基于专利文献计量的中外中高档数控机床技术差距分析

刘宇飞，刘怀兰，伍思远

(1.中国工程院战略咨询中心，北京 100088；2.清华大学公共管理学院，北京 100084；3.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074)

1 研究背景

数控机床作为现代工业的基石，发展前景广阔，发展动力充足。作为现代先进工业发展的基础，数控机床行业的发展是一个国家发展机械工业和精密工业的关键，直接影响制造强国建设进程［1］。中高档数控机床是国民经济发展和国防安全的重要保障，是制造强国战略必争之地，目前日本、美国及部分欧洲国家将高性能数控机床作为战略物资，对中国军工企业采取技术封锁和禁运的政策，严重制约了中国军工企业制造水平的进一步提高。目前中国经济向高质量发展转型仍处在起步阶段，装备制造业仍未摆脱规模拉动的路径依赖，数控装备制造业大而不强，由数量扩张向质量提升的转变将是一个较长的过程。通过对比国内外中高档数控机床技术状况，找出短板与缺口，对提升中国高档数控机床与基础制造装备的产业核心技术与持续创新能力具有重要意义。

近年来,有研究认为数控机床领域的技术缺口，也就是技术水平差距,可能存在于不同的产业或组织之间,其外在表现通常体现为经营效率或绩效的差异［2］。技术缺口的识别和分析能够有效反映国家与国家之间的技术领域发展差距。目前对于中国数控机床技术缺口的研究，已经从技术缺口理论转向技术差距内容的研究，许多研究人员通过选取适当的技术差距指标如研发经费占人均地区生产总值等单因素指标来描述技术的宏观差距，同时关注产品的创新情况。在技术管理领域，通过文献、专利数据来分析产业技术发展变化的文献计量和专利分析方法已成为分析产业形成中技术研发态势的有利工具［3-4］，很多学者认为科学技术知识与技术行业内外的知识非常重要，丰富的科学研究领域可以刺激创新和技术发展［5］；也有研究比较了文献与专利之间的差距，以此来判断技术的发展现状和研究偏向。然而，现有技术差距研究尤其是数控机床领域的相关研究还多局限于定性研究或者是单一维度的定量研究，比如通过外国直接投资（foreign direct investment，FDI）和技术溢出效应来定量地计算技术差距，但这些研究得到的结果是宏观的，缺乏对具体技术缺口的描述；同时，如何将专家知识融入到技术缺口分析中也是研究人员探索的方向［6］，随着人工智能、大数据等新思想、新科技的出现,许多学者正在以全新的视角观点不断丰富数控机床领域情报研究的方向。

在此背景下，本研究将从文献计量与专利分析的角度，采用文本挖掘和专家知识结合的方法，利用文献、专利数据和海关贸易数据，通过对比企业的产品和专利信息，提出一种技术缺口识别的流程，得到具体的技术缺口细节描述，分析全球中高档数控机床前沿热点，挖掘国内数控机床技术缺口点，以期为中国数控机床的技术发展方向提供有力支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

文献数据来源于汤森路透公司的Web of Science（WOS）数据库，通过建立检索策略，并利用汤森路透的情报分析工具TDA 进行分析。参考Lu 等［7］的方法，利用数控机床的各种同义名词、关键部件、技术名词与相关名词等制定检索式并进行去噪处理，比如剔除WOS 类别里的化学、生物、心理学等类别。检索时间段为1990—2018 年，共获得1 682 篇文献记录，数据下载时间为2019 年9 月11 日。

专利数据来源于德温特创新索引(DII)与德温特创新平台 (TI)数据库。德温特专利索引数据库涵盖了超过2 300 万条基本发明专利（专利同族），覆盖超过5 000 万条专利记录，全球超过40 家专利局都在使用该数据库。检索时间段为1990—2018 年，共获得21 621 条专利记录，数据下载时间为2019 年9月20 日。同时根据所需专利指标对原始数据进行清洗、筛选、整理和标准化等处理。

