基于專利的打包機械技術數據挖掘與分析

張問采, 李端玲，2*

(1.陜西科技大學機電工程學院， 西安 710000； 2.北京郵電大學自動化學院， 北京 100084)

作為包裝設備的主要分支，打包機械屬于外包裝設備，是將一個或多個包裝物用打包部件緊束在一起的機器，使包裝物便于運輸、保管和裝卸。在近三年的發展中，國外采用智能控制與機器視覺識別技術對被包裝物進行自動與快速包裝的此類設備在商業領域的應用已日趨成熟[1-4]。反觀中國，包裝行業總產值2017年已達1.89萬億元人民幣，成為僅次于美國和日本的“包裝制造大國”[5-7]，但該領域技術水平仍然整體落后發達國家20年左右，在產品的開發、性能、質量、可靠性、服務等方面的競爭中處于明顯劣勢[8]，可見中國是包裝大國，而并非包裝強國[9-11]。因此，若要該技術領域得以“由大做強”，首要的任務即是辨識中國目前該技術領域發展態勢、產業研發能力，做到知己知彼搶占未來技術發展機會，為中國包裝行業在該領域的科技創新與研發提供決策參考和情報支撐。

目前，針對該領域的數據挖掘與技術情報分析，大多在數據采集和分析內容的選擇上存在主觀性過強的缺點。定量研究的數據挖掘分析方法，在該領域鮮見。同時，針對打包機械制造領域技術結構復雜，市場化程度高的特點。如何選擇市場化主導技術領域內最具代表性的數據作為數據挖掘源，如何挖掘并量化的揭示該領域的發展現狀與前沿動態；對于復雜技術與技術創新所涉及的多種因素間的關聯特征如何進行深度挖掘并定量、定性的客觀表征，都是該領域數據挖掘與分析中亟待解決的關鍵問題。

因此，基于上述問題出發，選取集技術、法律和經濟市場情報于一體的專利技術文獻作為數據挖掘源[12-14]，利用組合指標賦權模型、K-means聚類算法、關聯網絡模型與Apriori算法設計一種專利挖掘分析技術路徑，對中國打包機械技術領域專利文獻進行數據挖掘，構建專利數據庫，以量化研究的方式，使雜亂無章的專利文獻信息具有縱覽全局、探究產業研發能力及未來技術機會發展的功能。

1 研究設計

設計一種專利挖掘分析技術路徑(如圖1所示)，依次通過數據層，選定檢索平臺；策略層，設計檢索與分析策略、構建數據庫；挖掘層，對獲取數據進行挖掘分析；最后通過整合總結形成技術發展分析層。

在數據層中，調研選定國家知識產權局專利檢索平臺與中國專利全文平臺作為數據檢索源。

在策略層中，數據檢索策略設計，如表1所示。依據中國專利制度，專利文獻從申請到公開滯后期平均為18個月，且收錄常滯后公開，為保證分析結果的客觀性及準確性，將2019年12月31日后的專利數據予以排除，構建該技術領域專利數據庫，其中專利申請數據3 847條；發明專利占比約為24.27%，總計934條；實用新型專利占比約為71.87%，總計2 765條；外觀設計專利占比約為3.84%，總計148條。分析策略設計主要利用K-means聚類算法與組合指標賦權模型從時序，地域宏觀、中觀、微觀角度實現技術發展辨識；利用統計，關聯網絡數據模型與Apriori算法實現技術機會分析。

表1 檢索策略設計

在挖掘層中，以IBM SPSS Modeler等軟件為支撐，利用策略層設計分析挖掘策略對打包機械相關技術領域專利文獻數據進行挖掘分析，利用分析結果繪制可視化圖譜來構建各個獨立無序知識元間網絡、互動與衍生等關系，進而在分析層總結凝練出復雜關系網絡中的技術情報。

2 技術發展辨識

技術發展辨識主要是指對某一領域內已有技術或知識元從技術發展現狀；技術生命周期；宏觀區域、中觀省市、微觀競爭主體研發能力五個維度進行數據挖掘研究，通過統計分析與技術生命周期模型挖掘技術間時序互聯關系，呈現該領域發展時序趨勢；通過聚類算法與組合指標賦權模型挖掘地域間技術研發互聯關系，呈現該領域產業創新研發趨勢。

2.1 發展時序趨勢

如圖2所示，中國打包機械技術領域專利申請呈現兩個發展階段。

圖2 1985—2019年打包機械技術專利申請量年度分布情況Fig.2 Annual distribution of patent applications for packaging machinery technology from 1985 to 2019

(1)緩慢發展階段(1985—2004年)，自1985年中國打包機械技術領域專利[15-17]申請首次出現以來，專利申請總量較少，平均每年增幅為5件左右，且多次出現波動。

