基于專利分析的產品技術成熟度預測——以液晶顯示技術為例

張惠琴，邵云飛，張宇翔

（1.電子科技大學 經濟與管理學院，成都 610054；2.成都理工大學 管理科學學院，成都 610059；3.西南交通大學 經濟管理學院，成都 610031）

1 研究背景

正確把握自己產品的技術成熟度是企業制定R&D 計劃時的關鍵。產品設計中存在大量需要解決的問題，如用戶的新需求、產品的新技術市場。研發人員一般會根據自己的設計經驗和對新產品的初步設想并基于一定的理論基礎和原理，利用實驗糾錯法搜集大量理論解，再從理論解中篩選出可實現解。然而，產生理論解和評價現實解需要企業花費大量時間、投入大量的人工和原材料。同時，實驗糾錯法在解決復雜問題方面具有低效性，這也往往使企業的研發投入充滿了投資風險，除了很難保障產品技術創新所要求的速度外，盲目的試錯法還可能導致企業對一個已處于成熟期的技術進行大量研發投入，從而使企業的研發投入在一開始就陷入了虧損的情境中。

事實上，學界和企業界以往的多項研究成果表明，技術進化有一定的客觀規律和發展軌跡，是可預測的。西方理論主張針對技術發展中的特定參數來構建數學模型，并通過利用模型外推參數的變化進行技術成熟度的預測。但是，利用該方法所得的預測結果很難具體指導設計者實現創新設計。前蘇聯專家Altshuller通過對世界專利數據庫中的250多萬件專利進行匯總分析，發現技術系統也按照生物進化的模式進化，最終得出生物進化中的“S 型曲線”同樣可用來描述產品技術系統的進化規律，并用于預測產品的技術成熟度。

以往學者多通過檢索和分析專利文獻來推理預測產品的技術成熟度，但是文獻相對于發明專利具有滯后性，這影響了預測結果的時效性。在大數據時代，本文提出基于專利分析預測產品技術成熟度的方法：首先，通過直接檢索專利數據庫來收集當前產品的專利數據并繪制相關曲線；然后，將曲線的形狀與生物進化中的“S型曲線”的形狀進行對比，據此預測產品的技術成熟度，預防企業對處于成熟期或退出期的技術進行大量投入而無法獲得收益，使企業的研發決策更科學、合理，增加企業的創新能力和市場競爭力。

2 理論基礎與文獻回顧

TRIZ（theory of inventive problem solving）是前蘇聯的Altshuller在對世界專利數據庫中的250多萬件專利進行分析的基礎上提出的。該理論認為，所有產品都可被看作一個技術系統，并且該技術系統處于動態變化的狀態。Altshuller還證明技術系統的核心性能隨著時間的推移而呈“S型曲線”變化——這與生物學中的進化曲線是一致的［1］。

Altshuller通過對大量專利數據進行匯總分析發現，可采用專利數量、專利等級、產品性能以及產品獲利能力來預測產品的技術成熟度，并繪制了4條標準曲線圖［2］，如圖1所示。之后，許多專家、學者針對Altshuller的理論進行了應用研究。Gib-son、Slocum 和Clapp對超聲焊接技術的成熟度進行了預測，得出超聲焊接技術處于成長期的結論［3］。Vijayakumar、Clapp和Slocum 預測了DVD 的技術成熟度，得出DVD 技術正處于成長期的結論［4］。Gahide、Clapp和Slocum 對滾筒型紡紗機的技術成熟度進行了預測，發現滾筒型紡紗機的技術已進入到成熟期［5］。

圖1 產品技術成熟度標準曲線［2］

一些學者還提出了其他的產品技術成熟度的預測方法。例如，Martino依據不同階段產品技術相關論文的性質和數量特征，繪制出各類論文數量隨技術進化而變化的曲線圖［6］。Daim、Rueda和Martin分析了1992—2002年與燃料電池核心技術相關的會議論文、期刊論文等不同類別論文的數量的變化情況，得出約到2010年燃料電池技術將會進入成熟期的結論［7］。Norman 提出了一種新的分析視角，認為產品性能達到顧客對產品性能需求的平均水平表明該產品的核心技術發展到成熟期［8］。

