基于專利文獻計量的中外中高檔數控機床技術差距分析

劉宇飛，劉懷蘭，伍思遠

(1.中國工程院戰略咨詢中心，北京 100088；2.清華大學公共管理學院，北京 100084；3.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074)

1 研究背景

數控機床作為現代工業的基石，發展前景廣闊，發展動力充足。作為現代先進工業發展的基礎，數控機床行業的發展是一個國家發展機械工業和精密工業的關鍵，直接影響制造強國建設進程［1］。中高檔數控機床是國民經濟發展和國防安全的重要保障，是制造強國戰略必爭之地，目前日本、美國及部分歐洲國家將高性能數控機床作為戰略物資，對中國軍工企業采取技術封鎖和禁運的政策，嚴重制約了中國軍工企業制造水平的進一步提高。目前中國經濟向高質量發展轉型仍處在起步階段，裝備制造業仍未擺脫規模拉動的路徑依賴，數控裝備制造業大而不強，由數量擴張向質量提升的轉變將是一個較長的過程。通過對比國內外中高檔數控機床技術狀況，找出短板與缺口，對提升中國高檔數控機床與基礎制造裝備的產業核心技術與持續創新能力具有重要意義。

近年來,有研究認為數控機床領域的技術缺口，也就是技術水平差距,可能存在于不同的產業或組織之間,其外在表現通常體現為經營效率或績效的差異［2］。技術缺口的識別和分析能夠有效反映國家與國家之間的技術領域發展差距。目前對于中國數控機床技術缺口的研究，已經從技術缺口理論轉向技術差距內容的研究，許多研究人員通過選取適當的技術差距指標如研發經費占人均地區生產總值等單因素指標來描述技術的宏觀差距，同時關注產品的創新情況。在技術管理領域，通過文獻、專利數據來分析產業技術發展變化的文獻計量和專利分析方法已成為分析產業形成中技術研發態勢的有利工具［3-4］，很多學者認為科學技術知識與技術行業內外的知識非常重要，豐富的科學研究領域可以刺激創新和技術發展［5］；也有研究比較了文獻與專利之間的差距，以此來判斷技術的發展現狀和研究偏向。然而，現有技術差距研究尤其是數控機床領域的相關研究還多局限于定性研究或者是單一維度的定量研究，比如通過外國直接投資（foreign direct investment，FDI）和技術溢出效應來定量地計算技術差距，但這些研究得到的結果是宏觀的，缺乏對具體技術缺口的描述；同時，如何將專家知識融入到技術缺口分析中也是研究人員探索的方向［6］，隨著人工智能、大數據等新思想、新科技的出現,許多學者正在以全新的視角觀點不斷豐富數控機床領域情報研究的方向。

在此背景下，本研究將從文獻計量與專利分析的角度，采用文本挖掘和專家知識結合的方法，利用文獻、專利數據和海關貿易數據，通過對比企業的產品和專利信息，提出一種技術缺口識別的流程，得到具體的技術缺口細節描述，分析全球中高檔數控機床前沿熱點，挖掘國內數控機床技術缺口點，以期為中國數控機床的技術發展方向提供有力支撐。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

文獻數據來源于湯森路透公司的Web of Science（WOS）數據庫，通過建立檢索策略，并利用湯森路透的情報分析工具TDA 進行分析。參考Lu 等［7］的方法，利用數控機床的各種同義名詞、關鍵部件、技術名詞與相關名詞等制定檢索式并進行去噪處理，比如剔除WOS 類別里的化學、生物、心理學等類別。檢索時間段為1990—2018 年，共獲得1 682 篇文獻記錄，數據下載時間為2019 年9 月11 日。

專利數據來源于德溫特創新索引(DII)與德溫特創新平臺 (TI)數據庫。德溫特專利索引數據庫涵蓋了超過2 300 萬條基本發明專利（專利同族），覆蓋超過5 000 萬條專利記錄，全球超過40 家專利局都在使用該數據庫。檢索時間段為1990—2018 年，共獲得21 621 條專利記錄，數據下載時間為2019 年9月20 日。同時根據所需專利指標對原始數據進行清洗、篩選、整理和標準化等處理。

