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基于科学-技术互动的战略性新兴技术演进探析

2015-10-08 16:58:53来源:组稿人论文网作者:

基于科学-技术互动的战略性新兴技术演进探析

--以风力发电机技术为例

 

                                     侯 剑 华,2    都 佳 妮1

(1.大连大学 马克思主义学院,辽宁 大连 116622)

(2.大连理工大学 工商管理学院,辽宁 大连 116024)

 

摘要:战略性新兴技术是我国大力培育和发展战略性新兴产业的重要支撑力量。从Web of Science的科学文献数据库和Derwent的专利文献数据库中,分别下载风力发电机技术领域在1980-2013年的科学和专利数据,通过科学计量和信息可视化技术,分别绘制风力发电机技术演进的科学知识图谱。挖掘风力发电机领域的关键技术及其演进,揭示该领域的科学和技术互动关系及其一般规律,并结合技术成长周期理论,梳理战略性新兴技术演进的关键路径。研究对我国战略性新兴产业的发展战略具有一定的实践指导意义。

关键词:战略性新兴技术;风力发电机;技术演进;科学-技术互动

中图分类号:G306.3       文献标识码:A      DOI:10.3772/j.issn.1674-1544.2014.04

Exploration of strategic emerging technology evolution based Science - Technology Interactive

                                       ——take wind turbine technology as an example

HOU Jian-hua1,2   DU Jia-ni1

(1. School of Marxism Studies, Dalian University, Dalian 116622, China)

(2. School of Business Administration, Dalian University of technology, Dalian 116024, China)

Abstract: Strategic emerging technologies are more important support force to cultivate and develop strategic emerging industries. From Web of Science scientific literature database and Derwent patent literature database, respectively download in the field of wind turbine technology in 1980-2013 years of scientific and patent data, through scientific measurement and information visualization technology, drawn scientific knowledge map of wind turbine technology evolution. Mining areas of wind turbine key technology and its evolution, revealing the interaction between science and technology and its general law in the field, combined with technological growth cycle theory, carding the critical path of strategic emerging technology evolution. Study has some practical significance for the development of strategic emerging industries.

 

Keyword: Strategic- emerging technology; Wind turbine; Technology evolution; 

Science - Technology Interactive

 

引  言

2009年以来,我国提出大力培育和发展战略性新兴产业的战略举措。2010年7月我国颁布的《“十二五”战略性新兴产业发展规划》将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等七大战略性新兴产业作为加快培育和发展的重要方向。战略性新兴技术是发展战略性新兴产业的前提和重要支撑力量。探测战略性新兴技术的创生及其发展演化规律是当前技术创新管理与战略性新兴产业研究亟待解决的重要课题。部分学者对新兴技术演进进行了深入的研究,宋艳、银路从技术物种的特征、不连续创新及生命周期等理论视角探析技术演进的路径与影响因素[1-2];刘凤朝等从专利技术共现网络的角度,考察纳米技术与相关技术领域融合发展的实现模式,揭示纳米技术演化的规律[3];苗文斌等从技术演进的动态特性与赶超理论方面进行分析[4];这些研究在理论和技术方面的研究较为深入,而对科学与技术互动规律的研究则少有体现。在对科学与技术互动规律的研究方面,王伯鲁从马克思主义哲学视角对科学与技术的关系进行解读[5];吴晓波等则从实证研究的角度探究科学、技术与经济间的关系[6];盛国荣、陈凡以历史维度对科学、技术与社会的角度进行分析[7]。这些研究大多从哲学视角对一般意义的科学、技术等关系问题进行研究,对具体技术领域的科学与技术互动规律的研究涉及不够。本研究以科学文献和专利文献的计量和共现网络分析为基础,从科学和技术互动的视角探测战略性新兴技术演进路径和一般规律,对政府和企业制定战略性新兴产业发展战略提供一定的理论依据与实践指导。

 

