基于科技政策和前沿動態的第四次工業革命關鍵技術和舉措分析

王燕鵬，王學昭，2，陳小莉，李宜展，劉細文，2

（1.中國科學院文獻情報中心，北京 100190；2.中國科學院大學經濟與管理學院圖書情報與檔案管理系，北京 100190）

1 引言

迄今為止，人類社會已經歷了三次工業革命的洗禮，每一次工業革命的爆發都深刻地改變了人類的生存環境、生產形態、生活方式以及整個社會面貌[1-2]。18世紀60年代，以英國紡織機械化為開端，以蒸汽機的改良和廣泛應用為標志，集群化的創新形成以蒸汽動力為核心的技術體系，機械代替手工勞動帶來生產力的巨大變革和飛越，直接引爆第一次工業革命[3]。19世紀50至60年代，電磁學、熱力學、化學研究的進步催生出一系列嶄新的技術領域，促進形成以電力技術為主導，以內燃機、新通信手段和化學工業為主要標志的技術體系，德國和美國率先發起以電力和內燃機為代表性技術的第二次工業革命[4]。20世紀中葉，尤其是第二次世界大戰后，美國開始了以高科技革命為基礎的第三次工業革命，以原子能、電子計算機、空間技術和生物工程的發明和應用為主要標志，涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域[2,5]。

縱觀世界格局變遷，集群式技術創新與工業變革相伴互動，處于技術前沿的國家往往率先發起工業革命，科技成為國家角逐的決勝之地，高精尖科技創新成為推動社會經濟轉型發展、創建國家競爭力新優勢的重要驅動力，甚至是最重要因素[6]。為充分把握第四次工業革命的歷史機遇，世界各國必然會布局一系列重點科技領域，以一批關鍵技術為抓手，推出一系列的政策、戰略、規劃、計劃和具體舉措，推動產學研機構開展研發攻關，實現原始創新突破和關鍵技術掌控，以期在第四次工業革命中占據科技先發優勢。在此背景下，本文立足于情報研究視角，對世界主要國家近年來發布的科技政策戰略、前沿研發等重要動態新聞文本開展定量分析和挖掘，揭示各國為應對第四次工業革命開展的重點領域技術布局，明確其主要科技發展舉措，以期為我國布局第四次工業革命戰略科技領域和關鍵技術、實施相應發展舉措提供情報參考。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

中國科學院文獻情報中心持續開展科技政策戰略、前沿研發等重要動態新聞的跟蹤監測，內容以重大科技問題、前沿技術、創新路徑、科技政策、戰略、科技管理制度等為主，信息主要來源于世界主要國家政府等官方機構，一定程度上可以代表國家意志，能夠反映各個國家在應對第四次工業革命時關注的關鍵領域技術以及采取的科技發展舉措。

2013年4月，在漢諾威工博會上發布了《保障德國制造業的未來：關于實施“工業4.0”戰略建議書》，“工業4.0”概念在國家層面上被正式提出，并成為《德國2020高技術戰略》的十大未來項目之一[7]。2014年年末，美國先進制造業合作指導委員會發布了《加速美國先進制造業》的最終報告[8]。2015年，我國出臺了實施制造強國戰略第一個十年行動綱領《中國制造2025》[9]。2016年，日本在第五個《科學技術基本規劃》中提出“超智能社會”（Society 5.0）概念[10]。由此可見，全球圍繞第四次工業革命的戰略布局在2014年前后進入高潮。因此，本文以2014—2019年上半年監測的科技政策戰略和前沿研發動態新聞作為分析數據，共解析出2182條動態新聞內容，利用每條動態新聞的標題及全文開展文本分析工作，利用動態新聞的年期歸屬數據開展時序分析。數據樣例如表1所示。

表1 科技政策戰略和前沿研發動態新聞數據樣例

2.2 研究方法

本文在對科技前沿和政策動態新聞文本進行預處理的基礎上，利用NLP（natural language process‐ing）方法從中抽提技術/政策短語和國家實體，利用科學計量學方法開展關鍵科技領域、關鍵技術和科技發展舉措分析。具體研究過程如圖1所示。

