中國工程科技2035關鍵技術選擇與評估

陳進東，張永偉，梁桂林，周曉紀，孫勝凱

(1.北京信息科技大學 經濟管理學院，北京 100192; 2.中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048;3.綠色發展大數據決策北京市重點實驗室，北京 100192)

一、引言

結合我國重大戰略以及經濟社會發展的需求，選擇關系全局和長遠發展的重點技術方向和關鍵技術，進行合理規劃布局，是加快產業升級和供給側改革的關鍵。因此，中國工程院與國家自然科學基金委員會共同組織開展技術預見活動“中國工程科技2035 技術預見”，旨在把握國內外科技發展趨勢，提出未來20 年我國工程科技需要發展及可能實現的技術清單，選擇重點技術方向和關鍵技術，分析關鍵技術的實現時間、發展水平與制約因素，為中國工程科技發展提供重要支撐[1]。

由于技術創新的重要性和復雜性，各個國家越來越重視技術預見作為戰略管理工具所發揮的作用[2-3]。日本從1970 年開始每5 年開展一次技術預見活動以服務于科學技術政策的制定，其主要采用Delphi調查，并不斷引入需求調查、引文分析、情景分析和愿景調查等新方法，最近一次技術預見活動是2013年開始的第十次技術預見[4-5]。英國的技術預見始于20世紀90 年代并延續至今，采用靈活的滾動項目的組織形式，每個項目都圍繞一個主題開展，項目研究主要采用訪談、研討會等方式[6-7]。國內相關研究開展較晚，科技部從1997年開始開展技術預見工作，主要通過Delphi調查和專家研討篩選未來10年發展的重點領域和關鍵技術，服務于國家科技規劃的制定，并于2013-2016年開展了第五次國家技術預測活動；中國科學院開展了“中國未來20 年技術預見研究”，通過兩輪Delphi調查完成了4個不同領域的重點方向和關鍵技術選擇[8]。由此可見，在國家戰略層面的技術預見，“專家依賴”特征明顯，方法上以專家研討和專家調查為主。

隨著技術預見理論與實踐的發展，特別是大數據時代的來臨，國家戰略層面的技術預見也呈現出新的特征。第一，情景分析法得到迅速推廣。情景分析法是一種在充滿不確定因素環境中尋求最大可能性圖景的預測技術，自日本第八次技術預見嘗試引入情景分析法以來[9]，這一方法迅速在眾多國家戰略層面技術預見中得到推廣[10]。第二，越來越重視定量分析方法的作用。在技術發展趨勢和備選技術清單選擇等方面，不斷引入文獻計量、專利計量、聚類分析法、復雜網絡分析等定量分析方法[11]，支撐專家進行決策。第三，技術預見的效果評估研究得到重視和加強。日本從1996年第六次技術預見開始，在每次技術預見活動中都評估以往技術預見結論的實現情況，并把相關內容整合到本輪技術預見報告中[12]。Tichy通過分析德國在1993年和澳大利亞在1998年的兩次技術預見的實現情況，同時探討了自評估不同熟悉度專家的評分效果以及自評估方法的有效性[13]。為了提升技術預見的科學性和有效性，在每次技術預見之后都很有必要進行一次系統評估[14]。

“中國工程科技2035 技術預見”是在工程領域開展的技術預見活動，分析借鑒國內外技術預見戰略研究的相關研究成果，課題組決定采用基于Delphi的專家調查，并結合文獻計量、情景分析和技術路線圖[15]等方法開展研究。由于備選技術清單選擇、調查問卷設計、專家調查和集成分析論證等環節[16]，對于技術預見關鍵技術選擇的最終效果具有重要影響。因此，在分析我國未來經濟社會發展對工程科技需求的基礎上，“中國工程科技2035 技術預見”主要針對備選技術清單選擇、調查問卷設計、專家調查和集成分析論證環節開展研究。另外，以往的研究大多聚焦于技術預見的流程和方法的設計[17]，很少涉及對技術預見的效果評估的研究。然而，技術預見的效果評估不僅能夠評估技術預見結果的科學性和有效性，同時也能發現技術預見存在的問題，提出合理的優化解決方案。

