基于知识图谱和专利地图的科技竞争态势分析方法研究

王兴旺　尚建翠　高卫卫　张云

〔摘 要〕该文以科技竞争态势分析为目标，从科学与技术的关联性角度，通过充分挖掘、结合学术论文和专利数据所包含的信息，将科学研究与技术研发两方面结合起来，设计研究出基于知识图谱和专利地图的科技竞争态势分析方法。通过多个不同角度和纬度的分析，采用知识图谱和专利地图对分析结果进行可视化揭示，最终从科技竞争环境、科技创新环境、竞争机构和人才三方面，对科技竞争现状和趋势进行揭示和描述，能有效协助、引导科技创新活动的开展。同时，以张力腿平台（TLP）科技领域为例，对所设计的科技竞争态势分析方法的实用性进行实证分析。

〔关键词〕知识图谱；专利地图；科技竞争态势分析；科技创新

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.09.020

〔中图分类号〕G250252 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1008-0821（2015）09-0105-06

〔Abstract〕This paper presented a method of science and technology competitive situation analysis based on knowledge mapping and patent map from the perspective of the relevance of science and technology，which using academic papers and patents information together.The status and trends of science and technology competition could be disclosed and described from three aspects，Sci.& Tech.competitive environment，Sci.& Tech.innovation environment，competitive organizations and persons，through using knowledge mapping and patent map to reveal the analysis results visually from different views.It could assist and guide the Sci.& Tech.innovation activity effectively.At the same time，the method of Sci.& Tech.competitive situation analysis was demonstrated to be practical by the example of Sci.& Tech.domain of Tension Leg Platform（TLP）.

〔Key words〕knowledge mapping；patent map；science and technology competitive situation analysis；science and technology innovation

党的十八大做出了实施创新驱动发展战略的重大部署，强调科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置。在开展科技创新活动当中，十分有必要对当前的科技竞争态势有清醒的认识和深刻的把握，否则科技创新活动就可能遭遇失败或者走弯路。现今，国际竞争呈现出越来越激烈的态势，这就越发要求采用科学的方法和手段来进行科技竞争态势的分析，正确把握科技竞争的客观现状，有效协助、引导科技创新活动的开展。

1 研究思路与方法

11 研究思路

科技竞争是一个较宽泛的概念，本文所指科技竞争主要是从竞争态势的角度来看待科学与技术的研究与发展状况。这种理解既不同于技术竞争，也不同于科技竞争力：技术竞争仅指技术层面，并不包含科学研究方面；科技竞争力重在对科学技术水平进行比较和评价。

进行科技竞争态势分析的方式方法多种多样，相关研究也较多。本文主要从科学与技术的关联性角度，将科学研究与技术研发两方面结合起来，进行科技竞争态势分析研究。这主要是考虑到现代科学与技术之间的发展演变日益加快，特别是在高新科技领域，产品的开发、产业的发展不再只依赖于相关技术的研发，同样取决于相关基础理论（科学）研究的水平和进展。因此，结合利用科学研究与技术研发两方面的信息，进行科技竞争现状及趋势的分析，迎合了当下科技时代的发展需要，具有一定的现实意义。

科学知识一般包含在图书和学术论文当中，技术知识一般包含在专利文献当中。因此，了解某一领域的科技状况可以通过收集、整理、分析该领域的图书、学术论文、专利等文献来实现。具体到进行科技竞争分析时，一般主要从学术论文和专利两方面，获取相关科技文献并进行分析，以达到掌握科技竞争状况的目的。

目前，结合利用学术论文和专利信息进行科技竞争分析方面的研究尚较少。卞志昕（2009）提出在专利地图的基础上增加学术论文相关信息，制作出技术情报地图[1]；该研究的目标仍限于技术情报层面。陈韫春（2010）提出基于科研论文和专利的视角，分析我国科研现状和存在的问题[2]；该研究仅进行理论层面探讨，并未做进一步的深入研究或实践。陶蕊等（2013）基于论文和专利数据进行中美清洁煤技术研发实力与合作趋势分析[3]；该研究仅针对中美两国进行比较，比较的角度也仅限研发实力、研发机构两方面。余敏杰等（2014）将论文引文分析与专利分析相结合，分析微结构光纤技术及其产业的发展态势[4]；该研究以专利信息分析为主，对于论文信息仅进行引文分析。王曼娜等（2014）基于博硕士论文与专利的分析，了解我国再生水领域的研究和应用趋势[5]；该研究重在通过论文和专利信息来了解有关研究进展。endprint

