基于专利数据的企业技术创新机会识别方法研究

朱琳，战洪飞，余军合，王瑞

（宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

一、引言

现今在技术迅速更迭的知识经济时代，科技技术创新已然成为企业不断提升自身核心竞争力的关键要素，新兴技术的蓬勃发展使得企业在解决业务问题时面临的技术创新机会的选择更加多样化和复杂化。一旦企业在关键技术方向的识别和选择上有所偏差，不仅会错失最佳解决问题时机，造成大量人力和物力资源的浪费，而且还会影响企业未来技术的进一步发展。因此，准确分析未来技术演化趋势，并及时把握技术更替带来的良好机遇对企业提升业务问题的求解绩效尤为重要。

技术创新机会分析相关的研究，国外已经开展了较多的研究工作，起步较早。Porter等（1995）[1]利用监测和文献计量学来挖掘和分析多芯片模块开发领域的相关信息，以有效生成新兴技术创新情报；Jeong等（2015）[2]以太阳能照明设备为例，通过研究市场驱动的技术路线图来寻找新的技术机会。Kim等（2011）[3]通过从专利中获得的技术属性和功能与TRIZ趋势联系起来，以寻求进一步改进技术的方向。Yoon等（2005，2007）[4-5]通过文本挖掘提取薄膜晶体管-液晶显示器相关专利的关键词，提出了基于关键词的形态分析法来总结技术形态，来探究可替代的更有效的新兴技术组合方案；Park H等（2012）[6]提出应用SAO结构来挖掘分析专利文本信息，开发技术树来分析技术机会的综合信息；Kang等（2015）[7]利用文本挖掘技术构建专利地图，通过定量分析技术新颖度，并对发光二极管的热管理技术进行了实例研究；Fang等（2015）[8]运用文本聚类方法来识别微藻生物燃料领域科学论文和专利所展现的不同技术，来发现可能存在的技术机会；JoséM等（2013）[9]通过结合技术挖掘方法和语义TRIZ方法来迅速准确地识别石墨烯在阴极材料中的技术发展趋势。在国内，汪雪锋等（2014）[10]为给企业提供更多更好的技术创新方案，引入了形态分析法来构建风力发电领域的创新导图；潘东华（2014）[11]对科技期刊文献进行深入研究，在探究铝电解领域有潜力的技术创新机会时使用了共词分析与可视化技术，以期从理论研究角度为企业业务活动的技术创新过程提供支持；陈浩义等（2011）[12]为给企业决策者识别技术创新方案提供更加科学有效的依据，分析了企业外部环境因素并构建了基于信息分析的技术机会识别分析模型；李乾瑞等（2018）[13]运用SAO语义分析的技术，构建技术路线图来分析染料敏化太阳能电池领域的技术演化路线，以识别可能存在的技术创新方案；许琦（2013）[14]通过专利引证网络构建了更为全面的专利搜索路径并进行文本挖掘和分析，以探索数据挖掘领域的技术发展趋势；郭俊芳等（2014）[15]将SAO结构分析法引入到技术路线图中来探究染料敏化太阳能电池领域的技术创新机会。

从国内外的研究可以发现，现有研究较少对其所提出的技术创新机会进行评价分析，一些学者专注于新兴的技术，刻意强调所研究领域技术的新颖性，而忽略了企业实际的技术应用能力，以致于其研究分析得出的技术创新机会并不一定适合当前企业产业技术的发展方向，往往难以在企业得到实际有效的应用。因此，本文在前人研究的基础上，引入了基于专利三维技术功效图的技术创新机会分析方法，采用大数据文本分析技术，挖掘相关新兴技术专利数据中隐含的创新机遇。一方面可以针对企业产品功能需求，找到对应的技术组合方案情况，并与企业技术功效图进行对比分析，从而发现技术创新机会；另一方面可以通过综合分析每一技术机会的动态发展趋势，主要从技术新颖度和技术实现可能性角度来计算分析技术创新机会的潜在价值以辅助决策。这对于企业推进技术创新和研发决策具有重要的理论研究价值和现实指导意义。

