白光祖 劉安蓉 曹曉陽 靳軍寶 鄭玉榮

(1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 蘭州 730000;2.中國工程科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院 北京 100088)

工程科技是改變世界的重要力量，而顛覆性技術具有重設技術演化路徑、重塑全球創(chuàng)新版圖、重構大國競爭格局的變革性效果。把握全球工程科技領域顛覆性技術，大力推動工程科技創(chuàng)新發(fā)展，有效應對全球性重大挑戰(zhàn)，已經(jīng)成為世界各國的戰(zhàn)略選擇。當前我國正在加快構建具有中國特色的顛覆性技術創(chuàng)新體系。布局推動顛覆性技術是一項前瞻性、戰(zhàn)略性、復雜性的系統(tǒng)工程，而顛覆性技術識別作為前端性、初始性、基礎性工作，其識別效果對于我國能否準確把握未來科技發(fā)展拐點，規(guī)避技術突襲風險、塑造新興產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢具有重要意義。

一段時間以來，專家學者從基于專家評議的方法(典型如技術路線圖方法[1-2]、情景規(guī)劃法[3-4]等)、基于技術演化的方法(典型如技術生命周期[5]、TRIZ[6]等)、基于指標模型的方法(典型如戰(zhàn)略生態(tài)位模型[7]、技術評估框架[8-9]等)以及基于文獻知識關聯(lián)的方法(典型如專利引用結構[10]、科學知識突變[11]等)等多種技術路線對顛覆性技術識別方法進行了研究探索。經(jīng)過多方實踐與多輪迭代，目前普遍認為顛覆性技術識別工作主要由潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)與技術顛覆能力評價兩個階段組成[12-13]。在潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)階段，文獻情報領域方法憑借其基于大數(shù)據(jù)的客觀全面分析優(yōu)勢應用較廣。在技術顛覆能力評價階段，尚未形成學界業(yè)界公認的評價指標，其效果主要取決于組織領域產(chǎn)學研高水平專家開展主觀評價的能力。

本研究旨在面向工程科技領域，基于定性與定量相結合的文獻情報方法提出一套潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法體系，以期為后續(xù)產(chǎn)學研專家開展技術顛覆性能力評價提供層級清晰、粒度適宜、系統(tǒng)全面的種子技術點集合。

1 工程科技領域潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法的需求特征與基本思路

1.1 工程科技領域潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法的需求特征

潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)作為整個識別工作的基礎，將為后續(xù)顛覆性能力評價提供種子技術點集合，其輸出結果質(zhì)量將直接影響最終識別效果。而在工程科技領域，對基于文獻情報方法的潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)工作提出了更高要求：

a.細粒度更小。

需要深入到技術領域三級、四級乃至更深層次技術主題，以此為后續(xù)產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新布局與企業(yè)新興技術研發(fā)工作提供精準依據(jù)。

b.系統(tǒng)性更高。

需要為后續(xù)領域?qū)＜姨峁┮粋€系統(tǒng)而全面的技術體系[14]，以免專家由于領域依賴作出片面判讀評價。

c.實用性更強。

需要評估技術點在探索研究、前沿研究、基礎研究、應用研究等創(chuàng)新鏈條的覆蓋程度，以此來考量其成熟度。特別是對于基礎原理突破型的顛覆性技術，評估其成熟度對于后續(xù)顛覆性技術能力評價具有重要意義。

d.參考性更廣。

需要在結果中充分體現(xiàn)領域權威機構、行業(yè)智庫、大眾媒體對該技術點的關注度，盡可能為后續(xù)專家評估提供更多依據(jù)。特別是對于跨領域交叉應用型的顛覆性技術，評估其關注度對于后續(xù)顛覆性技術能力評價具有重要意義。

1.2 工程科技領域潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法的基本思路

本課題組作為中國工程院重大咨詢項目“工程科技顛覆性技術戰(zhàn)略研究”(一期、二期、三期)情報支撐團隊，針對上述需求特征對本課題組早期提出的顛覆性技術識別方法[15]從以下方面進行了改進優(yōu)化：

a.拓展技術主題來源。

新增探索研究(基金項目)數(shù)據(jù)、前沿研究(會議論文)數(shù)據(jù)，與之前方法的基礎研究(期刊論文)數(shù)據(jù)、應用研究(核心專利)數(shù)據(jù)一起構成了潛在顛覆性技術主題的來源數(shù)據(jù)集合，從而提升技術主題來源的全面性及其對創(chuàng)新鏈條的覆蓋度。

