張問采, 李端玲，2*

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 西安 710000； 2.北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院， 北京 100084)

作為包裝設(shè)備的主要分支，打包機(jī)械屬于外包裝設(shè)備，是將一個或多個包裝物用打包部件緊束在一起的機(jī)器，使包裝物便于運(yùn)輸、保管和裝卸。在近三年的發(fā)展中，國外采用智能控制與機(jī)器視覺識別技術(shù)對被包裝物進(jìn)行自動與快速包裝的此類設(shè)備在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成熟[1-4]。反觀中國，包裝行業(yè)總產(chǎn)值2017年已達(dá)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(lǐng)域技術(shù)水平仍然整體落后發(fā)達(dá)國家20年左右，在產(chǎn)品的開發(fā)、性能、質(zhì)量、可靠性、服務(wù)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(qiáng)國[9-11]。因此，若要該技術(shù)領(lǐng)域得以“由大做強(qiáng)”，首要的任務(wù)即是辨識中國目前該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢、產(chǎn)業(yè)研發(fā)能力，做到知己知彼搶占未來技術(shù)發(fā)展機(jī)會，為中國包裝行業(yè)在該領(lǐng)域的科技創(chuàng)新與研發(fā)提供決策參考和情報支撐。

目前，針對該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)挖掘與技術(shù)情報分析，大多在數(shù)據(jù)采集和分析內(nèi)容的選擇上存在主觀性過強(qiáng)的缺點(diǎn)。定量研究的數(shù)據(jù)挖掘分析方法，在該領(lǐng)域鮮見。同時，針對打包機(jī)械制造領(lǐng)域技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，市場化程度高的特點(diǎn)。如何選擇市場化主導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最具代表性的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)挖掘源，如何挖掘并量化的揭示該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與前沿動態(tài)；對于復(fù)雜技術(shù)與技術(shù)創(chuàng)新所涉及的多種因素間的關(guān)聯(lián)特征如何進(jìn)行深度挖掘并定量、定性的客觀表征，都是該領(lǐng)域數(shù)據(jù)挖掘與分析中亟待解決的關(guān)鍵問題。

因此，基于上述問題出發(fā)，選取集技術(shù)、法律和經(jīng)濟(jì)市場情報于一體的專利技術(shù)文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)挖掘源[12-14]，利用組合指標(biāo)賦權(quán)模型、K-means聚類算法、關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型與Apriori算法設(shè)計一種專利挖掘分析技術(shù)路徑，對中國打包機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建專利數(shù)據(jù)庫，以量化研究的方式，使雜亂無章的專利文獻(xiàn)信息具有縱覽全局、探究產(chǎn)業(yè)研發(fā)能力及未來技術(shù)機(jī)會發(fā)展的功能。

1 研究設(shè)計

設(shè)計一種專利挖掘分析技術(shù)路徑(如圖1所示)，依次通過數(shù)據(jù)層，選定檢索平臺；策略層，設(shè)計檢索與分析策略、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；挖掘?qū)?，對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析；最后通過整合總結(jié)形成技術(shù)發(fā)展分析層。

在數(shù)據(jù)層中，調(diào)研選定國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索平臺與中國專利全文平臺作為數(shù)據(jù)檢索源。

在策略層中，數(shù)據(jù)檢索策略設(shè)計，如表1所示。依據(jù)中國專利制度，專利文獻(xiàn)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(jié)果的客觀性及準(zhǔn)確性，將2019年12月31日后的專利數(shù)據(jù)予以排除，構(gòu)建該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，其中專利申請數(shù)據(jù)3 847條；發(fā)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(shè)計專利占比約為3.84%，總計148條。分析策略設(shè)計主要利用K-means聚類算法與組合指標(biāo)賦權(quán)模型從時序，地域宏觀、中觀、微觀角度實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展辨識；利用統(tǒng)計，關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型與Apriori算法實現(xiàn)技術(shù)機(jī)會分析。

