石 慧 潘云濤 趙筱媛 蘇 成

（中國科學技術信息研究所，北京 100038）

0 引言

顛覆性技術最早是由美國學者C. Christensen教授[1]提出的，是指從低端或邊緣市場切入，以簡單、方便、便宜為初始特征，通過不斷改進與完善性能，對已有技術造成顛覆性影響的技術。從字義上看，顛覆性技術就是指對行業(yè)主流產品造成一定程度顛覆的技術，不遵循傳統(tǒng)技術的發(fā)展思路和技術路線，可產生巨大的效益。例如，數字技術在照相領域的應用顛覆了傳統(tǒng)的膠片照相技術，導致柯達等主流企業(yè)的衰敗，最終走向了沒落[2]。

顛覆性技術產生的內因是主流市場存在大量性能過剩：在位企業(yè)通過不斷研究開發(fā)新技術來改進產品性能，以應對激烈的市場競爭，但是技術進步的速度往往超過消費者實際需求的性能改進速度，從而產生性能過剩，導致消費者被過度服務。部分消費者根本無法利用產品的更多功能，消費者的邊際效用降為零，對便宜而性能簡單的產品提出了新的需求。與在位企業(yè)維護自身現(xiàn)有利益相比，新興的中小企業(yè)利用具有簡單化、便捷性等特點的技術滿足低端市場或非主流市場的需求來獲得立足和發(fā)展。因此顛覆性技術是指從市場角度出發(fā)，初期服務對象為新客戶/潛在客戶，具有明確的取代對象且便宜、方便等特點，從低端市場或新市場開始發(fā)展，逐漸取代主流市場和在位企業(yè)的技術。

實踐已經并將繼續(xù)證明，誰能及時發(fā)現(xiàn)并部署推動顛覆性技術，誰就可贏得當今全球化競爭的發(fā)展先機[3]。但是，由于技術發(fā)展的不確定性，任何一項技術在成為顛覆性技術之前很長一段時間內不被大眾所關注，因此顛覆性技術的早期識別和預測一直是個難點。

目前，潛在顛覆性技術識別的方法大致分為以下5 大類：德爾菲法（專家意見法）、指標預測法、技術路線圖法、情景分析法、文獻計量法。其中，德爾菲法是典型的以專家意見為基礎的識別和預測方法，預測結果的準確性主要依靠專家的知識基礎和對新技術的敏感性，存在一定程度上的主觀性，一般比較多地應用在國家層面的預測[4-7]；技術路線圖是一種靈活的方法，是一種結構化、圖形化的技術規(guī)劃管理工具[8-12]，但該法主要關注技術、產品等要素，較少關注外部環(huán)境的變化，具有一定局限性；情景分析法的基本思想是認為影響某一事物發(fā)展的因素是眾多的，較全面地考慮到未來發(fā)展的各個情景，考慮問題較全面[13-15]，但該方法需要耗費較多的時間和精力掌握內外部環(huán)境信息；指標預測法就是要構建指標評估框架，易操作、簡單有效[16-18]，但評判指標的提出和確定很困難，對于不同技術領域指標的確定不盡相同，沒有形成一套統(tǒng)一的評判指標體系，缺乏通用性；文獻計量法就是利用專利、論文或網絡數據等作為數據源，進行識別[19-23]。文獻計量法中的網絡數據存在很大的不真實性，數據的篩選有較大的困難，而專利和論文則蘊含豐富可挖掘的技術信息：創(chuàng)新思想和前沿技術往往會先通過學術論文（包括會議論文、期刊論文等）呈現(xiàn)出來，專利則是將科學研究成果和創(chuàng)新思想轉化為實用型技術的結果體現(xiàn)。專利體現(xiàn)的創(chuàng)新能力與學術論文相輔相成[24]，用來進行早期顛覆性識別，可以較客觀地得出結論。因此，本文擬選用論文和專利兩種數據源，進行整合，深度挖掘，對顛覆性技術的早期識別進行初步探討。

1 研究思路及數據準備

本文從某一特定領域的論文和專利數據出發(fā)，通過對論文數據劃分分析時間窗，分析主題詞在時間窗內的突變情況，利用CiteSpace軟件對專利進行突變監(jiān)測，得到德溫特專利手工代碼的sigma值大小，在結果中綜合某項技術對應主題詞在時間窗內突變的情況和該技術領域手工代碼的創(chuàng)新性進行綜合分析，判斷該項技術是否是潛在的顛覆性技術，具體流程如圖1所示。