b.構建領域技術樹。

即對于識別出的技術點，通過體系化組織以樹形結構表征出來，從而突出技術小類之間的層級關聯(lián)關系(如氫燃料電池中的各種催化劑可以分為鉑族金屬催化劑和非鉑族金屬催化劑)。

c.構建產(chǎn)業(yè)技術樹。

借助研發(fā)機構、行業(yè)智庫、領軍企業(yè)以及高影響力媒體發(fā)布的技術評價、技術報告、技術新聞等多類型信息，利用技術構成關系、器件組成關系等技術大類關系梳理產(chǎn)業(yè)技術結構(如氫燃料電池是由控制器、空壓、空濾、電堆等器件構成，而電堆又分為端板、雙極板、膜電極等)，然后與領域技術樹結合最終形成產(chǎn)業(yè)技術樹。

d.引入顛覆性潛力初步評估機制。

一方面在種子技術樹構建過程中，通過種子技術點在探索研究、前沿研究、基礎研究、應用研究的分布情況來評估其技術成熟度；另一方面在產(chǎn)業(yè)技術樹構建過程中，通過種子技術點在技術預測、技術評論及技術報告的提及情況來評估其關注度，最后綜合考量技術點的顛覆性潛力。

2 工程科技領域潛在顛覆性技術識別方法框架

基于上述思路，團隊提出了基于多源異構文獻知識的潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法，整體框架如圖1所示，具體流程如下所述：

2.1 數(shù)據(jù)準備

依據(jù)特定領域需求制定檢索策略，從全球科研項目數(shù)據(jù)庫(ProjectGate)中識別下載領域相關基金項目數(shù)據(jù)，從CPCI(Conference Proceedings Citation Index)數(shù)據(jù)庫中下載領域相關會議論文數(shù)據(jù)，從WOS (Web of Science) 核心合集數(shù)據(jù)庫中下載高質(zhì)量期刊論文數(shù)據(jù)、從DII (Derwent Innovations Index) 數(shù)據(jù)庫中識別下載核心專利文獻數(shù)據(jù)。

圖1 潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法流程(虛線框為文獻[15]方法)

2.2 潛在顛覆性技術主題識別

利用文獻[15]方法分別識別出來源于期刊論文的基礎研究潛在顛覆性技術主題以及來源于核心專利的應用研究潛在顛覆性技術主題。特別地，在實踐應用中如果囿于工具條件所限，也可根據(jù)實際情況對文獻[15]方法進行適當簡化，如在主題聚類環(huán)節(jié)中可利用作者關鍵詞代替SAO結構、在突變識別環(huán)節(jié)中可利用主題聚類在時間窗口內(nèi)的頻次變化情況進行識別，從而提高該方法的操作便捷性與領域通用性。對于新增的基金項目數(shù)據(jù)與頂會文章數(shù)據(jù)采取以下方法處理：

第一，從基金項目識別探索研究潛在顛覆性技術主題。

全球科研項目數(shù)據(jù)庫ProjectGate中每個項目包括項目名稱、項目負責人、主持機構、項目編號、項目類別、項目國別、學科主題、特色分類、項目語種、關鍵詞、項目摘要等多個詳細描述字段，本研究主要選取近五年內(nèi)中、美、英、日、歐盟國家基金項目，依據(jù)項目立項強度來發(fā)現(xiàn)潛在顛覆性技術主題。

a. 利用DDA(Derwent Data Analyzer)工具對關鍵詞、項目名稱及摘要(需要分詞后去除停用詞)發(fā)現(xiàn)高頻詞組并構建共現(xiàn)矩陣進行聚類分析，利用VOSviewer構建可視化網(wǎng)絡并由專家遴選類簇及高頻詞組來表征技術主題。

b.根據(jù)領域內(nèi)所有技術主題的基金項目平均資助項目數(shù)作為領域項目支持強度基準線。項目強度基準線計算方法如下：

(1)

其中，X為特定技術主題，n為支持特定技術主題基金項目的數(shù)量，m為領域內(nèi)所有技術主題的數(shù)量。

c.將每個技術主題的項目支持數(shù)與支持強度基準線作比較，將高于基準線的技術主題遴選為探索研究潛在技術主題。

第二，從頂會論文識別前沿研究技術點。

對于從CPCI數(shù)據(jù)庫中科學技術會議錄索引(Science&Technology--Proceedings)檢索得到近5年的會議論文數(shù)據(jù)，本研究主要從研究主題新穎度來發(fā)現(xiàn)前沿研究技術潛在顛覆性技術主題：

