基于科技文献计量的颠覆性技...研究——以数字孪生技术为例_王英.pdf

收稿日期：本文系国家社科基金一般项目“基于论文专利交叉共现分析技术的基础应用产业创新演化路径分析方法研究”（项目编号：）；中国博士后科学基金特别资助（站中）项目“基于颠覆性技术产生过程的科学技术多重关联共现分析方法研究”（项目编号：）；广东省市场监督管理局项目“高校院所专利协同转化运用项目”（项目编号：）研究成果之一。作者简介：王英（），女，硕士，馆员，研究方向为图书馆学与情报学；庞弘燊（），通讯作者，男，博士，副研究馆员，研究方向为情报学及专利分析。基于科技文献计量的颠覆性技术发展过程特征识别研究 以数字孪生技术为例王 英 庞弘燊（深圳大学图书馆 广东深圳）摘 要：目的 意义颠覆性技术的识别对科技创新、产业变革及市场竞争具有重要意义。方法 过程以颠覆性技术“数字孪生”为例，融合论文与专利文献数据，分析科技文献在时间、学科及应用领域分布、论文与专利的引用与互引及高频引用参考文献的主题、研究类型趋势等表现，发掘技术发展过程重要特征。结果 结论发现数字孪生处于高速发展阶段，领域交叉融合、突破性及潜力巨大，工程学、计算与控制领域的热门主题研究与应用态势凸显，研究的敏锐性强、物理规模较大、成熟度较高。该结果与国际研究机构项目及预测报告相对应，一定程度上实现了对该技术发展过程特征的识别。关键词：颠覆性技术；文献计量；引用分析；主题分析；数字孪生；特征识别中图分类号：文献标识码：（,）：,“”,，,：；颠覆性技术是一种对现有技术体系和应用产业产生颠覆性影响的创新技术，其具有强大潜在替代 年 月 情报探索 第 期（总 期）（）性及应用前景，引领相关产业变革。美国国防部成立时将国防预先研究计划（）作为颠覆性技术开发摇篮，年全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上习近平总书记都明确指出颠覆性技术突出重要性。识别、捕获及培育颠覆性技术是经济社会发展、国防科技、世界竞争的重要研究课题。研究现状最早提出颠覆性技术，颠覆性技术从低端市场中利用简易可用、实惠价格等特点获得竞争力，不断优化技术性能，对已有技术造成破坏性、冲击性、颠覆性。颠覆性技术具有激进性创新、多技术融合、学科交叉等特点。识别与预测是承接颠覆性技术培育战略的重要前序环节，有助于实现技术培育与突破创新。目前识别创新技术的研究不少，在技术管理与应用领域，技术路线图法、情景分析法及指标评估分析等以专家意见识别预测的方法较为主流。在图书情报领域，从专利数据指标如专利申请量、授予率、申请人数及技术引用树等或引用量、引用率及“专利影响因子”等识别技术颠覆性；在文本角度，结合专利与论文，通过主题模型识别专利引用网络中主路径中子技术的隐藏主题，结合论文识别主题及技术功能实现识别；利用社会网络分析学术出版物关键词共现网络节点接近程度来预测技术颠覆性；董放等提出 结合机器学习法对论文摘要进行新兴技术分类，并利用 模型预测论文的变化趋势来推测技术发展趋势；石慧等根据主题词突变情况和创新领域的种数为纵横轴做四分图以判别主题词位置所内涵的潜在颠覆性。各研究方法呈主观判断与客观推导共存的特征。技术管理与应用领域相对主观较依赖专家意见。图书情报领域则多为论文或专利的单独视角，未体现论文与专利间引用及互引的特征关联分析。创新的颠覆性技术具备融合创新技术及自身成长规律中的复杂特征，因此探索颠覆性技术应融合多元客观数据的联系，捕捉其生命阶段发展潜力及轨迹等重要特征。研究思路高德纳 战略科技趋势、福布斯 科技趋势等趋势预测报告显示数字孪生技术是信息领域的重要颠覆性技术之一。本文以颠覆性技术“数字孪生”为例，融合论文与专利文献数据，借助（）分析工具处理关键数据，使用计量分析方法，主要从文献产出量、文献引用量、高频引用的参考文献等角度剖析各数据指标：统计论文与专利产出量的时间分布，展现技术的研究与应用的热度及市场商业化程度，判断发展阶段；分析学科及应用领域分布以展现技术的突出应用领域；提取引用及互引数据，以揭示科学与技术的关联与影响；从溯源角度归纳论文、专利高频引用的参考文献量的热门主题，发掘技术早期萌发及发展过程中创新的重要主题特征；分析高频引用的参考文献量的研究类型趋势，基础和应用研究现状一定程度上代表技术应用规模与市场化趋势。