基于元路徑的專利組合挖掘與分析方法研究

翟東升，李夢洋，陳蒙蒙，何喜軍，馬自飛

(北京工業大學 經濟與管理學院，北京 100124)

0 引言

在電子元器件、信息技術、生物工程等高科技產業發展浪潮推動下的新一輪經濟全球化中，世界各國都面臨著創新驅動產業轉型升級的巨大挑戰，需加快對本國知識密集型產業的培育和對創新收益的保護。專利權作為法律賦予的權利，能讓其持有人獲取一定經濟和技術方面的競爭優勢，是實現上述目標的必要手段。

隨著技術競爭日益加劇，為了彌補單個專利權利要求有限性問題，專利申請活動不斷擴張，由此形成專利聚集現象。學者們研究確認通過構建特定專利集合可以獲得遠大于單件專利的保護、防御與威脅力度，其整體價值也將遠大于各個單件專利之和[1-2]。因此，學界和業界對技術與產業發展分析的焦點開始由單個專利逐漸轉向具有特定結構且蘊含著企業技術戰略意圖的專利組合[3]。

現有專利組合研究中，學者們主要討論了專利組合構建動因、構建方法以及專利組合與企業技術管理行為間的關系等問題[4-7]。總體看，已有研究主要從正向角度闡述如何構建完善的專利組合以及其合理實施對企業發展的關鍵作用，少有研究從逆向角度在企業持有專利集合中進行專利組合挖掘并對其布局意圖進行推斷。然而，在現今復雜的技術環境中，能夠從競爭對手的專利集合中逆向辨識出特定組合結構，解析其戰略意圖，同樣具有重要意義。

因此，本文嘗試厘清專利組合內各專利具有的技術關聯特征，以此進行相應知識圖譜構建并對其中專利組合呈現出的元路徑結構進行表征，開發出基于元路徑挖掘的專利組合識別算法，然后建立起專利組合與企業技術攻防戰略間的關聯關系，從而實現對企業專利戰略的分析，以期為我國實施技術防御、突破技術封鎖指引方向，同時也為學習競爭對手優秀布局策略提供借鑒。

1 文獻綜述

專利組合概念最早由Brockhoff等[8]提出，其認為專利組合是由多個存在相互聯系又具有顯著差異專利構成的一個特定專利集合。為闡明這種特定專利集合中專利間存在的聯系與差異，后續學者分別在專利組合構建動因、布局策略、構建方法等方面展開了大量研究。

Somaya[4]總結專利組合構建動因,將其分為進攻或防御性戰略、避免訴訟、防止抄襲、提升公司聲譽、獲得許可收益和激勵創新等幾種。為實現上述目的，Granstrand[9]提出如下6種當前最為常見的經典布局策略：特定的阻絕與規避設計、策略型專利、地毯式布局、專利圍墻、包繞式布局和組合式布局。

在專利組合的具體構建方法上，Ernst等[10]最早通過使用專利授權率、專利申請國家數、專利引用率等可量化指標對用于構建組合的具體專利進行篩選，并對由此得到的專利組合性能進行分析評估；Altuntas等[11]建立不同技術方案間的專利互引關系矩陣，利用DEMATEL方法分析不同技術方案間的相互影響，并依此構建專利組合；Li等[5]通過引入TRIZ理論，基于其對技術的抽象解析，構建既具有顯著技術差異性又具有密切技術相關性的專利組合，從而達到鞏固專利組合所有者競爭優勢的目的。

此外，也有研究對企業或組織現持有專利組合的評估與分析方法進行探索。如鐘華等[12]將專利組合繪制于由技術生命周期與技術相對優勢指標結合而成的判別圖上，幫助組織評估與競爭對手間技術差距及預判技術發展態勢；Grimaldi等[13]提出的專利組合分析方法主要是通過訪談相關管理人員，對組織專利集合的戰略相關性和經濟相關性進行量化，再結合權利要求數、引用量和市場覆蓋率等指標繪制成汽包圖，從而實現對企業專利組合狀態的評估；Huang[14]則利用TOPSIS方法對公司和技術兩個層面的評估指標展開分析，并制定專利投資組合決策。

綜上可知，現有專利組合研究主要是從正面闡述企業基于特定戰略目標可能實施的布局設計，同時以增加專利間在技術廣度與深度及市場與時間覆蓋度等方面的關聯強度為目標進行專利組合構建。而關于已構建完成的專利組合，對其組合與布局的分析更多關注判斷和評估其在技術與市場競爭中所處態勢，鮮有研究對企業或組織持有的專利集合進行逆向結構解析和戰略意圖倒推。

