基于專利數據的企業技術創新機會識別方法研究

朱琳，戰洪飛，余軍合，王瑞

（寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211）

一、引言

現今在技術迅速更迭的知識經濟時代，科技技術創新已然成為企業不斷提升自身核心競爭力的關鍵要素，新興技術的蓬勃發展使得企業在解決業務問題時面臨的技術創新機會的選擇更加多樣化和復雜化。一旦企業在關鍵技術方向的識別和選擇上有所偏差，不僅會錯失最佳解決問題時機，造成大量人力和物力資源的浪費，而且還會影響企業未來技術的進一步發展。因此，準確分析未來技術演化趨勢，并及時把握技術更替帶來的良好機遇對企業提升業務問題的求解績效尤為重要。

技術創新機會分析相關的研究，國外已經開展了較多的研究工作，起步較早。Porter等（1995）[1]利用監測和文獻計量學來挖掘和分析多芯片模塊開發領域的相關信息，以有效生成新興技術創新情報；Jeong等（2015）[2]以太陽能照明設備為例，通過研究市場驅動的技術路線圖來尋找新的技術機會。Kim等（2011）[3]通過從專利中獲得的技術屬性和功能與TRIZ趨勢聯系起來，以尋求進一步改進技術的方向。Yoon等（2005，2007）[4-5]通過文本挖掘提取薄膜晶體管-液晶顯示器相關專利的關鍵詞，提出了基于關鍵詞的形態分析法來總結技術形態，來探究可替代的更有效的新興技術組合方案；Park H等（2012）[6]提出應用SAO結構來挖掘分析專利文本信息，開發技術樹來分析技術機會的綜合信息；Kang等（2015）[7]利用文本挖掘技術構建專利地圖，通過定量分析技術新穎度，并對發光二極管的熱管理技術進行了實例研究；Fang等（2015）[8]運用文本聚類方法來識別微藻生物燃料領域科學論文和專利所展現的不同技術，來發現可能存在的技術機會；JoséM等（2013）[9]通過結合技術挖掘方法和語義TRIZ方法來迅速準確地識別石墨烯在陰極材料中的技術發展趨勢。在國內，汪雪鋒等（2014）[10]為給企業提供更多更好的技術創新方案，引入了形態分析法來構建風力發電領域的創新導圖；潘東華（2014）[11]對科技期刊文獻進行深入研究，在探究鋁電解領域有潛力的技術創新機會時使用了共詞分析與可視化技術，以期從理論研究角度為企業業務活動的技術創新過程提供支持；陳浩義等（2011）[12]為給企業決策者識別技術創新方案提供更加科學有效的依據，分析了企業外部環境因素并構建了基于信息分析的技術機會識別分析模型；李乾瑞等（2018）[13]運用SAO語義分析的技術，構建技術路線圖來分析染料敏化太陽能電池領域的技術演化路線，以識別可能存在的技術創新方案；許琦（2013）[14]通過專利引證網絡構建了更為全面的專利搜索路徑并進行文本挖掘和分析，以探索數據挖掘領域的技術發展趨勢；郭俊芳等（2014）[15]將SAO結構分析法引入到技術路線圖中來探究染料敏化太陽能電池領域的技術創新機會。

從國內外的研究可以發現，現有研究較少對其所提出的技術創新機會進行評價分析，一些學者專注于新興的技術，刻意強調所研究領域技術的新穎性，而忽略了企業實際的技術應用能力，以致于其研究分析得出的技術創新機會并不一定適合當前企業產業技術的發展方向，往往難以在企業得到實際有效的應用。因此，本文在前人研究的基礎上，引入了基于專利三維技術功效圖的技術創新機會分析方法，采用大數據文本分析技術，挖掘相關新興技術專利數據中隱含的創新機遇。一方面可以針對企業產品功能需求，找到對應的技術組合方案情況，并與企業技術功效圖進行對比分析，從而發現技術創新機會；另一方面可以通過綜合分析每一技術機會的動態發展趨勢，主要從技術新穎度和技術實現可能性角度來計算分析技術創新機會的潛在價值以輔助決策。這對于企業推進技術創新和研發決策具有重要的理論研究價值和現實指導意義。

