基于DEMATEL 專利模型的技術(shù)影響關(guān)系研究

周 洪，梁 希，魏 鳳，李小春

（1.中國科學院武漢文獻情報中心，湖北武漢 430071；2.湖北省科技大數(shù)據(jù)重點實驗室，湖北武漢 430071；3.愛丁堡大學商學院，英國愛丁堡 EH8 9JS；4 中科院武漢巖土力學研究所，湖北武漢 430071）

任何技術(shù)都不是孤立的，總是同其他技術(shù)存在著相互作用、相互依存的影響關(guān)系，進而形成技術(shù)體系。通過這種技術(shù)影響關(guān)系，一種技術(shù)類型的變化會導致相關(guān)技術(shù)類型的鏈式變化，從而推動技術(shù)體系或技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和演化［1］。因此，開展技術(shù)影響關(guān)系的研究十分必要。通過探討技術(shù)間的相互影響關(guān)系、挖掘技術(shù)發(fā)展模式和規(guī)則，有利于發(fā)現(xiàn)技術(shù)或產(chǎn)品的新機會、支撐技術(shù)研發(fā)政策和計劃的制定［2-3］。

專利文獻作為技術(shù)信息的有效載體，包含大量的技術(shù)知識［4］，是研究技術(shù)影響關(guān)系的重要切入點。目前，國內(nèi)外學者基于專利文獻，開展技術(shù)交叉影響的研究日益興盛，并取得較為豐碩的成果，相關(guān)方法主要集中在專利引文分析、交叉影響分析等。引文分析是了解專利技術(shù)間的依存關(guān)系和相互作用、識別知識流動和發(fā)展軌跡的常用方法。Park 等［5］使用專利引文網(wǎng)絡(luò)，識別建筑信息模型的技術(shù)結(jié)構(gòu)和知識流特征；Lee 等［6］使用美國專利引用信息，構(gòu)建移動生態(tài)系統(tǒng)中技術(shù)知識流的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；楊中楷等［7］基于專利引文網(wǎng)絡(luò)對不同技術(shù)領(lǐng)域間的關(guān)系進行考察，通過追蹤不同技術(shù)領(lǐng)域間的專利知識流動展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的宏觀特征。然而，引文分析存在一些缺點，如引用和被引用專利間的平均時間太長［8］；引文分析僅考慮個別專利之間的引用關(guān)系，難以從技術(shù)領(lǐng)域角度確定技術(shù)相關(guān)性和特征、引用容易受到人為主觀決策的影響［9］，申請人和審查員由于受自身屬性限制和外部環(huán)境約束，分別具有不同的引證動機，造成專利引證行為和結(jié)果迥異等［10］。為了解決引文分析限制，研究人員也嘗試使用其他專利信息分析技術(shù)關(guān)系，如共引分析、共詞分析和關(guān)鍵詞向量分析等［11-15］。然而這些方法仍存在缺點，如共引分析中仍存在時滯問題，共詞分析、關(guān)鍵詞向量分析需要對技術(shù)進行定性判斷。

交叉影響分析（cross-impact analysis，CIA）可以定量分析技術(shù)之間的交叉影響，確定專利技術(shù)間的核心技術(shù)和相互關(guān)系［16］。它基于專利的共同分類特征，如國際專利分類（IPC），而不是根據(jù)個別專利開展分析，并且不存在時滯問題。交叉影響法的概念最早由Gordon 等［17］提出，根據(jù)事件間的相互作用來修正未來事件的估計概率［18］，對事物發(fā)展前景進行預(yù)測，并經(jīng)過許多研究人員的改進，如基于模糊邏輯的交叉影響模型、比較交叉影響指數(shù)確定關(guān)系特征、層次分析法和交叉影響法結(jié)合來預(yù)測概率等［19-21］。Choi 等［16］最早提出將交叉影響法應(yīng)用到專利數(shù)據(jù)，研究技術(shù)之間的影響關(guān)系，并應(yīng)用了關(guān)聯(lián)規(guī)則的思想提取對象關(guān)系。馬榮康等［22］使用Choi 等的方法，構(gòu)建了不同納米技術(shù)領(lǐng)域交互影響模式的分析框架,并利用社會網(wǎng)絡(luò)理論中的“核心一邊緣”模型分析納米技術(shù)交互影響網(wǎng)絡(luò)。黃斌等［23］針對Choi 等的方法存在的不足，開展了判斷影響類型、定量劃分技術(shù)對影響關(guān)系、分析單個技術(shù)影響的研究，并對匯聚技術(shù)的匯聚趨勢開展了實證研究［24］。Jun 等［25-27］提出了分析IPC 分類號的關(guān)聯(lián)規(guī)則和映射方法，并使用搜索的數(shù)據(jù)庫技術(shù)專利文檔進行實驗，并將關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)合自組織映射來預(yù)測圖像和視頻技術(shù)的空白技術(shù)，結(jié)合時間序列來預(yù)測生物技術(shù)。Kim 等人［28］提出了關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)合分析網(wǎng)絡(luò)過程（ANP）來尋找技術(shù)間的相互作用。然而，上述研究往往側(cè)重于研究技術(shù)之間的直接影響關(guān)系，較少考慮技術(shù)之間的間接影響關(guān)系；同時，上述研究只考慮了技術(shù)之間的單一關(guān)系，沒有充分考慮某個具體技術(shù)在技術(shù)體系中的作用，以及整體影響情況。

