基于LDA 模型的鋼鐵材料專利技術主題演化研究

（河北工業大學經濟管理學院，天津 300401）

1 研究背景

鋼鐵材料，作為最重要的基礎性結構材料，是不斷發展的新材料，在可預見的未來還無法完全被其他材料替代。但伴隨著新一輪科技革命的到來，材料主題引起各國關注，發達國家紛紛制定并發布了相應的研發計劃，努力搶占材料技術發展的制高點，并明確將先進材料作為支撐戰略的重要一環；同時，受下游行業發展高端化、用鋼需求多元化以及多種新型材料替代的挑戰，倒逼著鋼鐵材料在著力生產工藝技術進步、明確技術演化趨勢、實現材料創新突破方面作出重要改變。我國也在不斷審視與國際鋼鐵強國在材料研發方面的差距，提出以鋼鐵新材料為抓手，加快克服發展新材料的材料“卡脖子”難題。即便如此，無論從實踐還是理論研究角度，當前對鋼鐵材料的探索，特別是技術預測研究仍沒有滿足新時期對鋼鐵材料及其技術發展趨勢的研發需求。

從應用和研發部署的實踐研究角度來看，已有研究較多集中在定性視角下鋼鐵材料性能及相關技術的應用上，多為宏觀層面的研究述評，無法定量地衡量出鋼鐵材料技術的發展情況。如曹文全等［1］基于幾種超塑性鋼鐵材料發展現狀，提出了一種低成本、量大面廣的優異超塑性低中碳合金鋼；王舟等［2］總結第二相顆粒對新型鋼鐵材料抗輻射、蠕變等性能的影響，并結合第二相顆粒獨特的微觀組織、制備工藝等特點分析其強韌化機理。以上研究有助于我們把握鋼鐵材料的發展現狀，但根據新時期實現材料創新突破的要求，在梳理鋼鐵材料系統化的技術體系、識別演化規律及預測未來發展方向等方面有所欠缺。

從發展模式和路徑的理論研究角度來看，已有研究多以專利數量統計方法對鋼鐵材料發展的現狀和態勢進行簡單統計，導致研究無法深入；雖有部分演化分析能展示出一定的發展脈絡，但這類研究的重心是方法的改進和創新，鋼鐵材料僅僅充當著實證數據角色，分析成分較少，不足以充分而細致地展示出鋼鐵材料技術發展細節。如周誼軍等［3］分析近20 年來世界鋅鋁鎂鍍層鋼板領域重要國家及創新機構的主要專利和技術研發情況，了解其專利布局特點和技術發展趨勢；靳軍寶等［4］基于汽車用鋼材專利，借助專利地圖揭示汽車用鋼領域的技術國際態勢，力求把握汽車用鋼國際發展變化趨勢；馮梅等［5］選取我國鋼鐵企業技術創新績效指標，運用因子分析方法與數據包絡分析法，對技術創新績效水平進行實證分析，并提出提高我國鋼鐵企業技術創新績效的建議。

針對以上實踐和理論研究的不足，以及新科技革命背景下對鋼鐵材料及其技術未來發展的預測需求，本研究嘗試運用專利文本數據深入探析鋼鐵材料技術的演化脈絡，從主題視角出發，引入LDA 模型識別大數據背后隱藏的主題信息，并借助劃分時間片方法，在全面挖掘鋼鐵材料技術主題的同時深入剖析其在演化強度、內容中的變化；進一步提煉鋼鐵材料發展特征及未來發展方向，結合工業化發展階段繪制相關路線圖，以期精準地揭示其技術演化態勢，為穩定鋼鐵材料成為新時代不可替代的基礎原材料產業地位，推進鋼鐵產業實現高質量可持續發展提供啟示與借鑒，同時為鋼鐵材料理論研究提供新視角，彌補以往技術演化研究中的不足。