表1 檢索策略設(shè)計

在挖掘?qū)又?，以IBM SPSS Modeler等軟件為支撐，利用策略層設(shè)計分析挖掘策略對打包機(jī)械相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，利用分析結(jié)果繪制可視化圖譜來構(gòu)建各個獨(dú)立無序知識元間網(wǎng)絡(luò)、互動與衍生等關(guān)系，進(jìn)而在分析層總結(jié)凝練出復(fù)雜關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)情報。

2 技術(shù)發(fā)展辨識

技術(shù)發(fā)展辨識主要是指對某一領(lǐng)域內(nèi)已有技術(shù)或知識元從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；技術(shù)生命周期；宏觀區(qū)域、中觀省市、微觀競爭主體研發(fā)能力五個維度進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘研究，通過統(tǒng)計分析與技術(shù)生命周期模型挖掘技術(shù)間時序互聯(lián)關(guān)系，呈現(xiàn)該領(lǐng)域發(fā)展時序趨勢；通過聚類算法與組合指標(biāo)賦權(quán)模型挖掘地域間技術(shù)研發(fā)互聯(lián)關(guān)系，呈現(xiàn)該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研發(fā)趨勢。

2.1 發(fā)展時序趨勢

如圖2所示，中國打包機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埑尸F(xiàn)兩個發(fā)展階段。

圖2 1985—2019年打包機(jī)械技術(shù)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(fā)展階段(1985—2004年)，自1985年中國打包機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠鸞15-17]申請首次出現(xiàn)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(xiàn)波動。

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

(3)對該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭客ㄟ^指數(shù)曲線回歸模型對累計百分比進(jìn)行偏差分析，y=1.203 5e0.170 3x(R2=0.929 1)說明曲線與數(shù)據(jù)線擬合效果較好，表明該領(lǐng)域總體發(fā)文量呈現(xiàn)指數(shù)式增長規(guī)律，說明中國打包機(jī)械技術(shù)研究正在逐步受到關(guān)注與重視。

結(jié)合專利申請年度變化趨勢與技術(shù)生命周期模型，如圖3所示，可知：

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

(1)該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)螺旋式漸進(jìn)的特點(diǎn)，專利技術(shù)經(jīng)歷了4次周期性回環(huán)，呈現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展孕育和突破過程。

(2)1985—1999年，為技術(shù)起步階段，1999年后技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)螺旋式漸進(jìn)的特點(diǎn)并持續(xù)至2008年，該階段專利技術(shù)經(jīng)歷了兩次周期性回環(huán)。

(3)2005—2008年，該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)穩(wěn)定的特點(diǎn)，專利申請數(shù)量穩(wěn)步提升、申請人數(shù)量基本穩(wěn)定，說明該年段研發(fā)主要動力源自占領(lǐng)市場份額，研發(fā)技術(shù)類型多為改良設(shè)計導(dǎo)向。

(4)2008年后，周期性回環(huán)增大，表明技術(shù)發(fā)展速度加快，技術(shù)成熟度開始提前顯現(xiàn)。

2.2 產(chǎn)業(yè)研發(fā)趨勢

利用專利申請總量、專利授權(quán)總量、發(fā)明專利申請總量、實用新型專利申請總量、外觀設(shè)計專利申請總量5組統(tǒng)計所得專利指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)組合。其中，申請與授權(quán)總量，表征專利意識強(qiáng)弱與技術(shù)熱度(由聚集效應(yīng)帶來的量變，極大可能促進(jìn)高質(zhì)量強(qiáng)度專利甚至核心專利的出現(xiàn))；發(fā)明總量、實新總量和外觀總量分別從技術(shù)的先進(jìn)性、市場應(yīng)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(zhì)量[18]。利用基于變異系數(shù)的賦權(quán)模型，得出不同評價因素下的上述5組專利指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，相較于原始數(shù)據(jù)單獨(dú)呈現(xiàn)地區(qū)技術(shù)研發(fā)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成無量綱評價值，以達(dá)到對技術(shù)研發(fā)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(shù)；σi為標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為平均值；Qi為權(quán)重系數(shù)；Pi為研發(fā)能力評價值；Ai為專利申請總量，件；Ci為專利授權(quán)總量，件；Di為發(fā)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(biāo)組合與模型(如表2)，在宏觀區(qū)域?qū)用妫绫?所示，可知：

