文獻(xiàn)分析法在技術(shù)核心分析中的應(yīng)用
——以先進(jìn)制造技術(shù)為例

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430050)

先進(jìn)制造業(yè)是以高新技術(shù)為引領(lǐng)，處于價(jià)值鏈高端和產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，決定著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈綜合競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的脊梁，是推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的引擎[1]。而先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收各項(xiàng)新興技術(shù)成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品制造全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、敏捷、綠色生產(chǎn)，提高制造企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力所涉及的相關(guān)制造技術(shù)的總稱[2]。隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)迎來(lái)了發(fā)展的春天，先進(jìn)制造技術(shù)高速發(fā)展[3]。筆者應(yīng)用TDA(Thomson Data Analyzer)數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)Web of Science中先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)引文數(shù)據(jù)集合，從文獻(xiàn)數(shù)量、國(guó)家分布、著者信息、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行分析，并指出當(dāng)前各國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)以及先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)核心群。

1 SCI文獻(xiàn)計(jì)量分析

本文選擇SCI-Expanded 數(shù)據(jù)庫(kù)，利用關(guān)鍵詞對(duì)近40年以來(lái)的全球科研人員發(fā)表的先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2017年12月13日，共檢索到文獻(xiàn)67119 篇。檢索過(guò)程中，并未限定文獻(xiàn)類(lèi)型，以下統(tǒng)稱為“論文”。利用Thomson Reuters開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)挖掘和可視化分析工具——TDA開(kāi)展文獻(xiàn)計(jì)量分析[4]。

1.1 論文數(shù)量和研究人員數(shù)量的年度變化趨勢(shì)

由圖1 可以看出，自19世紀(jì)70年代開(kāi)始就有關(guān)于先進(jìn)制造方面的論文研究，但數(shù)量非常少，到90年代初期相關(guān)方面的論文數(shù)量增幅都不大，僅在數(shù)百篇范圍之內(nèi)。從1997年開(kāi)始，先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的論文呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于論文發(fā)表的滯后性，到2012至2015年，相關(guān)論文數(shù)量達(dá)到頂峰，接近5000篇，這從一個(gè)側(cè)面反映出，先進(jìn)制造技術(shù)在近些年來(lái)，受到全球越來(lái)越多國(guó)家政策、企業(yè)研發(fā)和研究機(jī)構(gòu)的支持，呈現(xiàn)出爆發(fā)性的增長(zhǎng)。

圖2和圖3表明的就是近20年來(lái)，投身到先進(jìn)制造研究領(lǐng)域中的研究人員在逐漸增加，從已有作者和新作者的數(shù)量對(duì)比中，也可以看出近幾十年來(lái)，每年都有更多的研究人員投身到該領(lǐng)域的研究中。特別是近10年，隨著新增研究領(lǐng)域的不斷開(kāi)拓，新增加的研究人員也在逐年增加。同樣地，隨著研究隊(duì)伍的不斷壯大，先進(jìn)制造領(lǐng)域的研究方向也逐漸增多，體現(xiàn)在新關(guān)鍵詞數(shù)量的快速增長(zhǎng)。

圖1 論文研究數(shù)量年度分布

圖2 研究人員年度分布

圖3 新關(guān)鍵詞年度分布

1.2 重點(diǎn)國(guó)家/地區(qū)分析

在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同國(guó)家/地區(qū)的論文數(shù)量進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)表論文數(shù)量排名前10位的國(guó)家/地區(qū)如圖4 所示。美國(guó)以12734篇的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)居于首位，位居第二的為中國(guó)5733篇，這反映出我國(guó)在從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變過(guò)程中對(duì)先進(jìn)制造業(yè)的不斷重視與加強(qiáng)。但在數(shù)量上看，位居首位的美國(guó)論文數(shù)量是我國(guó)的兩倍還要多，這也從一個(gè)側(cè)面反映出我國(guó)在該研究領(lǐng)域不論是范圍還是深度較美國(guó)相比仍有不小的差距。英國(guó)論文數(shù)量(4592)位居第三，接下來(lái)依次為中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)(3751 篇)、日本(3111篇)、韓國(guó)(2934篇)。這10 個(gè)國(guó)家/ 地區(qū)的論文數(shù)量占全部總數(shù)的75.9%，這表明先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的研究相對(duì)集中在論文數(shù)量排名靠前的10個(gè)國(guó)家/地區(qū)。

