The Role of Standards in Innovation
Abstract
We review and explore the role of standards in innovation, with particular emphasis on design and manufacturing processes. We begin by defining and classifying standards and by exploring their role and infrastructure in society. This is followed by a similar discussion for innovation. By examining the relationships between innovation and standards, we extract the negative impact and the positive impact each has on the other. A study of four case histories in different domains—manufacturing, computer hardware, mechanical component design, and product data exchange—reveals that, as expected, standards are often derived from innovative technology. Surprisingly, however, innovation is often spurred—directly and indirectly—from standards as well. We conclude that, in general, the benefits of standards on innovation in design and manufacturing outweigh the possible limitations on creativity imposed by such standards.
Introduction
Innovation has always been a major ingredient to developing technology or advancing technology (or both) [1]. As technologies develop or advance, standards are required to ensure performance, conformity, and safety of new products and processes [2]. One example of the need for standards can be envisioned easily with fiascoes like the $125 million Mars Climate Orbiter, which was lost because of inconsistent measurement units between two control teams. One technology reaping the benefit of a standard is Europes cellular industry. Their dependence on a unified Global System for Mobile Communications, or GSM, is the reason they have a continent wide digital network. This standard, along with extensive agreements among carriers, allows one cell phone to work from southern Italy to eastern Poland. In contrast, the United States has four different standards, including an odd version of GSM, so that a phone manufactured for one system will not work on another.
As a result of this dependence, there exists a relationship between standards and innovation that is complex and dynamic [3]. Our purpose in writing this paper is to begin to evaluate that relationship, and explore under what circumstances innovation and standards affect each other. We begin by defining and categorizing standards and innovation, and examine case histories to evaluate how standards have depended on, helped, and hindered progress of innovations, and how innovations have had these same effects on standards.
Standards: Definition and Types
One dictionary definition of the word “standard” is a means of determining what an entity should be; another definition is a fixed, customary, or official measure (as of quantity, quality, or price). Typical synonyms for “standard” include benchmark, criterion, gauge, measure, touchstone, and yardstick. One example of this is the unit of measure of mass in the International System of Units—the kilogram. Being a fixed and agreed-upon artifact under stringent controls, the standard kilogram [4] is an example of a fixed measure against which all can compare.
For the purpose of this paper, we adopt the definition that standards are documented agreements containing technical guidelines to ensure that materials, products, processes, representations, and services are fit for their purpose. Under this definition, there are four broad types of standards. One type is the measure or metric standard. This is one used against which to measure; all comparable quantities are measured in terms of such a standard. Classic examples of these primary or fundamental standards are the kilogram for mass measurements, the meter for length measurements, and the liter for volume measurements. This type of standard is particularly useful for the consumer, as it makes it easier, and in some cases possible, to comparison shop—for price, function, or features.
Another type of standard is process oriented or prescriptive, where descriptions of activities and processes are standardized. These standards provide the methodology to perform tests and perform processes in a consistent and repeatable way. One example of this type of standard is American Society for Testing and Material (ASTM) C1028, “Standard Test Method for Determining the Static Coefficient of Friction of Ceramic Tile and Other Like Surfaces by the Horizontal Dynamometer Pull-Meter Method” [5]. Without making judgments about how results of the friction tests should be interpreted, this standard prescribes the method and materials for performing friction tests on floor surfaces under four different conditions.
The third type of standard is performance based. In these standards, process is not specified, but ultimate performance is. These standards are often based on product experience. For example, in 1992, Hurricane Andrew damaged or destroyed more than 15,000 mobile homes in the Southeast US. As a result of that event, The American Society of Civil Engineers (ASCE) developed a series of standards to ensure that mobile homes are able to resist 160-kph (100 mph) winds. These standards were adopted by the U.S. Department of Housing and Urban Development, which sets mobile home standards [6]. As a result, mobile homes sold after 1994 in hurricane-prone counties are designed to be wind resistant up to 160 kph.