2000年之后，國內部分專家、學者開始研究TRIZ并將之運用于技術成熟度預測研究［9-15］。張換高、趙文燕和檀潤華預測了蝶閥密封技術的成熟度［16］。趙新軍、侯明曦和李愛研究了產品技術成熟度預測的決策支持系統，預測了滾筒型紡紗機的技術成熟度，結果表明滾筒型紡紗機技術已進入成熟期［17］。馬蘇常和劉學斌在Altshuller的理論的基礎上，應用專利數量、專利等級、產品性能和利潤率4個指標對激光加工技術的成熟度進行了預測分析［18］。王秀紅和周九常利用Altshuller的預測方法對電動剃須刀和電動自行車的技術成熟度進行了預測分析［19］。王麗芳、蔣國瑞和黃梯云結合專利分析法和文獻計量法對燃料電池的技術成熟度進行了預測研究［20］。可以看出，目前國內相關研究多為應用研究，理論深化研究不足。

綜上所述，國外專家、學者不僅基于TRIZ對產品技術成熟度預測問題進行了應用研究，而且探索了其他的產品技術成熟度預測方法和手段。這些方法與Altshuller的預測方法相比還略顯稚嫩，利用這些方法只能粗略地判斷產品的技術成熟度。盡管如此，多樣化的研究方向為準確預測產品技術成熟度提供了更多的手段和平臺。相比而言，國內相關研究不夠深入、有待進步。2000 年以后，中國科學技術部開始引入創新方法理論，國內部分專家、學者開始關注這個領域。然而，發展時間短暫、相關人才缺乏使得中國在此領域的研究發展受限，目前相關研究多是基于某些產品或技術的應用研究，停留在理論學習階段［16-20］。本文旨在基于TRIZ和產品技術進化理論，通過專利分析預測產品的技術成熟度，以期深化產品技術成熟度預測研究，克服前人利用數學模型所得的預測結果不能具體指導設計者實現創新設計的局限性。

3 研究設計

產品是技術的表現形式，技術進化曲線呈S型。隨著時間的推移，技術進化曲線由S型曲線逐漸趨向于一條水平直線。這條直線是現有技術系統的核心性能極限值，該極限值由技術系統的自然屬性決定。預測產品的技術成熟度即確定技術在S型曲線上的位置。通過文獻回顧，對比分析不同的產品技術成熟度預測方法，可發現Altshuller的預測方法能夠全面、客觀地反映產品技術成熟度。考慮到財務數據獲取的局限性以及產品性能與專利等級的相關性，本文在優化Altshuller的預測方法的基礎上，基于TRIZ和產品技術進化理論，構建產品技術成熟度預測模型，提出以專利數據庫為數據源來收集當前產品的有關數據，繪制專利特性曲線并將之與生物進化中的S型曲線進行對比分析，據此確定產品的技術成熟度。如果技術處于嬰兒期或成長期，那么應優化現有技術、進行漸進性創新、改善S型曲線、增大曲線斜率，使技術系統更快地走向成熟期；如果技術處于成熟度或退出期，那么應尋找替代技術、進行破壞性創新、提升技術的自然極限，使技術系統進化路線轉移到新的S型曲線。

3.1 預測指標的選取

通過分析Altshuller的預測方法發現，專利等級和產品性能是同一指標的兩個不同的考察角度。在技術發展初期，專利等級較高，技術發展重心是技術核心性能的實現和提升，產品性能較單一；隨著核心技術難題被一一攻破，企業開始注重客戶體驗度，提高產品體驗度的專利開始增多，產品性能進入上升期。此外，簡單商品的核心性能指標單一，很容易分析產品性能指標隨著時間推移而變化的規律；而復雜產品具有多個核心性能指標，無法很好地測量產品性能。專利等級評價是根據產品的主要功能和技術系統的進化規律，研究產品核心技術的傳承關系，從而確定各項核心技術的等級劃分的過程，專利等級可以更客觀地反映產品的技術進化過程。鑒于此，本文選取專利等級作為預測指標。Altshuller選取產品利潤作為獲利能力的測量指標。但是，由于財務數據受到企業的嚴密保護，是企業最核心的數據，因此利潤數據的可獲得性很低。相對而言，產品的銷售量或銷售額數據更容易獲得。鑒于此，基于行業的常規利潤，本文采用產品銷售量代替產品利潤來衡量獲利能力。