①將檢索到所有論文文摘利用文獻[15]方法抽取出“研究目標”與“研究結論”語句的SAO結構，使得每篇文章表示為一組SAO結構集合。

②根據(jù)領域會議論文SAO結構集合兩兩計算文章語義相似度，并求出領域內(nèi)所有文章的相似度平均值作為領域文章的新穎度基準線。

a．SAO結構相似度計算方法如下：

sim(saoi,saoj)=w(s)sim(si,sj)+

w(a)sim(ai,aj)+w(o)sim(oi,oj)

(2)

其中：w(s)、w(a)、w(o)分別表示S、A、O對語義相似度的權重，它們和為1。

b．兩篇文章語義相似度計算方法如下：

(3)

其中，m為文章a所含的SAO結構數(shù)，n為文章b所含SAO結構數(shù)

c．領域內(nèi)文章的新穎度基準線計算方法如下：

(4)

其中，n為領域內(nèi)會議論文的篇數(shù)。

③將每篇文章與領域內(nèi)所有文章的語義相似度平均值作為該篇文章的新穎度，將高于新穎度基準線的文章SAO結構集合經(jīng)專家判讀后作為前沿研究潛在顛覆性技術主題。特定文章新穎度計算公式為：

(5)

其中，r為特定文章，n為領域內(nèi)會議論文的篇數(shù)。

2.3 潛在顛覆性技術主題的技術成熟度評估

對上步識別出的探索研究、前沿研究、基礎研究、應用研究潛在顛覆性技術主題進行同主題合并。通常來說，特定潛在顛覆性技術主題覆蓋探索研究、前沿研究、基礎研究、應用研究的創(chuàng)新鏈條越長，其成熟度也就越強，成為顛覆性技術的可能性也就越大，特別是對于基礎原理突破型的顛覆性種子技術點，成熟度將是其未來能否產(chǎn)生顛覆性效果的重要決定因素。因此本研究采用特定潛在顛覆性技術主題在基金項目、會議論文、高被引論文、核心專利的文獻分布數(shù)量來判斷該技術點技術成熟度強弱。本研究基于Fisher-Pry改進模型判定技術成熟度[17-19]，并采用打分制為每個種子技術點賦值即成熟度評估值，取值區(qū)間在0～1之間，如公式(1)所示：

(6)

其中，α與β是由文獻分布情況確定的常數(shù)，y為成熟度評估值且0

2.4 種子技術樹構建

由上步識別出的多文獻來源的潛在顛覆性技術主題(即種子技術點)通常粒度細小且散亂無序(在后文所述產(chǎn)業(yè)技術樹上通常表現(xiàn)為最低一層技術點)，需要以體系化方式組織并以層級形式表征呈現(xiàn)?？筛鶕?jù)種子技術點分布特點、學科特性、規(guī)模數(shù)量以及集中程度等情形，酌情單個或綜合采用以下方法構建種子技術樹：

a.基于主題聚類。

依據(jù)技術點間的SAO結構集合進行語義距離計算并主題聚類，并通過專家判讀以特定類簇名稱作為上位類，以此構建種子技術樹，一般適用于技術點規(guī)模數(shù)量較大、難以發(fā)現(xiàn)明顯分布特點、人工無法有效逐一處理的情形。

b.基于分類體系。

根據(jù)特定分類體系以人工判讀方式分類后構建種子技術樹，一般適用于有完善的分類體系且技術點規(guī)模數(shù)量較小的情形。通?？筛鶕?jù)技術點中特定材料成分或基于技術方法路線分類來構建種子技術樹，一般適用于技術點具有明顯分類特征且分類基準線較為清晰的領域。

特別地，種子技術樹構建一般以2～3層技術樹為宜，實踐中技術樹層級過多將會致使后續(xù)產(chǎn)業(yè)樹構建中對接耦合工作難度加大。

2.5 產(chǎn)業(yè)技術樹構建

a.產(chǎn)業(yè)技術結構梳理。

首先遴選出該領域研發(fā)機構、研究團隊、創(chuàng)新型企業(yè)、技術組織、行業(yè)協(xié)會、技術智庫以及高影響力媒體等各類型組織的TOP10單元，然后對其發(fā)布的技術預測、技術評論以及產(chǎn)業(yè)研究報告進行綜合梳理分析，依據(jù)技術構成關系(如裝備的組件關系或技術的工藝關系)、產(chǎn)業(yè)構成關系(如產(chǎn)業(yè)鏈上下游關系)初步表征出產(chǎn)業(yè)技術結構(在后文所述產(chǎn)業(yè)技術樹上通常表現(xiàn)為第1～3級技術點)。

b.技術關注度評估。

本研究采用投票制對產(chǎn)業(yè)技術結構中技術點的關注度進行評估。通常認為，某技術點被領域權威組織發(fā)布的顛覆性技術報告集合提及次數(shù)越多，其關注度也就越高，成為顛覆性技術的可能性也就越大。特別是對于跨領域交叉應用型的顛覆性種子技術點，關注度將是其未來能否產(chǎn)生顛覆性效果的重要表征因素。