2.2 研究方法

本研究主要采用文獻計量與專利計量法，結合多源數據進行分析。收集全球數控機床領域文獻和專利數據，提取關鍵詞，通過高頻關鍵詞和繪制專利地圖來展示全球數控機床技術熱點與前沿趨勢；同時以企業為視角篩選國內外數控機床代表企業的專利數據和海關的進出口數據，通過對國內外典型企業的中高檔數控機床產品與專利信息進行對比，并結合全球數控機床技術現狀、熱點和專家經驗知識，識別中國中高檔數控機床技術缺口與短板。如圖1 所示。

圖1 基于文獻專利計量的多源數據分析流程

3 數控機床領域前沿熱點分析

3.1 整體概況

借鑒Wang 等［8］的方法，對在TI 數據庫中檢索到的專利數據進行年度專利申請數量分析，得到1990—2018 年全球數控機床專利申請量的年度分布（如圖2 所示）。可以看出，1990—2006 年專利申請總量小并且增長速度緩慢，2007—2014 年每年的專利申請數量迅速升高，在經過短暫的低潮后，2017 年和2018 年又迎來一波快速增長，并在2018年達到了目前的最高點項。從長期趨勢來看，全球數控機床領域的專利申請量目前還是處于一個快速上升的階段，發展勢頭良好。

圖2 全球數控機床專利申請發展趨勢

3.2 前沿熱點分析

3.2.1 代表企業熱點分析

了解全球數控機床領域代表企業的研發熱點，可以為中國數控機床領域關鍵技術指明方向，進而更好地布局技術研發。某一領域研究中關鍵詞出現頻率高低狀況，反映了這一領域擁有專利數量的多少［9］，同時反映了這一領域相關技術的成熟度以及研究的熱點。經過前期的專家研討，本研究選取1990—2018 年全球最具代表性的10 家數控機床企業的專利申請數據（見表1，排序不分先后），利用TI 數據庫平臺工具進行專利地圖熱點分析。

表1 國際先進數控機床企業專利申請情況

基于專利數據中的標題和摘要信息,借助TI 的聚類和可視化功能［10］,并通過內容分析進一步理解專利的技術信息，得到全球數控機床領域的技術熱點分布。企業專利研究熱點按時間主要劃分為3個階段，分別為1990—2004 年、2005—2012 年和2013—2018 年，企業的專利布局縱橫交錯、交叉互補。在第一階段中，專利分布領域較為分散，主要分布在主軸、工件加工、電機、數控程序等主題；在第二階段中，專利申請數量變多，熱誤差補償、故障診斷等主題出現；而近年來智能技術、電子技術飛速發展促進了數控機床技術的智能化、電子化，如少無切削加工工藝得益于激光等離子等技術發展，使得工程材料類和機械手工類等領域內的專利申請占比較小。

3.2.2 研究前沿分析

了解數控機床技術領域的研究前沿和熱點，有助于明確領域內受關注的技術，把握領域發展現狀，及時作出發展策略上的調整，更早地在關鍵技術上進行布局。高頻次的文獻關鍵詞常被用來確定一個研究領域的熱點問題［11］，通過對2018 年全球數控機床領域熱點論文的高頻關鍵詞進行梳理（見表2），得到全球數控機床領域的前沿和熱點。從表2 可以看出，排名靠前的“數控”“自適應控制”“運動控制”等關鍵詞凸顯了數控機床控制系統的重要性；“車削”“磨”“表面粗糙度”“工具磨損”“鉆孔”等與加工相關的主題則依舊體現出數控機床對于加工質量與加工精度的追求；而近年來火熱的“神經網絡”“人工智能”“機器學習”等也出現表內，表明數控機床技術與機器學習結合的新發展趨勢。數控機床作為現代工業的基石［12］，發展前景廣闊、發展動力充足。目前，通過采取現代先進技術，數控機床的加工效率和加工質量已大大提高，自動化發展成果豐碩，并且數控機床已具備一定的智能化［13］，未來還將繼續沿著高速、高精、高效化、智能化、網絡化、綠色化的方向繼續發展。

表2 全球數控機床領域研究的高頻關鍵詞

4 基于企業層面的中國中高檔數控機床裝備缺口分析

借鑒周源等［14］的做法，首先選取數控機床領域國內外典型企業，以企業為專利權人檢索這些企業2000—2018 年相關專利數據，并與上述文獻關鍵詞匹配，找到對應的典型數控機床裝備專利，并統計其數量對比關系。此外，利用市場調研和海關進出口數據，調研典型企業典型產品信息，通過對比國內外企業典型裝備產品信息的有無、專利的多少（如圖3 所示），來識別中國中高檔數控機床典型裝備缺口情況。