2 研究方法及框架

2.1 LDA 主題概率模型

LDA（Latent Dirichlet Allocation，LDA）模型是Blei 等［6］于2003 年提出的一種文檔主題（topic）生成模型，是以文本-主題-詞語的三層貝葉斯結構來實現文檔中主題及詞匯生成，也是一種非監督機器學習技術，可以識別大規模語料庫中潛藏的主題信息［7］。本研究采用LDA 模型用于鋼鐵材料專利主題研究具有明顯優勢：LDA 模型方法的文本處理能力強，面對數據量龐大的鋼鐵材料專利，能夠結合計算機語言實現對專利摘要的主題建模分析，細化研究顆粒度，提取變現力更強的特征詞匯，挖掘更加精確的鋼鐵材料主題。更重要的是，LDA 模型能夠將主題分析與主題演化分析相結合，既體現前沿鋼鐵技術主題，又可以深入進行主題演化趨勢可視化，揭示鋼鐵材料主題所承載的技術演化方向。

LDA模型采用詞袋方法將文檔轉化為詞頻向量，把文檔表示由若干主題以不同概率組成，主題表示由若干詞匯以不同概率組成，最終生成文檔-主題矩陣和主題-詞匯矩陣［8］。LDA 模型具體的數學化描述如下：

（3）針對文檔d中的詞匯wd,j，依據多項分布zd,j～ Mult（），獲得主題zd,j；依據多項分布wd,j～Mult（），獲得詞匯wd,j。

其中，α和β為預先設置好的常數；w為觀測參數；θ、φ、z為需要進行推斷的3 個潛在參數。在訓練過程中，鑒于兩參數α和β的耦合性，本研究采用一種間接的推理算法——吉布斯采樣（Gibbs）進行參數估算［9］，根據經驗設置α=50、K=0.01、β=0.01，迭代次數為1 000 次，以Java 語言進行編程實現基于LDA 的主題挖掘。

2.2 研究框架

本研究目的是借助LDA 主題模型識別鋼鐵材料領域不同的技術主題并揭示其動態演化過程，進一步提煉鋼鐵材料發展特征及未來發展方向，主要包括前期鋼鐵材料專利數據收集與預處理、基于LDA模型的鋼鐵材料技術主題挖掘及演化結果呈現、我國鋼鐵材料演化趨勢預測等環節。主題演化分析具體流程如圖1 所示。

圖1 鋼鐵材料領域技術主題演化分析流程

其中最重要的計算步驟如下：

（1）最優主題數目的確定。模型訓練中，如何科學地確定主題參數K是研究的關鍵。本研究采用評價函數Perplexity（困惑度）來確定LDA 模型的最優主題數［10］。困惑度公式如式（1），其中Dtest為測試集；D為文本數量；Wd為文檔d中的可觀測單詞序列；Nd為文檔d的單詞數目［11］。

困惑度能夠衡量LDA 主題模型預測樣本的精確程度，困惑度值越小，預測精準度越高。本研究依次計算主題區間為［20,50］、跨度為5 的Perplexity值，得到當K=35 時模型效果最優，因此，最終挖掘出35 個鋼鐵材料相關主題。

（2）主題強度度量。主題強度，作為主題本身的屬性，從抽象的角度對主題進行綜合評估和對比分析［12］，能夠表達鋼鐵材料相關專利研究的關注度。主題強度越大，則表明在對應時間窗口中這類鋼鐵技術的受關注度越高［13］。因此，通過觀察鋼鐵材料領域相關主題強度在時間軸上的變化情況，來掌握熱點技術主題的演化趨勢。使用李湘東等［14］提出的主題強度計算方法，具體計算公式如下：

（3）主題相似度度量。主題內容演化反映了某主題在各個時間切片下的內容變遷，得到這樣的結果需篩選時間片序列中相近的主題，進而分析文本主題內容的演變［15］。通常衡量主題相似度的方法有KL 散度和JS 距離兩種，由于KL 散度表示兩個概率的差異分布，是非對稱的，因此本研究最終選用JS 距離來衡量主題間的相似度。計算公式為：