(2)高速發展階段(2004—2019年)，專利申請總量呈現井噴式增長，僅在2019年出現波動。

(3)對該技術領域專利申請總量通過指數曲線回歸模型對累計百分比進行偏差分析，y=1.203 5e0.170 3x(R2=0.929 1)說明曲線與數據線擬合效果較好，表明該領域總體發文量呈現指數式增長規律，說明中國打包機械技術研究正在逐步受到關注與重視。

結合專利申請年度變化趨勢與技術生命周期模型，如圖3所示，可知：

圖3 1985—2019年打包機械專利技術生命周期模型Fig.3 Technology life cycle chart of packaging machinery technology patent from 1985 to 2019

(1)該領域技術發展呈現螺旋式漸進的特點，專利技術經歷了4次周期性回環，呈現了技術發展孕育和突破過程。

(2)1985—1999年，為技術起步階段，1999年后技術發展呈現螺旋式漸進的特點并持續至2008年，該階段專利技術經歷了兩次周期性回環。

(3)2005—2008年，該領域技術發展呈現穩定的特點，專利申請數量穩步提升、申請人數量基本穩定，說明該年段研發主要動力源自占領市場份額，研發技術類型多為改良設計導向。

(4)2008年后，周期性回環增大，表明技術發展速度加快，技術成熟度開始提前顯現。

2.2 產業研發趨勢

利用專利申請總量、專利授權總量、發明專利申請總量、實用新型專利申請總量、外觀設計專利申請總量5組統計所得專利指標構成指標組合。其中，申請與授權總量，表征專利意識強弱與技術熱度(由聚集效應帶來的量變，極大可能促進高質量強度專利甚至核心專利的出現)；發明總量、實新總量和外觀總量分別從技術的先進性、市場應用的前瞻性和市場競爭的激烈性3個方面表征專利活動質量[18]。利用基于變異系數的賦權模型，得出不同評價因素下的上述5組專利指標權重系數，相較于原始數據單獨呈現地區技術研發能力時所缺乏的客觀性，該模型能更有效地將不同量綱原始數據轉化成無量綱評價值，以達到對技術研發能力客觀、有效和直接的表征。具體計算式為

(1)

(2)

Pi=AiQ1+CiQ2+DiQ3+EiQ4+FiQ5，

i=1,2，…，n,n=31

(3)

式中：Bi為變異系數；σi為標準差；Xi為平均值；Qi為權重系數；Pi為研發能力評價值；Ai為專利申請總量，件；Ci為專利授權總量，件；Di為發明申請總量，件；Ei實用新型專利申請總量，件；Fi為外觀專利申請總量，件。

基于上述專利指標組合與模型(如表2)，在宏觀區域層面，如表3所示，可知：

表2 組合指標賦權模型

表3 1985—2019年打包機械技術區域聚類及研發 能力綜合評價匯總

(1)中國打包機械產業技術研發能力按地域由弱到強可劃分為5個聚類，長江三角洲區域與珠江三角洲區域體現出較強的研發實力。

(2)中東部部分地區及西部及邊疆地區，區域內創新意識和研發條件匱乏，專利活動整體水平較差，專利申請數量少。

(3)整體上，中國打包機械產業技術的發展與當地經濟發展和區域產業優勢關聯密切，且呈現局部集中度高、發展及分布不均的特點。

在中觀省市層面，如表3所示，可知：

(1)江蘇省排名第一為中國該領域技術輸出重鎮，在各方面表現都比較優異，體現出較強的研發實力；

(2)浙江省、廣東省、在該領域的研發能力總體位居第二聚類，技術實力較為平均。兩省專利申請數量比率和授權比率都比較高，分別為15.33%、55.56%；12.69%、60.84%；但需要指出的是專利結構方面，兩省發明專利申請量所占比例偏低分別為22.00%、20.60%。

在微觀競爭主體層面，如表4和圖4所示，可知：

表4 1985—2019年打包機械技術競爭主體分布

圖4 1985—2019年打包機械技術專利申請集中度雷達圖Fig.4 Radar chart of patent concentration of packaging machinery technology application in china from 1985 to 2019

(1)該技術領域主要競爭主體為民營和股份制企業，從發明專利申請量占比來看其核心技術也主要掌握在民營和股份制企業的手中；其他類型競爭主體占據比例較小。

(2)在2 178個競爭主體中，絕大部分申請專利數等于1件，所占比例為70.07%；申請專利數為2～5件，所占比例為24.42%；其余四類申請件數所占比例總和僅為5.50%?？梢娫擃I域我國競爭主體研發實力集中度分散，尚未形成技術研發聯盟，也不存在專利壟斷風險。