最后结合各指标与关键时间节点，分析识别技术发展阶段、发展潜力、关联程度、领域、主题及应用程度等特征，为推进颠覆性技术产业突破与研发及培育决策提供参考。科技文献产出及引用分析以“”为主题，以 核心合集 （）引文索引数据库和 （）专利数据库为源，出版或公开年度限至 年，其中 检索式为（），文献类型为，检索到 篇，通过数据清洗，得到可用论文量 篇；检索式为（），检索到 件专利。产出分析 时间产出分布由图 可知，论文与专利的产出随时间呈 型曲线，数字孪生发展极其迅速。其中，较早发布与 概念相近的专利在 年，而论文较早以“”出现于工程学领域（年）。从产出量知，专利在 年起出现连续从个位向近千篇级别的陡然增长态势，论文则在 年起呈快速增长趋势。总体上专利与论文皆呈突破式增长，年后陡然上扬，专利量更为突出。学科领域分布在论文层面，工程学领域最为突出，连产 年，论文量达 篇，其次是计算机科学领域，连产 年，论文量为 篇，论文量 篇以上的有化学、材料科学、运筹学与管理科学、电信、科学与技术及物理学等领域。前 位领域论文各产出合计 篇，远超论文总量，说明数字孪生具有领域交叉性。年 月王英等：基于科技文献计量的颠覆性技术发展过程特征识别研究第 期（总 期）图 数字孪生主题的论文量与专利量时间分布折线图 在专利层面，对 分类汇总并定义其为具体应用领域。其中，计算与控制领域的数字计算机（）专利量最为突出，增长较快，开始达三位数，共公开 件，远高于同领域的过程与机器控制（）（件）、通信领域的电话和数据传输系统（）（件）、电力工程领域的工业电气设备（）（件）、通信领域的音频 视频录制和系统（）（件）及其余领域。前 位具体应用领域各专利产出合计 件，远超专利总量，也存在领域交叉性。引用分析 论文与专利的参考文献引用量分析参考文献引用量即论文引用的论文量及专利量、专利引用的论文量及专利量。从图 可知，参考文献引用量逐年攀升，年增速有所放缓。论文引用的论文量远高于专利引用的专利量，二者分别从、年显著增长，说明此阶段有所创新突破。在互引方面，专利引用的论文量显著高于论文引用的专利量，年出现互引，年开始出现连增态势，互引较不突出，尤其是论文引用专利。图 论文与专利的参考文献引用量趋势 篇均参考文献引用量分析篇均参考文献引用量指论文与专利篇均引用或互引的参考文献量。其中论文与专利篇均引用的参考文献量分别指篇均论文引用的论文量（论文引用论文的累计量与论文累计量的比）、篇均专利引用的专利量（专利引用专利的累计量与专利累计量的 年 月情报探索第 期（总 期）比），累计量之比一定程度上缓解产出及引用滞后问题。篇均参考文献引用量还包括论文与专利互引的篇均引用量，通过科学关联度（，篇均专利引用的论文量）与技术关联度（，篇均论文引用的专利量）反映，其中 值越大说明技术专利与科学研究存在产业密切依存性，值越大说明学术研究与产业创新结合越紧密，反之越松散。由图 可知，篇均论文引用的论文量呈高引用，年开始提升至 篇以上，说明 年至今是科学研究突破性阶段；而篇均专利引用的专利量较论文低，最高仅 篇，呈略微波动，然而二者的产出及引用仍增长快速，表明专利突破性创新潜力巨大。图 篇均论文引用的论文量、篇均专利引用的专利量、与 趋势 在 与 方面，年为最高达，专利量与引用的论文量同步增长，年 反而波动降低，说明 年前科技创新与科学研究联系紧密，年之后有所下降，科学研究对技术创新的推动有所减弱。年 最高仅，而后下降，技术创新向科学研究转化率不高。近年文献不断增多尤其是专利，而 偏小且显著低于，专利对论文的依存度高于论文对专利的依存度，科学论文对专利应用较为重要。