基于以上分析，通過對Altshuller的預測方法進行優化分析，本文最終選擇專利數量、專利等級和產品銷售量三大指標對產品技術成熟度進行預測。

3.2 標準曲線的繪制

本文以Altshuller的產品技術成熟度預測模型為原型，將指標優化為專利數量、專利等級和產品銷售量。對于專利數量和專利等級，本文選用Altshuller的產品技術成熟度預測模型中的對應曲線為產品技術生命周期標準曲線圖，專利數量隨時間變化的特征如圖1a所示，專利等級隨時間變化的特征如圖1d所示；對于產品銷售量，本文基于前人研究并參考Altshuller模型中的產品獲利能力曲線圖（如圖1c所示），繪制產品銷售量的生命周期標準曲線圖。據此得到的產品技術生命周期標準曲線圖如圖2所示，其中α、β和γ分別對應產品技術生命周期中兩個不同階段的臨界點。

圖2 產品技術生命周期標準曲線圖

3.3 預測指標的測量

1）專利數量指標的測量。

目前國內專利數據庫已比較完善，如上海知識產權（專利信息）公共服務平臺檢索系統、佰騰專利檢索系統都包含了非常全面的專利信息。首先，通過對專利數據庫進行自動檢索，獲取與研究技術關聯的每一年度的專利審批數量，然后對初次檢索到的專利進行手工篩選，得到與研究技術高度相關的每一年度的專利數量，據此來做統計分析。

2）專利等級指標的測量。

在評價專利等級前，首先要研究產品技術的發展歷程，確定需要解決的關鍵問題以及同一產品各代核心技術之間的傳承關系。在評價專利等級時，孤立地對某個專利進行評價是不可取的，關鍵是要進行縱向對比。針對某一產品技術，將篩選出的相關專利按時間排序，歸納總結該產品的技術發展過程和各代產品的核心技術之間的傳承關系。每代產品中第一個出現的專利是等級最高的，高級別專利包括新的設計原理、新的制作工藝和新的產品結構等，此后出現的專利都是在此專利基礎上的完善和補充，因此專利等級偏低；如果某項技術的發明對產品的部分甚至整體原理產生了巨大影響，達到了質變效果，那么該項專利的等級偏高。

目前還沒有權威的計算機軟件可用以自動分析、評價專利等級，因此目前專利等級評價只有依靠人工主觀評價來進行。借鑒Altshuller對發明創造等級的分類，本文將專利分為5個等級。第一級：外觀上的解決方案，即技術系統在核心技術方面沒有絲毫進步，只是外觀上發生變化或數量特性發生改變。第二級：少量改進，即技術系統發生部分質變，如結構優化、工藝升級。第三級：根本性的改進，即技術系統實現根本性的進步、達到質變，如將跨行業的理論方法應用到本領域。第四級，新原理，采用全新的原理實現現有技術系統的基本功能、替代現有的核心技術。第五級：新發現，即新的科學發現徹底超越了現有的技術系統水平。

3）產品銷售量指標的測量。

產品銷售量數據可從企業年度報告、各行業或省市統計年鑒、行業門戶網站、各大專業數據庫以及互聯網處獲得。

3.4 產品技術成熟度預測流程

依據產品技術成熟度預測模型，分析專利特性和產品銷售量的變化情況，具體分析步驟如下：

第一步，檢索專利數據。中國在專利檢索方面發展迅速，網上有很多公開的專利數據庫提供專利檢索功能，如上海知識產權（專利信息）公共服務平臺檢索系統、佰騰專利檢索系統。這些專利數據庫都可按照“專利題目或文摘”進行檢索，因此對于某產品包含的技術可通過專利題目或文摘以及中國專利分類號進行檢索。例如：要查詢液晶顯示的相關技術專利，可直接在檢索系統中選取“題目/文摘”檢索方式并輸入“液晶顯示”進行查詢。