(3)申請件數排名前三競爭主體分別為，上海力以電氣有限公司申請量為54件，占比為2.49%，主要研發方向為打包機械控制張力裝置、捆扎裝置和固定捆扎材料兩端粘合方法；杭州永創智能設備股份有限公司申請量為52件，占比為2.41%，主要研發方向為打包機械零部件、打包機械使用輔助裝置與自動化控制裝置等；吳中經濟技術開發區越溪斯特拉機械廠申請量為42件，占比為1.94%，主要研發方向為打包機械復式或擺動式推出器、夾持器和配箱盒、紙板箱、或紙板箱坯料等。作為研發領域的頭部力量，上述公司專利結構合理，整體研發實力強。

3 技術機會分析

技術機會分析主要是指對某一技術領域內已有技術或知識元進行互聯關系挖掘研究，通過專利系數測算與分析挖掘技術重熱點領域，再通過關聯網絡模型挖掘技術重熱點領域間相互關系態勢，梳理出該領域可能出現的技術形態或技術發展點，從而推測未來可能的技術機會。

國際專利分類法是目前國際上通用的專利文獻分類方法，基于國際專利分類法(IPC)小組分類的方法，在已構建我國打包機械技術專利數據庫的基礎上，選取發明專利申請量排名前10的技術領域進行專利系數測算與分析[19-20]，如表5所示，可知：

表5 1985—2019年打包機械技術重熱點領域分析

(1)排名前10位技術領域最近三年(2016—2019年)平均技術增長率為0.45，平均技術成熟系數為0.30，說明該技術領域的創新難度較以往相對增大，整體發展潛力有所下降。

(2)B65B13/18和B30B9/30領域的專利數量所占比例較大，是打包機械的重要技術領域；二者最近三年平均技術增長率分別為0.61和0.33，平均技術成熟系數為0.25和0.18；由此可知B65B13/18領域技術發展潛力尚存，但創新難度有所加大；B30B9/30領域技術發展潛力較低，且接近技術成熟期。

(3)B65B13/20領域和B65B61/06領域最近三年平均技術增長率較高，基本達到0.65左右，是打包機械的熱點技術領域，但創新難度較大。

構建IPC分類小組間關聯網絡模型，挖掘技術重熱點領域間互聯發展態勢，并推斷該領域可能出現的新技術形態或新技術發展點[21-22]。如圖5所示，節點間連線的寬度與藍色深度表征了關聯程度的強弱，可知：

圖5 技術領域關聯網絡模型Fig.5 Technology domain association network model

(1)B30B9/30領域和B30B15/00領域有極強的關聯性，但并不處于核心節點的位置。

(2)B65B13/02領域、B65B13/18領域和B65B13/02領域在整個關聯網絡中具有很強的關聯性，B65B13/18領域處于核心節點的位置，可知B65B13/18是核心技術領域，且關聯項有可能成為新的技術發展點。

4 結論

利用組合賦權-關聯網絡模型、K-means聚類算法與Apriori算法設計一種專利挖掘分析技術路徑，構建我國打包機械技術專利數據庫，進行數據挖掘、計量分析與可視化分析?；诜治鼋Y果，得出以下結論和建議。

(1)發展時序趨勢，自1985—2018年以來中國打包機械專利申請量持續提升，發展初期在螺旋式漸進的過程中歷經3次小規模周期回環，最終進入快速增長階段。目前該技術領域正處于技術再發展階段。

(2)產業研發趨勢，在宏觀區域層面呈現出局部區域集中度高、區域發展程度及分布不均的特點；在中觀省市層面，江蘇省為中國該領域技術輸出重鎮，在各方面表現都比較優異，體現出較強的研發實力；浙江、廣東為第二聚類，技術研發實力較為平均；在微觀競爭主體層面，該技術領域主要競爭主體為民營和股份制企業，頭部企業研發實力強勁，各競爭主體研發實力集中度分散，不易形成技術研發聯盟，也不存在專利壟斷風險。

(3)技術機會分析，中國打包機械技術領域創新難度較以往相對增大，整體發展潛力有所下降。其中捆扎機械零部件或在捆扎機械上使用的輔助裝置和用于打包或所用壓縮箱領域是打包機械的重要技術領域；前者技術發展潛力尚存，但創新難度有所加大；后者技術發展潛力較低，且接近技術成熟期；捆扎前壓縮或壓緊扎件的裝置領域和切割領域最近三年平均技術增長率較高，基本達到0.65左右，是打包機械的熱點技術領域，但創新難度較大。捆扎機械零部件或在捆扎機械上使用的輔助裝置技術處于核心節點位置，是核心技術領域，且關聯項有可能成為新的技術發展點，在企業與相關科研機構的研發中應給予重點關注。