基于专利分析的产品技术成熟度预测——以液晶显示技术为例

张惠琴，邵云飞，张宇翔

（1.电子科技大学 经济与管理学院，成都 610054；2.成都理工大学 管理科学学院，成都 610059；3.西南交通大学 经济管理学院，成都 610031）

1 研究背景

正确把握自己产品的技术成熟度是企业制定R&D 计划时的关键。产品设计中存在大量需要解决的问题，如用户的新需求、产品的新技术市场。研发人员一般会根据自己的设计经验和对新产品的初步设想并基于一定的理论基础和原理，利用实验纠错法搜集大量理论解，再从理论解中筛选出可实现解。然而，产生理论解和评价现实解需要企业花费大量时间、投入大量的人工和原材料。同时，实验纠错法在解决复杂问题方面具有低效性，这也往往使企业的研发投入充满了投资风险，除了很难保障产品技术创新所要求的速度外，盲目的试错法还可能导致企业对一个已处于成熟期的技术进行大量研发投入，从而使企业的研发投入在一开始就陷入了亏损的情境中。

事实上，学界和企业界以往的多项研究成果表明，技术进化有一定的客观规律和发展轨迹，是可预测的。西方理论主张针对技术发展中的特定参数来构建数学模型，并通过利用模型外推参数的变化进行技术成熟度的预测。但是，利用该方法所得的预测结果很难具体指导设计者实现创新设计。前苏联专家Altshuller通过对世界专利数据库中的250多万件专利进行汇总分析，发现技术系统也按照生物进化的模式进化，最终得出生物进化中的“S 型曲线”同样可用来描述产品技术系统的进化规律，并用于预测产品的技术成熟度。

以往学者多通过检索和分析专利文献来推理预测产品的技术成熟度，但是文献相对于发明专利具有滞后性，这影响了预测结果的时效性。在大数据时代，本文提出基于专利分析预测产品技术成熟度的方法：首先，通过直接检索专利数据库来收集当前产品的专利数据并绘制相关曲线；然后，将曲线的形状与生物进化中的“S型曲线”的形状进行对比，据此预测产品的技术成熟度，预防企业对处于成熟期或退出期的技术进行大量投入而无法获得收益，使企业的研发决策更科学、合理，增加企业的创新能力和市场竞争力。

2 理论基础与文献回顾

TRIZ（theory of inventive problem solving）是前苏联的Altshuller在对世界专利数据库中的250多万件专利进行分析的基础上提出的。该理论认为，所有产品都可被看作一个技术系统，并且该技术系统处于动态变化的状态。Altshuller还证明技术系统的核心性能随着时间的推移而呈“S型曲线”变化——这与生物学中的进化曲线是一致的［1］。

Altshuller通过对大量专利数据进行汇总分析发现，可采用专利数量、专利等级、产品性能以及产品获利能力来预测产品的技术成熟度，并绘制了4条标准曲线图［2］，如图1所示。之后，许多专家、学者针对Altshuller的理论进行了应用研究。Gib-son、Slocum 和Clapp对超声焊接技术的成熟度进行了预测，得出超声焊接技术处于成长期的结论［3］。Vijayakumar、Clapp和Slocum 预测了DVD 的技术成熟度，得出DVD 技术正处于成长期的结论［4］。Gahide、Clapp和Slocum 对滚筒型纺纱机的技术成熟度进行了预测，发现滚筒型纺纱机的技术已进入到成熟期［5］。

图1 产品技术成熟度标准曲线［2］

一些学者还提出了其他的产品技术成熟度的预测方法。例如，Martino依据不同阶段产品技术相关论文的性质和数量特征，绘制出各类论文数量随技术进化而变化的曲线图［6］。Daim、Rueda和Martin分析了1992—2002年与燃料电池核心技术相关的会议论文、期刊论文等不同类别论文的数量的变化情况，得出约到2010年燃料电池技术将会进入成熟期的结论［7］。Norman 提出了一种新的分析视角，认为产品性能达到顾客对产品性能需求的平均水平表明该产品的核心技术发展到成熟期［8］。

2000年之后，国内部分专家、学者开始研究TRIZ并将之运用于技术成熟度预测研究［9-15］。张换高、赵文燕和檀润华预测了蝶阀密封技术的成熟度［16］。赵新军、侯明曦和李爱研究了产品技术成熟度预测的决策支持系统，预测了滚筒型纺纱机的技术成熟度，结果表明滚筒型纺纱机技术已进入成熟期［17］。马苏常和刘学斌在Altshuller的理论的基础上，应用专利数量、专利等级、产品性能和利润率4个指标对激光加工技术的成熟度进行了预测分析［18］。王秀红和周九常利用Altshuller的预测方法对电动剃须刀和电动自行车的技术成熟度进行了预测分析［19］。王丽芳、蒋国瑞和黄梯云结合专利分析法和文献计量法对燃料电池的技术成熟度进行了预测研究［20］。可以看出，目前国内相关研究多为应用研究，理论深化研究不足。