目前的相关研究，一方面没有充分挖掘学术论文或专利数据所包含的信息，结合分析的角度不够全面；另一方面，并未针对科技竞争态势进行专门的研究。针对目前已有研究的不足，本文重点针对科技竞争态势，充分挖掘、结合学术论文和专利数据所包含的信息，研究分析的方式方法，实现较深入全面掌握科技竞争现状和趋势的目标。

12 研究框架与方法

当前，最为有效的信息分析方式是借用先进的信息技术手段，采用可视化方法对分析结果进行形象化揭示和展示。对学术论文所包含的科学信息进行分析一般采用科学知识图谱[6]，对专利所包含的技术信息进行分析一般采用专利地图[7]。但无论是知识图谱还是专利地图，其本质均是采用可视化方法对科技信息分析结果进行形象化揭示，从静态理解是指形象化表示后的有关科技信息的各种图形表格、分布图等，从动态理解是一种分析并形象化揭示科技信息的综合性方法。

本文结合利用知识图谱和专利地图，将学术论文和专利信息分析结合在一起，实现对科技竞争态势进行全面分析的目的，研究框架如图1所示，即基于知识图谱和专利地图的科技竞争态势分析方法。

由图1可见，对于科技竞争态势的把握，主要从科技竞争环境、科技创新环境、竞争机构和人才三方面进行分析揭露。

（1）科技竞争环境分析。主要从时间和空间两个维度进行分析揭示。时间维度的分析即从历史的角度来分析科技发展的趋势，需要结合科学研究趋势图和技术研发趋势图来进行，或将两者合二为一。空间维度的分析即从地域分布的角度来分析科技研发的主要区域及其水平，需要结合科学研究地域分布图和技术研发地域分布图来进行。

（2）科技创新环境分析。当前科技竞争的核心体现在科技创新，因此科技创新环境已成为了解科技竞争态势的重要方面。学术论文和专利分别属于知识创新和技术创新的最主要成果，因而可以结合科学研究热点图和技术研发重点及趋势图，来进行知识创新热点和技术创新重点及趋势分析，从而实现对科技创新环境的掌握。

（3）竞争机构和人才分析。科技的竞争就是人才的竞争，人才通常依靠机构（组织）的力量来开展科技研发和创新活动；因此，掌握科技竞争水平较高的机构和人才队伍情况，也是了解科技竞争态势的重要方面。竞争机构分析是为了挖掘出科技研发水平和实力较高的一些科技研发机构，需要结合科学研究机构实力图和技术研发机构实力图来进行。竞争人才分析是为了挖掘出科技研发水平和实力较高的一些科技研发团队，需要结合科学研究团队实力图和技术研发团队实力图来进行。

2 实证——以张力腿平台（TLP）为例

张力腿平台（TLP）是海洋石油、天然气工业从近海向深海发展过程中诞生的一种新型平台，是我国重点发展的新兴海洋工程装备（海洋工程装备产业是我国战略性新兴产业之一），它是一种垂直系泊，通过数条张力腿与海底的顺应式平台相接[8-9]。

在科技文献数据的采集和获取方面，学术论文数据采集自爱思唯尔（Elsevier）的Scopus数据库，这主要是考虑到Scopus的数据较汤森路透（Thomson Reuters）的Web of Science数据更为全面；专利数据则是采自汤森路透（Thomson Reuters）的德温特创新索引（DII）数据库，该数据库专利数据较全面、规范。在以上两个数据库中分别检索、获取张力腿平台的学术论文和专利数据，共计获得学术论文1 673篇、专利399件；由于以上数据的检索时间为2015年初，而学术论文和专利信息的公开往往需要一定的周期，因此仍有部分2014年的数据还没有公开，所以2014年的数据量会比实际的偏少一点。

采用本文上节所述研究框架和方法，绘制相应知识图谱和专利地图，对张力腿平台的（国际）科技竞争态势进行分析。进行数据分析及制图的工具包括BibExcel[10]、Pajek[11]、VOSviewer[12]等。