因此，本文欲在厘清專利組合內在結構特征基礎上，探索其在專利知識圖譜中呈現出的元路徑模式，并在圖數據庫中開發相應的反向挖掘算法，從而實現對目標企業或組織所持專利集合的組合結構解析，再基于專利組合與專利戰略間的關聯關系，進一步實現對其專利戰略意圖的分析。

2 專利組合挖掘與分析方法

2.1 基于元路徑挖掘的專利組合識別算法

專利組合根據其內部專利在技術關聯結構形態上的不同，通常可以分為集束型、降落傘型、星系型和鏈型等類型[5]。各類專利組合中專利間的技術關聯關系和結構特征如表1所示。

為了能夠從企業或組織持有的大量專利中解析出具有上述特定結構的專利組合，首先需要根據表1列出專利間存在的客觀技術關聯關系，對專利技術描述進行標準化、結構化的重新表達。

表1 各類專利組合內技術關聯關系與結構特征

因此，本文設計出如圖1所示的知識圖譜本體結構，包含專利、專利權人、公開國家、功能、解決方案、改進方案、應用領域和產業鏈位置8類實體。同時，為了評估領域內專利申請整體態勢，輔助戰略意圖分析，其中專利實體應包括專利申請號、公開日期、核心專利標識和IPC分類號等屬性。

圖1 領域專利知識圖譜本體結構

基于上述本體結構構建形成的專利知識圖譜中，本文通過以下兩個步驟實現對專利組合的識別：①基于頂點引導的數據檢索，即通過獲取與目標頂點(如特定專利權人、公開國家)有連邊關系的所有頂點，以圈定出待分析的專利集合；②基于連邊引導的專利組合挖掘，即根據各類專利組合具有的元結構，通過其中各頂點與邊形成的特定連接路徑，挖掘圍繞核心專利形成的各類專利組合。

若定義Vn為圖譜中實體類型為n的所有頂點集合，Vn為圖譜中實體類型為n、值為a的頂點，En-m為連接實體類型為n與m兩類頂點的邊，從頂點Vn通過與其相連的連邊En-m引導挖掘到點集Vm的過程表示為如下形式：

則集束型專利組合的挖掘算法可以表達為：

首先通過專利a明確其能實現的功能b，然后挖掘出可以實現功能b的各類解決方案，最后找到各類解決方案對應的專利，形成專利集合。該專利集合即為企業針對某一功能，從不同技術方案出發構建形成的集束型專利組合。

類似地，基于其它元路徑特征進行專利組合挖掘的算法見表2。

表2 基于元路徑挖掘的專利組合識別算法

在圖數據庫中，通過遍歷算法進行檢索，即可完成對企業持有各類專利組合的識別。

2.2 基于專利組合的企業專利戰略辨識

專利組合通常是企業基于特定戰略目的構建的。因此，專利戰略是企業進行專利組合構建的頂層規劃，而專利組合是企業實現其專利戰略的具體手段[15]。

對于專利組合與專利戰略間的聯系，由于已有研究多從正向角度出發，即從某種戰略目的出發專門實施某種專利組合[4,9]，所得結論呈現出的專利組合與專利戰略間的聯系并不夠全面。因為專利組合作為專利戰略的微觀表達，本質是一種依靠專利間地域、時間、技術等關聯關系形成的專利集合，是一種通用方法，在不同環境下可能會體現出完全不同的戰略意圖。比如，降落傘型專利組合既可以在優勢環境中達成圍繞核心專利的強基保護，也可以在技術劣勢環境下通過多點布局改進技術，實施技術突圍。因此，當需要通過專利組合對企業專利戰略進行識別時，需要從正反兩個方向更為全面地梳理兩者之間的關聯。

本文從企業各類專利戰略具體實施要點與專利組合內技術關聯特征入手，對兩者進行雙向對比匹配，更為全面地分析專利組合與專利戰略間的關聯關系，從而為不同環境下的戰略意圖逆向推斷提供更為周全的視角。

企業構建專利組合的戰略意圖可以整合為保護戰略、對抗戰略和儲備戰略3類[16]。其中，保護戰略為企業自身技術創新活動提供良好的專利保護屏障，確保企業在該成果上的技術控制和競爭優勢，通常包括對原始創新的強基保護、對原始創新的擴展保護、對原始創新的延續保護及對原始創新的迷惑保護4個方面；對抗戰略是指針對競爭對手在某些關鍵技術點上實施封堵或突圍式的布局戰略，通過對競爭對手的關鍵技術進行外圍包繞、基于自身差異化優勢進行重點突圍及避實就虛地建立局部優勢攻擊點等手段，在一定時期內減輕或消除競爭對手在特定技術領域或地域范圍的專利威脅；儲備戰略布局主要是基于對市場應用前景、技術革新方向及行業標準建立等問題的預判，為組織未來發展儲備前瞻性技術方案。