综上所述，国外专家、学者不仅基于TRIZ对产品技术成熟度预测问题进行了应用研究，而且探索了其他的产品技术成熟度预测方法和手段。这些方法与Altshuller的预测方法相比还略显稚嫩，利用这些方法只能粗略地判断产品的技术成熟度。尽管如此，多样化的研究方向为准确预测产品技术成熟度提供了更多的手段和平台。相比而言，国内相关研究不够深入、有待进步。2000 年以后，中国科学技术部开始引入创新方法理论，国内部分专家、学者开始关注这个领域。然而，发展时间短暂、相关人才缺乏使得中国在此领域的研究发展受限，目前相关研究多是基于某些产品或技术的应用研究，停留在理论学习阶段［16-20］。本文旨在基于TRIZ和产品技术进化理论，通过专利分析预测产品的技术成熟度，以期深化产品技术成熟度预测研究，克服前人利用数学模型所得的预测结果不能具体指导设计者实现创新设计的局限性。

3 研究设计

产品是技术的表现形式，技术进化曲线呈S型。随着时间的推移，技术进化曲线由S型曲线逐渐趋向于一条水平直线。这条直线是现有技术系统的核心性能极限值，该极限值由技术系统的自然属性决定。预测产品的技术成熟度即确定技术在S型曲线上的位置。通过文献回顾，对比分析不同的产品技术成熟度预测方法，可发现Altshuller的预测方法能够全面、客观地反映产品技术成熟度。考虑到财务数据获取的局限性以及产品性能与专利等级的相关性，本文在优化Altshuller的预测方法的基础上，基于TRIZ和产品技术进化理论，构建产品技术成熟度预测模型，提出以专利数据库为数据源来收集当前产品的有关数据，绘制专利特性曲线并将之与生物进化中的S型曲线进行对比分析，据此确定产品的技术成熟度。如果技术处于婴儿期或成长期，那么应优化现有技术、进行渐进性创新、改善S型曲线、增大曲线斜率，使技术系统更快地走向成熟期；如果技术处于成熟度或退出期，那么应寻找替代技术、进行破坏性创新、提升技术的自然极限，使技术系统进化路线转移到新的S型曲线。

3.1 预测指标的选取

通过分析Altshuller的预测方法发现，专利等级和产品性能是同一指标的两个不同的考察角度。在技术发展初期，专利等级较高，技术发展重心是技术核心性能的实现和提升，产品性能较单一；随着核心技术难题被一一攻破，企业开始注重客户体验度，提高产品体验度的专利开始增多，产品性能进入上升期。此外，简单商品的核心性能指标单一，很容易分析产品性能指标随着时间推移而变化的规律；而复杂产品具有多个核心性能指标，无法很好地测量产品性能。专利等级评价是根据产品的主要功能和技术系统的进化规律，研究产品核心技术的传承关系，从而确定各项核心技术的等级划分的过程，专利等级可以更客观地反映产品的技术进化过程。鉴于此，本文选取专利等级作为预测指标。Altshuller选取产品利润作为获利能力的测量指标。但是，由于财务数据受到企业的严密保护，是企业最核心的数据，因此利润数据的可获得性很低。相对而言，产品的销售量或销售额数据更容易获得。鉴于此，基于行业的常规利润，本文采用产品销售量代替产品利润来衡量获利能力。

基于以上分析，通过对Altshuller的预测方法进行优化分析，本文最终选择专利数量、专利等级和产品销售量三大指标对产品技术成熟度进行预测。

3.2 标准曲线的绘制

本文以Altshuller的产品技术成熟度预测模型为原型，将指标优化为专利数量、专利等级和产品销售量。对于专利数量和专利等级，本文选用Altshuller的产品技术成熟度预测模型中的对应曲线为产品技术生命周期标准曲线图，专利数量随时间变化的特征如图1a所示，专利等级随时间变化的特征如图1d所示；对于产品销售量，本文基于前人研究并参考Altshuller模型中的产品获利能力曲线图（如图1c所示），绘制产品销售量的生命周期标准曲线图。据此得到的产品技术生命周期标准曲线图如图2所示，其中α、β和γ分别对应产品技术生命周期中两个不同阶段的临界点。

