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新型技术路线图构建研究

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《科学学研究杂志》2015年第八期

技术路线图是一种有效的客观管理工具,可以广泛地应用于各个行业进行决策支持并制定长期计划。它不仅提供了一种图形化的方法来探索在时间推移过程中,市场、产品和技术三者间发展和进化的相互关系[1],也是掌握技术发展态势并有效预测技术未来趋势的重要工具之一。然而,当前技术路线图的绘制主要采用问卷调查、德尔菲、专家访谈等定性分析方法,虽然部分学者将文献计量学等定量方法融入到技术路线图的构建中,但核心思想依然局限于关键技术名词的提取,并不能发现这些技术发展背后的驱动因素和技术发展目的。且目前构建的技术路线图通常只包含技术、产品、市场三个层次,在实际应用过程中很难提供详细指导。为解决这些问题,本文提出了以SAO分析为基础的技术路线图构建方法,以SAO结构包含的关键信息———“何种技术可以解决何种问题”为依据,在找到领域未来发展关键技术和技术发展趋势的同时挖掘出这些技术趋势背后的驱动因素,即领域发展所必须解决的关键问题,并对SAO结构的语义信息进行属性划分,构建了包含材料、技术、影响因素、产品、目标和应用六个层次的技术路线图。最后,本文以瑞士学者在染敏太阳能电池技术领域的研究成果为实证案例,证明了该方法的科学性和有效性。

1文献综述

1.1技术路线图绘制19世纪70年代,技术路线图首先应用于美国的汽车行业,主要目的是避免忽视有可能成功的技术、展示公司对于其利益相关者的策略并最终加强供应链参与者相互间的信任。随后,技术路线图被摩托罗拉及其他公司成功应用,特别是对半导体行业产生了深远的影响[2],并广泛地应用于企业的技术创新管理决策、产业发展规划、政府战略规划等方面。虽然,技术路线图作为一种有效的创新管理工具已成功应用于众多领域,但其绘制方法普遍以SWOT分析、情景分析、德尔菲法等定性分析方法为主,例如朱星华和蒋玉涛主要利用德尔菲法和SWOT分析方法构建了广东省区域产业技术路线图[3]。国家科技部于2005年1月18日组织召开了氢能技术路线图研讨会,围绕氢能技术的5个主要技术领域进行小组划分和研讨,经过两次研讨会最终制定了我国氢能技术的技术路线图[4]。随着信息技术的不断发展,各国学者开始结合定量化的分析方法进行技术路线图的构建探索。刘兰、赵新力等人利用文本挖掘技术发现隐含在科技信息中的知识和联系,并结合领域专家的知识进行技术路线图的构建[5]。张璧嘉、张旭将专利网络分析技术引入到技术路线图的构建中,并以美国部分专利为例进行了实证研究[6]。张嶷等人将文献计量学方法与专家判断相结合,构建了材料、组件、产品三个层次的电动汽车领域全球技术路线图[7]。Huang等人利用文献计量学、文本挖掘和定性分析方法在国家、技术、企业、实验影响分析四个维度上构建了大学、机构和企业三个层次的中国太阳能电池领域的技术路线图[8]。根据上述综述信息可以发现,虽然一些学者在技术路线图绘制过程中使用了定量或定性与定量相结合的分析方法,在一定程度上克服了传统仅利用定性分析方法构建技术路线图的主观性,并节约了时间和成本,但是它们普遍利用高频词为主体,并不能揭示未来技术发展的驱动因素;且目前构建的技术路线图通常只包含三个层次,并不能有效提供指导企业规划和行业发展所需的详尽信息。