針對目前的研究現(xiàn)狀，本文提出一種基于DEMATEL 模型的技術(shù)影響關(guān)系研究方法，可以識別技術(shù)間的直接影響關(guān)系和間接影響關(guān)系，還可以展示單個技術(shù)在技術(shù)體系中的位置和作用，從而全面了解專利技術(shù)間的交叉影響和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以期為技術(shù)影響關(guān)系提供一種新的視角和方法。

1 DEMATEL 專利模型的構(gòu)建

1.1 構(gòu)建直接影響矩陣

通常，一項技術(shù)與兩項或多項技術(shù)有關(guān)。就專利而言，一項專利可能具有兩項或多項權(quán)利要求，每個權(quán)利要求都被分配了一個分類，因此專利可以具有多個專利分類號。專利是根據(jù)與特定行業(yè)或具有相似功能、用途或結(jié)構(gòu)的主題相關(guān)的技術(shù)進行分類的，每個專利都可以代表一種單獨的技術(shù)。與之前的研究相同，本文假設(shè)每個IPC 分類號都代表一種技術(shù)，技術(shù)之間的影響可以從專利的這種特征中得出。

本文使用Choi 等［16］提出的專利交叉影響分析法，來構(gòu)建技術(shù)直接影響關(guān)系矩陣。交叉影響分析法可以看作是關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘（Association Rule Mining，ARM）在專利分析中的應(yīng)用。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘（Association Rule Mining，ARM）由Agrawal 等［29］提出，通過找出數(shù)據(jù)項的共現(xiàn)模式來生成不同項之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，已廣泛應(yīng)用于零售、金融、醫(yī)學、互聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域［30-33］。本文定義IPC 分類號（技術(shù)）i對IPC 分類號（技術(shù)）j的影響關(guān)系為：

1.2 構(gòu)建綜合影響矩陣

在技術(shù)直接影響關(guān)系矩陣的基礎(chǔ)上，使用決策試驗和評價實驗室（Decision-Making and Trial Evaluation Laboratory，DEMATEL）模型，分析技術(shù)間的直接影響關(guān)系和間接影響關(guān)系。DEMATEL 由Gabus 等［34］提出，運用矩陣計算工具與圖表相結(jié)合，對系統(tǒng)中的各因素的影響程度進行分析，已運用于技術(shù)選擇、關(guān)鍵因素識別等［35-38］。該方法可以對各因素的影響程度進行定量排序，按照相關(guān)指標分類，還充分考慮了各因素間的因果關(guān)系。

其中I為單位矩陣，的逆矩陣，通常采用LU 分解法求解逆矩陣。中的，表示技術(shù)i受到技術(shù)j的綜合影響大小。

1.3 構(gòu)建技術(shù)交叉影響圖譜

其中D為T的各行矩陣的值之和，表示各行對應(yīng)技術(shù)對所有其他技術(shù)的綜合影響值，即影響度；R為T的各列的值之和，表示各列對應(yīng)技術(shù)受到所有其他各技術(shù)的綜合影響值，即被影響度。