图2 产品技术生命周期标准曲线图

3.3 预测指标的测量

1）专利数量指标的测量。

目前国内专利数据库已比较完善，如上海知识产权（专利信息）公共服务平台检索系统、佰腾专利检索系统都包含了非常全面的专利信息。首先，通过对专利数据库进行自动检索，获取与研究技术关联的每一年度的专利审批数量，然后对初次检索到的专利进行手工筛选，得到与研究技术高度相关的每一年度的专利数量，据此来做统计分析。

2）专利等级指标的测量。

在评价专利等级前，首先要研究产品技术的发展历程，确定需要解决的关键问题以及同一产品各代核心技术之间的传承关系。在评价专利等级时，孤立地对某个专利进行评价是不可取的，关键是要进行纵向对比。针对某一产品技术，将筛选出的相关专利按时间排序，归纳总结该产品的技术发展过程和各代产品的核心技术之间的传承关系。每代产品中第一个出现的专利是等级最高的，高级别专利包括新的设计原理、新的制作工艺和新的产品结构等，此后出现的专利都是在此专利基础上的完善和补充，因此专利等级偏低；如果某项技术的发明对产品的部分甚至整体原理产生了巨大影响，达到了质变效果，那么该项专利的等级偏高。

目前还没有权威的计算机软件可用以自动分析、评价专利等级，因此目前专利等级评价只有依靠人工主观评价来进行。借鉴Altshuller对发明创造等级的分类，本文将专利分为5个等级。第一级：外观上的解决方案，即技术系统在核心技术方面没有丝毫进步，只是外观上发生变化或数量特性发生改变。第二级：少量改进，即技术系统发生部分质变，如结构优化、工艺升级。第三级：根本性的改进，即技术系统实现根本性的进步、达到质变，如将跨行业的理论方法应用到本领域。第四级，新原理，采用全新的原理实现现有技术系统的基本功能、替代现有的核心技术。第五级：新发现，即新的科学发现彻底超越了现有的技术系统水平。

3）产品销售量指标的测量。

产品销售量数据可从企业年度报告、各行业或省市统计年鉴、行业门户网站、各大专业数据库以及互联网处获得。

3.4 产品技术成熟度预测流程

依据产品技术成熟度预测模型，分析专利特性和产品销售量的变化情况，具体分析步骤如下：

第一步，检索专利数据。中国在专利检索方面发展迅速，网上有很多公开的专利数据库提供专利检索功能，如上海知识产权（专利信息）公共服务平台检索系统、佰腾专利检索系统。这些专利数据库都可按照“专利题目或文摘”进行检索，因此对于某产品包含的技术可通过专利题目或文摘以及中国专利分类号进行检索。例如：要查询液晶显示的相关技术专利，可直接在检索系统中选取“题目/文摘”检索方式并输入“液晶显示”进行查询。

第二步，筛选专利数据。采取“题目/文摘”方式检索出的专利中有很大一部分与所要研究技术的关系不大，可能只是文摘中提到了运用此项技术，因此需要详细阅读检索出的专利文摘以删掉无关的专利。例如：采取“题目/文摘”检索方式检索“液晶显示”专利，检索出的部分专利只是在文摘中提到该专利包含液晶显示部件，液晶显示并不是其核心功能。

第三步，专利分级。首先，将检索出的专利信息按时间排序以了解该技术的发展历程，确定要解决的核心问题，从而界定技术的相对级别；然后，根据模型中对专利等级的评价方法，划分专利等级。

第四步，汇总分析专利。对每年的专利数量、专利平均等级以及产品销售量进行汇总统计。

第五步，生成曲线图。根据汇总的统计信息，分别绘制随时间变化的折线图以进行简单分析，剔除图中个别严重偏离曲线变化规律的数据。

第六步，预测产品的技术成熟度。将绘制出的折线图与对应的产品技术成熟度标准曲线图进行对比分析，确定该指标在标准曲线图中的位置，判断产品技术现在的发展阶段。

第七步，预测结论及评价。综合剖析3个指标的对比值，评价产品技术成熟度现状、分析结论的可信度。

第八步，提出对策建议。产品技术成熟度的预测结果对企业的研发战略起关键性引导作用。如果产品的技术成熟度处于婴儿期或成长期，那么下一步的研发策略为优化现有技术、进行渐进性创新、改善S型曲线、增大曲线斜率，使技术系统更快地走向成熟期；如果产品的技术成熟度处于成熟度或退出期，那么后续的研发策略为寻找新的核心技术、替代现有技术、进行破坏性创新、提升技术的自然极限，使技术系统转移到新的S型曲线中，获得更宽广的发展空间。