二、基于专利数据的技术创新机会识别方法构建

（一）专利三维技术功效矩阵的构建

当前，在记录技术创新信息的各类文献中，专利有着数量可观，记录技术信息真实详细，新颖可靠以及内容格式较为标准化等优点，记载着80%以上的技术相关知识[16]。因此本文基于专利数据建立三维技术功效矩阵以挖掘技术创新机会。

专利三维技术功效矩阵图结合了两种技术分析方法：技术功效矩阵和技术路线图，即把功效特征、技术特征和时间特征分别作为三维空间坐标的三轴，建立专利三维技术功效矩阵的分析模型。由此，不仅能够体现专利技术功效矩阵的映射功能，得出目标领域功效信息与技术信息的内在联系，即通过哪些技术方法来实现某些功能效果；还能够弥补传统的二维技术功效矩阵体现不出技术随时间动态演化趋势的缺陷，补充技术路线图的展现功能，从多个维度更全面地展现技术发展的整体情况和变化趋势，得出目标领域技术研发的技术成熟度和延续性信息。

专利三维技术功效矩阵的构建流程主要包括三个核心环节，具体如图1所示。

1.数据采集和清理：首先对产品以及产品功能需求进行综合性分析和规范化表述，以“产品+产品功能”为关键词来全面、准确地检索相关专利信息，如“豆浆机+减震降噪”等。构建技术功效图的数据源主要有中文专利、美国专利、德温特专利等专利资源，根据所确定的业务相关领域关键词，以企业实际研究需要为背景，来确定数据源进行专利挖掘。把抓取到的专利数据整合并存储，形成专利信息库。初始爬取到的专利数据往往是不规则的，需要对其进行预处理。由于专利的题目和摘要信息格式较为规范，且简练总结了专利所涉及的技术方法、产品结构、功能效果等信息，因此本文抽取专利的题目和摘要数据来获取每项专利的技术功效信息，抽取专利的说明书数据来获取主题聚类信息。并将抽取到的所有数据通过文本去重、分句分词、删除停用词、词性标注等方式，去除大量无用的噪点数据，不断精简原始数据库，从而形成专利语料库，为下一步骤做好前期准备。

图1 专利三维技术功效矩阵的构建流程

2.主题分类、技术词与功效词提取：首先基于LDA模型确定了产品所在领域的技术主题和功效主题。继而进行专利技术词和功效词的提取，其中技术类信息为专利中所涉及的原理、算法、结构、组件、材料、零部件、软件工具、理论、方法等信息，可以划分为多个层次，从横向或纵向上进行扩展研究。功效类信息指实施该专利方案所能实现的功能效果等信息。通常从专利摘要中来提取技术词与功效词，通过研究发现专利摘要中的技术词前往往有较为明显的引导词，例如：“运用……方法/原理”“应用……软件/技术”等，本文通过定义一些相关的规则库，提取符合这些规则的句子，并抽取规则中间的名词短语作为技术词候选词；功效短语的构词结构也较为规范，往往由动宾结构（v+n、v+n/a+n）或主谓结构（n+a）等的短语组合而成，例如：“降低噪声”“整体结构紧凑，外形美观”“达到了……的效果”等，将专利摘要文本中符合以上结构的短语提取出来作为功效词候选词。并对提取得到的技术词候选词和功效词候选词进行过滤处理，进而形成该领域专利的技术词词典和功效词词典，并不断更新完善词典。同时分类标注每项专利的技术特点、功效特点和时间节点。