2.2 研究方法

本研究主要采用文献计量与专利计量法，结合多源数据进行分析。收集全球数控机床领域文献和专利数据，提取关键词，通过高频关键词和绘制专利地图来展示全球数控机床技术热点与前沿趋势；同时以企业为视角筛选国内外数控机床代表企业的专利数据和海关的进出口数据，通过对国内外典型企业的中高档数控机床产品与专利信息进行对比，并结合全球数控机床技术现状、热点和专家经验知识，识别中国中高档数控机床技术缺口与短板。如图1 所示。

图1 基于文献专利计量的多源数据分析流程

3 数控机床领域前沿热点分析

3.1 整体概况

借鉴Wang 等［8］的方法，对在TI 数据库中检索到的专利数据进行年度专利申请数量分析，得到1990—2018 年全球数控机床专利申请量的年度分布（如图2 所示）。可以看出，1990—2006 年专利申请总量小并且增长速度缓慢，2007—2014 年每年的专利申请数量迅速升高，在经过短暂的低潮后，2017 年和2018 年又迎来一波快速增长，并在2018年达到了目前的最高点项。从长期趋势来看，全球数控机床领域的专利申请量目前还是处于一个快速上升的阶段，发展势头良好。

图2 全球数控机床专利申请发展趋势

3.2 前沿热点分析

3.2.1 代表企业热点分析

了解全球数控机床领域代表企业的研发热点，可以为中国数控机床领域关键技术指明方向，进而更好地布局技术研发。某一领域研究中关键词出现频率高低状况，反映了这一领域拥有专利数量的多少［9］，同时反映了这一领域相关技术的成熟度以及研究的热点。经过前期的专家研讨，本研究选取1990—2018 年全球最具代表性的10 家数控机床企业的专利申请数据（见表1，排序不分先后），利用TI 数据库平台工具进行专利地图热点分析。

表1 国际先进数控机床企业专利申请情况

基于专利数据中的标题和摘要信息,借助TI 的聚类和可视化功能［10］,并通过内容分析进一步理解专利的技术信息，得到全球数控机床领域的技术热点分布。企业专利研究热点按时间主要划分为3个阶段，分别为1990—2004 年、2005—2012 年和2013—2018 年，企业的专利布局纵横交错、交叉互补。在第一阶段中，专利分布领域较为分散，主要分布在主轴、工件加工、电机、数控程序等主题；在第二阶段中，专利申请数量变多，热误差补偿、故障诊断等主题出现；而近年来智能技术、电子技术飞速发展促进了数控机床技术的智能化、电子化，如少无切削加工工艺得益于激光等离子等技术发展，使得工程材料类和机械手工类等领域内的专利申请占比较小。

3.2.2 研究前沿分析

了解数控机床技术领域的研究前沿和热点，有助于明确领域内受关注的技术，把握领域发展现状，及时作出发展策略上的调整，更早地在关键技术上进行布局。高频次的文献关键词常被用来确定一个研究领域的热点问题［11］，通过对2018 年全球数控机床领域热点论文的高频关键词进行梳理（见表2），得到全球数控机床领域的前沿和热点。从表2 可以看出，排名靠前的“数控”“自适应控制”“运动控制”等关键词凸显了数控机床控制系统的重要性；“车削”“磨”“表面粗糙度”“工具磨损”“钻孔”等与加工相关的主题则依旧体现出数控机床对于加工质量与加工精度的追求；而近年来火热的“神经网络”“人工智能”“机器学习”等也出现表内，表明数控机床技术与机器学习结合的新发展趋势。数控机床作为现代工业的基石［12］，发展前景广阔、发展动力充足。目前，通过采取现代先进技术，数控机床的加工效率和加工质量已大大提高，自动化发展成果丰硕，并且数控机床已具备一定的智能化［13］，未来还将继续沿着高速、高精、高效化、智能化、网络化、绿色化的方向继续发展。

表2 全球数控机床领域研究的高频关键词

4 基于企业层面的中国中高档数控机床装备缺口分析

借鉴周源等［14］的做法，首先选取数控机床领域国内外典型企业，以企业为专利权人检索这些企业2000—2018 年相关专利数据，并与上述文献关键词匹配，找到对应的典型数控机床装备专利，并统计其数量对比关系。此外，利用市场调研和海关进出口数据，调研典型企业典型产品信息，通过对比国内外企业典型装备产品信息的有无、专利的多少（如图3 所示），来识别中国中高档数控机床典型装备缺口情况。