4 案例研究

4.1 液晶显示技术简介

液晶显示器的英文通称是LCD（liquid crystal display）。世界上第一部液晶显示器诞生于20世纪70年代，被称为扭曲向列液晶显示器（TN-LCD）。此时的液晶显示仅仅是单色显示，也就是最原始的黑白显示。到了20世纪80年代，超扭曲向列液晶显示器（STN-LCD）逐渐诞生，同时薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）技术也开始进入研发试验阶段。20世纪80年代末到90年代初，日本掌握了STNLCD和TFT-LCD的生产技术，液晶显示行业开始快速发展。随着液晶技术的完善和成熟，越来越多的行业和领域开始应用液晶显示技术，液晶显示的地位日益突出。

中国大陆地区早在20世纪80年代初期就开始引进TN-LCD和STN-LCD 的生产线，现在中国已成为世界上最大的TN-LCD 和STN-LCD 生产基地。从2004年开始，中国大陆地区开始自主研发TFT-LCD技术。虽然起步比日本、韩国以及中国台湾地区要晚，但是国家一直全力支持液晶设备行业的发展。例如：在国家发展和改革委员会发布的《产业结构调整指导目录（2005年版）》中，“新型显示设备、中高分辨率的彩色显像管/显示管和玻壳制造及技术开发”被设为鼓励类项目；“液晶显示技术”由原信息产业部载入《信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划纲要》，国家发展和改革委员会、工业和信息化部重点支持新型平板显示技术研发及产业化专项。

4.2 液晶显示技术成熟度预测

4.2.1 专利的检索和筛选

中国液晶显示器生产企业从代加工到积极开展技术研发经历了近30年的发展过程，取得了非常显著的成果。在此时期，中国专利保护的相关法律也开始步入正轨，从国家到企业都开始重视对科研成果的保护。因此，中国专利数据库中液晶显示技术的相关专利可以反映中国液晶显示行业的发展过程。

利用互联网访问中国的专利数据库，以“液晶显示”为关键词检索相关专利信息。具体而言：利用上海知识产权（专利信息）公共服务平台检索系统检索出1986—2013年与液晶显示技术相关的专利共57533件；利用佰腾专利数据库检索到包括关键词“液晶显示”的专利共65459 件。综合上述检索结果，剔除与液晶显示技术的相关性较小的专利，剩余专利近3万件。

4.2.2 专利的分级

对近3万份专利进行分析，结合从互联网获取的相关资讯，研究各类液晶显示产品的出现顺序以及其核心技术间的递进关系。对于液晶显示来说，需要解决的技术瓶颈有分辨率、点距、波纹、响应时间、可视角度、亮度和对比度。据此，根据预测模型中指标的测量办法，用5个等级划分液晶显示专利等级：

1）外观上的解决方案。若液晶显示产品发生外观上的变化或数量特性上的变化等，不具有任何核心技术方面的创新，则此类专利的等级为1。

2）少量的改进。若液晶显示产品发生部分质变——包括结构和工艺等方面的改进，则此类专利等级为2。

3）根本性的改进。即利用其他行业的已有材料或技术解决液晶显示产品的现有技术瓶颈，使液晶显示核心技术发生质变，则此类专利等级为3。

4）新原理。即采用全新的工作原理，用综合性能更高的核心技术代替现有的液晶显示技术。此类专利等级都为4。

5）新发现。在超越现在技术的自然限制上发现一种新的科学定律，在某种场的作用下满足人们对液晶显示的需要，则此类专利等级为5。

4.2.3 液晶显示技术成熟度预测

根据技术成熟度预测模型，分别构建对应的专利特性曲线，将得到的曲线与标准产品技术生命周期曲线进行对比，对液晶显示技术成熟度进行预测判断。具体过程如下：

第一步，分析专利数量曲线。

对筛选出的近3万份专利按时间顺序排序，绘制液晶显示技术专利数量与时间对应的曲线图，如图3所示。图3显示：1986—1993年期间液晶显示技术专利数量增长非常缓慢，说明此阶段该技术还未引起公众的注视；1994—1998年期间，专利数据开始快速增长，1999年出现回落、增长缓慢；2000年以后，液晶显示技术专利数量开始急剧增长，直到2008年都维持着强劲、迅猛的增长势头，且曲线斜率也较大；2009年开始，液晶显示专利技术专利数量开始下滑，直到2013年都呈下降趋势。将图3所示的液晶显示技术专利数量曲线图与产品技术成熟度预测中的标准专利数量曲线图进行对比分析，可看出1986—2013年期间液晶显示技术专利数量曲线图基本完全展现了技术进化的整个过程。由此可初步判断：中国液晶显示技术已进入成熟期后期，即将步入退出期。