分析1978-2017年間，各個(gè)國(guó)家/地區(qū)的論文數(shù)量隨時(shí)間的變化情況( 如圖5) ，可以看出，美國(guó)早在19世紀(jì)70年代就開(kāi)展先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域研究，并且90年代之后美國(guó)相關(guān)領(lǐng)域論文數(shù)量有了很快速的增長(zhǎng)，且在最近的15年之內(nèi)進(jìn)入增長(zhǎng)高峰期。從圖上也可以看出，最近十年，隨著我國(guó)開(kāi)始對(duì)先進(jìn)制造研究加大投入，2007年開(kāi)始，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域論文數(shù)量有了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，但美國(guó)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位短期內(nèi)還是很難超越的。隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的實(shí)施，中國(guó)在最近幾年先進(jìn)制造領(lǐng)域的發(fā)文數(shù)量已與美國(guó)縮小差距，并遠(yuǎn)超排名隨后的英國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)以及日本、韓國(guó)等國(guó)家。

圖4 主要國(guó)家/地區(qū)論文數(shù)量

圖5 各國(guó)/地區(qū)發(fā)表論文數(shù)量年度分布

1.3 重要研究機(jī)構(gòu)分析

如圖6所示，從論文數(shù)量上來(lái)看，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的40年內(nèi)，排在前三位的依次是印度理工學(xué)院(1197篇)、新加坡南洋理工大學(xué)(748 篇)、上海交通大學(xué)(690篇)。圖6中十家機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文數(shù)量差別并不大。從國(guó)別分布來(lái)看，這10 家機(jī)構(gòu)中,美國(guó)、新加坡、韓國(guó)和中國(guó)各占2家，日本和印度各1家。

而從近3年發(fā)文數(shù)量研究機(jī)構(gòu)排名來(lái)看，如圖7所示，位居第一的印度理工學(xué)院和位居第二的上海交通大學(xué)差距不大，分別為169篇和163篇，香港理工大學(xué)以92篇居于第三位。從國(guó)別分布來(lái)看，這10 家機(jī)構(gòu)中中國(guó)占據(jù)了5家，分別為上海交通大學(xué)、香港理工大學(xué)、中國(guó)臺(tái)灣成功大學(xué)、華中科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。美國(guó)、新加坡、日本、印度和伊朗各1 家。這表明，近3年來(lái)隨著國(guó)家政策的傾斜，中國(guó)在先進(jìn)領(lǐng)域無(wú)論是投身其中的研究機(jī)構(gòu)數(shù)量還是在發(fā)文數(shù)上都有著非?？捎^的進(jìn)步。

圖6 重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量

圖7 近3年發(fā)文數(shù)量TOP10研究機(jī)構(gòu)

1.4 重點(diǎn)研究領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)分析

如圖8所示，我們選取了出現(xiàn)頻率最高的前二十個(gè)技術(shù)關(guān)鍵詞，和設(shè)計(jì)方法有關(guān)的關(guān)鍵詞包括：建模、最優(yōu)化、遺傳算法、有限元法/分析；與生產(chǎn)加工相關(guān)的關(guān)鍵詞有機(jī)械性能、表面粗糙度、微結(jié)構(gòu)、裝配、機(jī)加工、快速成型、精密磨削；與智能裝備有關(guān)的關(guān)鍵詞有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能和機(jī)器人技術(shù)；與生產(chǎn)管理相關(guān)的關(guān)鍵詞有：時(shí)序安排、供應(yīng)鏈管理、精益生產(chǎn)等。

如表1所示，分析了各國(guó)在先進(jìn)制造關(guān)鍵技術(shù)布局，美國(guó)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)及技術(shù)相關(guān)的建模和最優(yōu)化等技術(shù)以及和加工制造有關(guān)的機(jī)加工技術(shù)有著非常強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，位居第二的中國(guó)則在微結(jié)構(gòu)、遺傳算法、有限元法等關(guān)鍵技術(shù)方面超越美國(guó)，英國(guó)則在設(shè)計(jì)方法有關(guān)的建模和機(jī)械性能上有比較多的研究。