圖1 研究技術路線圖

2.2.1 基于NLP和文本挖掘的技術/政策短語抽取和國家實體抽取研究

本文利用TextRank算法抽取動態新聞文本中具有實際意義的技術短語和政策短語，并利用詞性標注和詞典匹配的方法抽取動態新聞文本中的國家實體，上述過程通過Python語言來實現。抽取出的技術短語和政策短語導入到DDA（Derwent Data Ana‐lyzer）軟件中做進一步的規范化，通過人工判讀的方式對其中出現頻次較高的短語進行歸類。其中，描述某一科技領域、范圍較廣且泛化的短語歸為“科技領域短語”，如“生物技術”“材料研究”等；描述某一科技方向或主題、范圍較窄且具體的短語歸為“技術短語”，如“量子技術”“人工智能技術”等；描述科技發展舉措的短語歸為“發展舉措短語”，如“研究項目”“合作研究”等。

2.2.2 基于科學計量學方法的關鍵領域技術和舉措分析

基于上述抽取出的科技領域短語、技術短語、發展舉措短語以及國家實體，利用頻次統計、時序分析和共現分析等科學計量學方法，開展關鍵領域技術和舉措分析，包括關鍵科技領域及熱度變化、關鍵技術及熱度變化、關鍵技術國家布局、重點科技舉措及國家布局、驅動關鍵技術進步的科技發展舉措等分析內容。

3 第四次工業革命的關鍵領域技術和舉措分析

3.1 關鍵科技領域分析

（1）生物與農業、材料、航空航天與空間、數字與通信、能源、海洋、傳統制造業是第四次工業革命中全球重點關注的關鍵科技領域。

統計科技領域短語在政策前沿動態中的提及頻次并降序排列，選取頻次最高的20個科技領域進行歸納分析。由表2可知，生物與農業（生物技術、農業研究、農業技術、農業生產）、材料（材料研究、新材料、材料技術）、航空航天與空間（航空航天研究、空間領域）、數字與通信（數字技術、通信技術、數據科學）、能源（能源系統、能源領域、能源研究）、海洋（海洋研究、海洋科學）、傳統制造業（車輛技術、制造業發展、制造工藝）均是第四次工業革命中全球重點關注的關鍵科技領域。生物與農業是第四次工業革命產業和技術革新的重要領域，生物與農業科技的發展直接影響人民生命健康、生存質量和社會福祉。材料科技作為關鍵使能技術[11]，將帶動機械、化工、電子、航空、能源等大批產業的發展進步，是第四次工業革命的基礎和重要推動力量。深海空天科技進步將使得人類探索自然、利用自然的手段更快、更遠、更強[12]。數字與通信科技推動數字空間、物理空間和生物空間的深度融合，數字新基建將成為第四次工業革命中社會生產方式變革的重要基礎和條件[13]。能源是維持生產生活和社會發展必不可少的核心要素，能源科技貫穿了歷次工業革命的始末，是推動和完成整個工業革命的核心技術要素，新型能源、綠色能源、能源高效利用將是第四次工業革命中能源科技發展的重要趨勢[14]。制造業在第四次工業革命歷史潮流中再次成為全球競爭的優先事項，以新技術為抓手轉型升級制造業已成為引導經濟復蘇、促進經濟增長的重要手段[15]。

表2 全球重點關注的關鍵科技領域（Top 20）

（2）生物、材料、航空航天、能源、數字等領域保持著較高的關注熱度，并且增長趨勢明顯，農業和制造領域在主要發達國家中的關注熱度有所減弱。

以半年時間為窗口，以提及某科技領域的動態新聞數量占當前時間窗口總動態新聞數量的百分比作為當前科技領域的關注熱度，分析關鍵科技領域關注熱度的變化情況。由圖2可知，生物、材料、航空航天、能源、數字等領域保持著較高的關注熱度且增長趨勢明顯。在生物領域，2019年3月，英國研究與創新機構（UK Research and Innovation，UKRI）宣布投入4500萬英鎊推進生物大數據基礎設施建設，用于支持未來藥物、癌癥遺傳學、再生醫學和農作物疾病預防等研究領域的重大發現[16]。在材料領域，2019年1月，美國能源部宣布提供4500萬美元擬資助化學與材料領域的量子信息科學研究[17]。在能源領域，2019年2月，歐盟委員會宣布設立創新基金，在2020—2030年投入超過100億歐元，支持能源、建筑等部門的清潔技術研發創新。相較而言，農業和制造領域在主要發達國家中的關注熱度則有所減弱[18]。

