基于专利的打包机械技术数据挖掘与分析

张问采, 李端玲，2*

(1.陕西科技大学机电工程学院， 西安 710000； 2.北京邮电大学自动化学院， 北京 100084)

作为包装设备的主要分支，打包机械属于外包装设备，是将一个或多个包装物用打包部件紧束在一起的机器，使包装物便于运输、保管和装卸。在近三年的发展中，国外采用智能控制与机器视觉识别技术对被包装物进行自动与快速包装的此类设备在商业领域的应用已日趋成熟[1-4]。反观中国，包装行业总产值2017年已达1.89万亿元人民币，成为仅次于美国和日本的“包装制造大国”[5-7]，但该领域技术水平仍然整体落后发达国家20年左右，在产品的开发、性能、质量、可靠性、服务等方面的竞争中处于明显劣势[8]，可见中国是包装大国，而并非包装强国[9-11]。因此，若要该技术领域得以“由大做强”，首要的任务即是辨识中国目前该技术领域发展态势、产业研发能力，做到知己知彼抢占未来技术发展机会，为中国包装行业在该领域的科技创新与研发提供决策参考和情报支撑。

目前，针对该领域的数据挖掘与技术情报分析，大多在数据采集和分析内容的选择上存在主观性过强的缺点。定量研究的数据挖掘分析方法，在该领域鲜见。同时，针对打包机械制造领域技术结构复杂，市场化程度高的特点。如何选择市场化主导技术领域内最具代表性的数据作为数据挖掘源，如何挖掘并量化的揭示该领域的发展现状与前沿动态；对于复杂技术与技术创新所涉及的多种因素间的关联特征如何进行深度挖掘并定量、定性的客观表征，都是该领域数据挖掘与分析中亟待解决的关键问题。

因此，基于上述问题出发，选取集技术、法律和经济市场情报于一体的专利技术文献作为数据挖掘源[12-14]，利用组合指标赋权模型、K-means聚类算法、关联网络模型与Apriori算法设计一种专利挖掘分析技术路径，对中国打包机械技术领域专利文献进行数据挖掘，构建专利数据库，以量化研究的方式，使杂乱无章的专利文献信息具有纵览全局、探究产业研发能力及未来技术机会发展的功能。

1 研究设计

设计一种专利挖掘分析技术路径(如图1所示)，依次通过数据层，选定检索平台；策略层，设计检索与分析策略、构建数据库；挖掘层，对获取数据进行挖掘分析；最后通过整合总结形成技术发展分析层。

在数据层中，调研选定国家知识产权局专利检索平台与中国专利全文平台作为数据检索源。

在策略层中，数据检索策略设计，如表1所示。依据中国专利制度，专利文献从申请到公开滞后期平均为18个月，且收录常滞后公开，为保证分析结果的客观性及准确性，将2019年12月31日后的专利数据予以排除，构建该技术领域专利数据库，其中专利申请数据3 847条；发明专利占比约为24.27%，总计934条；实用新型专利占比约为71.87%，总计2 765条；外观设计专利占比约为3.84%，总计148条。分析策略设计主要利用K-means聚类算法与组合指标赋权模型从时序，地域宏观、中观、微观角度实现技术发展辨识；利用统计，关联网络数据模型与Apriori算法实现技术机会分析。

表1 检索策略设计

在挖掘层中，以IBM SPSS Modeler等软件为支撑，利用策略层设计分析挖掘策略对打包机械相关技术领域专利文献数据进行挖掘分析，利用分析结果绘制可视化图谱来构建各个独立无序知识元间网络、互动与衍生等关系，进而在分析层总结凝练出复杂关系网络中的技术情报。

2 技术发展辨识

技术发展辨识主要是指对某一领域内已有技术或知识元从技术发展现状；技术生命周期；宏观区域、中观省市、微观竞争主体研发能力五个维度进行数据挖掘研究，通过统计分析与技术生命周期模型挖掘技术间时序互联关系，呈现该领域发展时序趋势；通过聚类算法与组合指标赋权模型挖掘地域间技术研发互联关系，呈现该领域产业创新研发趋势。

2.1 发展时序趋势

如图2所示，中国打包机械技术领域专利申请呈现两个发展阶段。

图2 1985—2019年打包机械技术专利申请量年度分布情况Fig.2 Annual distribution of patent applications for packaging machinery technology from 1985 to 2019

(1)缓慢发展阶段(1985—2004年)，自1985年中国打包机械技术领域专利[15-17]申请首次出现以来，专利申请总量较少，平均每年增幅为5件左右，且多次出现波动。