而论文引用专利时，被引频次为 次的占比，最高被引频次仅 次；专利引用论文时，被引频次为 次占比，最高被引频次为 次，但占比极低，未出现明显的高互引参考文献。因此，以高频引用的论文及专利参考文献的代表性主题揭示并溯源数字孪生的重要方向特征，对及时识别数字孪生技术主题并开展培育具有重要意义。高频引用的参考文献主题与研究类型分析 主题分析论文高频引用的参考文献以论文为主，专利高频引用的参考文献以专利为主，通过归纳整理被引频次 的参考文献的主题关键词，统计主题及其各年度的参考文献量及被引频次，以总被引频次 的大方向主题作为最具代表性主题（见表、表）。表 论文参考文献 主题的论文参考文献量分布、被引年份及总被引频次序号主题参考文献量 篇总被引频次 次数字孪生 系统，含生产系统、含分布式系统、制造系统、车间系统、融合物理系统、网络物理系统、空军车载管理系统、信息物理生产系统、信息物理系统、网络物理生产系统 设计，含产品设计、设计理论、个性化设计、制造系统设计、快速个性化设计、采样设计未来融合，含数据融合、网络与物理融合、融合物理系统仿真，含保真模拟、虚拟化、变异模拟、超高保真大数据，含大数据分析制造，含制造流程、制造系统设计、制造信息物理系统服务，含车间服务系统、感知即服务智能制造，含自主制造 年 月王英等：基于科技文献计量的颠覆性技术发展过程特征识别研究第 期（总 期）表 专利参考文献 主题的参考文献量分布、被引年份及总被引频次序号主题参考文献量 篇总被引频次 次系统，含物理系统、数字电厂系统、系统方法、数字孪生系统、汽车空调系统、仿真平台系统、监控系统、生产线控制系统、二进制模型系统等数字孪生，含数字孪生相关模型系统模型，含模拟模型、数字模型、三维模型、建模、二进制模型、虚拟线模型、数学模型等设备，含机器、物理、传感设备（传感器）、控制装置、机器人等仿真，含动态仿真，实时、模拟生产，状态、环境模拟等管理控制，含优化、精确、决策、装置控制，生产控制系统、单元控制、智能控制等优化，含性能、工艺、控制及修正、生产计划优化等预测，含质量预测、健康预测监控，含监控系统、远程或过程或虚拟监控等虚拟，含虚拟仿真、虚拟监控、虚拟全息影像、展厅搭建、虚拟场景 数字孪生是一个动态及自我进化的数字虚拟模型或对实体的模拟，通过交换实时数据及保留历史数据以表现实体在任何给定时间点的确切状态。数字孪生研究应用层次包括物理规模和发展成熟度，物理规模划分为单元级、系统级 及 级（），发展成熟度分为前（通用模型）、自适应 及智能。除数字孪生外，系统、虚拟仿真是高频引用的参考文献的共同主题。其中，系统主题最为瞩目，总被引频次显著高于其他主题，制造领域的网络物理系统、信息物理生产系统等子主题最为热门，并涉及物联网系统耦合（专利号：），以及生产行业智能生产线数字孪生系统（专利号：）等。虚拟仿真体现为模型与建模研究 与 应 用，如 物 理 与 虚 拟 建 模（专 利 号：）与服务建模理论。此外，论文层面注重设计思路及未来前景及融合理念、服务及智能制造领域。专利层面关注传感设备以实时感测，增强评估预测优化，如训练机器学习算法测算模拟环境中优化机器人控制程序以测试选优（专利号：），以及关注管理控制、预测、监控等主题，如利用 系统实现智能化监控与优化性能（专利号：）。各主题基于数据挖掘实现产品工艺设计与验证、模拟实体健康状况、预测性能及问题、规划决策、状态监控与生命周期管理、优化工艺或生产线等应用。基础研究与应用研究趋势分析因专利为应用属性，故划分高频引用的论文参考文献研究类型代表基础或应用研究趋势。在 高频引用的论文参考文献中，基础研究 篇，应用研究 篇。基础研究与应用研究的被引频次从 年起持续增长，年开始应用研究超过基础研究，年增幅最大，应用研究略高，详见表。其中，工程学领域高频参考文献量（篇）以绝对优势占据榜首，其应用研究被引频次（次）高于基础研究（次），其余为计算机科学、自动化控制系统、电信、机器人等领域。表 高频引用的论文参考文献的基础研究与应用研究被引频次分布项目被引频次合计 次高频引用的论文参考文献（基础）（篇）高频引用的