本文首先對國內外相關技術預見實踐活動進行了分析和論述；然后針對我國未來20年工程科技發展需求，設計面向工程科技的備選技術清單選擇、調查問卷主觀評價指標體系設計、專家調查以及集成分析論證等環節所采用的原則和方法；最后對比專家調查結果與專家研判所確定的領域關鍵技術，分析經專家調查和專家研判所確定的各領域關鍵技術之間的區別與聯系，評估“中國工程科技2035 技術預見”設計的關鍵技術選擇方法的有效性。在此基礎上，針對專家調查在領域劃分和專家選擇等方面存在的不足，給出相應的建議。

二、國內外相關技術預見實踐活動

日本第十次技術預見是為實現目標社會所需的科學技術中長期發展(今后30年)方向，以及所需形成的社會系統等收集和分析專家的見解[5]。日本第十次技術預見注重科技政策與創新政策一體化，以Delphi法為研究基礎；專門設立情景分析委員會和未來社會愿景評估研討會，使用情景分析方法和未來愿景分析實現未來愿景和情景勾畫[18]。日本第十次技術預見共包含8個領域，分別是信息通信技術，環境、資源、能源，健康、醫療和生命科學，農林水產、食品、生物技術，宇宙、海洋、地球、科學基礎，材料、設備、工藝，服務型社會，社會基礎。日本第十次技術預見通過互聯網開展問卷調查，委托日本科技政策研究所(National Institute of Science and Technology Policy,縮寫NISTEP)的約2000 名專家、網絡特約研究員及相關學會協會會員合作開展。登記的調查專家共計5237 名，其中4309 名專家進行了回答，總參與率高達82.3%。

中國科技部在2013-2016年開展了第五次國家技術預測。這次技術預測采用“評價—預見—篩選”三個環節的研究方法，主要完成了三大任務：一是明確我國當前重點領域關鍵技術現狀；二是運用路線圖的理念和思路，預測未來5～10 年制約經濟社會發展的核心關鍵技術；三是提出國家關鍵技術選擇建議。這次技術預測選擇了信息、生物、新材料、先進制造、遙感、能源、環境、農業、海洋、交通、人口健康、公共安全、城鎮化、資源14個領域。在第五次國家技術預測的Delphi調查環節，通過文獻計量、廣泛征集選擇了14個領域中對未來5～10年具有重大影響的2087項技術。第一輪調查針對回收了16381位專家的62609份問卷。在第一輪調查基礎上，根據專家意見進行了初步篩選，篩選出1737項技術進入第二輪調查，并回收了13404位專家的43572份問卷。此外，本次調查主要采用小同行調查，基本保證每一項技術至少有20位同行專家參與評價，保證問卷的科學性。

三、中國工程科技2035技術預見關鍵技術選擇

(一)關鍵技術選擇整體流程

參考國內外技術預見活動的流程和方法，結合工程科技的發展需求，中國工程科技2035 技術預見的整體框架如圖1所示。

由圖1可以看出，中國工程科技2035技術的關鍵技術選擇大體可以分為四個環節：確定備選技術清單、設計調查問卷、專家調查和集成分析論證。針對中國工程科技2035技術預見的關鍵技術選擇的各個環節，提出各環節所采用的原則和方法，分析最終的結果。

圖1 中國工程科技2035 技術預見的關鍵技術選擇

(二)確定備選技術清單

通過調研日本、中國科技部技術預見活動的領域劃分情況[19]，結合工程科技發展戰略研究的特點和需求，經專家研討確定本次工程科技技術預見領域劃分的基本原則：一是要弱化科學學科的概念，領域劃分應覆蓋工程科技的主要領域和重點方向，強調其對經濟社會的直接作用；二是要體現技術預見的特點，領域劃分不能拘泥于工程科技的傳統領域，應充分反映當前科技發展新熱點和跨領域、多學科融合的趨勢。組織工程院各學科專家和院士，經過多輪討論，最終提出11個領域，并根據各領域特點提出了93個子領域。

備選技術清單選擇：首先，以工程科技戰略研究領域組、專題組作為領域技術清單擬制的主體，組織領域專家研討，提出初步技術清單；其次，結合文獻計量、專利分析等提出及驗證前沿技術方向；然后，召開領域專家研討會或者函詢進一步開展備選技術征集，比如利用2015年院士大會廣泛征集院士意見；最后，通過領域專家研討，對技術清單開展深化研究和多輪次修訂，形成備選技術清單。最終確定834項備選技術，領域分布情況如表1所示。