由于儲備戰略通常針對個別前瞻性技術，不具規模，難以提煉具體組合結構，因此本文主要圍繞處于成長期和成熟期技術領域中的專利保護戰略和對抗戰略展開。將各類專利組合的技術關聯特征與專利保護戰略、對抗戰略實施要點進行對比分析后，可以得到如表3所示的專利組合與專利戰略間關聯關系。

表3 專利組合與專利戰略間關聯關系

專利組合作為專利戰略的具體實施手段，相同手段在不同產業技術環境中可以達成不同戰略目標。因此，在挖掘出特定專利組合結構后，對專利戰略的逆向辨識還需要結合以下因素進行綜合分析：自身技術地位、競爭對手技術水平、整體技術發展態勢和產業鏈位置等。

本文以集束型專利組合為例，說明其在不同情況下對應的專利戰略判斷。假設企業處于技術優勢地位，在技術發展前期，通過設計集束型專利組合可以實現對核心產品功能后續發展的保護，此時專利戰略對應強基保護；若在技術發展中后期，集束型專利組合的出現意味著企業核心專利得到保護并進行更多技術方向擴展，以保持和壟斷技術優勢地位，因此對應擴展保護戰略。當企業處于技術劣勢地位時(如未能持有領域核心專利或持有專利技術水平較低)，技術劣勢企業對抗技術優勢企業的具體戰略是根據集束型專利組合中專利分布情況進行區分的，如果與競爭對手針對同一產品功能形成的集束型專利組合在技術解決方案類分布上的廣度較大，對應的則為外圍包繞式對抗戰略，此時可以限制競爭對手后續發展方向；若在某單一類技術解決方案上有較多專利，則對應重點突圍式對抗戰略，可以用于應對競爭對手擴展保護形成的技術封鎖；若結合產業鏈位置分析，企業與競爭對手在不同位置進行集束型組合構建，則對應的是通過建立局部優勢形成相互制衡的對抗戰略。

2.3 基于組合挖掘的專利布局分析框架

基于元路徑的專利組合挖掘與分析方法整體如圖2所示。首先，通過檢索獲取領域專利數據，對專利數據核驗去噪后，依照圖1所示知識圖譜本體結構進行相應實體信息抽取，再根據權利要求數量、發明人數量、IPC數、簡單同族數、引證專利數量、被引專利數量和專利壽命等指標對核心專利進行識別與標注，由此完成領域知識圖譜構建。其次，對目標組織專利組合與布局的分析，則是先通過專利權人和公開國家兩類頂點引導檢索框定數據范圍，然后利用由連邊引導的專利組合挖掘算法對圍繞核心專利構建起的專利組合進行識別，根據挖掘結果對目標專利組合模式、技術側重要點等進行辨識，結合當前技術與市場整體發展情況，對目標組織戰略意圖進行判斷。

圖2 基于元路徑的專利組合挖掘與分析方法

最后，選取固定時間步長對專利數據進行更新，重復前述過程，從而實現對企業專利組合與專利戰略的動態化分析。

3 實證研究

氫燃料電池汽車在推進能源轉型、汽車工業技術競爭以及交通產業生態變革中具有重要作用，正日益成為各國汽車產業競爭焦點。基于此，本文選取其動力核心——氫燃料電池中最為關鍵的技術部件質子交換膜為例進行實證研究，以驗證本文所提方法的可行性，并為我國非全氟化質子交換膜技術領域專利戰略制定與實施提供建議。

3.1 專利數據獲取

本文采用的專利數據來源于Derwent Innovation專利數據庫。通過調研非全氟化質子交換膜相關資料，對該細分領域作進一步劃分：上游為非全氟化質子交換膜含氟聚合物、共聚物等膜材料制造；中游為通過不同方法對不同膜材料進行處理的質子交換膜制造；下游為燃料電池領域質子交換膜應用。據此，采用如表4所示的檢索表達式進行檢索，經過人工核驗去噪后，最終獲取非全氟化質子交換膜領域專利1 500余條。