二、基于專利數據的技術創新機會識別方法構建

（一）專利三維技術功效矩陣的構建

當前，在記錄技術創新信息的各類文獻中，專利有著數量可觀，記錄技術信息真實詳細，新穎可靠以及內容格式較為標準化等優點，記載著80%以上的技術相關知識[16]。因此本文基于專利數據建立三維技術功效矩陣以挖掘技術創新機會。

專利三維技術功效矩陣圖結合了兩種技術分析方法：技術功效矩陣和技術路線圖，即把功效特征、技術特征和時間特征分別作為三維空間坐標的三軸，建立專利三維技術功效矩陣的分析模型。由此，不僅能夠體現專利技術功效矩陣的映射功能，得出目標領域功效信息與技術信息的內在聯系，即通過哪些技術方法來實現某些功能效果；還能夠彌補傳統的二維技術功效矩陣體現不出技術隨時間動態演化趨勢的缺陷，補充技術路線圖的展現功能，從多個維度更全面地展現技術發展的整體情況和變化趨勢，得出目標領域技術研發的技術成熟度和延續性信息。

專利三維技術功效矩陣的構建流程主要包括三個核心環節，具體如圖1所示。

1.數據采集和清理：首先對產品以及產品功能需求進行綜合性分析和規范化表述，以“產品+產品功能”為關鍵詞來全面、準確地檢索相關專利信息，如“豆漿機+減震降噪”等。構建技術功效圖的數據源主要有中文專利、美國專利、德溫特專利等專利資源，根據所確定的業務相關領域關鍵詞，以企業實際研究需要為背景，來確定數據源進行專利挖掘。把抓取到的專利數據整合并存儲，形成專利信息庫。初始爬取到的專利數據往往是不規則的，需要對其進行預處理。由于專利的題目和摘要信息格式較為規范，且簡練總結了專利所涉及的技術方法、產品結構、功能效果等信息，因此本文抽取專利的題目和摘要數據來獲取每項專利的技術功效信息，抽取專利的說明書數據來獲取主題聚類信息。并將抽取到的所有數據通過文本去重、分句分詞、刪除停用詞、詞性標注等方式，去除大量無用的噪點數據，不斷精簡原始數據庫，從而形成專利語料庫，為下一步驟做好前期準備。

圖1 專利三維技術功效矩陣的構建流程

2.主題分類、技術詞與功效詞提?。菏紫然贚DA模型確定了產品所在領域的技術主題和功效主題。繼而進行專利技術詞和功效詞的提取，其中技術類信息為專利中所涉及的原理、算法、結構、組件、材料、零部件、軟件工具、理論、方法等信息，可以劃分為多個層次，從橫向或縱向上進行擴展研究。功效類信息指實施該專利方案所能實現的功能效果等信息。通常從專利摘要中來提取技術詞與功效詞，通過研究發現專利摘要中的技術詞前往往有較為明顯的引導詞，例如：“運用……方法/原理”“應用……軟件/技術”等，本文通過定義一些相關的規則庫，提取符合這些規則的句子，并抽取規則中間的名詞短語作為技術詞候選詞；功效短語的構詞結構也較為規范，往往由動賓結構（v+n、v+n/a+n）或主謂結構（n+a）等的短語組合而成，例如：“降低噪聲”“整體結構緊湊，外形美觀”“達到了……的效果”等，將專利摘要文本中符合以上結構的短語提取出來作為功效詞候選詞。并對提取得到的技術詞候選詞和功效詞候選詞進行過濾處理，進而形成該領域專利的技術詞詞典和功效詞詞典，并不斷更新完善詞典。同時分類標注每項專利的技術特點、功效特點和時間節點。