這里還需要定義一個閥值ε：當兩主題在相鄰時間窗口中的相似度大于ε時，表示主題間的內容發生顯著變化；若相似值小于ε時，證明兩主題內容是延續的。

3 實驗及結果分析

3.1 數據預處理

本研究通過智慧芽全球專利信息數據庫，以鋼鐵材料領域專利數據為研究對象，以“關鍵詞=鋼鐵材料”為檢索式進行檢索，時間跨度為2010—2018 年，最終檢索到我國關于鋼鐵材料的發明專利和實用新型專利共11 308 件。為獲得科學而準確的數據源，將已檢索到的全部數據進行規范，即逐一閱讀每條數據，去掉重復出現的專利，如同族專利；此外，為保證數據的準確率，將檢索結果利用IPC分類號進一步優化，排除與鋼鐵材料主題不相關和相關度較低的專利，如G01（測量、測試）、H01（基本電器元件）、B65（輸送；包裝；貯存；搬運薄的或細絲狀材料）、H02（發電、變電或配電）等等，最終得到6 537 條有效數據。

數據預處理是主題演化分析的最重要環節之一，主題聚類結果的精度及效率都與該過程有著密切關聯，因此專利語料庫的選擇、分詞、去除停用詞的每步操作都要保證結果最優［16］，但由于專利詞匯具有很強的專業性，涉及較多專有名詞，若直接采用Java 軟件自有詞庫進行分詞效果不是很好，故以人工讀取數據的方式構建自定義詞匯和停用詞詞庫，摘取“微合金化”“納米貝氏體”等日常少見的專有名詞，確保主題被正確劃分，進一步對分詞結果進行處理，為后續分析提供好的實驗數據。

3.2 LDA 模型主題及演化結果分析

3.2.1 主題挖掘結果

經過數據預處理、特征選擇模型構建、困惑度計算、Gibbs 抽樣等計算，最終獲得了6 537 篇專利文獻的文檔-主題分布和35 個主題-詞匯分布，通過人工篩選剔除5 個無效主題，根據每一主題下的高概率特征詞項，歸納出鋼鐵材料30 個主題的含義，但由于主題內容側重不具有唯一性，進一步將所有主題分為重要技術、性能研究和材料類型3 個方向，如圖2 所示，圖中的連線表示不同主題間內容的關聯性。結果顯示，重要技術主題主要涉及鋼鐵材料制備流程中的相關技術，包括上游電解方法、溶液的資源化利用等主題，中游材料的精煉技術、加熱冷卻工藝開發、鋼材結構設計等主題以及下游熱處理工藝、焊接技術、檢測技術等主題；性能研究主題側重于強調鋼鐵材料的研究方向，包括微合金化、高性能、綠色可持續等主題；材料類型主題具體涉及碳素結構鋼、不銹鋼、模具鋼和海洋工程用鋼等鋼材。在主題間關聯性上，鋼鐵材料表面處理技術和精煉技術更注重改善材料的潔凈度，海洋工程用鋼致力于材料的高強性及耐腐蝕性開發，不銹鋼的制備過程中更加關注裂紋的治理與控制等。

圖2 2010—2018 年我國鋼鐵材料研究主題挖掘結果

3.2.2 主題強度演化結果

主題強度演化能夠充分反映主題動態性和發展性。基于專利文本主題挖掘結果，計算各主題在每一個時間窗口的強度值，繪制出重要技術、性能研究和材料類型3 個方向的主題強度按時間變化的折線圖，部分演化趨勢如圖3 所示。

圖3 我國鋼鐵材料研究主題強度演化趨勢

從各重要技術的主題強度演化來看，著重于鋼鐵材料的基礎性研究，各階段演變方向均呈現一種有序與無序交錯變化的現象。結合主題發展態勢，可以看到熱處理技術（topic23）、鋼鐵材料強化（topic25）、超細晶粒（topic28）和鋼鐵基復合材料（topic18）研究4 個技術主題發展變化幅度較大，且處在不斷成長的上升狀態，這些主題的關注度和成熟度都較高，發展勢頭良好，也表明這些主題將會是鋼鐵材料領域持續關注的對象；而熱浸鍍鋅技術（topic20）、電解制備方法（topic22）等相關主題發展態勢一般，關注度普遍偏低，特別是熱浸鍍鋅技術，目前正處于發展的冷卻期，長期處于重經驗輕理論、技術落后的困境，部分地區甚至將其歸為落后淘汰產業，可見熱浸鍍鋅工藝亟待發展的緊迫性。