The last standard type is based on interoperability among systems. In these type of standards, process and performance are not explicitly determined, but a fixed format is specified. The goal of this type of standard is to ensure smooth operation between systems that use the same physical entity or data. Examples of this type of standard abound
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标准在创新中的作用
摘要：
我们审查和探索标准在创新中的作用，特别强调设计和制造过程。我们首先定义和分类标准，并探索其在社会中的作用和基础设施。其次是类似的创新讨论。通过研究创新与标准之间的关系，我们提出了另一方面的负面影响和积极的影响。对制造，计算机硬件，机械部件设计和产品数据交换的不同领域的四个案例历史的研究表明，如预期的那样，标准通常来自创新技术。然而，令人惊讶的是，创新通常也是从标准直接和间接地激励出来的。我们得出结论，一般来说，设计和制造方面的创新标准的好处超过了这些标准所引起的创造力的可能限制。
介绍：
创新一直是开发技术或推进技术（或两者）的主要成分[1]。随着技术的发展或进步，需要标准来确保新产品和新工艺的性能，一致性和安全性[2]。由于两个控制团队之间的测量单位不一致，所以可以很容易地想出像1.25亿美元的火星气候轨道器这样的惨败。一种获得标准的技术的技术是欧洲的蜂窝业。他们对统一的全球移动通信系统或GSM的依赖是他们拥有大陆数字网络的原因。该标准以及运营商之间的广泛协议，允许一部手机从意大利南部到波兰东部工作。相比之下，美国有四个不同的标准，包括GSM的奇怪版本，所以为一个系统制造的手机不会在另一个系统上工作。
由于这种依赖性，标准与创新之间存在着复杂和动态的关系[3]。我们写这篇文章的目的是开始评估这种关系，并探讨在什么情况下创新和标准相互影响。我们首先定义和分类标准和创新，并检查案例历史，以评估标准如何依赖，帮助和阻碍创新进展，以及创新如何对标准产生同样的影响。
标准：定义和类型
“标准”一词的一个字典定义是确定一个实体应该是什么的一种手段;另一个定义是固定的，习惯的或官方的措施（数量，质量或价格）。 “标准”的典型同义词包括基准，标准，量规，测量，试金石和尺码。其中一个例子是国际单位制度量的单位 - 千克。作为一个固定和商定的神器在严格的控制下，标准公斤[4]是一个固定措施的例子，所有这些都是可以比较的。
为了本文的目的，我们采用这样的定义，即标准是文件化的协议，其中包含技术指南，以确保材料，产品，流程，表示和服务符合其目的。根据这个定义，有四种广泛的标准。一种类型是度量或度量标准。这是用来衡量的;所有可比数量均按照这样的标准进行衡量。这些主要或基本标准的典型例子是质量测量的千克，长度测量的仪表和体积测量的升。这种类型的标准对于消费者特别有用，因为它使得在价格，功能或特征方面比较容易，并且在某些情况下可能比较。
另一种类型的标准是面向过程或规范性的，其中活动和过程的描述被标准化。这些标准提供了以一致和可重复的方式执行测试和执行流程的方法。这种类型的标准的一个例子是美国测试和材料协会（ASTM）C1028“水平测力计拉力计法测定瓷砖和其他类似表面的静摩擦系数的标准测试方法”[5]。在不对摩擦试验结果进行判断的情况下，本标准规定了在四种不同条件下进行地面摩擦试验的方法和材料。
第三种类型的标准是基于性能的。在这些标准中，没有规定过程，但最终的性能是。这些标准通常基于产品经验。例如，1992年，安赫鲁飓风在美国东南部破坏或破坏了超过15,000个移动房屋。作为此次活动的结果，美国土木工程师协会（ASCE）制定了一系列标准，以确保移动式家庭能够抵抗160公里（100英里）风。这些标准由美国住房和城市发展部采纳，该部门制定移动家庭标准[6]。因此，1994年以后在飓风易发县县出售的移动房屋被设计为风力达160公里/小时。
最后的标准类型是基于系统之间的互操作性。在这些类型的标准中，流程和性能没有明确的确定，但是指定了一个固定的格式。这种类型的标准的目标是确保使用相同物理实体或数据的系统之间的平滑运行。计算机辅助设计（CAD）中这种标准的例子比较多。在这项活动中，工程师和设计人员使用软件作为帮助创建和表示几何模型的工具。由于CAD应用程序通常不会对数据输入和输出使用相同的格式，因此在系统之间交换数据需要多次翻译。通过创建通用格式，诸如国际标准化组织（ISO）交换数据表示的标准，更普遍称为STEP [7] - 产品模型数据交换的标准 - 便于数据表示的交换。