3.可視化分析：根據以上步驟確定的技術主題分類和功效主題分類，以功效特征為x軸、技術特征為y軸、時間節點為z軸，建立空間直角坐標系形成三維技術功效矩陣結構。并進行專利數據填充，進而統計相對應技術、功效和時間在各個交點位置上的的專利數量。當技術分類維數和功效分類緯數過多或者專利數量過大時，可以應用分布式計算來提高統計效率。最后將已統計好的專利數量填充到三維技術功效矩陣中的對應交點處，并以氣泡圖的形式更直觀地展示出各交點處的專利數量大小[17]，完成三維技術功效圖的構建。通過三維技術功效圖的可視化分析，可得到該研究領域技術研發的技術成熟度和延續性信息，以及技術發展趨勢，進而識別該領域技術創新機會。

（二）基于專利三維技術功效矩陣的技術創新機會識別分析

構建出三維技術功效矩陣后，進而對三維技術功效矩陣x軸上每個功效特征節點進行平行于y-z平面的切片分析，與企業技術功效圖進行綜合對比得出企業已有技術研發情況與國際技術創新發展情況的差異，進而初步識別技術創新機會，為企業解決業務問題提供更加優化和創新的知識。本文構建的技術創新機會識別方法如圖2所示，其中切片對比分析圖中“√”表示企業對該技術功效組合已有較少研究；“◇”表示企業對該技術功效組合已有較多研究；“○”表示企業對該技術功效組合已有很多研究和應用。

圖2 基于專利數據的技術創新機會識別方法

對三維技術功效模型進行綜合分析，以三維模型中的每一縱向分支表示該研究領域的一個技術機會，氣泡的大小程度體現出各個交點處對應專利數量的多少。每個技術機會由對應的兩個維度的具體特征一同來確定：功效維度和技術維度。根據三維模型圖中各個技術機會上專利數量分布情況，經過研究可以發現：

（1）若一個技術機會所涉及的專利數量整體分布較密集、氣泡較大、技術成熟度較高，且專利數量的動態演化趨勢也比較平穩、連續性較好，則為該領域技術研發的熱點（如圖中a11）。

（2）若技術機會涉及的專利數目總體上雖然不多，但在近些年中增長較快，甚至出現了爆發性增加，則為技術研發的新晉點（如圖中a21）。新晉點強調近幾年的發展趨勢良好，是引領未來發展的技術機會。對于技術研發熱點和新晉點，若企業已有相關技術的研究與應用，應繼續保持或加大力度。若企業還沒有相關研究與應用，應予以重視，抓住時機跟上國際技術創新發展趨勢，提高企業技術創新能力。

（3）若某一技術機會所包含的專利數量總體上較少，且發展的連續性較差，則為技術研發的稀疏點（如圖中a31）。對于稀疏點，說明該類技術研發已有一定的基礎，但技術成熟度不高，尚沒有形成系統。若企業還沒有對其投入較多關注，未來在結合市場需求發展情況的前提下，企業可適度投入研發。若企業已有相關技術的研究與應用，且符合市場需求，可適當加大力度投入研發，爭取發展成為企業的優勢，提高自身競爭力；若并不符合市場需求，企業可適當減少研發力度，合理配置資源給更好的技術創新機會。

（4）若某一技術機會所包含的專利數量在整個時間段都極少，甚至幾乎沒有相關專利，則為該技術領域的空白點（如圖中a13）。則該技術機會的基礎技術尚且不夠扎實，企業可適當關注，待基礎技術逐漸成熟，取得一定的突破后，結合市場需求方向及時抓住時機進行規劃布局技術研發方向和力度，不錯失良機。

（三）技術創新機會評價分析

進一步對技術創新機會進行潛在價值評價分析，評估技術機會是否切實適合企業技術創新發展，具有重要的理論價值和實踐意義。本文主要從技術新穎度和技術實現可能性兩個角度來計算分析技術創新機會的潛在價值，根據三維技術功效矩陣圖與企業技術功效圖的對比分析，最大限度地挖掘所選數據資源背后的技術機會潛在價值，來輔助評判有益于企業技術創新發展的技術機會。并進行最佳技術創新機會排序，確定接下來的技術創新發展方向，提高企業業務求解績效。

