基于专利计量与信息可视化的技术热点监测分析

基于专利计量与信息可视化的技术热点监测分析 摘要信息可视化技术与专利计量方法为技术热点监测的研究提供了有效的分析工具和手段。在德温特数据库中，检索风力涡轮机技术在1987-2014年的全部专利数据，基于专利计量分析和信息可视化方法，使用VOSviewer软件工具对风力涡轮机技术进行技术热点监测分析。结果展现了当前该技术领域的热点问题主要集中在自动化控制与管理、材料的选取及风能存储与风电转化等方面。从专利文献数据中挖掘技术热点和梳理技术发展脉络，为相关领域的研究者提供具有一定价值的技术情报。 关键词信息可视化；专利计量；风力涡轮机；技术监测 中图分类号G306.3 文献标识码A 文章编号1008-0821（2015）02-0067-06 技术监测是指以科学技术信息、数据分析为基础，以数据挖掘、信息萃取、知识发现、数据可视化技术等信息科学前沿技术为手段，对科学技术活动进行动态监测、分析及评估的方法。技术监测是基于技术预测和技术机会分析提出来的，在研究目标上，技术监测与技术预测是一致的，二者都希望确定具有战略性的优先研究领域，以及选择对经济和社会利益具有最大贡献的技术群。当前，技术监测研究已经成为探索技术发展规律与技术前沿的重要手段。随着信息科学和网络技术的发展，通过信息可视化和数据挖掘等技术方法，从专利数据中挖掘技术演进的热点与前沿技术以及梳理知识发展的脉络和新知识的出现，也成为现代信息科学与技术管理的研究重点。国内外学者在这一领域进行了大量的研究，朱东华从技术监测的指标、技术监测的定义以及技术监测的对象着手，进行了较全面的研究；赵焕芳从科学可视化、数字可视化、信息可视化的视角对纳米技术进行了监测；吕一博等采用共现分析法，构建了一个三阶段的科技监测模型，并以可视化的形式将科技监测结果进行图谱展示；孙涛涛则从专利文献的技术热点进行监测与研究。一些学者基于国际专利号或手工代码对某领域的技术热点进行分析与监测。栾春娟等认为经过德温特技术人员标引的“德温特手工代码”，对研究专利的技术领域分布更具有指导意义，对生物技术、电动汽车产业和3G技术等领域进行了技术热点分析；高继平通过德温特手工代码对专利计量指标与关键技术、专利共词分析以及纳米技术等进行了分析；田晓阳利用统计学方法，对德温特数据库中1993-2002年间各类发明专利的数量进行分析，揭示了这一时期内国际发明专利的热点。在技术操作上，一些专利分析软件如汤森路透的Thomson Data Analyzer（TDA）、中外专利检索平台、Soopat检索平台等，实现从批量专利文献中选取专利分类号进行统计、聚类分析的功能，并结合可视化工具使其生成相应的专利地图，进行技术热点监测。本研究基于专利计量方法，使用VOSviewer信息可视化软件工具，绘制风力涡轮机技术专利的共现网络知识图谱，实现对这一领域技术热点的监测，为技术热点监测研究提供一种客观有效的技术手段和方法。 1 数据来源与研究方法 1.1数据来源 本研究的数据来自德温特专利数据库，该数据库收录了世界各国的专利数据。在DII中以“X15-B01A=MC”作为检索式，截止到2014年8月，共检索到10948条相关专利数据。基于专利计量学视角下的专利属性数据和关系数据进行分类整理与标准化处理。专利属性数据包括了专利号码、发明者相关信息、专利权人相关信息、IPC分类号属性数据，这类数据常伴随基础的数量统计，以定量描述专利或专利群组的基本信息，直观专利发展态势。专利关系数据在专利中主要表现为专利的引用与被引，借助社会学、文献计量学与科学计量学相关指标，探求技术在技术体系中的地位，展现专利数据间的布局以及知识结构。 1.2研究方法 本研究主要使用专利计量和信息可视化方法进行分析。