虽然上述四种类型的标准是基本的，规定性的，基于性能的和互操作的，但是具体标准当然可以是一种以上。例如，美国的一种建筑规范标准是36英寸的标准门宽。虽然是规范性的，但它也是以性能为基础，因为这个宽度可以容易地容纳大多数轮椅，并且也是互操作的，因为“标准”门符合标准框架。
标准：分类
除了这些类型之外，还有三类标准通过标准的过程区别开来。事实上的标准是被广泛接受和使用的标准，但缺乏公认的标准组织或组织的正式批准。事实上的标准通常来自于具有大市场份额的特定产品或协议的广泛共识。 QWERTY1键盘，个人计算机（PC）架构和UNIXtrade;操作系统，在现在的计算机市场中的事实标准的例子。
另一个标准类别是监管。顾名思义，监管机构创建了监管标准，以确保不受市场力量驱动的过程的一致性。典型应用是安全标准和环境标准，例如职业安全与健康管理局（OSHA）或环境保护署（EPA）发布的标准。例如，OSHA第1915.1号“空气污染物管理条例”规定了工人可以接触某些类型污染物的时间。
共识标准构成第三类。共识标准是由国内和国际自愿共识标准机构制定或使用的自愿标准。志愿协商一致的标准机构是利用商定的程序来规划，制定，建立或协调自愿标准的国内或国际组织。这些国家机构的例子包括美国机械工程师学会（ASME）和美国ASCE，德国的德国诺基来德国际机场（DIN），英国的英国标准协会（BSI）等。 ISO是国际共识标准组织的一个例子。通用自愿标准的一个常见例子是信用卡，电话卡和“智能”卡的格式。遵守ISO标准，其定义了标准厚度（0.76 mm）等功能，可以在全球范围内使用卡片。因此，普遍接受的标准有助于提高我们使用的商品和服务的可靠性和有效性。
标准：基础设施
如不同类型的标准以及不同的标准过程所提出的，标准基础设施是一个复杂的相互依赖的主要技术活动系统，往往导致编纂或接受的做法。拥有基础设施，可以在科学家和工程师之间，商品和服务提供商以及客户之间以及政府与私营部门之间交换技术信息时有信心的基础。制定标准的价值是明确的：它们对经济发展和国家安全至关重要。全球标准也有利于出口和国际贸易;虽然区域标准可能构成贸易壁垒。
标准基础设施在全球范围内有所不同。一般来说，发达国家制定质量标准[8]。在欧洲和太平洋地区，标准制定机构（SDO）有统一的计划，集中管理，并由政府资助。在美国，SDO没有统一的计划，分散化，由各自的会员资格和销售的标准。由于国际贸易的增加，欧洲和太平洋沿岸模式可能比美国的模式更有效[9]。例如，1991年维也纳协定允许ISO在比正常时间少得多的时间内使用欧盟制定标准作为国际标准，使其他国家的贡献不在考虑之中[10]。美国标准行业和美国政府机构正在采取措施创造一个更公平的环境。这些包括政府为标准机构提供资金，向ISO提供职位，并获得全球对变更的支持。
在美国，有超过400个私营部门标准的开发商有近10万个标准。标准制定组织占美国自愿标准的大部分工作。美国国家标准学会（ANSI）是一个私人的非营利组织，将私营和公共部门聚集在一起，为广泛的美国工业制定标准。 ANSI本身并不发展美国国家标准（ANS）;而是通过在合格团体之间建立共识来促进发展[11]。 ANSI还通过协商一致，开放和正当程序认证SDO;它也是美国唯一具有投票权的成员，也是ISO和国际机电委员会（IEC）。标准来自科学和专业社会，如ASME，诸如国家电气制造商协会（NEMA）等行业协会，以及标准制定的成员组织，如ASTM，已经开发和出版了约8500个标准。联邦政府也主要通过其监管，国防和采购机构生产标准。来自第二次世界大战，约有40％的美国标准与防御有关。自20世纪80年代以来，全球经济竞争力已成为美国的优先事项，导致以绩效为基础的标准增加。
在联邦政府内，国家标准与技术研究所（NIST）协调标准技术基础，通过与行业合作应用技术，测量和标准来促进经济增长。国会在1901年成立为国家标准局，该研究所的目标是支持工商，科研机构和各级政府。近百年来，NIST / NBS实验室与工业和政府合作推进测量科学和制定标准。
国家统计局是在美国工业发展时期创建的，旨在帮助钢铁制造，铁路，电话和电力行业，技术上复杂的行业，但缺乏足够的标准。在创建国家统计局期间，国会寻求解决长期需要提供商业和工业测量标准，并支持20世纪的“技术基础设施”。
革新
创新的一个字典定义是引入新的东西，如想法，方法或设备。一个创新的企业或产品是通过其在形式，功能或行为上的独特性与以前的创新企业或产品不同的。创新通常分为两类：基础和适应性。一个根本的创新导致一个新的产品或过程，并且是在引入之前不被认为是需要的。适应性创新是需要生成的创新[12]。