图3 产品与专利对比关系

4.1 典型数控机床企业的产品与专利情况分析

4.1.1 典型产品

中高档数控机床功能复杂，典型装备种类多，作为高端机床装备的核心部位，直接影响机床的性能和水平。目前国内专家普遍将中高档数控机床分为两大类，即数控加工机床和数控成形机床。典型的数控加工机床和数控成形机床包含了五轴立式加工中心、数控成形铣齿机和数控电火花小孔加工机床等。根据调研及海关数据的匹配，国内外数控机床代表企业的相关典型产品情况如表3 所示。

表3 国内外数控机床典型产品和代表企业

表3 （续）

4.1.2 专利与产品

（1）数控加工机床方面。选取有代表性的立式加工中心、龙门加工中心等数控机床装备，对比国内外中高档数控机床的专利状况（如图4 所示）。可以看出，一方面，国内目前在数控加工机床领域的专利技术比较集中在少数龙头企业，其他中小型企业在技术研发上存在一定程度的投入不足，而国外企业普遍有较多的专利和较多的产品；另一方面，国内有些企业在数控机床典型装备，如五轴龙门式加工中心、车铣（铣车）加工中心，相比国外企业占有一定的优势，有些企业因有专利但产品不足而存在技术缺口，而有些企业因为产品成熟但专利不足而存在创新缺口。典型装备如数控镗铣床、特种加工中心因为产品和专利的不足而存在更大缺口的情况。

图4 国内外典型数控加工机床企业的专利与产品情况

（2）数控成形机床方面。选取了高精度数控磨床、数控金属珩磨机床等装备来进行国内外比较。如图5 所示，可以看出，数控成形机床的专利和产品在全球普遍均较少，随着技术的发展，国内在高精度磨床、大型精密铸锻设备上的专利数量逐渐与国外缩小差距；同时，也有部分国内企业存在产品和专利发展不一致的情况。总体而言，在各大主机行业和重大技术装备向高性能、高参数发展的拉动下，数控成形机床也向精密化方向发展，此外，数控成形机床的技术进步离不开国内外企业的通力合作；国内一些骨干企业已经掌握了数控成形机床基本结构原理及控制技术，产品性能、精度接近国外同类产品，但从专利和产品的研发与布局上看，高精度数控磨床等重型加工机床的工艺研究和产品生产等与国外相比可能还存在一定差距。

图5 国内外典型数控成形机床企业的专利与产品情况

4.2 典型数控机床企业的进出口产品与专利情况分析

目前，中国数控机床出口产品中基本上是低附加值和中低档产品。根据2017 年的出口数据计算，中国金属加工机床出口31.7 亿美元，仅占全行业出口的28.4%，这导致中国机床出口产品附加值较低；海关总署的数据显示，2017 年全年，中国金属加工机床出口量为911 万台，平均每台出口价值为348美元，与此同时，金属加工机床进口额与进口量分别为86.79 亿美元、8.62 万台，平均每台进口价值达到了10 万美元左右，差距明显［15］。与德日美等世界先进机床制造国家相比，国产数控机床产品在数控系统、精密加工、操作性能、智能化等高端技术上还有差距。

选取国内代表性数控机床企业，根据其2016 年海关贸易数据和相关专利信息，筛选出每家企业贸易额在100 美万元以上的产品，分析国内机床企业的技术现状。由图6 可见，2016 年中国企业的数控机床出口贸易额普遍大于进口额，大多数企业的出口产品仍然以普通机床为主，但在中高端数控机床领域具有较多的专利，部分龙头企业也掌握了一些自主核心技术，不过相关技术产品在产品贸易出口总量中占比不多。中国企业自主创新步伐不断加快，开发了一批高速、精密、复合、多轴联动数控机床，以及一批大规格、大吨位、重型和超重型数控机床新产品，国产数控机床从某种程度上在国际市场中占据了一定的优势，但在中高端制造装备上与国外企业仍存在差距。对此，中国应围绕制约数控机床产业升级和影响产业国际竞争力的基础共性技术的研究与开发，继续加大财政资金支持力度，并建立起长效的科技投入机制。