在国际上，专利计量的表达方式主要有两种即Patentometrics和Patent Bibliometrics。专利计量学进入研究人员的视野已经有50多年的发展历史。美国的IBM公司从20世纪60年代开始就运用专利分析竞争对手的技术发展趋势、日本则绘制了世界上第一张专利地图，使专利可视化成为可能。现在许多国家以专利计量的手段来分析国家间以及企业间的竞争态势，探索技术前沿，预测技术未来发展方向。1994年，纳林发表了专利计量研究的经典之作专利文献计量学，文章认为科学论文文献计量学与专利文献计量学有着惊人的相似性，可以适用于相同的范畴。他认为专利计量学应该跟文献计量学一样，成为一种系统化科学化的研究方法。当前已经有众多学者们在不同领域运用专利计量学。他们探索技术不同企业以及产业等的国家竞争、技术生命周期、R&D投入与专利产出的关系、技术合作战略关系及新兴技术预测等。 VOSviewer工具是由荷兰莱顿大学科学与技术研究中心（CWTS）的Nees Jan van Eck与Ludo Waltman开发的一款信息可视化软件。该软件是对Nees Jan van Eck等学者提出的VOS（Visualization of Similarity）方法的一种可视化研究探索。它使用Java编程语言开发的免费软件工具，可支持当下主流的电脑硬件和操作系统平台。软件开发者最初将VOS方法应用在文献计量学领域的知识图谱软件，展现各知识单元间的共现关系。在文献计量学领域中，VOSviewer可以对科学文献的多个知识单元进行分析，如基于文献的期刊（出版物）、作者、论文引文、关键词等的共现关系，构建相应的关系网络，生成相关的可视化地图。当然，VOSviewer的使用并不局限于文献计量学领域，本研究应用这一软件工具对专利文献数据进行计量与可视化分析，构建技术知识单元的关系网络，通过可视化图谱展现专利技术间的结构关系。 2 风力涡轮机技术热点的监测 风能作为一种清洁的可再生能源，对社会的发展与生产有极大的推动作用。为了更加深入的了解风能是如何将风能存储从而将其转化为电能，笔者从风力涡轮机技术着手对其进行技术热点监测与研究。主要以风力涡轮机专利数据、国家专利申请态势、技术热点与高被引专利情况等方面入手。 2.1专利数据描述 为了探索风力涡轮机技术的相关情况，对DII中的风力涡轮机专利进行统计分析，在DII中检索的相关专利数据的年度分布如图1所示。从图中可以看出，风力涡轮机的专利量在1987-1998年保持平缓的增长。1999-2006年，风力涡轮机在专利技术上有所增加，但仍较缓慢，主要是当时整个风电系统的技术还不够完善，风电入网难，专利在一定程度上很难商业化。在专利经历了短暂的缓慢发展的过渡期，在2007年之后出现迅猛增长，在2011年增长率达到顶峰。从2012年开始，增长速度开始减缓，风力涡轮机技术进入平稳发展阶段，这与全球风电产业的发展趋势相吻合。 全球风力发电机专利申请量所呈现出的发展状况，与世界能源领域不同阶段的局势以及各国政府的支持力度关系密切。20世纪80年代至90年代，因国际油价稳定，加之风力发电行业的集中性、垄断性突出，从原材料、工艺技术到市场几乎被少数几个世界顶级公司所垄断，所以专利申请在较长一段时间趋于平缓。而20世纪90年代末，由于风电技术的日趋成熟、国际油价的持续高涨，加之人类共同面临的日益严峻的环境问题和压力，风能作为可再生的清洁能源被再次重视，风力发电行业受到各国政府的大力支持，专利申请也随之增加。自2001年以来，随着能源危机的加剧，各国政府普遍采取积极的新能源政策和能源规划策略，由此可见，在今后相当长的一段时期内风力发电行业及其相关行业的发展前景十分广阔。 2.2国家专利申请量与竞争态势的监测 风力涡轮机作为风力发电技术，世界各国都将其作为衡量经济发展到指标。