1.2SAO结构信息SAO是Subject-Action-Object的英文缩写,即主谓宾结构。SAO语义分析是一种以事实为导向的本体模型,其来源于创新问题解决理论(俄语:TRIZ)。其主要目的是发现现有技术并把其作为一种解决目标问题的方案。通常对期刊文献和专利文档的分析主要是提取其SAO结构,这些由主语、谓语、宾语构成的结构可以提供大量技术信息[9]。例如,它们可以清晰地描绘包含不同语义信息的不同短语或词组间的关系,如果以“问题-解决方案”形式提取,那么主语就代表技术,谓语和宾语组合起来就可以形成作用概念,代表需要被解决的问题[10]。这一形式,解决了传统文献计量学方法的不足,可以发现某一技术可以解决的特定问题。在此举一个典型的例子,“BatteryEnergizesBulb”,这句话中“Bat-tery”是主语,代表技术,“Energizes”是谓语,“Bulb”是宾语,“EnergizesBulb”代表了技术“Battery”可以解决的问题。现在,SAO分析已广泛应用于各个领域进行期刊文献和专利文献的分析,其中最主要的两个应用领域是技术分析和专利相似度分析。技术分析方面:Gerken和Moehrle提出了基于SAO结构信息的新工具,可以用来识别高创新度的发明[11];Choi,Yoon等通过将SAO结构信息的提取和社会网络分析技术相结合,从专利信息中得到了未来技术的发展趋势[12];Yoon和Kim利用SAO结构信息和异常值检测技术来识别新技术机会的标志[13];郭俊芳等人利用提取SAO结构信息进行技术路线图构建,为新兴技术的未来技术方案和路径选择提供参考[14]。专利相似度分析方面:Sternitzke和Bergmann利用SAO结构测量了专利文档的相似度,并将此方法与共词分析、文献计量方法、共引用分析和自引用关联四种方法进行了对比研究,得出SAO分析和共词分析方法可以挖掘出与基于引用的分析方法揭示的知识流不同的语义相似度[15];Park利用SAO结构计算语义相似性并结合语义TRIZ的“ReasonForJump”原理,识别出可以进行技术转移的潜力专利[16]。由此可以看出,SAO结构依靠其在主-谓-宾关联度揭示方面的巨大优势,在一定程度上确实能够挖掘出文献计量、引文分析等常用文献分析方法所忽视的信息并为学者提供技术研究、趋势预测和相似度测量方面更详尽和准确的信息。随着SAO语义分析的不断发展成熟,其应用领域也将不断扩大,以其独特的优势挖掘出更多有价值的信息,并将科学研究推向一个新阶段。

2基于SAO分析的技术路线图构建

2.1技术路线图构建流程本文以SAO分析为主要工具并辅以专家知识的指导,建立了基于SAO结构信息的六层技术路线图构建方法,具体流程如图1所示。(1)确定研究的技术领域,制定检索策略,下载相关数据。在数据来源方面,既可以选择文献数据库也可以选择专利数据库。(2)SAO结构提取和修正。本文主要利用Stan-fordparser软件对数据进行SAO结构的提取,提取的结构可以来源于文档的标题、摘要或全文,通常摘要被视为最有价值的部分[17],因此本文选择摘要部分作为SAO结构提取的来源。由于SAO结构为机器提取,得到的部分结果可能没有具体的意义或者几个结构表达着相同的语义信息,需要专家进行剔除和合并。(3)进行频次统计,找到领域关键问题和对应的技术解决方案,并确定各技术方案出现的时间阶段。(4)对各技术方案按技术路线图的不同定义和其所属部件进行划分。(5)将技术方案、部件、关键问题结合时间因素对应到技术路线图的各层之中,进行技术路线图绘制。

2.2技术路线图各层次定义为了使SAO结构分析挖掘到的信息可以准确的利用到技术路线图的构建过程中,首先要对技术路线图材料、技术、影响因素、产品、目标和应用六个层次进行定义,从而限定其所需要的信息的来源和范围。材料:某一技术方案所使用的关键材料。主要来源于SAO结构中的S。技术:解决某一关键问题所需的具体技术方案。主要来源于SAO结构中的S。影响因素:技术领域发展面临的关键问题,该层次的问题可以被“技术层次”中的技术方案所解决,主要来源于SAO结构中的“AO”结构串。产品:目标领域内的具体产品。主要来源于“SAO”结构中的S。目标:代表目标领域行业的整体目标。该层次的信息可以依据对SAO结构中“AO”结构串进行归纳总结并辅以文献调研的方法得到。应用:指目标领域产品可以应用的具体领域,主要来源于SAO结构中的“AO”结构串。