圖2 全球重點關注的關鍵科技領域熱力分布圖(時間窗口為半年)

3.2 關鍵技術分析

（1）量子計算、人工智能、再生能源、納米技術、基因技術等已成為第四次工業革命的關鍵技術驅動力，與此同時，技術創新監管也引起了充分重視。

統計技術短語在政策前沿動態中的提及頻次并降序排列，選取頻次最高的30個技術短語進行歸納分析。由表3可知，量子計算、人工智能、再生能源、空間探索、納米技術、基因技術等已成為第四次工業革命的關鍵技術驅動力；同時，技術創新監管也引起了人們的充分重視。量子計算具有經典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力[19]，奠定了智能浪潮下的算力基礎，有望形成未來幾乎所有科技領域加速發展的“新引擎”。人工智能是智能化時代的關鍵使能技術，其強大的賦能性對社會經濟發展和科學技術進步有著重要影響，人工智能驅動的智能化變革主導了第四次工業革命，將會引發社會生產方式的深刻變革[20]。太陽能、生物質能等再生能源的發展利用是第四次工業革命中貫徹綠色發展理念的重要基礎。納米尺度下的物質會呈現出與宏觀物體和微觀粒子截然不同的特性，納米技術促進了新型材料和超材料的快速發現，在醫學、能源、環境、信息和軍事等領域得到了廣泛應用[21]。基因技術發展促進了生命健康、農業生產、生態環境、能源化工等領域的進步，具有漸進性、滲透性和顛覆性的影響[22]。硬科技的快速發展在推動第四次工業革命的同時，也可能帶來安全、倫理、公平等風險和挑戰，因此，監管研究、開放科學、風險研究等軟科學課題也引起了充分重視。

表3 全球重點布局的關鍵技術（Top 30）

（2）量子技術、人工智能、氣候研究、傳感器技術、空間探索、制造技術等保持著較高的關注熱度，并且增長趨勢明顯，大數據和再生能源技術在主要發達國家中的關注熱度有所減弱。

以半年時間為窗口，以提及某技術的動態新聞數量占當前時間窗口總動態新聞數量的百分比作為當前技術的關注熱度，分析關鍵技術關注熱度的變化情況。由圖3可知，量子技術、人工智能、氣候研究、傳感器技術、空間探索等技術保持著較高的關注熱度，并且增長趨勢明顯。其中，量子技術和量子計算在2018年下半年出現關注高峰，人工智能、傳感器技術和制造技術在2019年上半年出現關注高峰，氣候研究和空間探索在2018年上半年和2019年上半年出現關注高峰。此外，再生能源和大數據技術近年來的關注熱度呈現波動減弱的態勢，可能是由于技術發展方向的逐步細化和具象化，籠統上位技術概念的使用逐漸在各國科技動態報道中減少。例如，再生能源細化為太陽能發電、生物質原料等；大數據技術細化為人工智能、量子計算、計算系統等。

圖3 全球重點關注的關鍵技術熱力分布圖(時間窗口為半年)