第二步，篩選專利數據。采取“題目/文摘”方式檢索出的專利中有很大一部分與所要研究技術的關系不大，可能只是文摘中提到了運用此項技術，因此需要詳細閱讀檢索出的專利文摘以刪掉無關的專利。例如：采取“題目/文摘”檢索方式檢索“液晶顯示”專利，檢索出的部分專利只是在文摘中提到該專利包含液晶顯示部件，液晶顯示并不是其核心功能。

第三步，專利分級。首先，將檢索出的專利信息按時間排序以了解該技術的發展歷程，確定要解決的核心問題，從而界定技術的相對級別；然后，根據模型中對專利等級的評價方法，劃分專利等級。

第四步，匯總分析專利。對每年的專利數量、專利平均等級以及產品銷售量進行匯總統計。

第五步，生成曲線圖。根據匯總的統計信息，分別繪制隨時間變化的折線圖以進行簡單分析，剔除圖中個別嚴重偏離曲線變化規律的數據。

第六步，預測產品的技術成熟度。將繪制出的折線圖與對應的產品技術成熟度標準曲線圖進行對比分析，確定該指標在標準曲線圖中的位置，判斷產品技術現在的發展階段。

第七步，預測結論及評價。綜合剖析3個指標的對比值，評價產品技術成熟度現狀、分析結論的可信度。

第八步，提出對策建議。產品技術成熟度的預測結果對企業的研發戰略起關鍵性引導作用。如果產品的技術成熟度處于嬰兒期或成長期，那么下一步的研發策略為優化現有技術、進行漸進性創新、改善S型曲線、增大曲線斜率，使技術系統更快地走向成熟期；如果產品的技術成熟度處于成熟度或退出期，那么后續的研發策略為尋找新的核心技術、替代現有技術、進行破壞性創新、提升技術的自然極限，使技術系統轉移到新的S型曲線中，獲得更寬廣的發展空間。

4 案例研究

4.1 液晶顯示技術簡介

液晶顯示器的英文通稱是LCD（liquid crystal display）。世界上第一部液晶顯示器誕生于20世紀70年代，被稱為扭曲向列液晶顯示器（TN-LCD）。此時的液晶顯示僅僅是單色顯示，也就是最原始的黑白顯示。到了20世紀80年代，超扭曲向列液晶顯示器（STN-LCD）逐漸誕生，同時薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）技術也開始進入研發試驗階段。20世紀80年代末到90年代初，日本掌握了STNLCD和TFT-LCD的生產技術，液晶顯示行業開始快速發展。隨著液晶技術的完善和成熟，越來越多的行業和領域開始應用液晶顯示技術，液晶顯示的地位日益突出。

中國大陸地區早在20世紀80年代初期就開始引進TN-LCD和STN-LCD 的生產線，現在中國已成為世界上最大的TN-LCD 和STN-LCD 生產基地。從2004年開始，中國大陸地區開始自主研發TFT-LCD技術。雖然起步比日本、韓國以及中國臺灣地區要晚，但是國家一直全力支持液晶設備行業的發展。例如：在國家發展和改革委員會發布的《產業結構調整指導目錄（2005年版）》中，“新型顯示設備、中高分辨率的彩色顯像管/顯示管和玻殼制造及技術開發”被設為鼓勵類項目；“液晶顯示技術”由原信息產業部載入《信息產業科技發展“十一五”規劃和2020年中長期規劃綱要》，國家發展和改革委員會、工業和信息化部重點支持新型平板顯示技術研發及產業化專項。

