彭依迪，郭筱虹，王可欣

（1.中南大學商學院，湖南長沙 410083；2.湖南工業(yè)大學圖書館，湖南株洲 412007）

1 文獻回顧

在國際關系日益復雜多變與傳統(tǒng)制造業(yè)亟須轉型升級的背景下，我國高速列車技術領域部分核心技術依然面臨“卡脖子”困境。核心技術空心化不僅制約了制造業(yè)中關鍵零部件的獲取，而且抑制了復雜性產品的產業(yè)升級［1］。高速列車作為制造業(yè)轉型升級的規(guī)范性產品代表，更加需要關注核心技術領域。有別于制造業(yè)中的一般技術，核心技術具有創(chuàng)新性強、影響力重大、后續(xù)技術難以規(guī)避等特點［2］。現(xiàn)有研究已在核心技術價值、內在機理等方面進行初步探索，例如Ransbotham 等［3］提出核心技術是企業(yè)技術創(chuàng)新與技術轉型的關鍵；Taylor 等［4］在研究企業(yè)收購對估值的影響中發(fā)現(xiàn)，通過收購獲得核心技術有利于降低購置成本；孟東輝等［1］則基于清華大學與蘇州綠控傳動科技有限公司共同研發(fā)的自動機械變速箱（AMT）技術，針對核心技術內在結構與突破模式等問題展開探索。

對世界知識產權的研究表明，全球90%以上的技術成果體現(xiàn)在專利文獻中［5］。隨著數據庫知識發(fā)現(xiàn)、數據挖掘等計算機科學技術的興起，專利信息作為衡量企業(yè)、研究機構、國家等實體知識產權、創(chuàng)新與技術水平最為直接的指標［6］，成為戰(zhàn)略管理重要的信息來源，采用專利分析進行核心技術的相關研究受到越來越多學者的青睞，例如，馬永濤等［7］探討了核心專利與核心技術之間的關系，認為核心專利能夠代表行業(yè)內核心技術的動向；亢川博等［2］基于專利的被引頻次、專利維持年限、專利權人數量等數據形成綜合衡量指標體系，以識別核心專利；商琦等［8］通過分析專利被引、專利權人分布、技術分布以及自引證技術演化路線，挖掘獲得全球邊緣計算領域核心專利；袁潤等［9］則通過構建核心專利識別的綜合分析框架，為戰(zhàn)略性新興產業(yè)的發(fā)展和決策提供情報依據。

作為我國新興戰(zhàn)略性產業(yè)的代表，高速列車屬于涵蓋機械、力學、光學、電子、電氣、計算機、材料等學科領域的大型復雜產品［10］，是我國高端裝備“走出去”的重要標志。已有研究采取專利分析方法對我國高速列車技術演進進行探索，如黃永春等［11］立足于專利授權的變化趨勢分析高速列車技術演化軌跡，以探究技術趕超的時機選擇，然而，少有研究采用專利分析法圍繞高速列車核心技術識別與突破展開研究，且將專利引文與社會網絡方法相結合分析核心技術動態(tài)演化的研究也較為缺乏。為此，本研究以高速列車產業(yè)為例，通過構建全球專利引文網絡，識別高速列車技術發(fā)展各個階段的核心技術，同時分析核心技術演進過程中各國的技術實力與核心主體的研發(fā)合作模式，為我國有關企業(yè)在技術領域與技術合作模式的選擇提供參考。

2 專利引文網絡與核心技術識別

由于專利包含大量極具戰(zhàn)略價值的信息，越來越多學者將專利分析方法作為研究手段。專利引用分析是其中一種重要的專利計量方法。引用代表施引主體與被引主體之間的知識流動，能夠體現(xiàn)技術發(fā)展的連續(xù)性與延伸性［12］。如果一項專利被后續(xù)專利引用，說明被引專利所包含的知識或技術對施引主體而言具有價值，因此，被引頻次能夠作為反映專利價值的重要指標之一［13］。欒春娟等［12］通過專利引文分析方法識別技術發(fā)展過程中具有相對更高價值的專利，從而進一步確定國際前沿技術；Albert 等［14］認為在后續(xù)專利申請授權過程中，被審查員大量引用的早先專利所蘊含的技術對目前技術進步具有重大戰(zhàn)略價值。