在參考相關研究的基礎上[18-20]，本文結合企業內部技術功效圖和國際技術研發的發展趨勢以及技術成熟度和延續性情況對公式進行了改進，通過同行評議法、專家打分法等定性方法和數據挖掘技術、數理統計方法等定量方法相結合的方式來計算分析各技術創新方向的潛力參數：技術新穎度x1i和技術實現可能性x2i。由于各參數指標的計量單位不同，最后需要進行歸一化處理計算各技術機會的潛在價值，從而確定最佳技術創新機會的排序。為企業決策人員決定下一步的主要技術創新方向提供知識服務。具體過程如下：

公式（1）左邊zi表示第i種技術創新機會的潛在價值。x1i和x2i分別代表判斷第i種技術創新機會潛力的兩項重要技術指標：技術新穎度和技術實現可能性。各項指標的權重系數分別為α1、α2，由專家打分確定。

公式（2）表示計算分析第i種技術創新機會的技術新穎度x1i。式中αti表示第i種技術創新機會所對應的技術功效組合分支近五年所包含的專利數量，αni表示該技術功效組合分支所有年份包含的專利數量總和。由此說明如果一個技術創新機會近幾年發展趨勢越好，其所包含的近五年的專利數量越多，其技術新穎度越高。

公式（3）表示計算分析第i種技術創新機會的技術實現可能性x2i，式子由兩部分之和組成，一部分為第i種技術創新機會所對應的技術功效組合分支所包含的專利數量與同一功效特征下所有技術機會的專利總量的比值；另一部分c（t）表示企業對該技術創新機會已經有所研究和應用的程度，由企業內部專家通過分析企業研發成果、實驗報告、產品案例等信息來確定，對應賦分情況如表1所示。即式中，αei表示第i種技術創新機會所對應的技術功效組合分支所包含的專利數量；n表示同一功效特征下所有技術機會總數。此公式用以表明技術創新機會所對應的技術功效組合分支所包含的專利數量越多，企業對其已經有所研究和應用的程度越大，該技術創新機會越有可能在實際中得到實施和發展。

公式（4）表示對技術機會的以上各項參數進行歸一化處理。以上各項參數值根據其自身的特點有著不同的計量單位，需對其進行歸一化處理來計算各技術創新機會潛在的價值。通過以上公式的計算分析可得出各個技術創新機會的潛在價值，并根據其大小來排序，進而幫助企業決策人員得到最佳技術創新機會，找到切實適合企業，可以為企業帶來良好發展的技術創新機會。

表1 企業相關研究基礎情況對應的c（t）賦分表

三、實例分析

（一）專利數據挖掘

本研究的數據來自中國知識產權網專利數據庫，該數據庫具有海量的專利資源、數據真實可靠、專利文本格式規范等優點。首先以豆漿機領域的關鍵詞在該平臺數據庫中進行專利檢索，共檢索到全國2000—2018年間發布的相關專利6 362條。由于專利從提出申請到公布通常有一年左右的滯后期，所以2018年的專利數據是不完整的，下文分析時不過多討論。

（二）專利三維技術功效圖與企業技術功效圖對比分析

本研究選取2010—2017年共設置了八個時間節點，以功效特征詞為x軸、技術特征詞為y軸、時間節點為z軸建立三維空間結構，其中每一縱向分支表示該研究領域的一個技術機會，氣泡的大小程度體現出各個交點處對應技術功效和時間的專利數量有多少。由于整張圖所占篇幅過大，選取技術分類：粉碎組件、電機、電熱電器技術、控制面板；功效分類：減震降噪、提升粉碎效果、智能化自動化為例進行展示（見圖3）。對應的全國技術功效與企業技術功效對比分析表如表2所示。