表1 工程科技2035技術預見備選技術清單分布

(三)調查問卷設計

“中國工程科技2035技術預見”的研究目標是提出未來20 年我國工程科技需要發展及可能實現的技術清單，結合國家重大戰略需求和經濟社會的發展需求，選擇關系全局和長遠發展的重點技術方向和關鍵技術，分析關鍵技術的實現時間、研發水平與制約因素。因此，工程科技技術預見應該解決以下關鍵問題：一是了解未來工程科技的整體發展趨勢，以保證遠景規劃的前瞻性和客觀性。二是了解具體工程技術領域在世界上的發展狀況以及我國在該技術領域的現狀基礎、發展途徑、研發成本、制約因素等，以期在可承受性的前提下保證遠景規劃的科學性和合理性。

因此，本次工程科技技術預見問卷，旨在獲得專家對備選技術項目的四大判斷，其主體問題包括技術重要性、預期實現時間、技術基礎與競爭力，以及技術發展的制約因素四大方面。不同于科技領域的技術重要性，工程科技的技術重要性包括技術本身的重要性和技術應用的重要性兩部分，技術本身的重要性包括技術核心性和帶動性，技術應用重要性包括技術對經濟發展、社會發展、國家與國防安全三方面的作用。預期實現時間方面，為突出工程科技可用性的判斷和縱橫向比較分析，設置了世界技術實現時間、中國技術實現時間以及中國社會實現時間三個問題。技術基礎與競爭力，旨在判斷工程科技在我國的研發水平，以及了解未來技術的目前領先國家，為未來國際合作提供指導。技術發展的制約因素則是請專家判斷技術發展的制約因素，主要包括人才及科技資源、法律法規政策、標準規范、研發投入、工業基礎能力和協作與合作。

(四)專家調查

由圖1可知，專家調查過程包括選定參調專家、第一輪Delphi調查、各領域戰略研究和第二輪Delphi調查。考慮工程科技技術預見本身的特點，專家群體應包括科研院所、高校、政府、產業界等不同方面的專家，以求調查結果能反映科技研究、技術應用、經濟社會需求及產業發展等多方面的因素，以第二輪調查專家數據為例進行分析。第一輪Delphi調查和第二輪Delphi調查采用互聯網調查系統和紙質問卷相結合的方式。各領域戰略研究主要是本領域專家在第一輪Delphi調查結果的基礎上，對技術清單進行篩選和修改，形成第二輪Delphi調查的技術清單，同時需要了解專家意見的統計分析方法。

1.參調專家分析

以第二輪Delphi調查數據為例，分析參調專家的情況。第二輪專家調查邀請專家總數為9966人，填報總人數為2659人，總參與率為26.7%。共回收各領域問卷共29542份，每個技術項平均回收問卷36.2份，達到了統計分析要求。統計“中國工程科技2035技術預見”第二輪Delphi調查中各個領域不同熟悉度專家人數，分析不同熟悉度專家的分布特征。針對“中國工程科技2035技術預見”的各個領域，分別統計各領域的技術項數、參與咨詢專家人數、收回問卷數、以及“很熟悉”“熟悉”和“較熟悉”咨詢專家人數(由于“不熟悉”專家人數較少，忽略“不熟悉”專家)，結果如表2所示。

另外，在參與作答的專家中，科研院所專家占32%、高校專家占44%、企業專家占14%、政府部門專家占6%以及少部分信息不詳的專家，大多數專家還是來自于科研院所和高校。

2.第二輪技術清單

在第一輪Delphi調查過后，根據專家反饋意見第二輪Delphi調查備選技術清單形成的主要方式：一是在第一輪Delphi調查過程中，征集新的技術項；二是基于第一輪專家調查結果，以及領域戰略研究的初步結果修訂技術清單。通過上述方式，最終形成第二輪備選技術清單，各領域技術項分布如表3所示。