图6 国内数控机床代表企业的产品进出口贸易额与专利情况

4.3 国内数控机床企业技术差距分析

本研究邀请相关专家对数控机床领域进行了3个层次的技术分解（见表4），将中高档数控机床企业的核心技术分为前沿技术、关键共性技术、工艺技术，通过对以上研究所选取的代表性企业的专利技术与领域内文献关键词匹配，得到国内外数控机床企业的核心技术及相关专利布局情况，如图7所示。

表4 数控机床企业核心技术划分

由图7 可知，国内外代表性企业在三大核心技术领域的发展方向较为一致，在工艺技术和关键共性技术方面，国内企业的专利布局更为广泛，而在前沿技术上，国外企业则具备更强的竞争力；同时，在一些关键共性技术方面，比如可靠性技术、数字化设计技术以及动态误差补偿技术，国内还存在一定的缺口。然而，除了部分技术的暂时性缺口值得关注，还有一部分发展中的技术可能仍然需要持续加大研发投入。数控机床技术的核心是精度补偿，高档数控机床的核心则在于数控系统和功能部件，近年来，国内数控机床企业越来越重视产品技术水平的提高，市场观念和技术创新意识加强，缩小了与世界先进水平的差距，但与德日美等世界先进机床制造国家相比，中国数控机床产品在数控系统、精密加工、操作性能、智能化等高端技术上还有差距，数控机床核心技术的短板成为了中国数控机床迈向高端的障碍；与此同时，提升产业基础共性技术已经成为中国数控机床和成形装备发展的关键所在［16-17］。

图7 国内外数控机床代表企业的核心技术构成

针对中国数控机床发展存在的上述问题，提出以下建议：

第一，国家层面，通过一批产品的开发突破一批核心关键技术，加强基础共性技术研发，培育一批具有国际竞争力的大型企业、“专、精、特”中小企业及国际知名品牌，增强自主创新能力，构筑起能与工业发达国家竞争的，以企业为主体、产学研结合的技术创新体系，以及一支高水平的技术创新人才队伍。

第二，企业层面，根据领域内重点产业发展的需要，突破关键主机及成套装备的创新；围绕主机和成套装备发展的需要，确定高性能数控系统、功能部件及其他关键部件的发展重点，加强工艺研究；通过引进技术、引进人才、合作生产等途径跟踪国外先进技术，并加大引进消化吸收力度，以及加强建设相应的创新平台。

第三，科研机构层面，加强发挥情报的智力支持作用，注重人才培养并积极为政府和企业提供动态性咨询服务。目前中国在数控机床领域的人才和技术储备并非十分完善，国内中高档数控机床核心技术与国外相比还存在一定差距，在核心关键技术的突破和基础共性技术提升中还需要投入更多的研发精力，同时推进相应的创新平台建设，强化科研情报决策支持作用。

5 结论

本研究从产品和专利的角度提出一种基于专利文献计量的技术缺口识别方法和流程，用以对全球中高档数控机床进行发展趋势和前沿热点的识别，同时从企业层面对中国数控机床典型装备的专利和产品进行分析，识别了中国在中高档数控机床领域的技术缺口。研究结果显示，国内在数控加工机床和数控成形机床领域共存在10 余项主产品的缺口，在核心技术方面存在可靠性技术、数字化设计技术等不同层次的创新缺口。在实践中，这一结果已获得国内数控机床领域的专家参考并认可，同时在国家重大科技专项“高档数控机床与基础制造装备”的支撑课题“高档数控机床产业技术发展路线图研究”的实施过程中被作为重要的参考依据，为专家的分析判断提供了数据支持，也为中国中高档数控机床的发展战略决策提供了有益的数据和方法支持。

本研究提出的方法在已有文献和专利信息中加入了相关产品信息，有助于解决现有研究缺乏对技术缺口内容进行定量描述的问题，可以更全面地描述领域内技术发展状况与不足；同时在这一方法流程中融入了专家的意见，使得数据支持的技术差距研究具有科学性和可靠性。为了更好地识别数控机床领域的技术趋势和缺口，未来还可以综合运用机器学习的知识建立数控机床领域词表，并结合专家知识对网络新闻、技术博客等相关网络数据和专利数据进行对比分析，深入挖掘领域内不同层面的技术发展现状差异与缺口，可能会对国家战略制定、企业布局研发更有指导性。