（3）美、英、日、德、法等國和歐盟重點布局的關鍵技術包括機器人技術、人工智能、再生能源、空間探索等，同時，各個國家/地區的布局情況也存在一定差異。

統計世界主要發達國家/地區對上述關鍵技術的動態新聞報道次數，針對每個國家/地區選取報道次數最多的5項技術，以此分析重點布局情況。由表4可知，美、英、日、德、法和歐盟重點布局的關鍵技術包括機器人技術、人工智能、再生能源、空間探索等。例如，2019年1月，歐洲人工智能項目（Artificial Intelligence for Europe，AI4EU）正式啟動，項目匯聚了來自歐洲21國的79家頂尖研究機構和企業，聚焦人工智能資源建設，包括數據存儲、計算能力、智能工具及智能算法，旨在為潛在用戶提供智能技術服務和支撐，為其研發和生產過程提供集成的人工智能解決方案[23]；2018年10月，美國白宮發布了《美國先進制造業領導力戰略》，提出未來優先關注技術方向，其中包括先進工業機器人、人工智能基礎設施等方向[24]；2018年12月，英國自然環境研究理事會（Natural Environment Re‐search Council，NERC）宣布出資2400萬英鎊支持第四批重點主題的14個項目，其中包括“深層地熱作為一種潛在的未來主要能源”項目[25]；2018年12月11日，日本政府召開宇宙開發戰略本部會議，發布《宇宙基本計劃》實施進度表修訂版，補充并細化了空間項目內容，使工程進度更加具體、全面[26]。

表4 美、英、日、德、法和歐盟重點布局的5項關鍵技術

在上述關鍵技術布局的共性之外，各個國家/地區的布局情況也存在一定差異。歐盟重點布局了生物質原料、食品技術、開放科學等，德國重點布局了納米技術。

3.3 科技發展舉措分析

（1）美、英、日、德、法等國和歐盟的共性科技發展舉措包括投資計劃、合作研究、政策研究和研究項目等，同時，它們的具體舉措也存在一定差異。

統計世界主要發達國家/地區對各類發展舉措短語的動態新聞報道次數，針對每個國家/地區選取報道次數最多的5項科技發展舉措，以此開展分析。由表5可知，美、英、日、德、法和歐盟的共性科技發展舉措包括投資計劃、合作研究、政策研究和研究項目等。美國以研究項目部署為主，此外還包括投資計劃、研究人員配套等；英國、德國和法國等歐洲國家采取的舉措中，合作研究較為突出；日本以基礎研究、投資計劃等舉措為主。

表5 美、英、日、德、法和歐盟的5項重點科技發展舉措

（2）驅動各類關鍵技術進步的重點科技發展舉措各不相同，存在較大差異。

統計各類關鍵技術（Top 30）和各類科技發展舉措在動態新聞報道中共同出現的次數，據此分析驅動關鍵技術進步的重點科技發展舉措。由圖4可知，驅動各類關鍵技術進步的重點科技發展舉措各不相同，存在較大差異。值得注意的是，政策研究在推動氣候研究、再生能源發展、氣候變化、開放科學、監管研究等技術發展方面起到了重要作用；驅動人工智能技術進步的重點舉措包括研究機構投入、投資計劃、教育培訓、企業支持和基礎研究等。

圖4 驅動關鍵技術進步的科技發展舉措分析

4 結 論

本文立足于情報研究視角，面向第四次工業革命關鍵領域技術和舉措布局分析的目的，利用NLP、文本挖掘和科學計量學等方法，定量揭示各國為應對第四次工業革命開展的重點領域技術布局，明確其主要科技發展舉措。由此發現，世界主要國家重點關注生物與農業、材料、航空航天與空間、數字與通信、能源、海洋、傳統制造業等科技領域，積極布局量子計算、人工智能、再生能源、納米技術、基因技術等關鍵技術，并采取投資計劃、合作研究、政策研究和研究項目等發展舉措，推動上述科技領域和關鍵技術的發展。

第四次工業革命浪潮正以前所未有的態勢席卷而來，面對這一歷史機遇，我國應從基礎研究、技術研發和產業應用等方面審視我國在第四次工業革命關鍵領域和技術上的實力水平和薄弱環節，發揮優勢、補足短板、另辟蹊徑，牢牢掌握核心技術，實施積極的知識產權和標準化戰略，推動技術產業化應用進程，為第四次工業革命創造堅實的科技支撐基礎和強勁的技術驅動力。