圖3 產品與專利對比關系

4.1 典型數控機床企業的產品與專利情況分析

4.1.1 典型產品

中高檔數控機床功能復雜，典型裝備種類多，作為高端機床裝備的核心部位，直接影響機床的性能和水平。目前國內專家普遍將中高檔數控機床分為兩大類，即數控加工機床和數控成形機床。典型的數控加工機床和數控成形機床包含了五軸立式加工中心、數控成形銑齒機和數控電火花小孔加工機床等。根據調研及海關數據的匹配，國內外數控機床代表企業的相關典型產品情況如表3 所示。

表3 國內外數控機床典型產品和代表企業

表3 （續）

4.1.2 專利與產品

（1）數控加工機床方面。選取有代表性的立式加工中心、龍門加工中心等數控機床裝備，對比國內外中高檔數控機床的專利狀況（如圖4 所示）。可以看出，一方面，國內目前在數控加工機床領域的專利技術比較集中在少數龍頭企業，其他中小型企業在技術研發上存在一定程度的投入不足，而國外企業普遍有較多的專利和較多的產品；另一方面，國內有些企業在數控機床典型裝備，如五軸龍門式加工中心、車銑（銑車）加工中心，相比國外企業占有一定的優勢，有些企業因有專利但產品不足而存在技術缺口，而有些企業因為產品成熟但專利不足而存在創新缺口。典型裝備如數控鏜銑床、特種加工中心因為產品和專利的不足而存在更大缺口的情況。

圖4 國內外典型數控加工機床企業的專利與產品情況

（2）數控成形機床方面。選取了高精度數控磨床、數控金屬珩磨機床等裝備來進行國內外比較。如圖5 所示，可以看出，數控成形機床的專利和產品在全球普遍均較少，隨著技術的發展，國內在高精度磨床、大型精密鑄鍛設備上的專利數量逐漸與國外縮小差距；同時，也有部分國內企業存在產品和專利發展不一致的情況。總體而言，在各大主機行業和重大技術裝備向高性能、高參數發展的拉動下，數控成形機床也向精密化方向發展，此外，數控成形機床的技術進步離不開國內外企業的通力合作；國內一些骨干企業已經掌握了數控成形機床基本結構原理及控制技術，產品性能、精度接近國外同類產品，但從專利和產品的研發與布局上看，高精度數控磨床等重型加工機床的工藝研究和產品生產等與國外相比可能還存在一定差距。

圖5 國內外典型數控成形機床企業的專利與產品情況

4.2 典型數控機床企業的進出口產品與專利情況分析

目前，中國數控機床出口產品中基本上是低附加值和中低檔產品。根據2017 年的出口數據計算，中國金屬加工機床出口31.7 億美元，僅占全行業出口的28.4%，這導致中國機床出口產品附加值較低；海關總署的數據顯示，2017 年全年，中國金屬加工機床出口量為911 萬臺，平均每臺出口價值為348美元，與此同時，金屬加工機床進口額與進口量分別為86.79 億美元、8.62 萬臺，平均每臺進口價值達到了10 萬美元左右，差距明顯［15］。與德日美等世界先進機床制造國家相比，國產數控機床產品在數控系統、精密加工、操作性能、智能化等高端技術上還有差距。

選取國內代表性數控機床企業，根據其2016 年海關貿易數據和相關專利信息，篩選出每家企業貿易額在100 美萬元以上的產品，分析國內機床企業的技術現狀。由圖6 可見，2016 年中國企業的數控機床出口貿易額普遍大于進口額，大多數企業的出口產品仍然以普通機床為主，但在中高端數控機床領域具有較多的專利，部分龍頭企業也掌握了一些自主核心技術，不過相關技術產品在產品貿易出口總量中占比不多。中國企業自主創新步伐不斷加快，開發了一批高速、精密、復合、多軸聯動數控機床，以及一批大規格、大噸位、重型和超重型數控機床新產品，國產數控機床從某種程度上在國際市場中占據了一定的優勢，但在中高端制造裝備上與國外企業仍存在差距。對此，中國應圍繞制約數控機床產業升級和影響產業國際競爭力的基礎共性技術的研究與開發，繼續加大財政資金支持力度，并建立起長效的科技投入機制。