(2)高速发展阶段(2004—2019年)，专利申请总量呈现井喷式增长，仅在2019年出现波动。

(3)对该技术领域专利申请总量通过指数曲线回归模型对累计百分比进行偏差分析，y=1.203 5e0.170 3x(R2=0.929 1)说明曲线与数据线拟合效果较好，表明该领域总体发文量呈现指数式增长规律，说明中国打包机械技术研究正在逐步受到关注与重视。

结合专利申请年度变化趋势与技术生命周期模型，如图3所示，可知：

图3 1985—2019年打包机械专利技术生命周期模型Fig.3 Technology life cycle chart of packaging machinery technology patent from 1985 to 2019

(1)该领域技术发展呈现螺旋式渐进的特点，专利技术经历了4次周期性回环，呈现了技术发展孕育和突破过程。

(2)1985—1999年，为技术起步阶段，1999年后技术发展呈现螺旋式渐进的特点并持续至2008年，该阶段专利技术经历了两次周期性回环。

(3)2005—2008年，该领域技术发展呈现稳定的特点，专利申请数量稳步提升、申请人数量基本稳定，说明该年段研发主要动力源自占领市场份额，研发技术类型多为改良设计导向。

(4)2008年后，周期性回环增大，表明技术发展速度加快，技术成熟度开始提前显现。

2.2 产业研发趋势

利用专利申请总量、专利授权总量、发明专利申请总量、实用新型专利申请总量、外观设计专利申请总量5组统计所得专利指标构成指标组合。其中，申请与授权总量，表征专利意识强弱与技术热度(由聚集效应带来的量变，极大可能促进高质量强度专利甚至核心专利的出现)；发明总量、实新总量和外观总量分别从技术的先进性、市场应用的前瞻性和市场竞争的激烈性3个方面表征专利活动质量[18]。利用基于变异系数的赋权模型，得出不同评价因素下的上述5组专利指标权重系数，相较于原始数据单独呈现地区技术研发能力时所缺乏的客观性，该模型能更有效地将不同量纲原始数据转化成无量纲评价值，以达到对技术研发能力客观、有效和直接的表征。具体计算式为

(1)

(2)

Pi=AiQ1+CiQ2+DiQ3+EiQ4+FiQ5，

i=1,2，…，n,n=31

(3)

式中：Bi为变异系数；σi为标准差；Xi为平均值；Qi为权重系数；Pi为研发能力评价值；Ai为专利申请总量，件；Ci为专利授权总量，件；Di为发明申请总量，件；Ei实用新型专利申请总量，件；Fi为外观专利申请总量，件。

基于上述专利指标组合与模型(如表2)，在宏观区域层面，如表3所示，可知：

表2 组合指标赋权模型

表3 1985—2019年打包机械技术区域聚类及研发 能力综合评价汇总

(1)中国打包机械产业技术研发能力按地域由弱到强可划分为5个聚类，长江三角洲区域与珠江三角洲区域体现出较强的研发实力。

(2)中东部部分地区及西部及边疆地区，区域内创新意识和研发条件匮乏，专利活动整体水平较差，专利申请数量少。

(3)整体上，中国打包机械产业技术的发展与当地经济发展和区域产业优势关联密切，且呈现局部集中度高、发展及分布不均的特点。

在中观省市层面，如表3所示，可知：

(1)江苏省排名第一为中国该领域技术输出重镇，在各方面表现都比较优异，体现出较强的研发实力；

(2)浙江省、广东省、在该领域的研发能力总体位居第二聚类，技术实力较为平均。两省专利申请数量比率和授权比率都比较高，分别为15.33%、55.56%；12.69%、60.84%；但需要指出的是专利结构方面，两省发明专利申请量所占比例偏低分别为22.00%、20.60%。

在微观竞争主体层面，如表4和图4所示，可知：

表4 1985—2019年打包机械技术竞争主体分布

图4 1985—2019年打包机械技术专利申请集中度雷达图Fig.4 Radar chart of patent concentration of packaging machinery technology application in china from 1985 to 2019

(1)该技术领域主要竞争主体为民营和股份制企业，从发明专利申请量占比来看其核心技术也主要掌握在民营和股份制企业的手中；其他类型竞争主体占据比例较小。

(2)在2 178个竞争主体中，绝大部分申请专利数等于1件，所占比例为70.07%；申请专利数为2～5件，所占比例为24.42%；其余四类申请件数所占比例总和仅为5.50%。可见该领域我国竞争主体研发实力集中度分散，尚未形成技术研发联盟，也不存在专利垄断风险。