3实证研究

目前,化石燃料危机和全球变暖被认为是人类面临的两个最大挑战,而太阳能电池是新能源领域最具潜力的技术。染敏太阳能电池作为第三代太阳能电池,由于其低制造成本、易装配过程和相对较高的能量转化效率等优势替代硅太阳能电池等传统光伏设备的潜力极大[18]。在能源短缺和环境问题的视角下,分析染敏太阳能电池领域的发展对于新能源领域的技术研发规划和政策制定具有重要作用。为控制数据量以确保实证研究的有效进行,本文选择染敏太阳能电池技术为实证对象,并将作者国家限定为瑞士来开展技术路线图的构建,主要原因有以下几点:(1)瑞士科学家Gratzel是染敏太阳能电池技术领域最具权威的专家,不仅首次发明了染敏太阳能电池,而且其研发的DSSCs技术以其高效率居世界领先地位;(2)与瑞士进行DSSCs技术研发合作的国家数量多且几乎涵盖全球发表DSSCs技术类论文数量排名前20位的国家。这些都从侧面反映出瑞士为染敏太阳能电池技术领域的领先国家,了解其在该领域的核心解决问题、关键技术趋势、行业目标等信息对于我国DSSCs技术领域的发展具有重要的指导作用。(1)本文采用本科研团队早前与佐治亚理工学院学者在相关领域数据检索合作中得到的检索策略[19],对WebofScience平台中的SCI-E数据库进行检索,获得染敏太阳能电池技术领域1991-2013年的所有数据,并选择其中瑞士学者发表的论文作为源数据,共得到484篇。(2)利用Stanfordparser软件对484篇文章进行SAO结构提取,经修正后共得到321条有效的SAO结构。(3)经过频次统计可以发现,瑞士DSSCs领域研究排名前3的关键问题分别为improve/increaseefficiency,improve/enhancestability和improve/in-creaseperformance,频次分别为100、18和15。根据这三个“AO”结构串连接的“S”可以找到解决这三个关键问题的关键技术(或解决方案),对这些技术进行归纳得到表1。值得注意的是通过对efficiency进行分析,发现了2012年太阳能电池技术领域的重大突破,太阳能电池开始应用于水分解技术中。(4)对表1的“S”和“AO”信息分别按TRM各层的定义进行分类并归纳进其所属的TRM层次中,其中“目标”层信息可根据“影响因素”层信息并结合文献调研得到,各层具体结果如表2所示。(5)根据表2所包含的信息并结合代表各技术、材料和产品的宾语(S)在文献中出现的时间,进行技术路线图绘制,结果如图2所示。