表2 各領域調查專家熟悉度分布情況

表3 第二輪Delphi調查備選技術清單分布

3.統計分析方法

根據參調專家的問卷回答情況，對技術核心性、技術帶動性、經濟發展重要性、社會發展作用、保障國家國防安全作用開展單因素排序的統計分析，相關指數的分析方法類似，以“技術核心性”等為例進行詳細說明。

調查問卷中“很熟悉”“熟悉”“較熟悉”“不熟悉”四類專家，分別賦予權重4, 2, 1和0。假設Ni代表本技術項目中第i種熟悉程度的專家人數，i表示第i種熟悉程度,i=1,2,3,4；Ni1、Ni2、Ni3、Ni4分別代表選擇“高”“較高”“中”“低”的專家人數，且Ni=Ni1+Ni2+Ni3+Ni4，對于專家的“高”“較高”“中”“低”的評分，分別賦予權重100、50、25和0。因此，第i種熟悉程度專家統計得到的技術核心性指數計算公式如下：

Ii=(Ni1×100+Ni2×50+Ni3×25+Ni4×0)/Ni

(1)

根據上式，得出技術核心性指數Ijh的計算公式為：

Ijh=(I1×N1×4+I2×N2×2+I3×N3×1+I4×N4×0)/(N1×4+N2×2+N3×1+N4×0)

(2)

同理，可以計算得出技術帶動性指數、經濟發展重要性指數、社會發展作用指數、保障國家國防安全作用指數。

技術項的重要程度應該從“技術本身重要性”和“技術應用重要性”兩方面綜合考慮。技術本身重要指數Ij采用技術核心性指數Ijh和技術帶動性指數Ijd進行衡量，表示該技術自身的核心重要程度，即：

(3)

將技術本身重要指數Ij進行歸一化，得到歸一化后的技術本身重要指數Ij′，且Ij′∈[0,1]。

(4)

技術應用重要性指數Iy是經濟發展重要性指數、社會發展作用指數、保障國家國防安全作用指數的加權結果。

(5)

對技術應用重要性指數Iy進行歸一化，使Iy′∈[0,1]。因此，技術項的重要性指數為

(6)

根據計算得到的重要性指數對技術項進行排序，篩選重要技術項目。

(五)集成分析論證

集成分析論證階段主要是結合Delphi調查分析結果以及需求分析結果等，組織專家院士評議，篩選提煉出未來工程科技發展的重點領域、關鍵技術項目和重大技術群。基于本文設計的統計分析方法，對回函專家的調查問卷進行統計分析，計算出各領域技術項各項單因素指數和技術項的重要程度指數。根據各領域技術項的重要程度指數，對各領域技術項進行排序。然后，各領域組根據技術預見Delphi排序結果，開展了領域專家研討，經專家研判篩選出了本領域面向2035年的領域關鍵技術，每個領域選取10項關鍵技術(環境生態與綠色制造領域15項)，11個領域一共篩選出115項關鍵技術。

四、關鍵技術選擇效果評估

(一)基于復雜網絡的關鍵技術分析

基于復雜網絡方法，對不同領域關鍵技術的內容進行網絡分析，以發掘各領域共同關注及各自重點關注的技術方向，結果如圖2所示。

如圖2所示，信息與電子領域主要關注大數據、先進計算、新型功能材料、量子信息等技術方向，先進制造領域主要關注加工技術、機器人和3D打印技術等技術方向，先進材料領域重點關注纖維材料、高性能低成本鋼、銅、輕金屬材料的制備技術，能源與礦業領域對核電、清潔能源、智能電網、大數據智能采礦等方向比較關注，環境生態與綠色制造領域比較關注冶金、流程工業方面的污染防控技術以及污染場地修復等方面的關鍵技術，空間海洋與地球觀測領域重點關注信息融合處理技術、海水淡化、核熱推進等技術方向，城鎮化與基礎設施領域重點關注水污染處理、信息處理等方面的關鍵技術，交通領域重點關注汽車、信息以及高鐵等方面的技術，農業與食品領域重點關注基因、大數據、智能化等方面的技術，醫藥衛生與人口健康重點關注基因、制藥、大數據等方面的技術，公共安全重點關注大數據、風險評估與監測等技術。同時，各領域共同關注的技術包括：大數據及先進計算技術、先進制造與材料技術、節能減排與清潔生產技術、健康與安全技術等。

