专利知识流动视角下的颠覆性技术方向识别研究——以6G太赫兹通信技术领域为例*

苑朋彬 邢晓昭

(中国科学技术信息研究所 北京 100038)

0 引 言

颠覆性技术概念首次由美国学者Christensen在1995年提出[1]。颠覆性技术是指具有一系列新功能,且能够代替主流技术并对现有市场或产业格局产生颠覆性影响的一类技术,颠覆性技术具有变革性、突破性、前瞻性、替代性与高风险性[2]等特征。近几年随着研究的深入,颠覆性技术概念在技术、市场和影响效果等多个维度均进行丰富和发展。

如何进行颠覆性技术识别是当前研究的热点。目前颠覆性技术识别研究处于初期研究阶段,定性方法(如评分模型、未来情景假设等)或定量方法(文献计量预测、量化模型预测等)[3]是主要的研究方法,其中定量化方法是未来研究的主要趋势。

专利作为技术创新过程中的直接表现成果,已经成为研究颠覆性技术创新重要信息来源。近几年部分学者从定量角度出发,运用专利等数据进行颠覆性技术识别预测,取得了一定的研究成果。如国外学者Momeni利用专利技术路径、k-核分析、主题模型,识别潜在颠覆性技术[4]。KIM运用LDA主题模型识别出新能源领域的颠覆性技术[5]。国内学者黄鲁成基于专利数据,并结合物种入侵模型来判断某技术的颠覆性强度[6]。王康分别基于专利引用变化和技术融合角度进行颠覆性技术识别研究[7-8]。

为进一步丰富当前研究的理论方法体系,本研究试图从专利引文间的知识流动过程出发,探讨颠覆性技术识别方法,这是本研究的创新点。利用专利引文知识流动过程早期探索识别颠覆性技术具有重要的理论和现实意义,体现在:(1)知识流动与技术变革具有强相关性,其流动效果直接影响着企业、地区甚至国家的技术创新能力,利用专利知识流动网络有助于为颠覆性技术识别提供一种切实、可靠的研究思路。(2)通过对知识流动特征进行研究,有助于及时发现具有颠覆性潜力的技术方向,对于调整产业发展方向,最终建设一批产业链完善、创新能力强、特色鲜明的产业集群具有重要的现实意义。

1 研究方法

本研究基于专利计量中的“专利引文方法”和经济学中的“投入产出法”,探讨了一种新的颠覆性技术方向识别方法。该方法通过搭建专利知识流动网络,筛选出具有关联关系的技术方向。并通过计算技术影响力和感应力等指标,搭建知识图谱,判别技术发展阶段,进而识别出具有颠覆性潜力的技术方向,以期为颠覆性技术识别提供一种新的思路。

投入产出分析是一种比较成熟的经济学方法,被广泛应用于产业经济研究中, 可以用来刻画各产业部门之间的投入产出关系。目前国内外已经有部分学者将投入产出法与专利相结合,分别从产业关联、企业竞争力、技术等多角度进行应用探讨,取得了一些研究成果。如国外学者Nomaler将投入产出分析法与专利引文相结合,建立产业知识流动矩阵,进而分析不同产业间的科学强度(专利引用科学文献的数量)差异[9]。王海龙等将企业施引专利视为投入,将其授权专利作为产出,对企业间的技术关联和竞合态势进行分析[10]。姜照华、王智琦利用投入产出分析方法对特定领域的前沿、核心技术进行探讨[11-12]。

上述研究在方法应用可行性层面进行了探讨,为本研究奠定了研究基础。但仍然存在一定的不足,主要体现在:相关研究不够深入,只是基于指标数值变化,解读相关信息。而本研究利用专利引用关系建立专利技术方向的知识流动矩阵,以该矩阵作为投入产出关系表,根据专利特点计算相关指标,通过搭建知识图谱,对颠覆性技术发展阶段进行定位,这是研究的不同之处。具体研究步骤具体如下:

第一步,根据专利引文关系,搭建专利知识流动—投入产出分析表,如下表1所示。首先将“被引专利—IPC技术方向”视为其技术“投入”,将“施引专利—IPC技术方向”视为其技术“产出”,根据专利引用关系,搭建起技术细分方向的引用关系表(专利知识流动矩阵)。本研究将总投入定义为实际被引关系的累计和,体现在表中为某一列数值的总和。将总产出定义为实际施引用关系的累计和 ,体现在表中为某一行数值的总和。