綜合考慮技術(shù)的影響度和被影響度，確定系統(tǒng)因素的中心度向量Z和原因度向量Y。

中心度反映的是該技術(shù)在整個系統(tǒng)中的地位與作用，中心度的值越大，說明該技術(shù)在整個系統(tǒng)中的作用越大。原因度反映技術(shù)是原因因素還是結(jié)果因素，當原因度為正值時，表示該技術(shù)主要影響其他技術(shù)，是施予影響的技術(shù)；當原因度為負值時，表示該技術(shù)主要受其他技術(shù)影響，是受影響技術(shù)。

考慮技術(shù)的中心度和原因度，以及技術(shù)綜合影響矩陣，可以構(gòu)建技術(shù)交叉影響圖譜，直觀展示出技術(shù)的交叉影響關(guān)系，反映出單個技術(shù)在技術(shù)體系中的位置和作用，并有助于識別關(guān)鍵的專利技術(shù)。其中，節(jié)點代表技術(shù)，節(jié)點間存在有向箭頭，反映技術(shù)對其它技術(shù)的影響度以及被影響度。技術(shù)交叉影響圖譜的橫坐標為中心度，縱坐標為原因度，根據(jù)中心度、原因度的均值，可以將技術(shù)分為四個象限。第I 象限的技術(shù)為“高—高”型技術(shù)，中心度、原因度都較高，在整個技術(shù)中作用較大，且較大程度影響其他技術(shù)，可以認為是重要基礎(chǔ)技術(shù)；第II象限的技術(shù)為“低—高”技術(shù)，中心度較低、原因度較高，在整個技術(shù)中作用較小，且影響其他技術(shù)，可以認為是一般技術(shù)；第III 象限的技術(shù)為“低—低”技術(shù)，中心度、原因度都較低，在整個技術(shù)中作用不大，且受其他技術(shù)影響，可以認為是邊緣技術(shù)；第IV 象限的技術(shù)為“高—低”技術(shù)，中心度較高、原因度較低，在整個技術(shù)中作用較大，且受其他技術(shù)影響較大。

2 實證研究

地質(zhì)建模技術(shù)是多學科交叉的技術(shù)，運用計算機技術(shù)，將空間信息管理、地質(zhì)解釋、空間分析和預(yù)測、地學統(tǒng)計、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)分析。目前，我國在工程實踐中，地質(zhì)建模大多引進國外軟件和技術(shù)，國產(chǎn)軟件和技術(shù)與國外尚存在不小的差距，相關(guān)核心技術(shù)的缺乏將嚴重制約我國石油、天然氣、頁巖氣和二氧化碳封存等領(lǐng)域的發(fā)展。本研究以地質(zhì)建模技術(shù)領(lǐng)域為研究技術(shù)領(lǐng)域，開展基于DEMATEL 專利模型的技術(shù)影響關(guān)系的實證研究

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

本文選擇湯森路透集團的德溫特創(chuàng)新索引（Derwent Innovations Index，DII）專利數(shù)據(jù)庫作為檢索數(shù)據(jù)庫。在相關(guān)文獻調(diào)研和專家咨詢的基礎(chǔ)上，通過綜合考慮技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵詞和IPC 分類號，設(shè)定檢索策略。時間跨度為1970—2019 年，數(shù)據(jù)檢索時間為2019 年12 月31 日。通過檢索和清洗，得到地質(zhì)建模技術(shù)相關(guān)專利（族）811 件。本文利用Thomson Data Analyzer、Aureka、excel、Rstudio 等工具對專利文獻進行數(shù)據(jù)挖掘和分析。

國際專利分類號（IPC）包含了專利的技術(shù)信息，通過對地質(zhì)建模技術(shù)相關(guān)專利進行基于IPC 小組的統(tǒng)計分析，可以了解、分析地質(zhì)建模技術(shù)專利主要涉及的技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)重點等。地質(zhì)建模技術(shù)主要涉及IPC 小組318 個，其中包含20 件以上專利的IPC 小組共計20 個，如表1 所示。

表1 IPC 分類小組的前20 專利技術(shù)領(lǐng)域

地質(zhì)建模技術(shù)主要集中在以下方向：（1）地質(zhì)勘測方法和數(shù)據(jù)收集，例如地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、地震、聲學、光學外的方法勘探或探測等；（2）電數(shù)字數(shù)據(jù)處理，例如計算機輔助設(shè)計、專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法等；（3）地質(zhì)建模設(shè)計和數(shù)據(jù)處理方法，例如用于計算機制圖的3D 地理建模等；（4）地質(zhì)建模設(shè)備，例如用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機、用于分布網(wǎng)絡(luò)的模擬計算機；（5）土層或巖石的鉆進。