3.可视化分析：根据以上步骤确定的技术主题分类和功效主题分类，以功效特征为x轴、技术特征为y轴、时间节点为z轴，建立空间直角坐标系形成三维技术功效矩阵结构。并进行专利数据填充，进而统计相对应技术、功效和时间在各个交点位置上的的专利数量。当技术分类维数和功效分类纬数过多或者专利数量过大时，可以应用分布式计算来提高统计效率。最后将已统计好的专利数量填充到三维技术功效矩阵中的对应交点处，并以气泡图的形式更直观地展示出各交点处的专利数量大小[17]，完成三维技术功效图的构建。通过三维技术功效图的可视化分析，可得到该研究领域技术研发的技术成熟度和延续性信息，以及技术发展趋势，进而识别该领域技术创新机会。

（二）基于专利三维技术功效矩阵的技术创新机会识别分析

构建出三维技术功效矩阵后，进而对三维技术功效矩阵x轴上每个功效特征节点进行平行于y-z平面的切片分析，与企业技术功效图进行综合对比得出企业已有技术研发情况与国际技术创新发展情况的差异，进而初步识别技术创新机会，为企业解决业务问题提供更加优化和创新的知识。本文构建的技术创新机会识别方法如图2所示，其中切片对比分析图中“√”表示企业对该技术功效组合已有较少研究；“◇”表示企业对该技术功效组合已有较多研究；“○”表示企业对该技术功效组合已有很多研究和应用。

图2 基于专利数据的技术创新机会识别方法

对三维技术功效模型进行综合分析，以三维模型中的每一纵向分支表示该研究领域的一个技术机会，气泡的大小程度体现出各个交点处对应专利数量的多少。每个技术机会由对应的两个维度的具体特征一同来确定：功效维度和技术维度。根据三维模型图中各个技术机会上专利数量分布情况，经过研究可以发现：

（1）若一个技术机会所涉及的专利数量整体分布较密集、气泡较大、技术成熟度较高，且专利数量的动态演化趋势也比较平稳、连续性较好，则为该领域技术研发的热点（如图中a11）。

（2）若技术机会涉及的专利数目总体上虽然不多，但在近些年中增长较快，甚至出现了爆发性增加，则为技术研发的新晋点（如图中a21）。新晋点强调近几年的发展趋势良好，是引领未来发展的技术机会。对于技术研发热点和新晋点，若企业已有相关技术的研究与应用，应继续保持或加大力度。若企业还没有相关研究与应用，应予以重视，抓住时机跟上国际技术创新发展趋势，提高企业技术创新能力。

（3）若某一技术机会所包含的专利数量总体上较少，且发展的连续性较差，则为技术研发的稀疏点（如图中a31）。对于稀疏点，说明该类技术研发已有一定的基础，但技术成熟度不高，尚没有形成系统。若企业还没有对其投入较多关注，未来在结合市场需求发展情况的前提下，企业可适度投入研发。若企业已有相关技术的研究与应用，且符合市场需求，可适当加大力度投入研发，争取发展成为企业的优势，提高自身竞争力；若并不符合市场需求，企业可适当减少研发力度，合理配置资源给更好的技术创新机会。

（4）若某一技术机会所包含的专利数量在整个时间段都极少，甚至几乎没有相关专利，则为该技术领域的空白点（如图中a13）。则该技术机会的基础技术尚且不够扎实，企业可适当关注，待基础技术逐渐成熟，取得一定的突破后，结合市场需求方向及时抓住时机进行规划布局技术研发方向和力度，不错失良机。

（三）技术创新机会评价分析

进一步对技术创新机会进行潜在价值评价分析，评估技术机会是否切实适合企业技术创新发展，具有重要的理论价值和实践意义。本文主要从技术新颖度和技术实现可能性两个角度来计算分析技术创新机会的潜在价值，根据三维技术功效矩阵图与企业技术功效图的对比分析，最大限度地挖掘所选数据资源背后的技术机会潜在价值，来辅助评判有益于企业技术创新发展的技术机会。并进行最佳技术创新机会排序，确定接下来的技术创新发展方向，提高企业业务求解绩效。