從各性能研究的主題強度演化來看，研究重心呈現出由鋼鐵材料傳統的性能研究轉向以新科技革命及國家戰略為導向的研究。其中，微合金化（topic21）主題作為傳統研究方向正在逐漸遠離人們的視野；鋼鐵材料均勻化（topic4）主題的演化強度始終較小且保持在相對平衡的狀態，說明已經形成了較為穩定的內容；復合化（topic18）、潔凈性（topic5）和綠色可持續（topic31）主題關注度在持續上升，特別是在2015 年后上升趨勢明顯加強，這與我國相關戰略政策及技術水平提高有著密切關聯，更與市場多元化的用鋼需求息息相關。

從鋼鐵材料類型的主題強度演化來看，已由傳統鋼鐵材料類型，如碳素結構鋼（topic3）、低合金鋼（topic28）、模具鋼（topic30）轉向發展重點工程建設的關鍵鋼材，如高鐵、能源和海洋工程用鋼（topic1）等研究，更多關注鋼鐵材料本身并更加注重鋼鐵材料的功能性開發。這一重要轉變也帶來了相關應用領域的拓展，從基礎設施建設、機械制造延伸至建筑、石油天然氣開采、汽車等行業，進一步結合現有最新成果擴展至重大工程、現代交通、航空航天等領域。這樣的轉變也將大幅提升鋼鐵材料產業的技術水平，甚至帶動整個領域的全面轉型升級。

3.2.3 主題內容演化結果

為能夠充分反映同一主題內容隨時間變化的差異性，特將2010—2018 年數據劃分為2010—2012年（第一時段）、2013—2015 年（第二時段）、2016—2018 年（第三時段） 3 個時間切片，分別對每一階段數據進行LDA 模型訓練，得到各階段主題挖掘結果并確定技術主題內容，如表1 所示。

表1 不同時段的我國鋼鐵材料研究主題內容（部分）

按前文給出的方法計算各時間切片下每一主題的強度值，結合表1 繪制鋼鐵材料技術主題內容演化圖，如圖4 所示，圖中圓圈大小表示主題的發展態勢，圓圈越大，主題發展態勢越好；箭頭線段的粗細表示前后主題演變的強度大小，線段上的數值為演變強度值。

圖4 我國鋼鐵材料技術主題內容演化態勢

從主題內容演化來看，各研究方向趨向穩定，未來研究廣度可變性不大，但研究深度會繼續加深，如何制備復合化、智能化、高性能、輕量化和低維的鋼鐵材料已成為研究關鍵。其中，熱處理技術的發展與應用主題正由傳統的“加熱—保溫—降溫”工藝向真空熱處理、激光熱處理、化學熱處理薄層滲透等方向轉變，更加注重改善材料的力學性能和綠色可持續發展，如較為突出的滲硼技術能夠充分提升鋼鐵材料的抗高溫氧化性、紅硬性和耐磨耐蝕，應用廣泛［17］；此外，冷處理、深冷處理作為該主題的延伸，在提升材料力學性能方面起到良好效果。鋼鐵材料復合夾雜物的制備與控制檢測主題呈現從傳統的背散射電子衍射儀（EBSD）、透射電鏡（TEM）分析技術轉向微加工技術（FBI）和TEM 相結合的趨勢。鋼鐵材料的高強、高韌性及超細晶始終是重點研發方向，目前正在由晶粒細化至微米、亞微米級向納米結構鋼鐵產品開發、納米級析出物強化和第二相顆粒強韌化研究轉變，這三者突破了鋼材高強和高韌難以兼容的困境，成為未來鋼材強度進展的最有研究價值的領域之一。鋼鐵基復合材料的制備與應用主題中，復合材料由傳統的WC、TiC、Al2O3 等陶瓷顆粒向碳纖維、陶瓷纖維、無機納米粒子方面擴展，目前仍有充分深入研究空間，并且強調利用多孔泡沫、三維網絡優化等方法實現鋼鐵基材料的循環再生利用，未來將出現以制備方法協同化、構型復雜化和材料增強體復合化為主的發展趨勢［18］。鋼鐵材料表面處理研究主題較為穩定，主要集中在表面膜層的制備、表面腐蝕防護技術和表面鍍層的復合化三方面，但隨著近年來鋼鐵材料中各類高新技術的研發對表面處理的技術開發提出更為嚴格的要求，因此該領域的關注將會被受到重視。