圖3 三維技術功效圖（部分）

表2 全國技術功效與企業技術功效對比分析表

從圖3、表2中可以看出，通過改善電熱電器技術來提升安全可靠性（技術機會1）以及改進粉碎組件來提升粉碎效果（技術機會2）的專利數量處于明顯的突出地位，貫穿整個時間段，其專利數量一直處于較高水平，是該領域技術研發的熱點。此外，通過改善電機來減震降噪（技術機會3）的專利數量在2010—2013年雖然不多，但在2013年后開始穩步增加，且近幾年發展趨勢良好，因此是技術發展的新晉點。由企業業務技術功效圖中可看出，企業已經在以上熱點和新晉點技術機會上投入研究，應繼續保持或加大研發力度。

由于二維技術功效矩陣圖體現不出技術隨時間發展的動態演化趨勢，有一定的局限性和不準確性。由分析三維技術功效圖所發現的結論可以對二維技術功效矩陣圖的分析結果有一定的修正和補充。比如，雖然通過改善電機來提升粉碎效果（技術機會4）這一技術機會總體上專利數量并不突出，在2014年下降波動明顯，但從全局來看，其近幾年技術發展延續性良好，仍然是該技術領域的新晉點。而如何通過改善控制面板和利用電熱電器技術來提升豆漿機智能化自動化（技術機會5和技術機會6）這兩項技術機會所包含的專利數量整體上波動較大，在2011—2013年專利數量不多，總的發展連續性較為不足，還不夠成為該領域技術研發的熱點，但近三年這兩項技術機會所包含的專利數量出現了明顯較好的發展趨勢，因此可看作該領域技術研發的新晉點。目前企業對通過改善控制面板來提升豆漿機智能化自動化還沒有投入較多關注，未來在結合市場需求發展情況的前提下，企業可適度投入研發。

另外，通過改善粉碎組件來實現智能化自動化（技術機會7）為該領域技術研發的空白點，其所包含的專利數量在整個時間段都很少，專利分布較為離散，甚至幾乎沒有相關專利。由此看來，該技術機會的基礎技術尚且不夠扎實，企業可適當關注，待基礎技術逐漸成熟，取得一定的突破后，及時抓住時機進行規劃布局技術研發方向和力度，增強企業自身競爭力。

（三）技術創新機會潛在價值評價分析

為方便表述，以上提到的七種技術機會，按先后順序依次編號為技術機會1～技術機會7。各技術創新機會的潛在價值由技術新穎度x1i和技術實現可能性x2i指標共同確定。對于無法定量分析的指標，由企業專家打分法來確定，如公式（1）中權重系數α1和α2依次為0.4、0.6。并依據公式（2）、公式（3）計算x1i和x2i，結果如表3所示。由于上述2項指標的計量單位有所不同，需根據公式（4）進行歸一化處理，如表4所示。最后，根據公式（1）計算各技術創新機會的潛在價值，計算結果如表5所示。

表3 各技術創新機會的指標值

表4 歸一化處理

表5 各技術創新機會的潛在價值

結果分析，根據潛在價值的高低可得出最佳技術創新機會的排序依次為：5、3、2、4、1、6、7。企業決策人員在確定接下來的技術創新發展方向時，可優先考慮排在前面的技術機會，繼而將相關專利方案推送給相關產品設計或產品決策人員。

四、結語

本研究提出了基于專利文本挖掘與三維技術功效圖的技術創新機會分析方法，并以豆漿機領域為例進行了實例研究。將時間維度、技術維度和功效維度分別作為三維技術功效矩陣模型的三軸。此模型不僅能更直觀準確的體現技術研發的動態演化趨勢，同時兼具了技術和功效之間多對多的映射功能，可以更加全面地分析豆漿機領域技術研發的技術成熟度和延續性情況，更準確地識別技術創新機會。并參考企業實際情況，主要從技術新穎度和技術實現可能性角度來計算分析技術創新機會的潛在價值。進而幫助企業決策者識別對企業業務求解有潛力的技術創新機會，更加科學合理地制定進一步的技術研發策略，提升企業研發資源的利用效率和業務問題的求解績效，促進企業的智能創新發展和增強企業的核心競爭力。