表4 檢索表達式

3.2 非全氟化質子交換膜領域專利知識圖譜構建

根據上述方法，構建領域專利知識圖譜，專利實體的各項屬性以及專利權人、公開國家實體信息從專利著錄項中抽取。表征非全氟化質子交換膜領域內各類功能、解決方案、改進方案、應用場景及產業鏈位置的實體信息則由人工抽象總結標注，然后再通過領域專家座談研討進行修正核定。各類實體示例和專利知識圖譜基本統計信息見表5、6。

表5 實體示例

本文各專利權人的核心專利根據指標評估結果排序判定后標注。具體指標選取過程如下：經過文獻調研[17-18]，選取CII影響指數、專利被引數量、平均被引用量、相對被引證率、引用頻率、技術強度、科學關聯度、科學強度、IPC數、權利要求數、簡單同族數、技術生命周期、專利壽命、發明人數量、專利異議與訴訟15個指標，鑒于李清海等[17]關于專利質量指標間存在重復評估問題的研究結論，將上述指標列表提交給行業內和專利相關研究專家，讓其主要從數據可得性、評估有效性和企業專利評估針對性等方面考量，篩選得到本文企業核心專利評估指標體系。然后，通過專家打分并采用AHP層次分析法獲取各指標權重，核心專利評估指標體系及權重見表7。

表6 領域專利知識圖譜基本信息

表7 核心專利評估指標及權重

3.3 非全氟化質子交換膜領域企業專利戰略分析

3.3.1 非全氟化質子交換膜領域專利總體分析

由于非全氟化質子交換膜制造成本相對低廉，同時與其它材料相比，其在高溫條件下具有出色的傳導性能，因此在燃料電池質子交換膜制備領域備受關注。

從圖3(a)所示的專利申請趨勢可以看出，非全氟化質子交換膜技術最初始于1978年，從2000年開始，申請數量迅速攀升，說明該項技術進入成長期，2008年后專利申請趨于穩定，從2017年開始有下降趨勢。總體而言，目前全球非全氟化質子交換膜技術已步入成熟期。如圖3(b)所示，中國在非全氟化質子交換膜技術領域起步相對較晚，2001年才開始有相關專利出現，當前中國非全氟化質子交換膜技術領域仍處于成長期。

由圖3(c)可知，日本和美國在該領域的專利申請總占比超過70%，在相關技術上具有較大優勢，而中國專利申請數量僅占4.70%，處于較為弱勢地位。根據圖3(d)可知，中國境內專利申請占比達17.42%，說明中國以其在氫燃料電池領域未來發展的廣闊市場前景吸引眾多外國企業投資生產，并為構筑自身先進技術壁壘進行積極的專利申請活動，這給在中國尚處于成長期的非全氟化質子交換膜產業發展帶來巨大壓力。

圖3 非全氟化質子交換膜領域專利申請總體情況

3.3.2 非全氟化質子交換膜領域專利組合挖掘與專利戰略分析

本文以美國持有相關專利最多的杜邦公司為例，根據上文所述的企業專利戰略分析方法，基于構建的領域專利知識圖譜，對杜邦公司在中國的專利布局展開詳細分析。

杜邦公司持有的核心專利CN1359404-A屬于非全氟化質子交換膜產業鏈上游膜材料制備領域，主要用于質子交換膜制備中所需的氟化離子聚合物材料生產。

圍繞該項專利，在領域知識圖譜中分別進行集束型、降落傘型、星系型和鏈型結構的專利組合挖掘與識別。

由圖4可知，在膜材料制備功能技術領域，杜邦公司共申請7項專利，這些專利分別應用制備水分散體和制備含氟共聚物兩種技術方案進行質子交換膜制備的氟化離子聚合物材料生產，由這7項專利構成集束型專利組合。

圖4 膜材料制備的集束型專利組合

如圖5所示，在對核心專利所用技術方案的改進方案分析方面，杜邦公司布局了5項專利，這些專利共覆蓋composition、monomer、monomer with VDF units、amorphous and crystalline segments 4種技術改進方向，由此構成降落傘型專利組合。

圖5 基于含氟共聚物制備方案改進的降落傘型專利組合

星系型專利組合由核心專利CN135-9404-A在不同應用領域中延展出的專利構成，由于本文采用的專利數據整體均屬于燃料電池領域，因此圖6識別出的星系型專利組合不具有標準意義上星系型專利組合代表的含義，僅代表使用同種技術方案而用途不同的專利集合。