專利之間大量的引用與被引用關系構成了復雜的專利引文網絡?；趯＠木W絡，找出具有價值的專利是本研究識別高速列車產業(yè)核心技術的關鍵。專利引文網絡中的每一個節(jié)點代表一項專利，專利被引頻次越高表明其在網絡中占據的位置愈加重要，即具有高重要性。然而，相對于被引頻次，中心度能夠更加客觀地體現(xiàn)網絡中節(jié)點的重要程度，如鐘韻等［15］通過構建粵港澳地區(qū)的城市創(chuàng)新聯(lián)系網絡，獲得了網絡中各節(jié)點的核心程度，用以衡量邊緣城市與核心城市；王凱等［16］在研究科學數據管理與共享領域的作者合著情況中，測算中心度用以確定作者的中心地位與獨立性，進而分析學者在合作網絡中的地位。因此，通過社會網絡分析方法測算專利引文網絡中各節(jié)點的中心度，找出各階段專利引文網絡中更具價值的專利，能夠實現(xiàn)識別高速列車技術領域核心技術的目的。

3 研究方法與數據來源

3.1 高速列車專利數據收集

研究的專利數據來源于德溫特創(chuàng)新索引數據庫（Derwent Innovations Index，DII），該數據庫由世界專利索引（World Patents Index）和專利引文索引（Patents Citation Index）兩部分構成。DII 數據庫中的每條專利數據都有一定的格式，包含標題、摘要、發(fā)明人、授權人、德溫特手工代碼、應用領域、參考專利等信息，本研究采用主題檢索的方式對高速列車專利數據進行檢索，主要通過文獻檢索與專家咨詢兩個渠道確定搜索詞。首先，在中國知網（CNKI）和WoS 中搜索與高速列車技術相關的文獻，同時結合百度百科詞條查詢，查詢并匯總主題詞。其次，結合行業(yè)內相關企業(yè)資料以及專家的建議，篩選、構造，最終確定檢索表達式為：TS=(“high speed train” OR “rapid transit train” OR “bullet train”O(jiān)R “express train” OR “fast moving train” OR “fast move*train” OR “rapid train” OR “fast train” OR “quick train” OR “EMU train” OR “electric multiple unit train” OR “high-speed EMU” OR “railway train”)。檢索截止日期為2019 年12 月31 日。

3.2 研究方法

研究的主要流程如圖1 所示。具體步驟如下：

圖1 研究框架與方法

（1）基于專利申請的數量變化趨勢，以Abernathy-Utterback 創(chuàng)新過程模型（即A-U 模型）為基礎，參考黃永春等［11］的研究，將全球高速列車技術發(fā)展劃分為流動性階段、過渡性階段與確定性階段。

（2）將全球高速列車產業(yè)的專利數據歸類于不同階段之后，對數據進行預處理?？捍ú┑龋?］認為，對于專利的個體價值，被引頻次是目前被廣泛認可的測度指標；基于此，本研究借鑒于玲玲［17］的做法，初步篩選被引頻次大于5 次的專利。

（3）從德溫特數據庫中下載的專利數據中，PN 字段表示專利號，CR 字段表示該專利引用的其他專利，由于其中包含不屬于專利號的其他信息，故利用Python 工具將CR 字段中的專利號提取出來，并刪除屬于PN 字段中的專利號，進行數據清洗。