設該領域權威組織(各類型組織的TOP10單元)在特定時間段內(nèi)(通常是近3年)關于顛覆性技術評價的文檔共計m份，每當有文檔正面性提及一次產(chǎn)業(yè)技術樹的特定技術點(在該文檔中多處提及也僅算一次)，就為該技術點及其下位類所有技術點計分一次，最終以該技術點累積得分n與m的比值作為該技術點關注度的評分即關注度評估值，取值區(qū)間在0～1之間，如公式(7)所示：

(7)

其中，m為文檔總數(shù)，n為該技術點累計提及次數(shù)。

特別地，如某些領域顛覆性技術評價文檔較少，可采用領域權威核心組織總數(shù)作為m，以組織個體為特定技術點的投票累積數(shù)為n進行計算，方法原理同上。

c.產(chǎn)業(yè)技術樹生成。

將2.4步生成的種子技術樹的最上位節(jié)點與產(chǎn)業(yè)技術結構的最下位節(jié)點按照技術點相似度進行組配耦合，形成層次體系完整、技術結構完備的產(chǎn)業(yè)技術樹。借助專家力量將種子技術樹的最高層級技術點與產(chǎn)業(yè)技術結構的最低一層技術點進行主題相似度判斷，以匹配成功的技術點將種子技術樹與產(chǎn)業(yè)技術結構耦合生成產(chǎn)業(yè)技術樹。特別地，對于匹配不成功的種子技術樹節(jié)點，通常是由于其主題聚類不夠精準或較為新穎導致，需要對其重新歸類或單獨成類后掛接到相應的產(chǎn)業(yè)技術結構中。

2.6 技術點顛覆性潛力評估

本研究依據(jù)每個種子技術點的成熟度評估值與關注度評估值加權相加得出該種子技術點的顛覆性潛力評估值，其權重值取決于具體技術領域的自身特性。一般說來，如果該領域顛覆性種子技術點主要來自于基礎研究的新理論、新突破，那么其成熟度權重要高于關注度權重，如果該領域顛覆性種子技術點主要來自于既有原理技術的跨學科、多方面應用，則其關注度權重應高于成熟度權重，在實踐中多由產(chǎn)學研專家聯(lián)合打分給出。

p=w(y)y+w(a)a

(8)

其中：w(y)、w(a)分別表示該技術領域成熟度評估值與關注度評估值的權重，它們和為1 。

經(jīng)過上述潛在顛覆性技術識別方法步驟，就可以在某一特定領域得到一個技術點細致、技術體系清晰、實用性較強、參考性較大的潛在顛覆性技術樹，其不僅能夠定性表征基于多類型文獻知識關聯(lián)關系的細粒度技術體系，而且能夠定量表征每個技術點的顛覆性潛力，從而為后續(xù)專家開展顛覆性能力評估提供重要基礎依據(jù)。

3 氫燃料電池領域方法實證

本方法作為中國工程院重大咨詢項目“工程科技顛覆性技術戰(zhàn)略研究”情報工作支撐方法，下文以氫燃料電池領域為例實證該方法的可行性與有效性。氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點。

3.1 數(shù)據(jù)準備

根據(jù)檢索策略(略)，從相關數(shù)據(jù)庫識別下載基金項目數(shù)據(jù)、會議論文數(shù)據(jù)，高被引科學論文數(shù)據(jù)、核心專利文獻數(shù)據(jù)，發(fā)表申請日期范圍限定在2015—2020年。

a.探索研究數(shù)據(jù)。

氫燃料電池領域基金項目共計1 194項，主要國家包括美國(510項，占43%)、歐盟(203項，占17%)、日本(116項，占9.7%)等。

b.前沿研究數(shù)據(jù)。

氫燃料電池領域會議論文共計3894篇，主要國家包括美國(701篇，占18%)、中國(491篇，占12%)、日本(發(fā)文259篇，占7%)、韓國(250篇)、德國(223篇)、法國(173篇)、意大利(171篇)等。

c.基礎研究數(shù)據(jù)。

氫燃料電池高被引論文共計19 108篇，主要國家包括中國(4 365篇，占23%)、美國(3 555篇，占19%)、韓國(1751篇，占9%)以及日本、德國、加拿大等。

