文献分析法在技术核心分析中的应用——以先进制造技术为例

(武汉船舶职业技术学院,湖北武汉 430050)

先进制造业是以高新技术为引领，处于价值链高端和产业链核心环节，决定着整个产业链综合竞争力的战略性新兴产业，是现代产业体系的脊梁，是推动工业转型升级的引擎[1]。而先进制造技术是制造业不断吸收各项新兴技术成果，并将其综合应用于产品制造全过程，以实现优质、高效、低耗、敏捷、绿色生产，提高制造企业对市场的应变能力和竞争能力所涉及的相关制造技术的总称[2]。随着“中国制造2025”战略的提出，我国先进制造业迎来了发展的春天，先进制造技术高速发展[3]。笔者应用TDA(Thomson Data Analyzer)数据分析技术对Web of Science中先进制造技术相关引文数据集合，从文献数量、国家分布、著者信息、关键技术等方面进行分析，并指出当前各国先进制造技术的发展热点以及先进制造技术领域技术核心群。

1 SCI文献计量分析

本文选择SCI-Expanded 数据库，利用关键词对近40年以来的全球科研人员发表的先进制造技术领域的文献进行检索。数据采集时间为2017年12月13日，共检索到文献67119 篇。检索过程中，并未限定文献类型，以下统称为“论文”。利用Thomson Reuters开发的数据挖掘和可视化分析工具——TDA开展文献计量分析[4]。

1.1 论文数量和研究人员数量的年度变化趋势

由图1 可以看出，自19世纪70年代开始就有关于先进制造方面的论文研究，但数量非常少，到90年代初期相关方面的论文数量增幅都不大，仅在数百篇范围之内。从1997年开始，先进制造技术领域的论文呈现出逐年增长的趋势。由于论文发表的滞后性，到2012至2015年，相关论文数量达到顶峰，接近5000篇，这从一个侧面反映出，先进制造技术在近些年来，受到全球越来越多国家政策、企业研发和研究机构的支持，呈现出爆发性的增长。

图2和图3表明的就是近20年来，投身到先进制造研究领域中的研究人员在逐渐增加，从已有作者和新作者的数量对比中，也可以看出近几十年来，每年都有更多的研究人员投身到该领域的研究中。特别是近10年，随着新增研究领域的不断开拓，新增加的研究人员也在逐年增加。同样地，随着研究队伍的不断壮大，先进制造领域的研究方向也逐渐增多，体现在新关键词数量的快速增长。

图1 论文研究数量年度分布

图2 研究人员年度分布

图3 新关键词年度分布

1.2 重点国家/地区分析

在现有数据的基础上，对不同国家/地区的论文数量进行了对比分析，发表论文数量排名前10位的国家/地区如图4 所示。美国以12734篇的绝对优势居于首位，位居第二的为中国5733篇，这反映出我国在从制造业大国向制造业强国转变过程中对先进制造业的不断重视与加强。但在数量上看，位居首位的美国论文数量是我国的两倍还要多，这也从一个侧面反映出我国在该研究领域不论是范围还是深度较美国相比仍有不小的差距。英国论文数量(4592)位居第三，接下来依次为中国台湾地区(3751 篇)、日本(3111篇)、韩国(2934篇)。这10 个国家/ 地区的论文数量占全部总数的75.9%，这表明先进制造技术领域的研究相对集中在论文数量排名靠前的10个国家/地区。

分析1978-2017年间，各个国家/地区的论文数量随时间的变化情况( 如图5) ，可以看出，美国早在19世纪70年代就开展先进制造技术领域研究，并且90年代之后美国相关领域论文数量有了很快速的增长，且在最近的15年之内进入增长高峰期。从图上也可以看出，最近十年，随着我国开始对先进制造研究加大投入，2007年开始，我国相关领域论文数量有了爆发式的增长，但美国在先进制造领域的优势地位短期内还是很难超越的。随着“中国制造2025”计划的实施，中国在最近几年先进制造领域的发文数量已与美国缩小差距，并远超排名随后的英国、中国台湾地区以及日本、韩国等国家。

图4 主要国家/地区论文数量

图5 各国/地区发表论文数量年度分布

1.3 重要研究机构分析

如图6所示，从论文数量上来看，在统计数据的40年内，排在前三位的依次是印度理工学院(1197篇)、新加坡南洋理工大学(748 篇)、上海交通大学(690篇)。图6中十家机构发表的论文数量差别并不大。从国别分布来看，这10 家机构中,美国、新加坡、韩国和中国各占2家，日本和印度各1家。