表2 組合指標(biāo)賦權(quán)模型

表3 1985—2019年打包機(jī)械技術(shù)區(qū)域聚類及研發(fā) 能力綜合評價匯總

(1)中國打包機(jī)械產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)能力按地域由弱到強(qiáng)可劃分為5個聚類，長江三角洲區(qū)域與珠江三角洲區(qū)域體現(xiàn)出較強(qiáng)的研發(fā)實力。

(2)中東部部分地區(qū)及西部及邊疆地區(qū)，區(qū)域內(nèi)創(chuàng)新意識和研發(fā)條件匱乏，專利活動整體水平較差，專利申請數(shù)量少。

(3)整體上，中國打包機(jī)械產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢關(guān)聯(lián)密切，且呈現(xiàn)局部集中度高、發(fā)展及分布不均的特點(diǎn)。

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(lǐng)域技術(shù)輸出重鎮(zhèn)，在各方面表現(xiàn)都比較優(yōu)異，體現(xiàn)出較強(qiáng)的研發(fā)實力；

(2)浙江省、廣東省、在該領(lǐng)域的研發(fā)能力總體位居第二聚類，技術(shù)實力較為平均。兩省專利申請數(shù)量比率和授權(quán)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(jié)構(gòu)方面，兩省發(fā)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(jī)械技術(shù)競爭主體分布

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

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

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

(3)申請件數(shù)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(fā)方向為打包機(jī)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(chuàng)智能設(shè)備股份有限公司申請量為52件，占比為2.41%，主要研發(fā)方向為打包機(jī)械零部件、打包機(jī)械使用輔助裝置與自動化控制裝置等；吳中經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)越溪斯特拉機(jī)械廠申請量為42件，占比為1.94%，主要研發(fā)方向為打包機(jī)械復(fù)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(fā)領(lǐng)域的頭部力量，上述公司專利結(jié)構(gòu)合理，整體研發(fā)實力強(qiáng)。

3 技術(shù)機(jī)會分析

技術(shù)機(jī)會分析主要是指對某一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已有技術(shù)或知識元進(jìn)行互聯(lián)關(guān)系挖掘研究，通過專利系數(shù)測算與分析挖掘技術(shù)重?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，再通過關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型挖掘技術(shù)重?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域間相互關(guān)系態(tài)勢，梳理出該領(lǐng)域可能出現(xiàn)的技術(shù)形態(tài)或技術(shù)發(fā)展點(diǎn)，從而推測未來可能的技術(shù)機(jī)會。

國際專利分類法是目前國際上通用的專利文獻(xiàn)分類方法，基于國際專利分類法(IPC)小組分類的方法，在已構(gòu)建我國打包機(jī)械技術(shù)專利數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，選取發(fā)明專利申請量排名前10的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行專利系數(shù)測算與分析[19-20]，如表5所示，可知：

表5 1985—2019年打包機(jī)械技術(shù)重?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域分析

(1)排名前10位技術(shù)領(lǐng)域最近三年(2016—2019年)平均技術(shù)增長率為0.45，平均技術(shù)成熟系數(shù)為0.30，說明該技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新難度較以往相對增大，整體發(fā)展?jié)摿τ兴陆怠?/p>

(2)B65B13/18和B30B9/30領(lǐng)域的專利數(shù)量所占比例較大，是打包機(jī)械的重要技術(shù)領(lǐng)域；二者最近三年平均技術(shù)增長率分別為0.61和0.33，平均技術(shù)成熟系數(shù)為0.25和0.18；由此可知B65B13/18領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展?jié)摿ι写妫珓?chuàng)新難度有所加大；B30B9/30領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展?jié)摿^低，且接近技術(shù)成熟期。