(二)Delphi調查方法有效性分析

1.各領域技術項重要性專家評分分布

為了綜合反映專家對各領域技術項重要性的打分情況，將專家所打分數用綜合分析部分的方法進行歸一化后以箱線圖的方式展示在圖3中。其中，a圖是對各領域所有技術項重要性的評分結果，b圖則是對其中的關鍵技術項重要性的評分結果。

圖2 不同領域關鍵技術網絡分析圖

圖3 各領域技術項重要性評分分布

總體來看，a圖中分值集中分布在65-80之間，箱體分散程度差別不大，中位數多處于箱體中上部，說明數據多呈左偏分布或正態分布，即打分偏低。相比而言，b圖分值集中分布在70-90之間，分值較a圖有顯著提高。同時，b圖中箱體長度普遍縮短分值更加集中，中位數多處于箱體中下部，說明數據多呈右偏分布或者正態分布，即打分普遍偏高。能源與礦業、城鎮化與基礎設施兩個領域在b圖中箱體較長，說明專家對這兩個領域內的技術項重要性存在一定的分歧。綜合上述分析，本文設計方法能夠較好地對各領域技術項重要性做出合理判斷，具有實用性和科學性。

2.領域關鍵技術項在Delphi排序結果中的分布

為了說明Delphi調查方法對領域關鍵技術篩選的支撐作用，將領域專家研討確定的領域關鍵技術項與技術項Delphi排序結果進行比較。針對領域專家研討所產生的115項關鍵技術，分別統計這些關鍵技術來源于各領域技術項Delphi排序結果的前10項、前11-15項、前16-20項和前21-30項的項目數，統計結果如表4所示。

表4 領域關鍵技術項在Delphi排序結果中的分布

由表4可以看出，領域關鍵技術項在技術項Delphi排序中屬于前10的有68項，也就是說超過60%的關鍵技術項可以通過Delphi統計分析方法直接篩選出來；領域關鍵技術項在各技術項Delphi排序中屬于前20的有91項、前30的有103項，也就是說有接近90%的關鍵技術項來源于Delphi排序相對靠前的技術項，可以看出Delphi調查方法對各領域關鍵技術的篩選起到了重要的支撐作用，充分地說明了本方法的有效性。

甚至在信息與電子、先進材料領域關鍵技術排序基本就是Delphi統計分析排序結果中前10項技術，如表5所示。

表5 領域關鍵技術與Delphi排序結果基本一致的領域組

由表5可以看出，在信息與電子、先進材料領域，只有1項關鍵技術不在Delphi調查結果的前10項技術中，進一步說明了本文設計的Delphi調查方法的有效性。雖然Delphi調查方法顯示出了較強的優勢，但是在能源與礦業、空間海洋與地球觀測領域也顯現出了局限性，結果如表6所示。

由表6可以看出，在能源與礦業領域只有2項關鍵技術屬于Delphi排序結果中排名前10的技術項，大多數并不屬于Delphi排序結果中排名靠前的技術項，甚至還有兩項技術屬于排序靠后的技術項，也說明了本文設計Delphi調查法存在的不足與局限性，在空間海洋與地球觀測領域也存在相似的情況。

3.指標選擇有效性分析

各領域中關鍵技術與非關鍵技術在的各項指標的打分是否存在明顯差異，本部分將使用t檢驗對打分情況進行差異顯著性檢驗。原假設H0：關鍵技術與非關鍵技術在各項指標的打分情況無差異，備擇假設H1：關鍵技術與非關鍵技術在各項指標的打分情況存在明顯差異。選擇置信水平α=0.05，通過計算可以得到指標有效性檢驗結果，如表7所示。

表6 領域關鍵技術與Delphi排序結果差異較大的領域組

由表7可以看出，技術帶動性、對經濟發展的重要性、社會發展作用指數三個指標下的各個領域的P-value均小于0.05，而技術核心性指標僅在能源與礦業一個領域中出現P-value大于0.05的情況，對于上述四個指標可以拒絕原假設，接受備擇假設。保障國家國防安全作用指數指標的t檢驗結果在四個領域中出現P-value大于0.05的情況存在不足之處，而先進制造、能源與礦業、環境生態與綠色制造、城鎮化與基礎設施四個領域中的技術涉及國家安全的并不多，所以在該指標上不足可以接受。通過t檢驗結果可以看出，本文所選擇的指標能夠有效區分各個領域中的關鍵技術和非關鍵技術。