按照特定的檢索策略，從Derwent Innovations Index（DII）數據庫中下載專利文獻。在Web of Science（WoS）核心合集數據庫中按照較優(yōu)的檢索策略下載同一研究領域的論文。

德溫特手工代碼是德溫特專利數據庫的一大特色，由德溫特的標記人員分配給專利，構成一個分類結構的等級體系，按等級排列，標記符號越多，代碼越精確，所代表的技術范圍越明確。每個專利對應一個以上的德溫特手工代碼，反映了專利的核心內容和創(chuàng)新之處[25]。因此本次專利分析是使用手工代碼，但由于CiteSpace軟件在處理德溫特專利數據時，將德溫特分類代碼作為處理關鍵詞的字段，因此在進行正式分析前，要對專利數據進行預處理，采取的方法是借助Excel軟件將德溫特手工代碼替換成可處理的德溫特分類代碼。

圖1 研究思路流程圖

2 數據處理與分析

2.1 專利數據處理與分析

突變監(jiān)測（Burst Detection）算法是Kleinberg于2002年提出的[26]，通過詞出現(xiàn)時的密度而不是時間的長短識別出頻次相對增長率突然增加的詞，即突變詞。專利數據時間段的選取與論文的時間范圍一致，用CiteSpace軟件的突變監(jiān)測算法對專利數據進行分析，在結果中基于sigma值來實現(xiàn)專利手工代碼共現(xiàn)，得到基于sigma值的手工代碼共現(xiàn)圖譜，根據圖譜進行技術領域創(chuàng)新性的總體分析。結合sigma值排名前十的手工代碼進行具體分析，根據專利手工代碼的sigma指數大小來識別具有創(chuàng)新性的技術研究領域。sigma指數是陳超美教授于2009年提出來的測度科學創(chuàng)新能力的一個計量指標，用于確定具有創(chuàng)新性的科學文獻[27]。Σ（Sigma）的公式可表示為：

其中，Centrality為中介中心性值，表示一個主題詞的影響力和重要程度；burstness為激增（Burst）指數的值，表示一個主題詞自身的熱點程度。若某技術領域手工代碼的Σ值越高，則表明其創(chuàng)新性越高，越有可能是研究的前沿和潛在的顛覆性技術。

2.2 論文數據處理與分析

將下載論文按照一定的標準（例如論文的數量以及重要的時間節(jié)點等）劃分分析時間窗，由于代表顛覆性技術的主題詞一般在前期不被大眾所關注，主題詞出現(xiàn)頻率不高，因此通過主題詞頻率進行主題詞的顛覆性判斷在某種程度上是行不通的，因此筆者在本文中是基于時序差別的主題詞突變進行識別，通過判定主題詞在分析時間窗內是否滿足突變情況以及滿足突變情況的種數來判斷該主題詞所代表的某類技術是否是潛在的顛覆性技術。主題詞的突變分為新主題詞的出現(xiàn)、新形式新內容的出現(xiàn)、多主題的融合3 種情況。

（1）新主題詞的出現(xiàn)。如果某類新主題詞在某個時間窗內第一次出現(xiàn)后，又接連在3 個及以上（總時間窗個數大于4）的時間窗內出現(xiàn)，那么該主題詞很有可能代表某新興技術的萌芽，并且有研究者一直在進行該方面的研究，說明該研究有一定意義并且將可能取得一定的突破。將這種突變情況作為潛在顛覆性技術的條件之一。

（2）新形式、新內容的出現(xiàn)。如果某類關鍵詞在某個時間窗口第一次出現(xiàn)后，在接下來的時間窗內接連出現(xiàn)，并且該類主題詞具體內容或表現(xiàn)形式發(fā)生了一定程度的變化，說明該類主題詞持續(xù)被研究并且在研究上很有可能取得了新的突破。將此作為潛在顛覆性技術的另一條件。

（3）多主題的融合。如果某兩類主題詞在某個時間窗內融合成新主題詞后，新主題詞在接下來的時間窗內和其類主題詞再次融合成一個新主題詞，并且每一次融合都有一定形式或內容上的突破，則這幾類主題詞的融合有可能產生突破性創(chuàng)新，因此該種情況也是潛在顛覆性技術的條件之一。用主題詞融合率來判斷兩個主題詞是否融合，如果主題詞融合率≥0.5，則認為兩個主題詞融合成新的主題詞。其中，主題詞融合率公式為：