1  数据来源与研究方法

分析使用的数据主要包括风力发电机技术的科学文献数据和专利文献数据。数据检索分别来源于Web of Science的科学文献数据库和Derwent Innovations Index(德温特创新索引数据库)的专利文献数据库。研究方法主要是科学计量和信息可视化技术。具体使用CiteSpace信息可视化软件工具对检索的科学和专利数据绘制科学知识图谱,结合定量与定性的研究方法,对科学文献和专利文献的共现网络进行挖掘和比较分析,探究科学和技术互动的演进关系及其一般规律。

 

1.1 数据检索与分析

经过多次的对比和反复验证,确定科学文献的检索式为:主题="wind* turbine*",时间设定为1980-2013年。在WOS中共检索到11300篇科学文献。通过对科学文献的计量和可视化分析,探测技术的核心理论基础和关键技术的演进情况,判定技术发展的周期。对专利文献的检索,在Derwent中以MC="X15-B01A"作为检索式,共检索到11380条风力发电机技术相关的专利数据(数据于2013年11月检索)。将检索的科学和专利文献逐年分布情况绘制成图1。结合对科学和专利文献的计量和可视化探测,展现风力发电机技术的演进路径,预测技术发展趋势。

 

 

图1  风力发电机技术研究的科学文献与专利文献逐年分布图

 

从图1科学文献与专利文献产出的逐年分布情况来看,1980-2000这段时期,风力发电机技术的科学文献与专利文献发展状况大体相当。自2001年以后,风力发电机技术研究的科学文献数量开始增多,呈现迅猛发展的趋势,而在此期间的专利则仍处于积累阶段。在2005年以后,专利数据陡然增多,在科学基础理论研究的基础上,专利技术得到了快速的发展,并推动整个技术领域的发展。致使科学文献量和专利文献量迅猛增多主要有以下因素:一是世界各国意识到能源危机,激发世界各国寻找与研发新的清洁能源,需要创新性的技术与材料;二是世界各国风能协会的成立,推动了风能产业的发展,美国是最早建立风能协会的国家(AWEA,1974),进而有丹麦风力发电机制造协会(1981)、全球风能协会(GWEC,2005)等,推动专家学者对风力发电机技术的理论研究、发明创造与实践等;三是世界各国纷纷制定支持风能、风力发电机制造及风力发电机机组方面的发展政策与规划,并对有限能源的利用进行限制与规定,这都对风力发电机技术的发展具有重要的推动作用。

 

1.2  研究工具与方法

将检索到的数据进行统计分析,展现风力发电机技术发展的整体趋势。运用定性与定量相结合的研究方法,对研究对象进行归纳、概括、总结,探寻其发展的一般规律性。在研究方法和处理工具方面,使用CiteSpace软件工具对检索的专利数据进行计量和信息可视化分析。美国Drexel大学的陈超美博士在引文分析理论的基础上,应用JAVA计算机编程语言开发了Information Visualization–CiteSpace信息可视化软件,它是一种专门对各种文献数据进行可视化分析、揭示知识的演化趋势和热点前沿的应用程序[8-9]。本研究运用该软件对检索的科学文献与专利文献进行共现(共类)网络分析,通过科学知识图谱可以展现当前风力发电机技术领域研究的技术演进情况。在共现网络图谱中,关键词共现频次是指某一关键词在两篇或两篇以上的文章中共同出现的次数,关键词共现频次越高,表明这一技术是当时学者专家所关注的研究热点与重要性问题。突现率代表着某一时期内该关键词出现频次的陡然变化情况,突现率越大,意味着该专利技术在此时段作为关键性技术,对此后技术的发展方向与趋势具有重要的导向性作用。

 

2  风力发电机技术在科学文献中的研究演进

科学文献对于技术的研究既有理论基础,又有对技术本身的创新研究。通过对大量科学文献数据的计量与信息可视化分析,可以梳理技术演进的整体脉络,挖掘关键节点技术的演化轨迹,特别是从科学理论基础的视角展现风力发电机技术的发展历程。