(三)相關因素對Delphi技術預見調查效果的影響

分析Delphi技術預見調查效果的相關因素，從而提出改進方法和策略，對于優化技術預見方法和流程具有重要意義。本文主要分析各領域研發水平、各領域技術項學科分布和專家熟悉度對Delphi技術預見調查效果影響。各領域技術預見效果通過各領域技術項Delphi排序后，前10項、前15項、前20項技術中包含的關鍵技術占各領域關鍵技術的比例來衡量；領域研發水平由各領域技術項的研發水平平均值表示；各領域技術項學科分布由技術項所屬學部的個數表示；專家熟悉度主要考察各領域很熟悉和熟悉專家的比例。

根據文獻[1]的研究發現，我國工程科技先進材料領域的整體研發水平最高，該領域選取的關鍵技術項與Delphi排序結果中排名基本一致；信息與電子、醫藥衛生與人口健康的整體研發水平也相對較高，其Delphi預見結果也相對準確。一般來說，領域研發水平越高，領域專家對技術項的發展趨勢就越清晰，領域專家也更容易達成共識，Delphi調查的準確度就更高。

表7 Delphi問卷指標有效性檢驗

表8 各領域Delphi技術預見效果與關聯因素分析

先進制造、環境生態與綠色制造等領域，技術項所屬學部較多，領域綜合交叉程度較高，領域間技術項差異較大，選定的評分專家不一定能夠準確判斷該技術項的發展趨勢，同時不同學科的專家評分尺度也不一致，導致Delphi調查的準確度較低。信息與電子、先進材料、交通等領域，技術項所屬學部較少，領域綜合交叉程度相對較低，領域專家學科背景相似，評分標準也相對一致，因此Delphi調查的準確度較高。但是，在技術項所屬學部較少的領域，也可能形成多個持不同觀點的專家群體，導致領域內評價標準差異較大，影響到Delphi調查結果，例如能源與礦業領域。為了提高Delphi調查的準確度和可靠性，可以從兩方面進行改進：一是合理的調整綜合交叉領域的技術項，減少大綜合領域的出現；二是收集評分專家信息并建立相應的評估體系，準確評估評分專家所屬領域。另外，本文針對Delphi調查的排序結果開展領域內專家研判，也可以有效保證技術預見的準確性。

先進材料、農業與食品和醫藥衛生與人口健康領域是“很熟悉”專家比例最高的三個領域，Delphi調查的準確度也相對較高。先進制造和公共安全領域，“很熟悉”和“熟悉”專家比例最低的兩個領域，Delphi調查的準確度也相對較低。“很熟悉”和“熟悉”專家一般都是該技術方向上的研究專家，對于該技術方向的研究基礎、發展趨勢和重要程度有著較為清楚的認識，所以“很熟悉”和“熟悉”專家比例越高，Delphi調查的準確度也越高。因此，通過專家信息收集和專家評估，合理分配專家評分的技術項，提高“很熟悉”和“熟悉”專家比例對Delphi調查具有重要意義。

五、結論

通過“中國工程科技2035技術預見”的實踐活動可以發現，本研究提出的基于技術預見關鍵技術選擇方法，在指標設計與選取、問卷統計方法方面都具有顯著的合理性和可行性，有效支撐了“中國工程科技2035技術預見”關鍵技術的篩選，為“中國工程科技2035 發展戰略研究”起到了重要作用。另外，針對Delphi調查法在領域劃分、專家選取等方面存在的不足，提出了調整領域分布，減少大綜合領域的出現；收集評分專家信息，建立專家信息與Delphi調查結果結合的評估體系，合理評估專家調查效果的建議。

“中國工程科技2035技術預見”是面向未來20年工程科技關鍵技術，預見時間較遠，所涉及的關鍵技術具有突變性，因此本研究將技術項Delphi排序結果與領域專家研討確定的領域關鍵技術項進行比較評估，具有一定的局限性。為了更好地支撐中國工程科技的發展，還需要在未來發展過程中，定期開展技術預見效果評估，優化技術預見的流程和方法。