表1 基于专利知识流动关系的投入产出分析表

第二部,根据投入产出表分别计算技术影响力系数、技术感应度系数等指标。从技术维度来看,技术感应度系数能够反应某项技术对其他技术的吸收、消化和再创新能力。而技术影响力能够反应某项技术对其他的技术的创新引导和推动能力[13]。由于颠覆性技术具有变革性、突破性、前瞻性、替代性、高风险性等特征。技术感应度系数能够在一定程度上可以表征技术的突破性,技术影响力系数能够在一定程度上表征技术的变革性和替代性。

其中感应度、影响力系数计算步骤如下:a.利用投入产出表,计算直接消耗系数矩阵A(相关指标计算见公式1)。b.基于直接消耗系数矩阵A,计算完全消耗系数矩阵B(相关计算见公式2)。c.利用完全消耗矩阵B,计算应度、影响力系数(相关指标计算见公式3、公式4)。

直接消耗系数:

(1)

完全消耗系数矩阵:

B=(E-A)-1-E

(2)

技术感应度系数计算:

(3)

技术影响力系数计算:

(4)

第三步,以技术细分方向的感应度系数和影响力系数为横纵坐标值,搭建坐标图。根据技术细分方向所处的象限位置,划分不同的技术发展阶段(如图1所示)。研究将其划分为4个阶段:探索发展阶段、潜力发展阶段、颠覆性技术发展、核心发展阶段,4个阶段相互转化,不断推动技术发展。a.探索发展阶段:特点是技术影响力低、技术感应度低。该阶段技术发展不成熟,技术创新能力低,技术影响效果一般,研究处于摸索阶段。b.潜力发展阶段:特点是技术影响力低、技术感应度高。该阶段技术创新活动比较活跃,随着技术影响力的提升,有望产生具有重大影响力的技术方向。c.颠覆性发展阶段:特点是技术影响力高、技术感应度高。该阶段技术发展对其他技术领域具有较强的影响力,且技术创新能力强,技术突破有望产生颠覆性的技术发展方向。d.核心发展阶段:特点是技术影响力高、技术感应度低。该阶段技术发展已经形成了核心竞争力,发展成熟且技术影响力高。但面向新需求,技术创新能力面临一定的瓶颈,亟需开展新一轮的颠覆性技术发展探索。

图1 颠覆性技术发展阶段知识图谱

2 数据来源

研究选取6G太赫兹通信技术领域作为研究对象。面向2030年,下一代移动通信技术6G是当前全球战略研发的热点,也是全球战略竞争的焦点,而太赫兹作为6G技术的关键候选技术[14],是实现超高频率、超大带宽,超高峰值速率传输的重要手段,未来3-5年是其研发的关键时期[15]。早期识别6G太赫兹技术方向具有颠覆性发展潜力的技术方向,对于我国调整6G基础研究、应用研发方向、布局产业发展重点、推动通信产业升级换代具有重要的现实意义。

专利数据主要来源于英国科睿唯安Derwent数据库,该数据库覆盖了全球96%专利数据,并且提供全球收录最全面的专利引文信息。通过对6G太赫兹通信技术领域专利数据进行采集,数据采集时间范围为2002年-2022年。检索方式利用“关键词”+“IPC分类号”( H04电通信领域)进行组合限定检索;经查重、清洗得到最终有效专利1032项。经过python数据处理工具处理,最终得到施引专利357项,被引专利373项。

3 实证研究

3.1 全球6G太赫兹通信技术专利申请趋势

可以看出,近几年6G太赫兹通信领域专利申请数量呈现快速增长趋势(如图2所示),技术发展主要经历了两个阶段。(1)萌芽期(2010年前):技术处于初期发展阶段,相关专利数量较少,发展相对平缓。(2)快速发展期(2010年之后):专利申请量开始增加。尤其随着2019年5G进入商用之后,专利申请速率快速加快,未来几年是研发的重要时期。

图2 6G太赫兹通信领域专利申请趋势

3.2 基于专利知识流动的投入产出矩阵构建

以IPC技术分类号(小类)作为技术细分方向,分别提取专利PN(专利公开号)、PD(专利公开日)、CP(专利引文)等字段内的相关数据信息,主要提取信息包括施引专利号,施引专利主IPC分类号,被引专利号,被引专利主IPC分类号等。经数据处理,专利间存在引用关系的 IPC技术分类号(小类)共有39个。