（4）運用VOSviewer 工具形成全球高速列車產業(yè)3 個技術發(fā)展階段的專利引文網絡，通過可視化圖表的形式呈現(xiàn)。專利引文網絡中每個節(jié)點代表一項專利，利用UCINET 測試每一節(jié)點的中心性，識別出網絡中具有核心地位的專利。測試中，度中心度表示節(jié)點與其他節(jié)點直接相連的數量，用以衡量節(jié)點在網絡中的直接重要性程度；接近中心度表示節(jié)點與其他節(jié)點的接近程度，用以衡量節(jié)點位置是否處于網絡中的重要區(qū)域，即是否位于重點技術領域。根據每個階段專利引文網絡的網絡密度，確定度中心度與接近中心度的衡量權重。參考Ahuja 等［18］的研究，綜合中心度指標與權重，將影響力前1%的專利認定為核心專利，進而識別全球高速列車技術演進各階段的核心技術與核心企業(yè)。

4 結果分析

4.1 高速列車行業(yè)的階段劃分

在戰(zhàn)略性新興產業(yè)技術發(fā)展的3 個階段，產品、創(chuàng)新、研究與開發(fā)、工藝等方面呈現(xiàn)出不同的特點。其中，在流動性階段，創(chuàng)新具有很大的不確定性，創(chuàng)新的重點在于產品的性能；在過渡性階段，則需要將技術資源與市場需求進行聯(lián)動；而在確定性階段，產品、工藝等方面日益標準化，創(chuàng)新以降低成本、提高質量為目標。由圖2 可見，1964—1995 年，高速列車的全球專利數量較少且增速緩慢，為流動性階段；1996—2008 年，專利數量的增長開始加快，高速列車技術的主導設計特征逐步顯現(xiàn)，為過渡性階段的萌芽期；2008—2019 年，專利增長速度較前一階段明顯更快，主導設計爆發(fā)，為過渡性階段的形成期。

圖2 全球高速列車行業(yè)專利申請數量趨勢

4.2 專利引文網絡演變初步分析

圖3、圖4、圖5 分別顯示了全球高速列車行業(yè)在流動性階段、過渡性階段萌芽期、過渡性階段形成期的專利引文網絡。圖3(a)、圖4(a)、圖5(a)中，每一個節(jié)點代表專利引文網絡中的某一項專利，不同專利間通過引用與被引用關系相互連接，從而形成一個大型的專利引文網絡；由圖3(b)、圖4(b)、圖5(b)可見，由于專利之間緊密或松散的聯(lián)系，呈現(xiàn)出一個個的聚類，密度高的區(qū)域（即圖中顏色較深的區(qū)域）表明該部分的節(jié)點聯(lián)系緊密，在網絡中的位置更為重要。

圖3 流動性階段全球高速列車行業(yè)專利引文網絡

圖4 過渡性階段的萌芽期全球高速列車行業(yè)專利引文網絡

圖5 過渡性階段的形成期全球高速列車行業(yè)專利引文網絡

1964 年，隨著日本新干線動力分散式高速動車組的出現(xiàn)，高速列車逐步走進大眾視野。同一時期，各國也力推高速列車的大規(guī)模應用，高速動車組線路相繼開通，促進高速列車相關技術迅速發(fā)展。由圖3～圖5 可見，從第一階段到第三階段，網絡中節(jié)點大小逐漸減小，而網絡中包含的節(jié)點數目顯著增加。其中，專利數量的不斷增加說明高速列車技術發(fā)展迅速；引文網絡中專利所形成的聚類數目增多、相對位置逐漸分散，表明各國對高速列車技術的研究不斷深入，涉及的應用領域與學科也在不斷擴展。

4.3 技術演變的不同階段中核心技術與核心企業(yè)識別

4.3.1 流動性階段

流動性階段全球高速列車行業(yè)的專利數據呈現(xiàn)數量較少、增速緩慢的特征。通過專利引文網絡的中心度計算，獲得處于網絡核心位置的20 件專利，專利權人為日本的豐田汽車公司、愛信精機公司、大金工業(yè)株式會社，德國的采埃孚股份公司、福伊特集團、戴姆勒-奔馳汽車公司，美國的伊頓公司、洛克希德·馬丁公司、通用汽車公司以及英國的可變動力驅動有限公司和勞斯萊斯公司。