21 TLP科技竞争环境分析

211 科技发展趋势分析

统计有关张力腿平台的历年学术论文和专利数量，制作其科技研发趋势图，如图2所示。

从图2可见张力腿平台的科技发展趋势：理论研究（论文）比技术开发（专利）早五六年，且活跃程度要高不少，反映出张力腿平台尚存在一些基础性问题没有得到很好的解决，导致其应用不是很广泛、深入，但也说明其进一步研发的空间还很大；从历史发展趋势看，理论研究与技术开发的趋势大体上一致；在20世纪80年代中期至90年代早期，出现过一次科技研发的高潮期，之后开始跌荡式下降，在2001年左右陷入相对低谷期；自2002年左右科技研发活动又开始缓慢地反弹，直到近三四年，才开始出现爆发式增长并持续至今；目前，张力腿平台的理论研究与技术开发均处在新的快速发展期。

212 科技研发地域分布分析

统计各国家/地区有关张力腿平台的学术论文和专利数量，分别制作其科学研究和技术研发地域分布图，如图3和图4所示。

从图3和图4可见世界主要国家/地区在张力腿平台方面的科技研发实力和水平：美国无论是在基础理论研究还是在技术开发方面，均具有绝对的领先优势，在技术开发方面优势更加的显著；除美国之外的其他国家，中国和挪威的科技研发力量相对较强，挪威在理论研究方面稍强于中国，而中国则在技术开发方面稍强于挪威；其他具有一定科技研发实力的国家有英国、日本、澳大利亚等。

22 TLP科技创新环境分析

221 知识创新热点分析

统计有关张力腿平台的学术论文中关键词的出现频次，选择出现频次较高的关键词进行共现分析，并制作共现图谱，如图5所示，即科学研究热点图。

从图5可见，张力腿平台的科学研究和知识创新热点主要有4个方面：（1）基于平台的石油开采技术，主要集中在海底取油立管及结构设计等方面；（2）系索系统研究，主要进行计算模拟、动态分析等；（3）平台的结构分析和设计，主要考虑涡流和风力影响、疲劳性能和可靠性等；（4）平台的动力响应分析，主要运用水动力学、有限元分析等方法。endprint

222 技术创新重点及趋势分析

统计有关张力腿平台的专利技术分类（IPC）情况，专利量较多的IPC类别即张力腿平台的技术研发和创新重点；

从图6可见，在近十年间（2005-2014年），关于张力腿平台的技术创新活动（B63B35/44）呈现出增长趋势，特别是在近几年；在平台的海上停泊方法上，对于锚泊技术（B63B21/50）的研发较多，尤其近几年发展迅速，而对于系泊技术（B63B21/00）的研发则在近几年急剧下降；在平台设计和修建方法（E02B17/00）的研究上，近十年基本保持在相对较高水平，波动不大；在海底取油立管的设计（E21B17/01）上，技术研发波动性较大，曾在2007年和2012年左右出现研发高峰，其它时间内基本呈下降趋势。

23 TLP竞争机构和人才分析

231 科技研发机构分析

分别统计有关张力腿平台的学术论文和专利的发文机构和专利申请人情况，选择发文量或专利申请量较多的机构（组织），分别制作其科学研究和技术研发机构实力图，如图7和图8所示，这些机构即具有竞争力的张力腿平台科技研发机构。

从图7可见，在张力腿平台基础理论（科学）研究方面，国际上研究实力最强的机构是美国德州农工大学（Texas A and M University），其次是荷兰皇家壳牌公司（Royal Dutch Shell）、康菲公司（ConocoPhillips）及挪威科技大学（Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet）。其他科学研究实力较强的机构还包括印度理工学院德里校区和马德拉斯校区（Indian Institute of Technology，Delhi/Madras）、挪威国家石油公司（Statoil ASA）等。

从图8可见，在张力腿平台技术研发方面，国际上研发实力最强的机构是壳牌石油公司（SHELL OIL CO），其次是美国大陆石油公司（CONOCO INC）和美国海马装备有限公司（SEAHORSE EQUIP CORP），其他技术研发实力较强的机构还包括埃克森美孚（EXXON PRODN RES CO）、深水海洋科技有限公司（DEEPWATER MARINE TECHNOLOGY LLC）、维特克灰色公司（VETCO GRAY INC）等。

