸系統(tǒng)是針對(duì)差距（2）的發(fā)展，無線隨鉆測(cè)井系統(tǒng)（LWD）是針對(duì)差距（3）的發(fā)展，聲波無線傳輸技術(shù)是針對(duì)差距（1）和（2）的發(fā)展，微波傳輸技術(shù)是針對(duì)差距（2）的發(fā)展.

從對(duì)井下信息測(cè)量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展分析這一實(shí)例可以看出，我們應(yīng)用了上述關(guān)于科研方向創(chuàng)新的多種方法，它是這些方法的綜合應(yīng)用.