整體而言，這一階段所識別核心專利的技術類別主要有3 項，為F16H、B60T 和B60K，分別對應高速列車傳動裝置、制動控制系統(tǒng)與部件、車輛動力裝置方面的研究成果。例如，核心專利us3979972-a、de2656669-b 是針對車輛機械傳動裝置、動力換擋變速器技術的研究；核心專利us4089239-a、us3088339-a、us3799002-a 則為變速齒輪系統(tǒng)與齒輪裝置相關技術的研究成果。由此可知，在高速列車技術發(fā)展的早期，以液力原理為基礎的齒輪傳動、動力轉換與變速器裝置相關技術是最為核心的技術，為高速列車兩大關鍵核心技術——牽引傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)奠定基礎。由于相關技術在整個技術發(fā)展演化中所起的作用舉足輕重，這一階段擁有核心專利的國家均對核心技術涉及的技術領域進行了深入研究。除此之外，不同國家在此階段對高速列車技術的研發(fā)重點也有所側重。橫向比較各國核心專利的分布可知，美國主要專注于車輛變速器、變速箱技術的優(yōu)化改進；英國則聚焦于變速器中的關鍵齒輪裝置；而日本與德國涉及的技術研究領域比較廣泛、全面。

就產品運用視角而言，“兩用”關鍵技術在企業(yè)擁有的核心技術中所占比例較高，它既可應用至企業(yè)自身的技術產品創(chuàng)新，也能夠運用到公共產品中［19］。例如，日本豐田汽車公司、德國戴姆勒-奔馳汽車公司以及美國通用汽車公司等以汽車制造為主業(yè)的公司，將汽車傳動系統(tǒng)、變速器等核心技術應用至高速列車裝備之中，推動高速列車牽引傳動系統(tǒng)與制動系統(tǒng)技術的發(fā)展?；诩夹g研發(fā)合作視角，不同企業(yè)分別在高速列車技術領域獲得了相應的技術成果，盡管存在企業(yè)屬于同一集團的情況，但核心專利基本是企業(yè)獨立研發(fā)的結果，圍繞核心技術開展合作研發(fā)的企業(yè)間合作模式并未出現(xiàn)。

4.3.2 過渡性階段的萌芽期

美國、日本、德國、法國等先發(fā)國家在高速列車技術過渡性階段的萌芽期開始紛紛將高速列車投入市場，并實現(xiàn)規(guī)?；\營。由全球專利數據可知，在各國積極推廣高速列車產品、不斷擴大規(guī)模的同時，高速列車相關技術領域經歷著橫向拓寬，其中不僅包括列車運行相關的基礎技術，例如動力轉化、變速器技術等，一些其他領域的技術也逐漸融入高速列車技術改進升級之中，例如信息處理技術、監(jiān)控技術等。上述眾多技術領域的更新與發(fā)展共同促進高速列車九大關鍵技術發(fā)展初始態(tài)勢的形成。

該時期專利引文網絡涉及的節(jié)點數目共有19 964 個，識別核心專利200 件。專利申請人所屬國包括美國、日本、德國、加拿大、英國、法國、以色列、瑞士及比利時等，由圖6 可知，美國擁有的核心專利比例明顯高于其他國家，擁有核心專利的美國企業(yè)共66 家。核心專利所涉及的技術領域相較于上一階段有所增加，如圖像處理技術、計算機數據傳輸與處理技術、光學測量檢驗技術、電視系統(tǒng)以及零部件材料設備和照明系統(tǒng)等，反映出以高速列車為典型代表的復雜系統(tǒng)產品行業(yè)中涉及的細分核心技術逐漸集中于部分核心企業(yè)，核心企業(yè)也有意識地通過專利保護其所擁有的核心知識與技術成果，正因如此，部分企業(yè)逐步占據高速列車技術領域核心位置。