图3 1986—2013年中国液晶显示技术专利数量曲线图

第二步，分析专利等级曲线。

利用液晶显示技术专利等级划分办法，对筛选出的近3万件液晶显示技术专利进行等级划分。由于数据量太过庞大，因此对专利数量超过100件的年份采用抽样法近似计算该年的专利等级均值。计算办法如下：在上海知识产权（专利信息）公共服务平台检索系统中按“主分类号”对每年专利进行排序，每页共20条专利；分别从每页中选取第1个、10个、20个专利作为研究样本，对从当年抽取的所有专利样本按等级划分办法进行评价打分；最后取算术均值作为当年技术专利等级均值的估计值。对应地绘制液晶显示技术专利等级与时间对应的折线图，如图4 所 示。图4 显 示：1986—1991 年期间 液晶显示技术的专利等级呈逐年下降状态；1992年出现转折，出现第一个拐点；1992—2000 年液晶显示技术的专利等级呈递增趋势，于2000年达到高峰；自2010年以来专利等级曲线直线下降，直至2011年开始出现回升至2013年。将图4所示的液晶显示技术专利等级曲线图与产品技术成熟度预测中的标准专利等级曲线图进行对比分析可发现：1986—2010年期间基本呈一个完整的专利等级生命周期，说明液晶显示技术在2010年已进入成熟期后期、即将步入退出期；2011年专利发明等级开始回升，说明可能已出现新的核心技术，引导液晶显示技术开始走向更高一层的技术生命周期循环。

图4 1986—2013年中国液晶显示技术专利等级曲线图

3）分析产品销售量曲线。

2001年中国推出第一台自主研发的液晶显示器，因此本文统计2002—2013年中国的液晶显示器销售量（见图5），数据来源于行业年鉴以及互联网。从图5可看出：2002—2004年期间中国的液晶显示器销售量增长缓慢；之后直到2013年液晶显示器销售量整体上呈快速增长态势；2013年的销售量仍处于曲线斜率较大的位置。将图5所示的液晶显示器销售量曲线图与产品技术成熟度预测中的标准销售量曲线图进行对比分析可发现，2002—2013年期间的销售量曲线基本呈现出液晶显示技术在成长期和成熟期的曲线特征，说明2013年液晶显示技术至少处于成熟期。

图5 2002—2013年中国液晶显示器销售量曲线图

由此可以做出判断：液晶显示技术已进入成熟期后期、即将步入退出期。在此情况下，增加液晶显示技术的研发投入已不能获得客观收益，企业应寻找替代技术或新的核心技术，但是生产该类产品仍能获取利润。同时，市场也显示：智能电视、平板电脑、3G/4G 手机等新概念新事物的出现以及飞速发展，带动了液晶显示器的销售量，产品的其他核心技术的升级带动了液晶显示屏的销售。

5 结语

本文基于TRIZ 和产品技术进化理论，以专利数量、专利等级和产品销售量为三大预测指标，构建了基于专利分析的产品技术成熟度预测模型，并以液晶显示技术为例进行了实证检验，剖析了该预测方法在高新技术企业中的具体应用，为企业和相关产业部门的研发投资和产业布局提供了快捷有效的预测手段和决策支持。

本文的主要结论如下：

第一，理论分析和案例研究结果展示，以专利数量、专利等级和产品销售量为预测指标构建的基于专利分析的产品技术成熟度预测模型，可为企业准确把握当前技术在市场中的位置、预测技术的发展趋势提供决策支撑。产品进化的实质是核心技术从低级向高级的变化，处于婴儿期的技术往往是一项专利，很难判断其未来收益；处于成长期的技术具有绝对的竞争优势，能为拥有者和开发者带来巨大财富；技术处于成熟期的产品可为企业赚取利润，而退出期的技术处于完全落后状态或变得非常普通。

第二，根据产品技术成熟度的预测结果：若产品的技术成熟度处于婴儿期或成长期，则应优化现有技术，进行渐进性创新，改善S型曲线；若产品的技术成熟度处于成熟度或退出期，则应寻找新的替代技术，进行破坏性创新，产生新的S型曲线，从而得到更宽广的发展空间。

第三，目前液晶显示产品的性能已能满足人们的需求，虽然近几年智能手机、智能电视以及平板电脑的热销为液晶显示市场带来了巨大商机，液晶显示器的销售情况也蒸蒸日上，但是值得注意的是，液晶显示技术已进入成熟期后期、即将步入退出期。根据这一预测结果，企业应对新一代液晶显示核心技术的开发进行重点投入，选择替代技术或新的核心技术。

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