(3)B65B13/20領(lǐng)域和B65B61/06領(lǐng)域最近三年平均技術(shù)增長率較高，基本達(dá)到0.65左右，是打包機(jī)械的熱點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，但創(chuàng)新難度較大。

構(gòu)建IPC分類小組間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型，挖掘技術(shù)重?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域間互聯(lián)發(fā)展態(tài)勢，并推斷該領(lǐng)域可能出現(xiàn)的新技術(shù)形態(tài)或新技術(shù)發(fā)展點(diǎn)[21-22]。如圖5所示，節(jié)點(diǎn)間連線的寬度與藍(lán)色深度表征了關(guān)聯(lián)程度的強(qiáng)弱，可知：

圖5 技術(shù)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Technology domain association network model

(1)B30B9/30領(lǐng)域和B30B15/00領(lǐng)域有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，但并不處于核心節(jié)點(diǎn)的位置。

(2)B65B13/02領(lǐng)域、B65B13/18領(lǐng)域和B65B13/02領(lǐng)域在整個關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，B65B13/18領(lǐng)域處于核心節(jié)點(diǎn)的位置，可知B65B13/18是核心技術(shù)領(lǐng)域，且關(guān)聯(lián)項有可能成為新的技術(shù)發(fā)展點(diǎn)。

4 結(jié)論

利用組合賦權(quán)-關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型、K-means聚類算法與Apriori算法設(shè)計一種專利挖掘分析技術(shù)路徑，構(gòu)建我國打包機(jī)械技術(shù)專利數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、計量分析與可視化分析?；诜治鼋Y(jié)果，得出以下結(jié)論和建議。

(1)發(fā)展時序趨勢，自1985—2018年以來中國打包機(jī)械專利申請量持續(xù)提升，發(fā)展初期在螺旋式漸進(jìn)的過程中歷經(jīng)3次小規(guī)模周期回環(huán)，最終進(jìn)入快速增長階段。目前該技術(shù)領(lǐng)域正處于技術(shù)再發(fā)展階段。

(2)產(chǎn)業(yè)研發(fā)趨勢，在宏觀區(qū)域?qū)用娉尸F(xiàn)出局部區(qū)域集中度高、區(qū)域發(fā)展程度及分布不均的特點(diǎn)；在中觀省市層面，江蘇省為中國該領(lǐng)域技術(shù)輸出重鎮(zhèn)，在各方面表現(xiàn)都比較優(yōu)異，體現(xiàn)出較強(qiáng)的研發(fā)實力；浙江、廣東為第二聚類，技術(shù)研發(fā)實力較為平均；在微觀競爭主體層面，該技術(shù)領(lǐng)域主要競爭主體為民營和股份制企業(yè)，頭部企業(yè)研發(fā)實力強(qiáng)勁，各競爭主體研發(fā)實力集中度分散，不易形成技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟，也不存在專利壟斷風(fēng)險。

(3)技術(shù)機(jī)會分析，中國打包機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新難度較以往相對增大，整體發(fā)展?jié)摿τ兴陆?。其中捆扎機(jī)械零部件或在捆扎機(jī)械上使用的輔助裝置和用于打包或所用壓縮箱領(lǐng)域是打包機(jī)械的重要技術(shù)領(lǐng)域；前者技術(shù)發(fā)展?jié)摿ι写?，但?chuàng)新難度有所加大；后者技術(shù)發(fā)展?jié)摿^低，且接近技術(shù)成熟期；捆扎前壓縮或壓緊扎件的裝置領(lǐng)域和切割領(lǐng)域最近三年平均技術(shù)增長率較高，基本達(dá)到0.65左右，是打包機(jī)械的熱點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，但創(chuàng)新難度較大。捆扎機(jī)械零部件或在捆扎機(jī)械上使用的輔助裝置技術(shù)處于核心節(jié)點(diǎn)位置，是核心技術(shù)領(lǐng)域，且關(guān)聯(lián)項有可能成為新的技術(shù)發(fā)展點(diǎn)，在企業(yè)與相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)中應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。