在参考相关研究的基础上[18-20]，本文结合企业内部技术功效图和国际技术研发的发展趋势以及技术成熟度和延续性情况对公式进行了改进，通过同行评议法、专家打分法等定性方法和数据挖掘技术、数理统计方法等定量方法相结合的方式来计算分析各技术创新方向的潜力参数：技术新颖度x1i和技术实现可能性x2i。由于各参数指标的计量单位不同，最后需要进行归一化处理计算各技术机会的潜在价值，从而确定最佳技术创新机会的排序。为企业决策人员决定下一步的主要技术创新方向提供知识服务。具体过程如下：

公式（1）左边zi表示第i种技术创新机会的潜在价值。x1i和x2i分别代表判断第i种技术创新机会潜力的两项重要技术指标：技术新颖度和技术实现可能性。各项指标的权重系数分别为α1、α2，由专家打分确定。

公式（2）表示计算分析第i种技术创新机会的技术新颖度x1i。式中αti表示第i种技术创新机会所对应的技术功效组合分支近五年所包含的专利数量，αni表示该技术功效组合分支所有年份包含的专利数量总和。由此说明如果一个技术创新机会近几年发展趋势越好，其所包含的近五年的专利数量越多，其技术新颖度越高。

公式（3）表示计算分析第i种技术创新机会的技术实现可能性x2i，式子由两部分之和组成，一部分为第i种技术创新机会所对应的技术功效组合分支所包含的专利数量与同一功效特征下所有技术机会的专利总量的比值；另一部分c（t）表示企业对该技术创新机会已经有所研究和应用的程度，由企业内部专家通过分析企业研发成果、实验报告、产品案例等信息来确定，对应赋分情况如表1所示。即式中，αei表示第i种技术创新机会所对应的技术功效组合分支所包含的专利数量；n表示同一功效特征下所有技术机会总数。此公式用以表明技术创新机会所对应的技术功效组合分支所包含的专利数量越多，企业对其已经有所研究和应用的程度越大，该技术创新机会越有可能在实际中得到实施和发展。

公式（4）表示对技术机会的以上各项参数进行归一化处理。以上各项参数值根据其自身的特点有着不同的计量单位，需对其进行归一化处理来计算各技术创新机会潜在的价值。通过以上公式的计算分析可得出各个技术创新机会的潜在价值，并根据其大小来排序，进而帮助企业决策人员得到最佳技术创新机会，找到切实适合企业，可以为企业带来良好发展的技术创新机会。

表1 企业相关研究基础情况对应的c（t）赋分表

三、实例分析

（一）专利数据挖掘

本研究的数据来自中国知识产权网专利数据库，该数据库具有海量的专利资源、数据真实可靠、专利文本格式规范等优点。首先以豆浆机领域的关键词在该平台数据库中进行专利检索，共检索到全国2000—2018年间发布的相关专利6 362条。由于专利从提出申请到公布通常有一年左右的滞后期，所以2018年的专利数据是不完整的，下文分析时不过多讨论。

（二）专利三维技术功效图与企业技术功效图对比分析

本研究选取2010—2017年共设置了八个时间节点，以功效特征词为x轴、技术特征词为y轴、时间节点为z轴建立三维空间结构，其中每一纵向分支表示该研究领域的一个技术机会，气泡的大小程度体现出各个交点处对应技术功效和时间的专利数量有多少。由于整张图所占篇幅过大，选取技术分类：粉碎组件、电机、电热电器技术、控制面板；功效分类：减震降噪、提升粉碎效果、智能化自动化为例进行展示（见图3）。对应的全国技术功效与企业技术功效对比分析表如表2所示。