其中，Ai是第i個時間窗內的主題詞，Ai-1是第i-1 個時間窗內的主題詞，coin（Ai，Ai-1）指兩個主題詞的重復字數，min（Ai，Ai-1）指Ai和Ai-1中字數較少的主題詞所包含的字數。

2.3 綜合結果分析

基于論文主題詞在時間窗口序列上的變化情況來判斷其是否是潛在的顛覆性技術，基于突變監(jiān)測得到的手工代碼sigma值來判斷某個技術領域研究的創(chuàng)新性，綜合兩種數據源的分析結果用四分圖來客觀判斷某類主題詞所代表的技術領域是否具有顛覆性，如果某類主題詞滿足某一種或某幾種突變情況，而且該類主題所涉及的技術研究領域具有很高的sigma值，即具有很強的創(chuàng)新性，那么將其作為潛在顛覆性技術。

3 實證研究

現(xiàn)選擇電動/混合動力汽車所用的鋰電池技術發(fā)展進行實證分析驗證。

3.1 原始數據下載

以WoS核心合集數據庫為論文來源數據庫 中，利用TS=((electr* NEAR/2 vehicle* OR hybrid NEAR/2 vehicle*) AND (“l(fā)ithium batter*” OR “l(fā)ithium cell*” OR “l(fā)i batter*” OR “l(fā)i cell*” OR “l(fā)ithium-ion batter*” OR “l(fā)ithium-ion cell*” OR “l(fā)i-ion batter*” OR “l(fā)i-ion cell*”))為檢索式，檢索時間段設為1998年至2010年下載論文數據。在DII數據庫中利用檢索式TI=((electr* NEAR/2 vehicle* OR hybrid NEAR/2 vehicle*) AND (“l(fā)ithium-ion batter*” OR “l(fā)ithium-ion cell*” OR “l(fā)i-ion batter*” OR “l(fā)i-ion cell*” OR “l(fā)ithium batter*” OR “l(fā)ithium cell*” OR “l(fā)i batter*” OR “l(fā)i cell*”))下載1998年至2010年的專利，下載時間是2018年1月2日。

3.2 論文主題詞分析

將1998年至2010年的論文數據導入CiteSpace軟件，時間跨度設置為1998年至2010年，單個時間片長度選為2年，即以2年的時間對論文進行時間切片；主題詞來源選擇標題、摘要、系索詞和標識詞；術語類型選擇Burst Term；節(jié)點類型選擇KeyWord；閾值設置為Top 50，即每時間片長度中選取被引頻次最高的前50 個節(jié)點；其他選擇默認值。得到的sigma值排名前十的主題詞如表1所示。從表1可看出，前六名的主題詞分別是電池、鋰電池、電動汽車，這是所選電動汽車/混合動力汽車所用鋰電池領域的主要主題詞。排名第七的聚合物電解質和第八的電極都是對電池電極進行研究，說明對電極的研究具有創(chuàng)新性。排名第九的磷酸鐵鋰和第十的六氟磷酸鋰屬于電極材料，電極材料屬于電極研究的一個領域。

由表1可知，電極材料的研究是極具創(chuàng)新性，本文以電極材料領域的具體主題詞在不同分析時間窗內的突變情況進行研究。由各年論文的數量來看，2010年的論文數量比較多，之前年份的論文數量都相對較少，因此將1998年至2009年的論文按照2年的時間進行切片，2010年的論文數據單獨作為一個分析時間窗，對所有時間窗內有關電極材料的主題詞進行抽取，得到的主題詞如表2所示。

表1 1998—2010年論文∑(sigma)值排名前十的主題詞

碳基材料是以碳主導的一系列材料，從表2看出，碳基材料（碳）在第1 個時間窗第一次出現(xiàn)后，在接下來的6 個時間窗內都出現(xiàn)了，說明碳基材料從開始作為鋰電池電極材料以來，一直都是電極材料研究的熱點，符合第1 種突變情況。在第4 個時間窗內碳的內容和形式開始出現(xiàn)了變化，除碳和石墨外，開始出現(xiàn)了包覆石墨、石墨層間化合物。其中包覆石墨具有循環(huán)壽命長和與電解液有很好的相容性等特點，很好地解決了石墨與電解液相容性差、首次充放電可逆容量低、不適合大電流充放電、循環(huán)性能差等問題；石墨層間化合物也稱為膨脹石墨，具有超強導電性。第6 個時間窗內出現(xiàn)了碳納米管，碳納米管是由單層或多層同軸炭片層組成的“具有類似于是石墨層狀結構”的材料，具有很好的電子傳導和離子運輸能力。第7 個時間窗內出現(xiàn)了石墨烯，石墨烯是最薄也是最堅硬的納米材料，在電池導熱、導電性、電池穩(wěn)定性、安全和電子遷移率等方面都較傳統(tǒng)石墨有很大的優(yōu)勢。從第1 個時間窗內碳材料到第7 個時間窗內石墨烯材料，碳基材料在形式和內容上不斷有新的發(fā)展和突破，滿足第2 種突變情況。將滿足兩種突變情況的石墨烯技術作為候選潛在顛覆性技術之一。