2.1 科学文献中风力发电机技术演进的整体情况

运用CiteSpace可视化软件对风力发电机技术在科学文献中的演进情况进行分析,结合Pathfinder算法,绘制关键词共现网络知识图谱。为进一步展现风力发电机技术研究主题的演进脉络,对关键词共现网络进行聚类分析,并按照时间维度展现技术主题的整体发展情况(图2)。

 

图2 科学文献中风力发电机技术关键词共现网络的聚类分析图谱

 

图2是CiteSpace软件生成的科学文献中风力发电机技术的关键词共现网络聚类分析图谱。从时间维度上,清晰直观的展示了风力发电机技术的动态发展过程,反映风力发电机技术发展的一般规律和学者广泛关注的研究热点问题等。如风力发电机模型与设计、动力体系、双馈式感应发电机、智能电网等技术研究。在20世纪90年代初,主要是集中在风力发电机模型、设计到整体系统性的广泛研究,21世纪以来多是关注风能存储、微电网和智能化监控等具体技术问题的研究。整体来看,展现了风力发电机技术研究的循序渐进和不断深入,整机研究—部件改进—材料革新—性能与效率—安全性等,体现了研究者从关注技术本身到技术与环境、技术与人关系的演化进程。

 

表1  科学文献中关键词共现网络的聚类分析结果列表

 

在聚类分析的基础上,整理出聚类最大的前十项聚类结果信息(表1)。这些聚类结果展现了风力发电机技术领域最为关注的研究主题。从时间维度上体现风力发电机技术的演进路径,主要包括两个阶段:20世纪90年代,以风力发电机的可操控性、材料、性能等为主要研究对象;而21世纪以来,随着电子信息的快速发展,则将电子信息计算应用到风力发电机的控制、风速检测与测试,电池存储型、风机叶片、混合材料等成为研究的主轴。从研究的进程来看,风力发电机技术经历了从实用性到内部驱动与系统的深入研究,特别是电子信息技术的引入,在操作和控制技术研究上变得更加高效化和智能化。

 

2.2 科学文献中风力发电机关键技术的演进

在关键词共现网络中,突现率较高的节点也就是在突现时间段内共现频次出现急剧变化的节点。一般是共现频次出现急剧增加的突现变化,代表着在突现时间段内被关注的程度。在对科学文献关键词共现网络分析的基础上,根据突现率较高的关键词节点相关信息探测关键技术随时间的演进情况。选取突现率高于3的关键词(表2),结合原文献分析,展现科学文献中展现的风力发电机领域关键技术随时间演进的轨迹(图3)。

 

表2   科学文献的关键词共现网络中突现率大于3的节点信息列表

 

从图3的风力发电机关键技术的演进轨迹来看,自20世纪90年代开始,研究者从对风能的研究入手,逐步到风力涡轮机、感应发电机、模型设计等研究而21世纪则转向对风力发电机内部核心零部件、动力模型、稳定性等深入的研究。通过演进轨迹的研究,可知晓风力发电机技术的核心理论基础在不断发展与变化,具体表现在:能量转换理论—电磁感应理论—材料科学理论—动力系统理论等,为风力发电机技术的创新发展提供理论支撑。

 

 

图3 科学文献中的风力发电技术演进路径

 

3 风力发电机技术在专利文献中的演进

专利文献可以更好的展现风力发电机技术自身的演进路径和发展脉络,专利数据是世界各国技术发现创新研究的最重要的信息源。通过对风力发电机技术专利文献的计量和可视化分析,可以更加全面、具体的展现风力发电机技术从无到有、由一般到具体的技术演进轨迹。