d.應用研究數(shù)據(jù)。

氫燃料電池核心專利共計1 080條，主要集中在美國(540條，占50%)、日本(300條，占28%)、德國、英國、韓國、中國等。

3.2 種子技術點識別

利用前述數(shù)據(jù)及上述方法分別識別出種子技術點集合，包括探索研究技術點、前沿研究技術點、基礎研究技術點以及應用研究技術點。技術點示例如表1所示。

3.3 技術成熟度評估與種子技術樹構建

a.技術成熟度評估。

氫燃料電池領域技術點主要分布在制備技術、改性技術、控制技術、摻雜技術、復合材料、熱穩(wěn)定性等方面。根據(jù)種子技術點分布特點，本研究根據(jù)技術點中特定材料成分分類來構建三級種子技術樹，以其在項目數(shù)據(jù)、頂會數(shù)據(jù)、論文數(shù)據(jù)、專利數(shù)據(jù)中的分布數(shù)量來評估其成熟度。具體示例數(shù)據(jù)如表2所示。

b.種子技術樹構建。

以催化劑技術為例，作為氫燃料電池技術研發(fā)的關鍵核心點，其種子技術樹主要有兩個分支：一是低含量鉑族金屬高效利用技術，研發(fā)重點包括二維三維骨架結構、元素摻雜技術、石墨烯改性技術等；二是非鉑族金屬催化劑技術，研發(fā)重點包括M-N-C納米催化劑(M為鐵等金屬)、石墨烯有機-無機納米復合物催化劑、可控多孔摻雜雜原子催化劑等。以此形成的催化劑主題種子技術樹如表2所示。

表1 氫燃料電池潛在顛覆性技術點(部分)

表2 催化劑主題的種子技術樹(局部)

3.4 產(chǎn)業(yè)技術樹構建與關注度評估

a.產(chǎn)業(yè)技術樹構建。

經(jīng)調(diào)研全球主要經(jīng)濟體氫能相關院所高校與研發(fā)機構、研發(fā)企業(yè)、氫能學會協(xié)會與國際組織、知名智庫與高影響力媒體等TOP10機構如表3所示。

表3 全球氫能研究TOP10機構清單

通過對這些機構所發(fā)布的研究報告梳理氫燃料電池產(chǎn)業(yè)技術結構如圖2所示：

圖2 氫燃料電池產(chǎn)業(yè)樹結構

將上述氫燃料產(chǎn)業(yè)技術結構與3.2步中氫燃料產(chǎn)業(yè)技術樹進行耦合對接，形成氫燃料產(chǎn)業(yè)技術樹，如圖3所示。

b.技術關注度評估。

本領域共收集到顛覆性技術評論文檔28份，據(jù)此對各個種子技術點的關注度進行計算，其結果如表4所示。

3.5 技術點顛覆性潛力評估

氫燃料電池領域不僅能由材料領域的原始創(chuàng)新突破催生的顛覆性技術出現(xiàn)，如新型高效低成本催化劑的出現(xiàn)將有效降低氫燃料電池的產(chǎn)品成本，進而大幅提升其顛覆性能力，而且由于氫燃料電池在汽車制造、交通運輸、電力行業(yè)等廣泛應用，可在多個行業(yè)領域產(chǎn)生顛覆性效果，能夠顯著提升其顛覆性能力。因此經(jīng)技術專家問卷咨詢，本研究將成熟度評估值權重設為0.64，將關注度權重設置為0.36，部分種子技術點顛覆性潛力評估結果如表5所示。

圖3 氫燃料電池產(chǎn)業(yè)技術樹

表4 顛覆性種子技術關注度評估(部分)

表5 種子技術點顛覆性潛力評估結果(部分)

4 結 論

本研究面向工程科技領域潛在顛覆性技術識別需求，對基于文獻知識關聯(lián)的顛覆性技術預見方法進行了全流程優(yōu)化，使其在文獻多類型來源、主題細粒度呈現(xiàn)、技術體系化表征、潛力多維度評價方面得到了顯著性提升，形成一套簡單易行、行之有效的潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)方法，并以氫燃料電池領域潛在顛覆性技術發(fā)現(xiàn)工作對方法進行了效果驗證。

囿于實證領域有限，本研究所提出的方法在可能在以下方面存在不足：首先，對于研究較為超前的顛覆性技術主題，如在相關文獻中尚未披露，則本方法不易識別；其次，對于某些顛覆性技術領域，可能存在因技術點規(guī)模較少而無法體系化表征或因數(shù)據(jù)量不足無法定量化評價顛覆性潛力的問題；最后，方法中多個步驟還需要借助情報人員人工觀察和對比發(fā)現(xiàn)得出結果，存在出錯或疏漏的可能性。