表2 各時間窗口內電極材料主題詞列表

由表2可看出，磷酸鐵鋰（LiFePO4）在第5 個時間窗口內開始出現(xiàn)后在接下來的3 個時間窗口都出現(xiàn)了，說明磷酸鐵鋰材料一直是研究熱點，滿足第1 種突變情況。從表1也可看出，磷酸鐵鋰的研究是非常具有創(chuàng)新性的。從第5 個時間窗內的磷酸鐵鋰到第6 個時間窗內的碳包裹磷酸鐵鋰（LiFePO4/carbon）再到第7 個時間窗內的納米碳包裹磷酸鐵鋰（LiFePO4/carbon nanocomposite），磷酸鐵鋰在形式和內容上不斷取得新進展。LiFePO4因化學性能穩(wěn)定、儲量豐富、價格低廉和環(huán)境友好等優(yōu)點備受科學家關注，是目前商業(yè)化的鋰離子電池正極材料之一，但其緩慢的鋰離子擴散速率和較差的導電性嚴重抑制鋰離子電池的充放電速率和電化學性能。碳包裹是一種提升LiFePO4倍率性能和循環(huán)壽命的重要方法，可以增強LiFePO4的導電性、減少電極的極化效應并使鋰離子的脫嵌更加容易。而減少顆粒大小以及制備碳包覆納米復合材料更是解決上述LiFePO4存在問題的有效途徑，滿足主題詞第2 種突變情況。碳與磷酸鐵鋰還有碳包裹磷酸鐵鋰與納米碳磷酸鐵鋰的主題融合率都不低于0.5，說明這些主題詞實現(xiàn)了一定形式或內容上的融合，滿足第3 種突變情況。碳納米管和石墨烯作為納米碳單質，對于LiFePO4性能改善的研究是十分有意義的，因此將滿足3 種突變情況的納米碳包裹的LiFePO4技術作為候選的潛在顛覆性技術之一。

從表2可看出，第4 個時間窗內出現(xiàn)了納米聚合物這樣一個新關鍵詞后，接下來連續(xù)3 個時間窗口都出現(xiàn)了在形式和內容上發(fā)生很大變化的納米材料，第5 個時間窗口出現(xiàn)了納米線、納米管，第6 個時間窗口出現(xiàn)了納米硅，第7 個時間窗內出現(xiàn)了碳納米管，滿足第1 種突變情況。將納米材料運用于鋰離子電池時具有很多獨特的物理和化學性質，比如大電流下充放電時具有電極極化程度小、可逆容量高、循環(huán)壽命長等特點。碳鈉米管代替石墨作為鋰電池負極材料，可以大幅提高鋰電池容量，而且碳鈉米管除具有一般納米粒子的尺寸效應外，還具有力學強度大、柔韌性好、電導率高等獨特的性質，成為聚合物復合材料理想的增強體。從納米復合材料到納米棒再到碳鈉米管，納米材料在形式和內容上不斷取得新突破，滿足突變的第2 種情況，將碳鈉米管作為候選的潛在顛覆性技術之一。

3.3 專利數據分析

專利表征技術上的創(chuàng)新，將1998—2010年的專利數據導入CiteSpace軟件，時間跨度設為1998—2010年，單個時間片長度選為2年；主題詞來源選擇標題、摘要、系索詞和標識詞；術語類型選擇Burst Term；節(jié)點類型選擇KeyWord；閾值設置為Top50，即每個時間片長度中選取被引頻次最高的前50 個節(jié)點；其他的選擇默認值。得到基于高sigma值顯示的手工代碼共現(xiàn)圖如圖2所示。從圖2中看出，x21、x16 和L03 三者占有很大的比重，x21 含義是電動汽車，其中x21-b01()比重最大，含義是對于電池的充電狀態(tài)、效率等進行管理；x16 含義是電化學存儲，其中sigma值最大的手工代碼是x16-e01 類，含義是活性材料，具體包括一些有機、無機化合物還有納米材料等，說明這類材料的研究是極具創(chuàng)新性的；l03 類的手工代碼都集中在l03-e01 類中，l03-e01 含義是初次和二次電池電極的組成部分，其中就包括了鉛電極、空氣或氧氣電極、石墨電極、鎳鎘電極，說明這幾個電極材料的研究也具有創(chuàng)新性，其中包括屬于石墨電極的石墨烯材料。