4.2 液晶顯示技術成熟度預測

4.2.1 專利的檢索和篩選

中國液晶顯示器生產企業從代加工到積極開展技術研發經歷了近30年的發展過程，取得了非常顯著的成果。在此時期，中國專利保護的相關法律也開始步入正軌，從國家到企業都開始重視對科研成果的保護。因此，中國專利數據庫中液晶顯示技術的相關專利可以反映中國液晶顯示行業的發展過程。

利用互聯網訪問中國的專利數據庫，以“液晶顯示”為關鍵詞檢索相關專利信息。具體而言：利用上海知識產權（專利信息）公共服務平臺檢索系統檢索出1986—2013年與液晶顯示技術相關的專利共57533件；利用佰騰專利數據庫檢索到包括關鍵詞“液晶顯示”的專利共65459 件。綜合上述檢索結果，剔除與液晶顯示技術的相關性較小的專利，剩余專利近3萬件。

4.2.2 專利的分級

對近3萬份專利進行分析，結合從互聯網獲取的相關資訊，研究各類液晶顯示產品的出現順序以及其核心技術間的遞進關系。對于液晶顯示來說，需要解決的技術瓶頸有分辨率、點距、波紋、響應時間、可視角度、亮度和對比度。據此，根據預測模型中指標的測量辦法，用5個等級劃分液晶顯示專利等級：

1）外觀上的解決方案。若液晶顯示產品發生外觀上的變化或數量特性上的變化等，不具有任何核心技術方面的創新，則此類專利的等級為1。

2）少量的改進。若液晶顯示產品發生部分質變——包括結構和工藝等方面的改進，則此類專利等級為2。

3）根本性的改進。即利用其他行業的已有材料或技術解決液晶顯示產品的現有技術瓶頸，使液晶顯示核心技術發生質變，則此類專利等級為3。

4）新原理。即采用全新的工作原理，用綜合性能更高的核心技術代替現有的液晶顯示技術。此類專利等級都為4。

5）新發現。在超越現在技術的自然限制上發現一種新的科學定律，在某種場的作用下滿足人們對液晶顯示的需要，則此類專利等級為5。

4.2.3 液晶顯示技術成熟度預測

根據技術成熟度預測模型，分別構建對應的專利特性曲線，將得到的曲線與標準產品技術生命周期曲線進行對比，對液晶顯示技術成熟度進行預測判斷。具體過程如下：

第一步，分析專利數量曲線。

對篩選出的近3萬份專利按時間順序排序，繪制液晶顯示技術專利數量與時間對應的曲線圖，如圖3所示。圖3顯示：1986—1993年期間液晶顯示技術專利數量增長非常緩慢，說明此階段該技術還未引起公眾的注視；1994—1998年期間，專利數據開始快速增長，1999年出現回落、增長緩慢；2000年以后，液晶顯示技術專利數量開始急劇增長，直到2008年都維持著強勁、迅猛的增長勢頭，且曲線斜率也較大；2009年開始，液晶顯示專利技術專利數量開始下滑，直到2013年都呈下降趨勢。將圖3所示的液晶顯示技術專利數量曲線圖與產品技術成熟度預測中的標準專利數量曲線圖進行對比分析，可看出1986—2013年期間液晶顯示技術專利數量曲線圖基本完全展現了技術進化的整個過程。由此可初步判斷：中國液晶顯示技術已進入成熟期后期，即將步入退出期。