3.1 专利文献中风力发电机技术演进的整体情况

运用CiteSpace信息可视化软件对风力发电机技术的专利数据进行共类分析,结合Pathfinder算法构建可视化知识图谱(图4)。专利共类网络的知识图谱展现了风力发电机技术的创新主题随时间发展变化的一般情况

图4 专利文献中风力发电机技术关键词共现网络聚类分析图谱

 

根据专利文献中风力发电机技术的聚类分析图谱和原文献分析,可以将专利文献中风力发电机技术的演进主要分为四个阶段。从起初的涡轮机、高分子材料的研究到增强纤维材料再到风力发电机结构支撑以及在海洋上的发展和智能化电网发电,随着环境和需求的变化,技术在不断提升和智能化。

在聚类分析的基础上,对聚类结果按大小排名的前10项进行深入分析,展现专利文献中风力发电机技术集中关注的热点主题(表3)。从表3可知,风力发电机专利技术在20世纪90年代,研究的范围较宽泛,而21世纪以来,多是关于混合材料、电子设备在风力发电机技术中的应用。图4和表3反映出,风力发电机专利技术是自外向内、由表及里不断向着核心技术深化的发展历程。

 

      表3 专利共现网络的聚类分析结果列表

 

3.2  专利文献中风力发电机的关键技术演进

在专利共类网络的可视化知识图谱中,结合专利代码的高共类频次与高突现率,探析风力发电机技术在近20年间关键技术的演进与发展。选取专利共类网络中节点突现率高于3的专利代码(表4),结合原文献分析,绘制专利文献折线图体现风力发电机领域关键技术随时间变化的演进轨迹(图5)。

 

表4 1990-2013年专利高频关键词共现数据分析

 

从专利文献风力发电机的关键技术的演进轨迹来看,20世纪90年代主要是探究涡轮机、风力发电机电力的产生与分配以及风力发电机有关细节操作的控制等基础性技术;21世纪以来,研究者对风力发电机的关键技术进一步深入挖掘,从离岸系统技术到风力发电机技术风速的测定与测试再到数字信息化技术的引入,展现了风力发电机的关键技术在不断地向高效率、智能化等方向不断提升。关键技术演进的轨迹表现为:风能发电技术—材料成形技术—动力系统的检测与控制技术—智能信息技术等,这与对应的科学文献研究中体现出来的关键技术和核心理论基础有较高的正相关性。

 

 图5  专利文献中风力发电机关键技术演进折线图

 

4  风力发电机技术的科学文献与专利互动演化规律

科学与技术作为推动产业和经济社会发展的两个重要方面是相互促进、协同发展的。科学为技术的发展奠定坚实的理论基础,而技术的应用又为科学发现提供实践来源。将科学文献与专利文献共现网络中高突现率节点技术,基于时间维度绘制出科学-技术互动的风力发电机技术演进路径的折线图(图6),探析这一技术领域的科学与技术间的互动与演进规律。

 

 

                           图6  科学与技术发展的联系

 

从关键技术演进路径的折线图可以看出,在20世纪90年代初期以前,风力发电机关键性技术的专利技术发展较科学文献的技术研究有较明显的优势。自1992年以后,二者的发展基本趋于一致化。但1998年科学文献中的关键技术明显高于专利技术,在对数据和文献资料的分析来看,科学文献在此期间出现较高的技术突现主要源于科学文献的产出数量在1998年后开始逐渐增多,世界各国开始加强对新兴技术、风电/能协会、风能开发政策与规划的制定快速兴起。科学文献中的关键性技术开始出现高于专利的关键性技术。2000年专利关键技术的起伏高于科学文献,主要原因是这一时期在专利领域,出现了新的关键性技术,如,成型过程技术、离岸系统技术、纤维材料的改变等,这些技术动态的变化,对此后风力发电机技术的发展具有导向作用。一方面,科学与专利文献中的风力发电机技术的演化具有高度的耦合性。自20世纪90年代初期以来,二者皆致力于风力发电机、零部件、表面材料、机械能源的转换等宽泛而基础性的研究;2000年以后,二者则是关注感应式发电机、海上风能存储发电、数字信息化的智能型电网技术等。另一方面,科学与技术二者互动演进的规律体现出非线性特征。在历史维度中的科学与技术的发展关系,并非是简单的各自发展到技术重叠,再到紧密联系的线性增长趋势[10]。在具体的历史时期和社会环境下,科学对技术的发展具有重要的导向作用,而技术的创新与开发为科学研究提供重要的实践来源。