3 我國鋼鐵材料演化趨勢分析

基于以上LDA 主題模型的訓練分別從主題強度和主題內容兩方面分析了鋼鐵材料及其技術的演化情況，進一步通過文獻梳理、專家咨詢等手段更加全面地探求該領域技術發展態勢，并結合工業化發展進程，全方位總結與提煉我國鋼鐵材料的發展特征、發展方向，呈現出我國鋼鐵材料未來的發展趨勢。

3.1 鋼鐵材料發展特征

結合我國工業化發展各個階段，對鋼鐵材料的類型、研發方向、應用領域、重要技術進行研究（見圖5），以識別和歸納鋼鐵材料及其相關技術的發展特征。

圖5 結合工業化進程的鋼鐵材料產業發展路線

（1）從鋼鐵材料性能看，將以高性能、長壽命、復合化、低維化、智能化為發展方向。提高鋼鐵材料的性能使之滿足用戶需求逐漸提高的要求，終是材料發展的主流方向。其中，“高性能”“超細晶強化”是研發的永恒主題。采用新工藝、新技術，生產以高均勻度、高潔凈度、高精度及超細晶粒組織為特點的長壽命、高強度、高韌性鋼鐵材料是未來主要研發方向。此外，考慮單一鋼鐵材料存在難以克服的缺陷（如彈性模量低、比強度不足等），將不同材料與鋼鐵基體復合得到優于原組分的新型鋼鐵材料成為重要發展趨勢。目前，新型多相復合材料的開發熱點有第二相顆粒彌散強化復合材料、無機和有機功能復合材料等，低維材料正在擴大應用，可同時用作結構材料和功能材料，納米材料及納米結構用于新型鋼鐵材料的開發被部署為材料科學研究戰略的首位。

（2）從鋼鐵材料類型看，整體呈現出由結構性材料向功能性材料延伸的趨勢。早期經歷了由碳素結構鋼、高強度低合金鋼等基本鋼材向各類新型工程結構用鋼、不銹鋼與耐熱鋼和高品質特殊鋼的擴充，應用領域也從基礎設施建設、機械制造延伸至建筑、石油天然氣、汽車等行業，而目前最新成果致力于應用領域的進一步拓展，如研發耐海水侵蝕、極低溫韌性、抗層狀撕裂的海洋工程用鋼，發展高端管線用鋼、深海油氣管道、酸性服役鋼管用于石油開采與儲運，開發高潔凈度、強韌性、耐磨性的車輪鋼以及突破夾雜物和偏析控制技術難點的車軸鋼等現代交通用鋼等。

（3）新一代鋼鐵材料更加注重可持續發展。從環境保護和可持續發展的角度出發，功能優良、節省資源和能源、長壽命、環境友好、易于循環的綠色化鋼鐵材料成為鋼鐵材料生產工藝技術研究開發的新熱點。例如在汽車生產中，國外利用的各種鋼板多數是涂鍍層鋼板，以此延長車輛的使用壽命。歐洲國家也在利用豐富的技術框架模擬鋼鐵材料的初級生產、二次生產和鋼鐵廢料的回收［19］，研究如何開發加倍可用的二次鋼進而實現綠色可持續發展。

（4）從材料發展趨勢看，鋼鐵材料將進入智慧設計、智慧生產與智慧服務的新時代。當前已是利用鋼鐵材料的基因去設計材料的時代，而未來發展的鋼鐵材料，必將進入智慧設計、智慧生產與智慧服務的新時代［20］；同時，緊隨新一輪科技革命發展熱潮，鋼鐵材料將充分體現智能化特征［21］，其中關鍵鋼鐵材料的研究與制造將與重大裝備、重大工程、特殊環境、嚴酷競爭的客觀條件密切結合，展開材料正向設計、逆向生產，建立材料全壽命周期的環境、資源、能源、經濟、性能評價［22］。