圖6 星系型結構專利集合

在非全氟化質子交換膜領域產業鏈上，杜邦公司需要為不同環節提供配套支撐技術，由此形成如圖7所示的鏈型專利組合。

圖7 鏈型專利組合

通過上述分析可知，杜邦公司在非全氟化質子交換膜領域具有豐富且全面的專利技術儲備，圍繞其持有的CN1359404-A核心專利構建有集束型、降落傘型和鏈型專利組合。考慮杜邦公司在中國市場所處的技術優勢地位，上述組合主要是以保護核心專利為目的構建的，分別從多技術路線、方案優化及上下游生產聯動角度對其進行擴展和延續保護，從而使得以CN1359404-A為核心的專利集群能夠為杜邦公司在中國保持該領域技術優勢和壟斷地位提供更強有力的支持。

類似地，對非全氟化質子交換膜領域獲中國授權的所有專利進行全面分析可知，目前該領域在中國共有8項核心專利，分別由美國杜邦、美國戈爾、美國3M、日本旭硝子和日本旭化成5家企業持有，各公司持有專利組合及其專利戰略實施情況見表8。

表8 中國非全氟化質子交換膜領域主要公司持有專利組合與專利戰略實施情況

目前外國公司在中國市場實施專利戰略各有側重，彼此間尚不存在顯著競爭與對抗，但各外國公司總體上聯合形成了較為完善的布局結構，這無疑給中國正處于成長期的非全氟化質子交換膜領域發展帶來巨大挑戰。為應對這一挑戰，可以從以下3個方面著手：

(1)基于重點突破、建立局部優勢等對抗戰略思想，利用集束型和降落傘型專利組合應對產業鏈上游激烈競爭。目前杜邦、旭硝子、旭化成等外國公司圍繞含氟聚合物制備在中國持有多項基礎核心專利，形成了較難突破的技術壁壘。因此，上游膜材料制備領域可以進一步考慮在聚合物后處理方向上進行突破，如通過優先發展基于聚合物溶液后處理、解聚反應等實現膜材料制備的改進方案，以規避侵權風險，并以此建立起國內相關技術的自主知識產權基礎，從而獲取一定市場發展空間。

(2) 攻防兼備，加強合作研發，快速推動產業鏈中游發展。目前，以山東東岳、成都新科等為代表的中國企業握有產業鏈中游質子交換膜制造方面不同技術方向上的核心專利，具有一定競爭實力，但尚未構建起完善的保護性專利組合。因此，在后續發展中，中游企業在加強對核心專利擴展保護的同時，也要積極采取對抗策略，縮小與外國公司的技術差距。考慮當前發展壓力大、任務重，可以嘗試聯合外部力量，如通過積極加強與廈門大學、上海交大等在該領域有技術科研優勢的高校、研究院所開展產學研合作，或者通過聯合領域內知名的巨化集團、普生科技等上下游企業一起采取整體布局、共同研發等方式，推動我國產業鏈中游技術快速發展。

(3)加強上中下游協作，實現產業規模化發展。由于目前中國在非全氟化質子交換膜產業上下游領域存在發展短板，尚難以實現產業規模化發展，因此在今后產業上下游不斷發展與跟進過程中，應注意學習借鑒杜邦公司在全產業鏈上的布局策略，進行統籌設計，實現對技術鏈、產業鏈的整合疏通，以形成整體優勢，促進產業化發展。

4 結語

本文首先根據集束型、降落傘型、星系型和鏈型4種常見專利組合分類及其內部專利間具有的技術關聯關系，重構專利技術信息的組織結構，探索基于上述本體構建的知識圖譜中專利組合的元路徑結構特征，并相應開發出針對上述4類專利組合的識別算法。然后，通過對各類專利組合與保護、對抗、儲備3種專利戰略進行對比分析，構建專利組合與專利戰略間的聯系，闡明由專利組合逆向推斷戰略意圖的邏輯路徑。最終，提出一套基于元路徑的專利組合挖掘與分析方法。本文以非全氟化質子交換膜技術領域為例進行實證研究，驗證了所提方法的有效性和實用性，并為中國非全氟化質子交換膜產業安全發展提出應對建議。

本文提出的專利組合挖掘與分析方法，可以幫助國家、企業等組織機構在復雜多變的技術環境中，對競爭對手持有的大量專利進行技術解構，進而明辨競爭對手的技術布局要點和整體戰略意圖，并以此為實施技術防御、突破技術封鎖指引方向。本文初步探索了在領域知識圖譜中進行專利組合結構識別的方法，該方法實施過程中，對專利技術信息的抽象和提取較為依賴領域專家，可能會存在一定標引誤差，同時對處于技術發展初期的企業專利戰略分析存在一定局限性，因此更為全面、高效地基于專利組合結構挖掘的專利戰略分析方法還有待進一步研究。