然而，创新的定义是限制性的，因为它不区分仅仅是新的企业或产品，而是创新的。推出新产品的公司通常这样做是为了获得更多的现有市场份额。在某种意义上，这样的产品是更多的商业企业而不是创新。从商业角度来看，创新通常比美国企业的平均投资回报率（17％）得到更好的回报（56％）[13]。创新企业或产品的必要条件 - 如麦当劳，录像机和个人电脑 - 都是创造新的企业或产品。但是，这还不够。他们也必须扩散[14]，或创造新的市场。在这个意义上，托马斯·爱迪生，可以说是创纪录的最成功的发明家，不是一个很好的企业创新者，因为他没有成功地利用自己的发明。
在麦当劳的情况下，创新者将现有产品 - 汉堡包 - 并在一个干净的环境中以低廉的价格开发了一个完整的基础设施，以及时准备的标准化版本。总之，他们创造了一个新的市场类别。在录像机方面，日本的创新者采用了现有的2英寸卷轴式磁带和广播市场的美国技术视频，并将其转化为家用市场的便携式设备。这种基本创新产生了一个需求，导致了80年代的150亿美元的销售额[13]。奇怪的是，标准问题阻止了比VHS更早的录像带格式的Betamax，成为主导模式。在个人计算机的情况下，苹果计算机在20世纪80年代初证明了成熟的计算机社区，台式电脑不仅是可能的，而且是可取的。奇怪的是，苹果在1983年失去了占主导地位的市场份额，因为未能适应个人电脑市场标准开放式架构[14]。
时机也与创新成功有关。当IBM在1965年推出了360系列主机时，其基于混合电路技术，即使集成电路在1961年已经在演示计算机中[15]。因此，尽管这个系列是新的，但并不是创新的。
在他的创新动态书中，Utterback [2]在创新方面界定了产品生命周期。在产品创新阶段，有多种技术上不断变化的产品得到众多供应商的支持。这些供应商所占比例相对较小。新供应商以技术创新进入市场，创造出具有独特和显着优势的零件。在过程创新阶段，创新仅限于提高标准，制造改进和营销和分销改进的产品改进。攻击市场标准的新产品注定会失败。
创新的工程师和思想家以最初陌生的方式操纵他们的想法和经验[1]。这导致了根本性的创新。例如，通过培训的金匠约翰内斯·古腾伯格（Johannes Gutenberg）被认为是通过连接以前未连接的两种技术，即硬币打孔机和葡萄酒机，发明了500多年前的印刷机。硬币冲头是用来在硬币上制造永久标记的装置。 winin是用来在大面积上施加力量的。古腾堡将这两个想法结合起来形成了一个印刷版的概念[16]。
除了个人之外，还有一些环境因素（全球和地方）鼓励或阻碍创新[14]。具体来说，在全球范围内，存在影响创新能力的文化倾向和技术限制。例如，15世纪的直升机在展示达芬奇的天才的同时，由于技术上的诸多限制，四百年来无法奏效。同样地，查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的分析引擎（计算机）在18世纪40年代无法工作，主要是因为时代的技术不包括电子或布尔代数。将近一个世纪之前，将关键技术纳入工作原型[17]。创新和传播也受到文化的影响。一个社会可能发明一种技术，但不能推进。美国发明家开发了录像机，但日本的创新者将技术推广到适合国内市场。中国是许多早期发明的源泉，其中包括1）在共同时代之前的第二世纪的纸张; 2）二世纪的地震仪;和3）铸铁，直升机转子和十进制系统在四世纪[18]。然而，中国的文化使得这些发明直到几个世纪以后才在其他文明中成为技术。纸张在第七世纪达到印度，西亚达到第八。这些文化通过向欧洲人出售纸张而扩散了这种技术，直到在12世纪西方实现制造，纸张发明后超过了上千年。
在地方层面上，影响创新的因素包括公司和行业规模和结构，管理态度和机制，如标准，广泛传播。例如，有远见的公司建立了灌输创新文化的内部机制[19]。 Art Frye能够根据不干燥的胶水开发Post-Ittrade;笔记，因为3M公司尽管是一家大公司，但却赋予其员工独立性和自主性。虽然他的想法最初在专门用来传达小说创意的会议上被击落，但是他坚持向经理秘书发放样片。在短期内，管理层出售，新技术也出现了。
创新与标准之间的自然关系
为确定标准和创新的定义和类别，我们现在审查选定的案例历史，以确定一个人的影响。选择的每个案例历史都表示了标准和创新如何以不同的，有时令人惊讶的方式相互作用我们还选择了这些案例来捕捉各种行业和流程。
硬币摆脱
纯银和纯金太软而不实用于硬币，因为金属基本上快速地磨损。为了使这些金属更耐用，它们历史上（并且仍然）与其他金属合金[20]。在17和18世纪，每个国家（或有时每个薄荷或城市）使用自己的贵金属比例来铸造造币。结果，单独的硬币重量将不会产生其真实价值，因为需要知道银或金中的合金（有时称为杂质）的百分比。纯度被称为它的细度。例如，英国然后将925份纯银与75份铜混合，得到92.5％的银含量，表示为0.925微细银。这是英镑的标准[21]。
由于英国的国际贸易，不同国家的银币和金币定期在国内外交换英国硬币。为了准确确定外币的相对价值，必须进行测定。这需要将每个硬币
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