分别构建“施引专利—IPC技术分类号(小类)”、“被引专利—IPC技术分类号(小类)”之间、“施引专利—被引专利”对应关系矩阵。并利用矩阵相乘原理最终得到基于专利知识流动的投入产出矩阵,如下表2所示。其中行代表“被引专利—IPC技术分类号(小类)”,列代表“施引专利—IPC技术分类号(小类)”。以列H04L和行H04B交叉数字3为例,代表H04L技术细分方向和H04B技术细分方向共发生了3次专利知识流动。

表2 6G太赫兹通信领域技术细分方向投入产出表

3.3 技术影响力、感应度系数计算

分别计算直接消耗系数矩阵、完全消耗系数矩阵,并基于完全消耗系数矩阵, 最终得出技术分类号(小类)之间的技术影响力和技术感应力系数。需要注意的是,由于6G太赫兹通信技术领域技术发展目前处于初期阶段,构建的知识流动矩阵为稀疏矩阵,因此在计算过程中,为构建完全消耗矩阵,需要考虑将技术间引用关系为0或者自引关系直接消耗系数为1的IPC技术分类号(小类)去掉。因此最终共筛选保留的有效IPC技术分类号(小类)共7类。最终计算的影响力和感应度结果如下表3所示。其中IPC小类代表的技术方向释义如表4所示。

表3 6G太赫兹通信技术细分方向影响力和技术感应度系数

表4 技术细分方向释义

3.4 颠覆性技术方向识别研究

以横纵坐标对7类技术细分方向进行阶段划分(由图3所示),可以看出目前6G太赫兹通信技术细分方向主要集中在探索发展阶段。

图3 6G太赫兹通信技术颠覆性技术方向识别图谱

a.探索发展阶段(低技术影响力、低技术感应力): 技术研究细分方向涵盖H01Q、H01S、G02F等方向,主要涉及天线、发射器件、光学器件等。

b.潜力发展阶段(低技术影响力、高技术感应力):技术细分方向主要涵盖无线通信网络(H04W)方向,无线通信网络技术方向创新活动比较活跃,随着技术影响力的提升,有望产生具有重大影响力的技术。

c.颠覆性发展阶段(高技术影响力、高技术感应力):技术细分方向主要涵盖传输系统(H04B)等方向,传输系统(具体包括有线传输系统、无线传输系统、近场传输系统、利用无线电以外的电磁波活微粒辐射的传输系统、声波传输系统等)的技术突破和应用有望对6G太赫兹通信领域的发展产生颠覆性的影响效果。

d.核心发展阶段(高技术影响力、低技术感应力):技术细分方向主要涵盖数字信息传输(H04L)、电数字数据处理(G06F)等方向,上述技术方向是太赫兹通信技术发展的核心支撑技术。

3.5 专家验证

通过组织领域专家对上述结论进行验证,专家认为利用该方法得出的结论具有一定的代表性。

以探索发展阶段识别结果为例:a.专家指出,当前6G太赫兹技术发展,主要面临的现实挑战是核心器件和通信传输系统的研产能力上,目前太赫兹系统还在原型验证阶段,器件工作效率和能耗方面还达不到商用通信系统的要求。b.而研究结论显示,当前6G太赫兹通信技术细分研究方向主要集中在探索发展阶段,涉及天线、发射器件、光学器件等。专家经验与研究结论基本一致,在一定程度上证实了该研究方法的有效性。

4 结 语

本研究从方法理论和实证研究两方面进行颠覆性技术方向识别研究:a.方法理论研究阶段,本研究构建了一种基于专利引文知识流动的颠覆性技术方向识别方法,为颠覆性技术识别提供一种新的思路。b.实证研究阶段,本研究选取6G太赫兹通信技术领域进行实证研究,结合专家经验,证实了该方法的有效性和可行性。

但本研究同样存在一定的局限性,体现在:仅从技术维度出发,以专利数据作为研究对象,并不能从市场维度和影响效果维度进行全方位的颠覆性技术揭示;研究领域比较前沿,专利引文数据比较少,容易忽视掉一些原始技术创新;研究的深度和广度有待扩展,研究方法具有探索性,需要继续深化研究的思路和手段。