 

5  研究结论

科学文献不仅体现研究的理论基础,并且揭示相关技术领域的创新成果,专利文献则集中反映了技术创新发展的最新成果。以新能源技术领域的风力发电机技术为例,通过对科学和专利文献的共现(类)网络分析,展现了风力发电机技术领域科学与技术的互动演进规律,科学文献展现了能量转换理论—电磁感应理论—材料科学理论—动力系统理论等的演进路径,对应的专利文献揭示了风能发电技术—材料成形技术—动力系统检测与控制技术—智能信息技术等的发展过程。二者之间体现了明显的互动演化规律。结合技术成长生命周期理论进一步分析,对于战略性新兴技术的演进,新兴技术的创生通常先是专利技术的兴起带动科学理论研究的发展,此时技术的发展处于萌芽阶段。进而随着政策环境等因素的影响,科学理论逐步赶超专利技术的发展,形成科学理论研究的高峰期,拉动专利技术的进一步深化,推动技术不断深化成长。专利技术再次出现快速发展,甚至超过科学文献的产出,这一阶段是技术的成长期。此后,科学研究文献和专利文献逐渐进入平缓发展期,即技术的发展进入成熟期。科学与专利文献的产出数量保持一致水平。随着再一次新兴技术的出现,原有技术将进入衰落期,完成一个技术生命周期的发展演化。

    本研究尚存在诸多不足之处,在研究方法上仍需进一步拓展,如从技术体系评价指标、网络结构中的结构洞理论等方面对技术演进进行探测分析。在数据选取上,依据国外文献数据进行研究,并不能代表其他领域或国家技术演进的状况,而应结合具体区域的技术发展状况进行研究。在研究内容上,仅关注风力发电机技术自身的发展,而忽略了技术间的协同发展问题。这些也将是未来进一步研究的重点问题。

 

 

 

参考文献: 

[1] 宋艳,银路.新兴技术的物种特性及形成路径研究[J].管理学报,2007,4(2): 211-215.

[2] 宋艳,银路.基于不连续创新的新兴技术形成路径研究[J].研究与发展管理,2007,19(4):31-36.

[3] 刘凤朝,马荣康,孙玉涛.基于专利技术共现网络的纳米技术演化路径研究[J]. 科学学研究,2012,30(10):1500-1508.

[4] 苗文斌?吴晓波?李正卫. 技术演进动态性与技术赶超[J].科技进步与对策,2007,24(3):71-74.

[5] 王伯鲁.马克思科学与技术互动思想解读[J].哲学研究, 2008(5):115-120

[6] 吴晓波,郑素丽.科学?技术的互动及其对经济发展的影响:基于panel data的实证研究[J].科学学研究,2005,23(6):740-745.

[7] 盛国荣,陈凡. 试析科学?技术与社会(STS)三者关系的历史演进[J].东北大学学报(社会科学版),2006(3):350-356.

[8] Chen C. Searching for intellectual turning points: Progressive know-ledge domain visualization [J]. PNAS,2004,101 (1): 5303 -5310.

[9] Chen, C. CiteSpace II: Detecting and visualizing emerging trends and transient patterns in scientific literature[J].Journal of the American Society for Information Science and Technology,2006(57): 359 - 377.

[10] 李军纪.论科学与技术的系统建构关系[J]. 山西医科大学学报(基础医学教育版), 2004(6):657-659.

 

 

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