(3)申请件数排名前三竞争主体分别为，上海力以电气有限公司申请量为54件，占比为2.49%，主要研发方向为打包机械控制张力装置、捆扎装置和固定捆扎材料两端粘合方法；杭州永创智能设备股份有限公司申请量为52件，占比为2.41%，主要研发方向为打包机械零部件、打包机械使用辅助装置与自动化控制装置等；吴中经济技术开发区越溪斯特拉机械厂申请量为42件，占比为1.94%，主要研发方向为打包机械复式或摆动式推出器、夹持器和配箱盒、纸板箱、或纸板箱坯料等。作为研发领域的头部力量，上述公司专利结构合理，整体研发实力强。

3 技术机会分析

技术机会分析主要是指对某一技术领域内已有技术或知识元进行互联关系挖掘研究，通过专利系数测算与分析挖掘技术重热点领域，再通过关联网络模型挖掘技术重热点领域间相互关系态势，梳理出该领域可能出现的技术形态或技术发展点，从而推测未来可能的技术机会。

国际专利分类法是目前国际上通用的专利文献分类方法，基于国际专利分类法(IPC)小组分类的方法，在已构建我国打包机械技术专利数据库的基础上，选取发明专利申请量排名前10的技术领域进行专利系数测算与分析[19-20]，如表5所示，可知：

表5 1985—2019年打包机械技术重热点领域分析

(1)排名前10位技术领域最近三年(2016—2019年)平均技术增长率为0.45，平均技术成熟系数为0.30，说明该技术领域的创新难度较以往相对增大，整体发展潜力有所下降。

(2)B65B13/18和B30B9/30领域的专利数量所占比例较大，是打包机械的重要技术领域；二者最近三年平均技术增长率分别为0.61和0.33，平均技术成熟系数为0.25和0.18；由此可知B65B13/18领域技术发展潜力尚存，但创新难度有所加大；B30B9/30领域技术发展潜力较低，且接近技术成熟期。

(3)B65B13/20领域和B65B61/06领域最近三年平均技术增长率较高，基本达到0.65左右，是打包机械的热点技术领域，但创新难度较大。

构建IPC分类小组间关联网络模型，挖掘技术重热点领域间互联发展态势，并推断该领域可能出现的新技术形态或新技术发展点[21-22]。如图5所示，节点间连线的宽度与蓝色深度表征了关联程度的强弱，可知：

图5 技术领域关联网络模型Fig.5 Technology domain association network model

(1)B30B9/30领域和B30B15/00领域有极强的关联性，但并不处于核心节点的位置。

(2)B65B13/02领域、B65B13/18领域和B65B13/02领域在整个关联网络中具有很强的关联性，B65B13/18领域处于核心节点的位置，可知B65B13/18是核心技术领域，且关联项有可能成为新的技术发展点。

4 结论

利用组合赋权-关联网络模型、K-means聚类算法与Apriori算法设计一种专利挖掘分析技术路径，构建我国打包机械技术专利数据库，进行数据挖掘、计量分析与可视化分析。基于分析结果，得出以下结论和建议。

(1)发展时序趋势，自1985—2018年以来中国打包机械专利申请量持续提升，发展初期在螺旋式渐进的过程中历经3次小规模周期回环，最终进入快速增长阶段。目前该技术领域正处于技术再发展阶段。

(2)产业研发趋势，在宏观区域层面呈现出局部区域集中度高、区域发展程度及分布不均的特点；在中观省市层面，江苏省为中国该领域技术输出重镇，在各方面表现都比较优异，体现出较强的研发实力；浙江、广东为第二聚类，技术研发实力较为平均；在微观竞争主体层面，该技术领域主要竞争主体为民营和股份制企业，头部企业研发实力强劲，各竞争主体研发实力集中度分散，不易形成技术研发联盟，也不存在专利垄断风险。

(3)技术机会分析，中国打包机械技术领域创新难度较以往相对增大，整体发展潜力有所下降。其中捆扎机械零部件或在捆扎机械上使用的辅助装置和用于打包或所用压缩箱领域是打包机械的重要技术领域；前者技术发展潜力尚存，但创新难度有所加大；后者技术发展潜力较低，且接近技术成熟期；捆扎前压缩或压紧扎件的装置领域和切割领域最近三年平均技术增长率较高，基本达到0.65左右，是打包机械的热点技术领域，但创新难度较大。捆扎机械零部件或在捆扎机械上使用的辅助装置技术处于核心节点位置，是核心技术领域，且关联项有可能成为新的技术发展点，在企业与相关科研机构的研发中应给予重点关注。