圖6 過渡性階段的萌芽期全球高速列車行業(yè)專利申請人的國家分布

與高速列車技術發(fā)展第一階段相比，過渡性階段的萌芽期間涉及的技術領域和核心企業(yè)存在明顯不同的特點，企業(yè)之間在研發(fā)合作模式上也出現(xiàn)了一些差異化特征。由識別出的核心專利數據可知，專利數量相較于前一階段增長明顯且逐步聚焦，從高速列車的基礎技術向其他領域拓展，電子技術領域尤為突出。隨著電子工程、計算機行業(yè)的發(fā)展，電子技術越來越廣泛地應用于高速列車產品，牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、安全保障和監(jiān)控系統(tǒng)等均需要信息技術的支持。上述現(xiàn)實充分反映在識別出的核心專利中，占比較高的專利涉及圖像識別與處理技術、字符處理器、追焦測試等相關電子與計算機技術。此外，越來越多的電子、電氣工程公司成為高速列車技術領域的核心企業(yè)，如美國的康耐視、IBM、惠普公司，日本的夏普、三菱電機公司，德國的菲利普公司和加拿大的NCR 公司。相比于流動性階段，此階段擁有高速列車核心專利的核心企業(yè)明顯增多，且所屬行業(yè)特征存在差異，其中綜合性集團占比較高，產品涵蓋多個行業(yè)，如美國的霍尼韋爾國際公司、日本的日立公司、德國西門子公司等。

隨著高速列車產品在世界范圍內的推廣和應用，技術優(yōu)勢明顯的領先國家逐步建立并鞏固技術競爭力。由專利權人數據所示，企業(yè)之間、研究所與企業(yè)之間以及個人之間的研發(fā)合作模式開始顯現(xiàn)，例如，貝爾電話實驗研究所與美國電話電報公司聯(lián)合研發(fā)獲得的核心專利us5060276-a、us4876457-a，但聯(lián)合開發(fā)專利占行業(yè)內專利總量的比例較低，核心專利成果仍然主要依靠企業(yè)自身獨立研發(fā)。

4.3.3 過渡性階段的形成期

在高速列車技術發(fā)展過渡性階段的形成期，全球專利引文網絡共有17 442 個節(jié)點，識別出174 件核心專利，專利申請人所屬國分布情況如圖7 所示。相較于過渡性階段的萌芽期，擁有核心專利的國家數量增加，其中美國擁有的核心專利占比仍居高位。由高速列車技術發(fā)展前兩個時期的專利數據可見，美國、日本、德國、加拿大、英國等國家在高速列車技術領域具有先發(fā)優(yōu)勢，占據技術領先地位，尤其是在高速列車基礎技術方面；然而，韓國、荷蘭、澳大利亞等后發(fā)國家開始進行技術追趕超越，相關技術成果開始顯現(xiàn)，越來越多的核心專利產生于上述國家。

圖7 過渡性階段的形成期全球高速列車行業(yè)專利申請人所屬國分布

與先前階段相比，該階段的核心技術以圖像識別與轉換、目標位置與圖像監(jiān)測和數據編碼技術為主。隨著科學技術的發(fā)展與整體智能水平的提高，以及高速列車在長時間、高里程的持續(xù)商業(yè)化運營過程中不可避免地出現(xiàn)異物與損壞情況，因此以圖像處理技術為核心的智能監(jiān)測成為這一階段的核心技術［20］。擁有此項技術的代表性核心企業(yè)包括美國康耐視公司、日本的佳能和尼康公司、德國的Eads Deutschland 公司等，以及擁有與圖像處理技術相關的印刷電路板表面處理、圖像處理檢測設備技術的半導體設備廠商SCREEN 集團公司等。此外，由于高速列車的電力牽引特性，電池充電與通用充電站等核心技術成為該階段高速列車技術關注的重點，以ECOtality 公司、Minit Charger 公司和福特汽車公司為代表的大型國際企業(yè)掌握著電力和混合動力汽車能源管理、充電裝置等方面較為關鍵的研究成果。