3.2 鋼鐵材料未來發展方向

目前，世界正處于新材料變革前夜，我國鋼鐵材料領域正迎來新的發展機遇，鋼鐵材料的需求、研發和應用為鋼鐵企也的轉型升級提供了新的契機。借鑒世界先進鋼鐵企業發展新型鋼鐵材料的實踐經驗，分別從市場需求（客戶）、技術、資源角度提出我國鋼鐵材料領域的發展方向：一是根據現有市場發展新材料，做到為客戶提供材料需求解決方案。隨著交通裝備、電子信息、能源環保等領域材料需求的增加，鋼鐵企業應在現有市場基礎上積極拓展材料供應范圍、提升材料供應能力，成為綜合材料供應商，努力滿足客戶的“一站式”需求。二是充分利用鋼鐵企業自主研發或技術引進，形成材料制造的關鍵核心技術，并加強技術的延伸，拓展技術應用范疇，如利用鋼鐵企業自身在金屬冶煉和軋制上的技術積累開發有色金屬、發展負極材料等等。三是秉承資源循環利用、可持續發展的理念，對鋼材生產過程中產生的材料，如冶金渣、煤瀝青等，進行二次利用開發新型鋼鐵材料，如發展新型建材、磁性材料等。

基于以上發展特點及發展方向分析，鋼鐵材料產業的創新發展需要先進的知識和技術作為支撐；同時，鋼鐵材料產業與下游產業聯系緊密，產業鏈可延伸性較強。根據這些特征，未來一段時期，我國鋼鐵行業應充分發揮現有能力，以技術創新突破為核心，拓展新材料業務領域，培育我國鋼鐵材料新的競爭優勢，特別要結合當前市場前景及國家戰略對鋼鐵材料發展提出的要求，重點關注航天航空、軌道交通等產業領域，選擇高性能金屬材料、新型碳材料及纖維材料等作為未來重點發展的技術領域。

4 結論

本研究基于LDA 主題概率模型，利用專利文本信息對鋼鐵材料研究領域進行技術主題演化分析，并在此基礎上提煉我國鋼鐵材料及相關技術發展特征及發展方向，結合工業化發展階段繪制鋼鐵材料發展路線圖。研究發現：

（1）目前我國鋼鐵材料整體發展處于快速增長期，鋼鐵材料技術已有長足發展，這種增長態勢的維持得益于鋼鐵產業實現轉型升級的緊迫性不斷增強，行業發展高端化、市場用鋼需求多元化都在倒逼著鋼鐵行業在材料創新突破方面作出重要改變，但更與鋼鐵技術戰略布局、國家政策總體規劃部署和用鋼市場多元化的技術需求息息相關。

（2）鋼鐵材料領域的研究重心多集中在鋼鐵材料上游——基礎研究，而對下游——應用研究較為不足。事實上，應用研究領域具備很大的發展空間，相關技術正在展開深入研究，是今后需要關注的重點。從鋼鐵材料主題內容研究層面看，主要技術方向已趨向穩定，未來技術主題研究的廣度可變性不大，但研究深度將會繼續加深。

（3）鋼鐵材料研發中，高性能、超細晶強化依然是研究的主流方向，但同時長壽命、復合化、低維化成為領域內重要的研究熱點，鋼鐵結構性材料逐步向功能性材料延伸，未來將實現由基于鋼鐵材料基因設計材料向材料智能設計、智能生產與智慧服務的轉變。

綜上，鋼鐵材料及相關技術正處于全面發展階段，其邁向產業高端化進程正在加速。在此過程中，基礎性研究是發展的根本，一方面應進一步加強鋼鐵材料的基礎研究，并促進科技成果轉移轉化，另一方面要意識到對高性能、高質量及其原理機制的研究將成為日后鋼鐵材料領域實現技術突破的關鍵，要充分發揮鋼鐵材料的優異性能，創造更優質的鋼鐵材料產品，滿足社會生產日益高端化的需求。同時，應用是實現鋼鐵材料價值的最終途徑，只有加強相關應用研究才能形成可持續發展的良性產業鏈條。考慮到鋼鐵材料領域發展的不確定性以及國家在指導行業研究和發展中的關鍵地位，所以要認真落實國家及行業政策，密切關注技術的變化與發展，準確把握鋼鐵材料的技術方向，合理調整資源和戰略規劃，以利于穩定鋼鐵材料成為新時代不可替代的基礎原材料，在新科技革命背景下推動鋼鐵行業邁向產業高端化，實現高質量的可持續發展。