2.2 技術(shù)影響矩陣構(gòu)建

本文應(yīng)用專利交叉影響分析法，創(chuàng)建技術(shù)類之間的直接影響矩陣。為了獲得有意義的關(guān)聯(lián)規(guī)則，本文將最小支持度設(shè)置為2%，最小影響關(guān)系設(shè)置為10%，同時設(shè)置提升度以避免無效規(guī)則。通過ARM生成關(guān)聯(lián)規(guī)則，得到直接影響矩陣，如表2 所示。

表2 地質(zhì)建模技術(shù)直接影響矩陣

根據(jù)地質(zhì)建模技術(shù)直接影響矩陣，構(gòu)建地質(zhì)建模技術(shù)直接影響關(guān)系圖，如圖1 所示。圖中節(jié)點代表技術(shù)，節(jié)點大小代表專利數(shù)量，專利數(shù)量越多則節(jié)點越大；帶箭頭的邊表示技術(shù)影響關(guān)系，箭頭方向表示技術(shù)影響方向，邊的顏色越深表明影響越大。

圖1 地質(zhì)建模技術(shù)直接影響關(guān)系

生成的直接影響矩陣解釋了技術(shù)間的直接影響關(guān)系，但無法解釋技術(shù)間的間接影響關(guān)系，例如沒有考慮F12 通過F8 間接對F7 產(chǎn)生的影響。本文使用DEMATEL來探索技術(shù)間的直接影響和間接影響。通過對直接影響關(guān)系矩陣迭代，得到綜合影響矩陣，如表3 所示。

表3 地質(zhì)建模技術(shù)綜合影響矩陣

2.3 技術(shù)交叉影響圖譜

通過DEMATEL 方法，得到各技術(shù)的影響度、被影響度、中心度和原因度，如表4 所示。中心度反應(yīng)技術(shù)位置，即技術(shù)在整個系統(tǒng)中的作用；原因度反應(yīng)技術(shù)的影響，是主要影響其他技術(shù)還是受其他技術(shù)影響。

表4 地質(zhì)建模各技術(shù)的影響度、被影響度、原因度、中心度

從中心度指標排序來看，其大小依次為用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機、綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、地震、聲學、光學外的方法勘探或探測、其他地球物理測量技術(shù)、地震或聲學的分析。其中，用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機是最重要的技術(shù)，屬于地質(zhì)建模設(shè)備方面；綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、地震、聲學、光學外的方法勘探或探測等多項重要技術(shù)，屬于地質(zhì)勘測方法和數(shù)據(jù)收集方面，需要重點關(guān)注。

從原因度指標排序來看，地震、聲學、光學外的方法勘探或探測、地震或聲學的勘探或探測、測量鉆孔或井、專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法等技術(shù)的結(jié)果為正數(shù)，作為原因因素對其他技術(shù)產(chǎn)生影響；計算機輔助設(shè)計、地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、地震或聲學的分析等技術(shù)的結(jié)果為負數(shù)，作為結(jié)果因素，受到其他技術(shù)的影響。

通過中心度、原因度，構(gòu)建地質(zhì)建模技術(shù)象限圖，如圖2 所示。第I 象限的技術(shù)為“高—高”型技術(shù)，包括綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機、專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法、地震、聲學、光學外的方法勘探或探測，是重要基礎(chǔ)技術(shù)，在地質(zhì)建模中技術(shù)作用較大，且對其他技術(shù)影響也較大；第II 象限的技術(shù)為“低—高”技術(shù)，包括地震或聲學的勘探或探測、測量鉆孔或井，是一般技術(shù)；第III 象限的技術(shù)為“低—低”技術(shù)，包括用于計算機制圖的3D 地理建模、測試井壁的性質(zhì)；地層測試；專用于地表鉆進或鉆井以便取得表土或井中液體試樣的方法或設(shè)備，屬于邊緣技術(shù)；第Ⅳ象限的技術(shù)為“高—低”，包括計算機輔助設(shè)計、地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、其他地球物理測量技術(shù)、地震或聲學的分析，在整個技術(shù)中作用較大，且受其他技術(shù)影響較大。