图3 三维技术功效图（部分）

表2 全国技术功效与企业技术功效对比分析表

从图3、表2中可以看出，通过改善电热电器技术来提升安全可靠性（技术机会1）以及改进粉碎组件来提升粉碎效果（技术机会2）的专利数量处于明显的突出地位，贯穿整个时间段，其专利数量一直处于较高水平，是该领域技术研发的热点。此外，通过改善电机来减震降噪（技术机会3）的专利数量在2010—2013年虽然不多，但在2013年后开始稳步增加，且近几年发展趋势良好，因此是技术发展的新晋点。由企业业务技术功效图中可看出，企业已经在以上热点和新晋点技术机会上投入研究，应继续保持或加大研发力度。

由于二维技术功效矩阵图体现不出技术随时间发展的动态演化趋势，有一定的局限性和不准确性。由分析三维技术功效图所发现的结论可以对二维技术功效矩阵图的分析结果有一定的修正和补充。比如，虽然通过改善电机来提升粉碎效果（技术机会4）这一技术机会总体上专利数量并不突出，在2014年下降波动明显，但从全局来看，其近几年技术发展延续性良好，仍然是该技术领域的新晋点。而如何通过改善控制面板和利用电热电器技术来提升豆浆机智能化自动化（技术机会5和技术机会6）这两项技术机会所包含的专利数量整体上波动较大，在2011—2013年专利数量不多，总的发展连续性较为不足，还不够成为该领域技术研发的热点，但近三年这两项技术机会所包含的专利数量出现了明显较好的发展趋势，因此可看作该领域技术研发的新晋点。目前企业对通过改善控制面板来提升豆浆机智能化自动化还没有投入较多关注，未来在结合市场需求发展情况的前提下，企业可适度投入研发。

另外，通过改善粉碎组件来实现智能化自动化（技术机会7）为该领域技术研发的空白点，其所包含的专利数量在整个时间段都很少，专利分布较为离散，甚至几乎没有相关专利。由此看来，该技术机会的基础技术尚且不够扎实，企业可适当关注，待基础技术逐渐成熟，取得一定的突破后，及时抓住时机进行规划布局技术研发方向和力度，增强企业自身竞争力。

（三）技术创新机会潜在价值评价分析

为方便表述，以上提到的七种技术机会，按先后顺序依次编号为技术机会1～技术机会7。各技术创新机会的潜在价值由技术新颖度x1i和技术实现可能性x2i指标共同确定。对于无法定量分析的指标，由企业专家打分法来确定，如公式（1）中权重系数α1和α2依次为0.4、0.6。并依据公式（2）、公式（3）计算x1i和x2i，结果如表3所示。由于上述2项指标的计量单位有所不同，需根据公式（4）进行归一化处理，如表4所示。最后，根据公式（1）计算各技术创新机会的潜在价值，计算结果如表5所示。

表3 各技术创新机会的指标值

表4 归一化处理

表5 各技术创新机会的潜在价值

结果分析，根据潜在价值的高低可得出最佳技术创新机会的排序依次为：5、3、2、4、1、6、7。企业决策人员在确定接下来的技术创新发展方向时，可优先考虑排在前面的技术机会，继而将相关专利方案推送给相关产品设计或产品决策人员。

四、结语

本研究提出了基于专利文本挖掘与三维技术功效图的技术创新机会分析方法，并以豆浆机领域为例进行了实例研究。将时间维度、技术维度和功效维度分别作为三维技术功效矩阵模型的三轴。此模型不仅能更直观准确的体现技术研发的动态演化趋势，同时兼具了技术和功效之间多对多的映射功能，可以更加全面地分析豆浆机领域技术研发的技术成熟度和延续性情况，更准确地识别技术创新机会。并参考企业实际情况，主要从技术新颖度和技术实现可能性角度来计算分析技术创新机会的潜在价值。进而帮助企业决策者识别对企业业务求解有潜力的技术创新机会，更加科学合理地制定进一步的技术研发策略，提升企业研发资源的利用效率和业务问题的求解绩效，促进企业的智能创新发展和增强企业的核心竞争力。