笔者从检索到的数据来看，位于风力涡轮机技术专利量排名前15位的国家及在整个风力涡轮机专利量中的占有率情况。详细分布见表1。 专利权人对专利具有独占处理的权利，可以对专利进行处理而不受其他所有者的干涉。通过对风力涡轮机技术专利权人的统计比较，专利权人主要由研究机构，企业或公司财团以及个人组成，对专利权人进行整理，笔者发现，专利权多集中在企业当中，美国通用公司是美国风力涡轮机产业中活跃度最高的公司。其中通用公司的发明人主要来自美国，德国，荷兰，西班牙，印度，中国等国家，国外人员参与的比重最大，可见通用电气公司拥有广泛的专利合作渠道。维斯塔斯风力系统公司的专利发明人主要集中在自己国家，有少量的发明人与新加坡和英国这两个国家的科研人员保持较为密切的合作。西门子公司的专利发明人主要来自丹麦与德国，而丹麦的比重较大，西门子对丹麦科研人员的依赖较重，技术的独立性较差。三菱重工的专利发明人全部来自于日本，可见本公司对本国的科研人员依赖较强，专利的国际合作差。值得注意的是中国的国电联合动力技术有限公司和华锐风电科技有限公司共申请了110余件专利，虽然中国较美国、德国、丹麦、日本、西班牙等国家有一定的差距，但其作为后起之秀，在风力涡轮机的专利技术领域仍有较大的提升空间。 2.3风力涡轮机技术热点分析 技术的发展一定程度上依赖于科学研究，为了细化科学技术研究的热点问题，对检索的10948条风力涡轮机的专利数据运用VOSviewer软件进行可视化分析，挖掘其研究的技术热点并进行技术监测。在10948条文献的标题与关键词进行挖掘中，共出现条相关词汇，其中频率高于23的词汇共1776个，对其进行共词分析，词汇共现情况如表2所示。 对风力涡轮机高频共现高于500的词，进行了统计分析，发现Occurrences与Relevance是负相关的，method共出现5649次，而其与风力涡轮机的相关度仅有0.51，而自动控制技术、信号、风机叶片、电压等频次较低的词，其与风力涡轮机的相关度却超过1（1），这表明表2中的高频词是风力涡轮机技术研究的热点，而相关度较高的是其技术监测的重点。 依据风力涡轮机的专利数据所展现的聚类，风力涡轮机技术主要分为四部分：第一部分（右半部分）主要是有关风力涡轮机的技术方法（method）、风力涡轮机的控制（control）、信号传播（singal）及电力的输出（outlet）等；第二部分（底部）主要是风力涡轮机所用材料（rotor blade and wind turbine blade）的探究；第三部分（左半部分）研究的是风力涡轮机的齿轮、转换器以及核心等方面；第四部分（上面）探究的热点是发电机体系和电能的存储问题。通过以上四部分风力涡轮机关键词共现的聚类，能够较全面地反映风力涡轮机所探究的技术前沿与热点问题。 通过图3可以了解到，形成的四部分高频关键词之间是相互联系的，底部和左半部分的连线相对较多，且技术较密集，而外部边缘间技术连线较稀疏，且有成为技术发展的前沿可能。而图4是风力涡轮机高频关键词聚类密度图。 2.4高被引专利分布情况 国际上对专利质量测度主要有3个方法：专利引文分析方法、专利家族分析方法、专利指定有效分析方法。学者们普遍认同指出高被引专利通常比一般文献具有更高的质量。对检索数据进行专利被引频次进行统计分析，排名前10位的专利如表3所示。 从高被引专利的国别来看，排名前10的专利主要分布在美国，其中两个来自于欧洲，一个是欧洲的一所高校；另一个是以个人名义进行的专利申请，由此可见，美国在风力涡轮机这一专利领域的地位和技术发展的前沿性。 3 结论 通过信息可视化和专利计量对国际风力涡轮机技术的热点技术监测，发现美国在风力涡轮机领域占据着领导与核心地位，无论是在国家、企业还是高被引专利的分布中都处于绝对的优势。信息可视化作为技术监测的辅助工具，其应用与研究大大推