圖3 1986—2013年中國液晶顯示技術專利數量曲線圖

第二步，分析專利等級曲線。

利用液晶顯示技術專利等級劃分辦法，對篩選出的近3萬件液晶顯示技術專利進行等級劃分。由于數據量太過龐大，因此對專利數量超過100件的年份采用抽樣法近似計算該年的專利等級均值。計算辦法如下：在上海知識產權（專利信息）公共服務平臺檢索系統中按“主分類號”對每年專利進行排序，每頁共20條專利；分別從每頁中選取第1個、10個、20個專利作為研究樣本，對從當年抽取的所有專利樣本按等級劃分辦法進行評價打分；最后取算術均值作為當年技術專利等級均值的估計值。對應地繪制液晶顯示技術專利等級與時間對應的折線圖，如圖4 所 示。圖4 顯 示：1986—1991 年期間 液晶顯示技術的專利等級呈逐年下降狀態；1992年出現轉折，出現第一個拐點；1992—2000 年液晶顯示技術的專利等級呈遞增趨勢，于2000年達到高峰；自2010年以來專利等級曲線直線下降，直至2011年開始出現回升至2013年。將圖4所示的液晶顯示技術專利等級曲線圖與產品技術成熟度預測中的標準專利等級曲線圖進行對比分析可發現：1986—2010年期間基本呈一個完整的專利等級生命周期，說明液晶顯示技術在2010年已進入成熟期后期、即將步入退出期；2011年專利發明等級開始回升，說明可能已出現新的核心技術，引導液晶顯示技術開始走向更高一層的技術生命周期循環。

圖4 1986—2013年中國液晶顯示技術專利等級曲線圖

3）分析產品銷售量曲線。

2001年中國推出第一臺自主研發的液晶顯示器，因此本文統計2002—2013年中國的液晶顯示器銷售量（見圖5），數據來源于行業年鑒以及互聯網。從圖5可看出：2002—2004年期間中國的液晶顯示器銷售量增長緩慢；之后直到2013年液晶顯示器銷售量整體上呈快速增長態勢；2013年的銷售量仍處于曲線斜率較大的位置。將圖5所示的液晶顯示器銷售量曲線圖與產品技術成熟度預測中的標準銷售量曲線圖進行對比分析可發現，2002—2013年期間的銷售量曲線基本呈現出液晶顯示技術在成長期和成熟期的曲線特征，說明2013年液晶顯示技術至少處于成熟期。

圖5 2002—2013年中國液晶顯示器銷售量曲線圖

由此可以做出判斷：液晶顯示技術已進入成熟期后期、即將步入退出期。在此情況下，增加液晶顯示技術的研發投入已不能獲得客觀收益，企業應尋找替代技術或新的核心技術，但是生產該類產品仍能獲取利潤。同時，市場也顯示：智能電視、平板電腦、3G/4G 手機等新概念新事物的出現以及飛速發展，帶動了液晶顯示器的銷售量，產品的其他核心技術的升級帶動了液晶顯示屏的銷售。

5 結語

本文基于TRIZ 和產品技術進化理論，以專利數量、專利等級和產品銷售量為三大預測指標，構建了基于專利分析的產品技術成熟度預測模型，并以液晶顯示技術為例進行了實證檢驗，剖析了該預測方法在高新技術企業中的具體應用，為企業和相關產業部門的研發投資和產業布局提供了快捷有效的預測手段和決策支持。

本文的主要結論如下：

第一，理論分析和案例研究結果展示，以專利數量、專利等級和產品銷售量為預測指標構建的基于專利分析的產品技術成熟度預測模型，可為企業準確把握當前技術在市場中的位置、預測技術的發展趨勢提供決策支撐。產品進化的實質是核心技術從低級向高級的變化，處于嬰兒期的技術往往是一項專利，很難判斷其未來收益；處于成長期的技術具有絕對的競爭優勢，能為擁有者和開發者帶來巨大財富；技術處于成熟期的產品可為企業賺取利潤，而退出期的技術處于完全落后狀態或變得非常普通。

第二，根據產品技術成熟度的預測結果：若產品的技術成熟度處于嬰兒期或成長期，則應優化現有技術，進行漸進性創新，改善S型曲線；若產品的技術成熟度處于成熟度或退出期，則應尋找新的替代技術，進行破壞性創新，產生新的S型曲線，從而得到更寬廣的發展空間。

第三，目前液晶顯示產品的性能已能滿足人們的需求，雖然近幾年智能手機、智能電視以及平板電腦的熱銷為液晶顯示市場帶來了巨大商機，液晶顯示器的銷售情況也蒸蒸日上，但是值得注意的是，液晶顯示技術已進入成熟期后期、即將步入退出期。根據這一預測結果，企業應對新一代液晶顯示核心技術的開發進行重點投入，選擇替代技術或新的核心技術。

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