232 科技研发团队分析

统计有关张力腿平台的学术论文作者和专利发明人的出现频次，选择出现频次较高的作者或发明人进行共现分析，并分别制作共现图谱，如图9和图10所示，即具有竞争力的张力腿平台科技研发团队。

从图9可见，最大的张力腿平台基础理论（科学）研究团队是一个跨国组合，主要成员包括美国德州农工大学（Texas A and M University）的Kim，MH.、Kim，CH.、Niedzwecki，JM.、Natvig，BJ.，挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology）的Naess，A.，挪威Statoil公司的Teigen，PS等人。其次是美国德克萨斯大学奥斯汀分校（Univ of Texas at Austin）的研究团队，主要包括Kim，SB.、Powers，EJ.、Fischer，FJ.、Hong，JY等人。其他较大的研究团队包括以Chandrasekaran，S（论文发文量最多）为核心的印度理工学院（Indian Institute of Technology）团队，以Kareem，A为核心的美国圣母玛利亚大学（Univ.of Notre Dame）团队等。

从图10可见，最大的张力腿平台技术研发团队，是由独立发明人LEVERETTE S J（专利发明最多）、RIJKEN O R、KIBBEE S E，以及壳牌石油公司的HUETE D A和KIPP R M等人组成。其次是以ALLEN D W、HENNING D L、MCMILLAN D W为核心的壳牌石油公司团队。其他较大的研发团队还包括韩国RES INST IND SCI&TECHNOLOGY团队等。

3 结 语

本文以支撑科技创新活动为导向，以全面深刻把握科技竞争态势为目标，从科学与技术的关联性角度，通过充分挖掘、结合学术论文和专利数据所包含的信息，将科学研究与技术研发两方面结合起来，设计研究出基于知识图谱和专利地图的科技竞争态势分析方法。通过多个不同角度和纬度的分析，采用知识图谱和专利地图对分析结果的可视化揭示，最终从科技竞争环境、科技创新环境、竞争机构和人才三方面，对科技竞争现状和趋势进行揭示和描述。同时，以张力腿平台（TLP）科技领域为例，实证了所设计的科技竞争态势分析方法的实用性。

由于本文所做的研究是一种方法及应用的探讨，在短时间内总结出来难免有所疏忽，其中的一些观点和表述仍值得商榷。同时，仍有一些问题需要做进一步的探讨和研究，如基础理论（科学）研究（学术论文）与技术开发（专利）之间的关联性、互动性问题等。这些研究中的不足和问题，需要在今后的研究中做进一步的改进和完善。

参考文献

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[2]陈韫春.基于论文和专利的我国科研现状分析[J].科技管理研究，2010，30（10）：14-15，19.

[3]陶蕊，武思宏，闫冬.基于论文和专利数据的中美清洁煤技术研发实力与合作趋势分析[J].世界科技研究与发展，2013，35（2）：298-302.

[4]余敏杰，丁楠.基于论文和专利的光纤技术发展态势分析[J].科技与经济，2014，20（4）：66-70.

[5]王曼娜，陈晨，陈晓芬，等.我国再生水领域的研究和应用趋势——基于博硕士论文与专利的分析[C].2014中国环境科学学会学术年会论文集（第五章）.成都：中国环境科学学会、四川大学，2014：1167-1174.

[6]陈悦，刘则渊.悄然兴起的科学知识图谱[J].科学学研究，2005，23（2）：149-154.

[7]王兴旺，孙济庆.国内外专利地图技术应用比较研究[J].情报杂志，2007，26（8）：113-115，119.

[8]马延德.海洋工程装备[M].北京：清华大学出版社，2013.

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[10]OllePersson.BibExcel[CP/OL].http：∥www8.umu.se/inforsk/Bibexcel，2015-03-23.

[11]Vladimir Batagelj，Andrej Mrvar.Pajek[CP/OL].http：∥pajek.imfm.si/doku.php，2015-03-23.

[12]NeesJanvanEck，LudoWaltman.VOSviewer[CP/OL].http：∥www.vosviewer.com，2015-03-23.

（本文责任编辑：马 卓）endprint