由以上技术路线图可知:(1)问题层面:对技术路线图进行分析可以得到瑞士学者对于染敏太阳能电池技术领域的研发活动主要集中于提升转化效率、加强稳定性和提高电池性能三个问题,其中提高太阳能电池的转化效率是最主要的技术驱动因素。(2)技术层面:在提高太阳能电池转化效率这一关键问题上,主要采用的技术包括:①开发新的敏化剂和不同敏化剂的混合使用。新型敏化剂开发主要包括D-pi-A有机敏化剂、能量传递染料、无机钌类敏化剂,且近几年学者们对于有机敏化剂的研发逐渐超过传统的无机钌类敏化剂,有机-无机敏化剂是新兴的研究热点;②离子、酸或化合物的添加,该技术主要围绕敏化剂和电解质两大部件进行。敏化剂方面主要是酸类和离子的添加,电解质方面主要是CLS、TBP和钴类化合物及离子的添加;③探索开发新型材料,主要为利用金红石(Rutile)制造新型光阳极半导体薄膜,选择石墨烯(graphene)作为新型材料对电极材料;④改变电池结构,主要为串联混合电池,双层电池、三分支结构电池等;⑤新型氧化还原电子对的开发,该技术主要针对电解质进行改善,利用新型氧化还原电子对替代传统的电子对,目前较为流行的为I-/I3-氧化还原电子对。在提升稳定性方面主要采用的技术主要包括:①开发新型敏化剂,主要为方酸类敏化剂、量子点敏化剂、锌酞菁类敏化剂等,其中虽然量子点敏化剂应用于染敏太阳能电池中的效率很低,但是其依然是一种极具潜力的敏化剂,在全色反应和稳定性方面效果较好;②离子、化合物添加,主要为固态空穴导电材料或金属离子在电解质中的添加;③热处理技术;④开发新型的电解质化合物,从而增加电解质的稳定性。提升性能方面主要采用的技术主要包括:①不同敏化剂的混合使用,通常为无机敏化剂和有机敏化剂的搭配使用,无机敏化剂稳定性好但是成本高,有机敏化剂成本低且吸光系数高,两者的联合使用可以取长补短,从而提升染敏太阳能电池的性能;②离子和钴化合物添加;③开发新型敏化剂,主要为D-pi-A型有机敏化剂;④薄膜结构的改变,其本质是利用对半导体薄膜结构的改变来增加薄膜的面积、孔隙率,从而增加对染料的吸附量,进而提高效率,主要的形式为双层二氧化钛薄膜和3D形态薄膜;⑤根据电解质和敏化剂之间的匹配提升效率。(3)产品趋势层面:由技术路线图的产品层和目标层可以看出,瑞士学者对该领域的产品研发主要围绕高效率低成本的染敏太阳能电池进行,电池结构逐渐趋于复杂化,且注重电池各个部件间的匹配已期达到最优性能。(4)市场趋势层面:染敏太阳能电池目前已发展二十余年,但由于效率方面的原因迟迟没有进行大规模商业化的生产和应用,随着染敏太阳能电池技术的不断进步使得效率不断提高,其研发成果也将不断向商业化应用迈进。特别是2012年Gratzel教授将染敏太阳能电池应用于水分解研究中,首次实现了染敏太阳能电池的实践应用,相信随着染敏太阳能电池技术的不断完善,领域专家将不断尝试其在其它领域中的应用。

4结论

本文利用SAO分析并结合“问题—解决方案”原则设计了基于SAO结构信息的技术路线图构建流程,通过对所提取的SAO结构信息进行分类处理,并结合文献调研方法进行补充使其成为可直接构成技术路线图每一层次的具体信息,从而实现包含材料、技术、影响因素、产品、目标和应用六个层次的技术路线图的构建,并以瑞士学者在DSSCs技术领域的研究成果为实证对象,说明了方法的可行性和有效性。该方法构建的技术路线图包含的信息量全面而具体,不仅可以揭示领域技术研发的驱动因素,也能为企业提供某一问题的具体解决方案,其主要具备三大优势,首先,根据该技术路线图的影响因素层面可以找到领域内的技术研发驱动因素,从而促进整个行业对领域内重点问题、技术研发方向的把握;其次,该技术路线图在提供关键问题信息的基础上也为企业和行业提供了解决这些关键问题的技术以及技术具体使用的材料等信息,为解决具体问题提供了可参考的方案指导;最后,由于本技术路线图涉及材料、技术、影响因素、产品、目标和应用六个层次,提供了领域发展目标的详细路径,对于企业或行业来说,该技术路线图可以在未来发展方向、产品走向、技术驱动等方面提供更全面的信息和更详尽的指导。然而,该方法依然存在一定的局限性。一方面,本文所选的案例仅为瑞士学者,得到的结果也只是对瑞士学者DSSCs技术领域现状和趋势方面的揭示。如果可以将数据量扩大到整个DSSCs技术领域,其分析结果也将更具实际价值和参考意义;另一方面,本文主要对文献的摘要信息进行SAO结构提取,虽然摘要被认为是整篇文章中最具代表性和价值的部分,但由于其简短性并不能完整反映整篇文章使用的所有技术和解决的所有问题,如果对全文进行SAO结构提取,所得结果亦将更具说服力。这些都将是本方法未来进一步深入研究的问题。

作者:汪雪锋 邱鹏君 付芸 单位:北京理工大学管理与经济学院

科学学研究杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次