圖8 重點(diǎn)研究領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)分布

國(guó)家/關(guān)鍵詞數(shù)量建模機(jī)械性能最優(yōu)化時(shí)序安排表面處理微結(jié)構(gòu)遺傳算法裝配有限元法機(jī)加工美國(guó)221181851556954538252100中國(guó)102100819250150104437624英國(guó)104883230242219482830中國(guó)臺(tái)灣4416777578107410354日本45412521463017103614韓國(guó)504837413043466634印度5163102511127211681241德國(guó)7552222914265411929加拿大542857266181491018法國(guó)434541479181382625

如表2所示，分析了先進(jìn)制造領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量前十位的研究人員所屬的國(guó)家、科研機(jī)構(gòu)以及主要研究領(lǐng)域。排名第一的是美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的Altan T發(fā)表了132篇，排名第二是愛(ài)爾蘭都柏林城市大學(xué)的Hashmi M S J發(fā)表了130篇，兩者都涉及了有限元法等設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)，是該領(lǐng)域最具影響力的研究人員。新加坡國(guó)立新加坡大學(xué)的Nee A Y C以及Rahman M和Wong Y S分別排名第三和第七，分別在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)、注射成型技術(shù)以及和加工制造技術(shù)有關(guān)的刀具材料和磨損方面有相關(guān)研究。我國(guó)也有三位作者進(jìn)入了排名，分別為香港理工大學(xué)的Lee W B、香港中文大學(xué)的Chan F T S以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Wang Z R，涉及領(lǐng)域有超精密加工、柔性制造以及數(shù)值模擬與仿真等方面。與國(guó)外重要研究者相比，我國(guó)研究人員在研究領(lǐng)域的廣度和深度以及科研產(chǎn)出方面都有一定的差距，需要我國(guó)科研人員在發(fā)文的同時(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)術(shù)影響力。

表2 先進(jìn)制造領(lǐng)域重要研究者及其關(guān)鍵研究技術(shù)

最后，如圖9所示，我們對(duì)先進(jìn)制造領(lǐng)域總體研究布局進(jìn)行了分析，可以看出研究熱點(diǎn)包括先進(jìn)制造工藝與裝備、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及技術(shù)以及現(xiàn)代制造管理技術(shù)與系統(tǒng)等方面，與先進(jìn)制造工藝與裝備相關(guān)的熱點(diǎn)技術(shù)有人工智能、機(jī)器人技術(shù)、柔性自動(dòng)化制造技術(shù)、表面處理、激光技術(shù)、超精密加工等，與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及技術(shù)相關(guān)的熱點(diǎn)技術(shù)有有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、快速原型等，而與現(xiàn)代制造管理技術(shù)與系統(tǒng)相關(guān)的熱點(diǎn)技術(shù)有供應(yīng)鏈管理、并行工程、時(shí)序安排等。

圖9 先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)核心云

2 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量分析，先進(jìn)制造技術(shù)主體技術(shù)核心可分為面向制造、面向工藝的兩大技術(shù)核心體系。面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)核心指用于制造準(zhǔn)備的工具群和技術(shù)群。產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以采用一系列工具，例如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、有限元法、工藝過(guò)程建模和仿真等。制造工藝技術(shù)核心是指用于生產(chǎn)的過(guò)程及設(shè)備。例如快速原型、磨削、機(jī)器人技術(shù)、人工智能、柔性制造等。隨著高新技術(shù)的不斷滲入，傳統(tǒng)的制造工藝和裝備正在產(chǎn)生質(zhì)的變化。目前，我國(guó)的先進(jìn)制造研究仍傾向于跟著國(guó)外的蹤跡往前走，實(shí)現(xiàn)從“跟蹤”向“自主創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變需要一個(gè)過(guò)程[5]。計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人、CAD/CAM技術(shù)、集成制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等在內(nèi)的信息自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了日益增多的高效能手段。先進(jìn)制造技術(shù)今后發(fā)展方向?qū)?huì)是數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、特種加工技術(shù)、制造業(yè)綜合自動(dòng)化、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代企業(yè)管理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。 機(jī)器人技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)、系統(tǒng)管理技術(shù)、制造業(yè)綜合自動(dòng)化、過(guò)程工業(yè)綜合自動(dòng)化、并行工程、供應(yīng)鏈管理等綜合應(yīng)用于制造全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，獲得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。