而从近3年发文数量研究机构排名来看，如图7所示，位居第一的印度理工学院和位居第二的上海交通大学差距不大，分别为169篇和163篇，香港理工大学以92篇居于第三位。从国别分布来看，这10 家机构中中国占据了5家，分别为上海交通大学、香港理工大学、中国台湾成功大学、华中科技大学和哈尔滨工业大学。美国、新加坡、日本、印度和伊朗各1 家。这表明，近3年来随着国家政策的倾斜，中国在先进领域无论是投身其中的研究机构数量还是在发文数上都有着非常可观的进步。

图6 重点研究机构发文数量

图7 近3年发文数量TOP10研究机构

1.4 重点研究领域和关键技术分析

如图8所示，我们选取了出现频率最高的前二十个技术关键词，和设计方法有关的关键词包括：建模、最优化、遗传算法、有限元法/分析；与生产加工相关的关键词有机械性能、表面粗糙度、微结构、装配、机加工、快速成型、精密磨削；与智能装备有关的关键词有：神经网络、人工智能和机器人技术；与生产管理相关的关键词有：时序安排、供应链管理、精益生产等。

如表1所示，分析了各国在先进制造关键技术布局，美国在现代设计及技术相关的建模和最优化等技术以及和加工制造有关的机加工技术有着非常强大的优势，位居第二的中国则在微结构、遗传算法、有限元法等关键技术方面超越美国，英国则在设计方法有关的建模和机械性能上有比较多的研究。

图8 重点研究领域和关键技术分布

国家/关键词数量建模机械性能最优化时序安排表面处理微结构遗传算法装配有限元法机加工美国221181851556954538252100中国102100819250150104437624英国104883230242219482830中国台湾4416777578107410354日本45412521463017103614韩国504837413043466634印度5163102511127211681241德国7552222914265411929加拿大542857266181491018法国434541479181382625

如表2所示，分析了先进制造领域发文数量前十位的研究人员所属的国家、科研机构以及主要研究领域。排名第一的是美国俄亥俄州立大学的Altan T发表了132篇，排名第二是爱尔兰都柏林城市大学的Hashmi M S J发表了130篇，两者都涉及了有限元法等设计相关技术，是该领域最具影响力的研究人员。新加坡国立新加坡大学的Nee A Y C以及Rahman M和Wong Y S分别排名第三和第七，分别在虚拟现实设计、注射成型技术以及和加工制造技术有关的刀具材料和磨损方面有相关研究。我国也有三位作者进入了排名，分别为香港理工大学的Lee W B、香港中文大学的Chan F T S以及哈尔滨工业大学的Wang Z R，涉及领域有超精密加工、柔性制造以及数值模拟与仿真等方面。与国外重要研究者相比，我国研究人员在研究领域的广度和深度以及科研产出方面都有一定的差距，需要我国科研人员在发文的同时，进一步提高学术影响力。

表2 先进制造领域重要研究者及其关键研究技术

最后，如图9所示，我们对先进制造领域总体研究布局进行了分析，可以看出研究热点包括先进制造工艺与装备、现代设计方法及技术以及现代制造管理技术与系统等方面，与先进制造工艺与装备相关的热点技术有人工智能、机器人技术、柔性自动化制造技术、表面处理、激光技术、超精密加工等，与现代设计方法及技术相关的热点技术有有限元法、神经网络、虚拟现实技术、快速原型等，而与现代制造管理技术与系统相关的热点技术有供应链管理、并行工程、时序安排等。

图9 先进制造技术领域技术核心云

2 结 语

根据文献计量分析，先进制造技术主体技术核心可分为面向制造、面向工艺的两大技术核心体系。面向制造的设计技术核心指用于制造准备的工具群和技术群。产品设计可以采用一系列工具，例如虚拟现实技术、有限元法、工艺过程建模和仿真等。制造工艺技术核心是指用于生产的过程及设备。例如快速原型、磨削、机器人技术、人工智能、柔性制造等。随着高新技术的不断渗入，传统的制造工艺和装备正在产生质的变化。目前，我国的先进制造研究仍倾向于跟着国外的踪迹往前走，实现从“跟踪”向“自主创新”的转变需要一个过程[5]。计算机技术、自动控制理论、数控技术、机器人、CAD/CAM技术、集成制造技术以及网络通信技术等在内的信息自动化技术的迅猛发展，为先进制造技术的发展和应用提供了日益增多的高效能手段。先进制造技术今后发展方向将会是数控技术、计算机辅助设计与制造、特种加工技术、制造业综合自动化、信息技术、自动化技术、现代企业管理技术的有机结合。 机器人技术、柔性制造系统、系统管理技术、制造业综合自动化、过程工业综合自动化、并行工程、供应链管理等综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，获得理想技术经济效果。