除了在技術領域有所變化，擁有核心技術成果的主體也產生了變更。基于專利權人數據能夠發(fā)現(xiàn)，美國麻省理工研究所、加拿大國家研究委員會等研究機構開始涉足高速列車技術領域，并貢獻了有關研究成果。由于研究機構在基礎研究、前沿科學知識方面擁有天然優(yōu)勢，通常傾向于基礎算法、參數數據編碼、目標空間位置建模等基礎科研的攻克。與此同時，研發(fā)合作更加普遍且緊密，核心專利通常由個人與個人、研究所和公司合作申請，例如日本工業(yè)技術院研究所與日本明電舍株式會社的合作，以及貝爾電話實驗研究所與美國電話電報公司的聯(lián)合研發(fā)。圍繞高速列車眾多技術領域開展的研發(fā)合作更加普遍，技術成果更傾向于以聯(lián)合研發(fā)的形式產生。

5 結論與啟示

通過以上研究，得到的主要結論如下：（1）全球高速列車技術發(fā)展可劃分為3 個階段，目前行業(yè)正處于過渡性階段的形成期，高速列車技術的增速明顯加快、呈技術爆發(fā)態(tài)勢，在先發(fā)國家保持技術領先地位的同時，后發(fā)國家的技術追趕成果也在逐步顯現(xiàn)。（2）全球高速列車核心技術領域的發(fā)展呈現(xiàn)出由基礎技術領域到多元技術領域、再到關鍵技術領域的演變路線。具體而言，在流動性階段，核心技術主要包括以液力原理為基礎的齒輪傳動、動力轉換技術與變速器裝置等基礎性車輛裝備技術；隨著電氣工程、計算機行業(yè)的發(fā)展，高速列車核心技術領域開始擴散與延伸，涉及的細分技術領域有圖像處理技術、計算機數據傳輸與處理技術、光學測量檢驗技術、電視系統(tǒng)以及零部件材料設備和照明系統(tǒng)。在產品性能持續(xù)改進提升過程中，需要攻克的關鍵技術轉為產品中的核心技術，例如為實時監(jiān)控并及時解決高速列車運行過程中出現(xiàn)的零部件失靈、損壞等情況，采用圖像處理技術實現(xiàn)智能監(jiān)測成為該階段的核心技術。（3）通過主體間聯(lián)合研發(fā)而獲得的核心專利成果不斷增加。產學研聯(lián)盟已初具規(guī)模，相應的技術成果也不斷涌現(xiàn)，依托研發(fā)合作取得的核心專利呈上升趨勢，然而在整個核心技術領域中占據的份額仍然有限。

上述研究對于促進我國高速列車關鍵技術成果的取得具有以下啟示：（1）準確識別并重點關注核心技術領域，加強研發(fā)力度，突破核心技術被“卡脖子”的窘境。目前，以中國中車股份有限公司為代表的我國核心企業(yè)在軌道交通裝備領域通過引進消化吸收、自主研發(fā)創(chuàng)新，整體上實現(xiàn)對技術領先國家的追趕和超越［21］，盡管如此，我國在部分細分領域仍然存在技術短板，使得企業(yè)暴露于由于某一節(jié)點的“卡脖子”難題而導致供應鏈斷裂等一系列潛在風險之中，因此，通過識別高速列車核心技術，為我國相關企業(yè)提供核心技術研發(fā)領域的方向性指導，從而避免技術瓶頸帶來的一系列連鎖性損失很有必要。（2）加強主體間的研發(fā)合作，推動產學研一體化。產學研合作是攻克科研難題、實現(xiàn)技術突破的關鍵途徑，一方面，我國企業(yè)需要認識到開放式創(chuàng)新在技術創(chuàng)新與突破過程中的重要作用，在突破核心技術過程中充分利用專業(yè)科研機構在仿真試驗、算法等基礎研究方面的優(yōu)勢；另一方面，在以軌道交通裝備、航空航天等為代表的戰(zhàn)略性產業(yè)的萌芽及發(fā)展階段，政府需要利用“看得見的手”，引導相關企業(yè)與科研機構建立合作關系，并給予一定的優(yōu)惠政策與資金支［22］，同時積極培育早期產品市場，在一定程度上彌補技術與市場間的“死亡之谷”［23］，為從技術難點攻克到產品落地、再到大規(guī)模商業(yè)化應用的完整過程營造利好環(huán)境。