圖2 基于∑(sigma)值的手工代碼共現(xiàn)圖

表3 ∑(sigma)值排名前十的手工代碼

sigma值排名前十的手工代碼具體如表3所示。從表中可看出，與電極材料代碼有關的有4個，分別為排名第一的x16-e01c，含義為無機化合物，主要包括各類含鋰的化合物，比如磷酸鐵鋰、磷酸鎳鋰等，石墨烯和碳鈉米管都是由碳原子組成，也屬于無機化合物，說明這類電極材料的研究是極具創(chuàng)新性的；排名第四的l03-e01b5b，含義是鋰基電極，包括各種鋰化合物，其中包括磷酸鐵鋰；排名第五的x16-e01 大類包括有機化合物、無機化合物還有活性材料等，含括納米碳包裹的磷酸鐵鋰、石墨烯和碳納米管；排名第九的x16-e01c1 含義是氧化物和氧化復合物，包括磷酸鐵鋰等鋰基氧化物。

3.4 綜合分析

綜合主題詞突變情況和專利手工代碼的sigma值大小情況，將主題詞滿足突變情況種數和所屬創(chuàng)新性技術領域個數分別為橫、縱坐標作四分圖（橫縱坐標交叉點為突變種數和創(chuàng)新性領域個數的平均值），如圖3所示。納米碳包裹的磷酸鐵鋰處于圖3的右上角，突變情況種數和所屬技術領域個數均高于平均值，屬于納米材料的碳納米管在橫坐標上也超過平均值，兩者的研究極具創(chuàng)新性，而且碳納米管屬于碳的同素異形體，因此碳納米管與磷酸鐵鋰相結合的產物在接下來的幾年也將是極具顛覆性，將其作為潛在顛覆性技術之一。石墨烯滿足突變情況種數處于平均值以上，所屬技術領域個數與平均值相同，是富有顛覆性的技術，將其作為潛在顛覆性技術。

2010年諾貝爾物理學獎頒發(fā)給了石墨烯發(fā)明者安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，自此石墨烯鋰電池成為公認的鋰電池領域中的顛覆性技術，這與本文實證結果相同。碳納米管和納米碳包裹的磷酸鐵鋰目前還不是公認的顛覆性技術，但都是極具顛覆前景的技術。

4 結論

（1）本文提出一種顛覆性技術的早期識別方法，通過某類早期頻次不高的主題詞基于時序的突變情況，分析其是否可作為候選的顛覆性技術，再依據手工代碼的sigma值大小判斷該類主題詞所屬研究領域是否具有創(chuàng)新性，最后以主題詞突變情況種數和所屬創(chuàng)新性領域個數為橫縱坐標作四分圖，由主題詞在四分圖中的位置判斷是否將其作為潛在的顛覆性技術。該方法屬于文獻計量的方法，但與已有的從專利和論文主題詞識別“顛覆性技術”不同，本文不僅分析主題詞的頻數變化，而且分析論文主題詞和專利手工代碼的突變情況，其中提出論文主題詞的3 種突變情況，分析主題詞在連續(xù)時間窗內的變化，給后續(xù)的研究提供一定的參考。

圖3 主題詞四分圖

（2）利用論文與專利兩種數據，對電動汽車/混合動力汽車所用鋰電池技術進行了上述方法的實證研究。效果驗證表明，石墨烯、碳納米管、納米碳包裹的磷酸鐵鋰都是極具顛覆性的鋰電池技術。本文所提方法是基于文獻的客觀分析法，具有可操作性，結果具有一定的可靠性，可為學者們在該方面的研究提供一定參考。

（3）本文的研究尚存在不足之處：實證研究人抽取主題詞的過程帶有主觀性。有待今后對識別方法進一步細化和改進，將屬于同一技術領域的主題詞進行自動提取聚類，減少人為抽取劃分主題詞的主觀性和不嚴謹性，對手工代碼所代表的技術領域進行更為細致的劃分，不斷完善這一方法體系。