圖6 國內數控機床代表企業的產品進出口貿易額與專利情況

4.3 國內數控機床企業技術差距分析

本研究邀請相關專家對數控機床領域進行了3個層次的技術分解（見表4），將中高檔數控機床企業的核心技術分為前沿技術、關鍵共性技術、工藝技術，通過對以上研究所選取的代表性企業的專利技術與領域內文獻關鍵詞匹配，得到國內外數控機床企業的核心技術及相關專利布局情況，如圖7所示。

表4 數控機床企業核心技術劃分

由圖7 可知，國內外代表性企業在三大核心技術領域的發展方向較為一致，在工藝技術和關鍵共性技術方面，國內企業的專利布局更為廣泛，而在前沿技術上，國外企業則具備更強的競爭力；同時，在一些關鍵共性技術方面，比如可靠性技術、數字化設計技術以及動態誤差補償技術，國內還存在一定的缺口。然而，除了部分技術的暫時性缺口值得關注，還有一部分發展中的技術可能仍然需要持續加大研發投入。數控機床技術的核心是精度補償，高檔數控機床的核心則在于數控系統和功能部件，近年來，國內數控機床企業越來越重視產品技術水平的提高，市場觀念和技術創新意識加強，縮小了與世界先進水平的差距，但與德日美等世界先進機床制造國家相比，中國數控機床產品在數控系統、精密加工、操作性能、智能化等高端技術上還有差距，數控機床核心技術的短板成為了中國數控機床邁向高端的障礙；與此同時，提升產業基礎共性技術已經成為中國數控機床和成形裝備發展的關鍵所在［16-17］。

圖7 國內外數控機床代表企業的核心技術構成

針對中國數控機床發展存在的上述問題，提出以下建議：

第一，國家層面，通過一批產品的開發突破一批核心關鍵技術，加強基礎共性技術研發，培育一批具有國際競爭力的大型企業、“專、精、特”中小企業及國際知名品牌，增強自主創新能力，構筑起能與工業發達國家競爭的，以企業為主體、產學研結合的技術創新體系，以及一支高水平的技術創新人才隊伍。

第二，企業層面，根據領域內重點產業發展的需要，突破關鍵主機及成套裝備的創新；圍繞主機和成套裝備發展的需要，確定高性能數控系統、功能部件及其他關鍵部件的發展重點，加強工藝研究；通過引進技術、引進人才、合作生產等途徑跟蹤國外先進技術，并加大引進消化吸收力度，以及加強建設相應的創新平臺。

第三，科研機構層面，加強發揮情報的智力支持作用，注重人才培養并積極為政府和企業提供動態性咨詢服務。目前中國在數控機床領域的人才和技術儲備并非十分完善，國內中高檔數控機床核心技術與國外相比還存在一定差距，在核心關鍵技術的突破和基礎共性技術提升中還需要投入更多的研發精力，同時推進相應的創新平臺建設，強化科研情報決策支持作用。

5 結論

本研究從產品和專利的角度提出一種基于專利文獻計量的技術缺口識別方法和流程，用以對全球中高檔數控機床進行發展趨勢和前沿熱點的識別，同時從企業層面對中國數控機床典型裝備的專利和產品進行分析，識別了中國在中高檔數控機床領域的技術缺口。研究結果顯示，國內在數控加工機床和數控成形機床領域共存在10 余項主產品的缺口，在核心技術方面存在可靠性技術、數字化設計技術等不同層次的創新缺口。在實踐中，這一結果已獲得國內數控機床領域的專家參考并認可，同時在國家重大科技專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”的支撐課題“高檔數控機床產業技術發展路線圖研究”的實施過程中被作為重要的參考依據，為專家的分析判斷提供了數據支持，也為中國中高檔數控機床的發展戰略決策提供了有益的數據和方法支持。

本研究提出的方法在已有文獻和專利信息中加入了相關產品信息，有助于解決現有研究缺乏對技術缺口內容進行定量描述的問題，可以更全面地描述領域內技術發展狀況與不足；同時在這一方法流程中融入了專家的意見，使得數據支持的技術差距研究具有科學性和可靠性。為了更好地識別數控機床領域的技術趨勢和缺口，未來還可以綜合運用機器學習的知識建立數控機床領域詞表，并結合專家知識對網絡新聞、技術博客等相關網絡數據和專利數據進行對比分析，深入挖掘領域內不同層面的技術發展現狀差異與缺口，可能會對國家戰略制定、企業布局研發更有指導性。