圖2 地質(zhì)建模技術(shù)象限圖

通過考慮各技術(shù)的中心度和原因度，以及技術(shù)間的綜合影響關(guān)系，構(gòu)建地質(zhì)建模技術(shù)的技術(shù)交叉影響圖譜，如圖3 所示。橫坐標為中心度，縱坐標為原因度，節(jié)點為技術(shù)，帶箭頭的連線表示綜合影響關(guān)系。技術(shù)交叉影響圖譜反映出單個技術(shù)在技術(shù)體系中的位置和作用，以及技術(shù)間的交叉影響關(guān)系。例如，地震、聲學、光學外的方法勘探或探測技術(shù)位于第一象限，是地質(zhì)建模中技術(shù)中的重要基礎(chǔ)技術(shù)，作用較大，并且影響著計算機輔助設(shè)計、其他地球物理測量技術(shù)、綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機、專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法等技術(shù)。

圖3 地質(zhì)建模技術(shù)的技術(shù)交叉影響圖譜

研發(fā)機構(gòu)可以結(jié)合技術(shù)的位置和作用確定研發(fā)重點，參考技術(shù)交叉影響關(guān)系制定具有針對性的技術(shù)研發(fā)策略。在實證研究案例中，綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機、地震、聲學、光學外的方法勘探或探測技術(shù)是需要重點關(guān)注的基礎(chǔ)技術(shù)，這些技術(shù)對計算機輔助設(shè)計、地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、其他地球物理測量技術(shù)、專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法等產(chǎn)生較大影響；地球物理中地震數(shù)據(jù)的處理、其他地球物理測量技術(shù)也需要重點關(guān)注，主要受到地震或聲學的分析、綜合技術(shù)手段進行勘探或探測、用于特定的過程、系統(tǒng)或設(shè)備的模擬計算機等技術(shù)的影響。

3 結(jié)語

目前研究主要通過引文分析、交叉影響分析來識別技術(shù)影響關(guān)系，往往側(cè)重于直接影響關(guān)系，較少考慮間接影響關(guān)系和綜合影響關(guān)系，也沒有充分考慮技術(shù)在技術(shù)體系中的作用和整體影響情況。針對目前研究中的不足，本文提出一種基于DEMATEL模型的技術(shù)影響關(guān)系研究方法，使用專利信息衡量技術(shù)影響的程度，通過專利分析技術(shù)提取所需技術(shù)要素，結(jié)合交叉影響分析方法研究了技術(shù)間的直接影響關(guān)系，利用DEMATEL 模型識別技術(shù)間的綜合影響關(guān)系，并結(jié)合中心度、原因度構(gòu)建技術(shù)交叉影響圖譜，進行技術(shù)影響關(guān)系的深入識別。

該方法有助于發(fā)現(xiàn)大量專利文獻數(shù)據(jù)中有價值的技術(shù)模式或規(guī)則，理清技術(shù)的中心位置和相互影響，也有助于研發(fā)機構(gòu)制定具有針對性的技術(shù)研發(fā)策略。本文還以地質(zhì)建模領(lǐng)域為例進行了實證研究，利用交叉影響分析、DEMATEL 模型等技術(shù)方法構(gòu)建了技術(shù)交叉影響圖譜，識別出技術(shù)影響關(guān)系，證明了這種方法在技術(shù)評估中的可行性與有效性。

但是，本研究有一些局限性。首先，本文使用交叉影響分析方法構(gòu)建直接影響矩陣，使用專利的IPC 分類號代表技術(shù)，通過專利文獻中共同出現(xiàn)IPC分類號來衡量技術(shù)關(guān)系，可能存在技術(shù)定義不明確、衡量技術(shù)關(guān)系不清楚的難題。其次，技術(shù)關(guān)系研究應(yīng)該涵蓋多種技術(shù)的大量技術(shù)文檔，本研究只使用了專利數(shù)據(jù)，存在研究范圍的局限性。鑒于本文的局限與不足，下一步研究可考慮擴大技術(shù)文檔來源，綜合分析論文、專利和標準等文獻數(shù)據(jù)，在更深層次上研究技術(shù)之間的關(guān)系。