基于SAO 語(yǔ)義分析與多維技術(shù)創(chuàng)新地圖的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別研究

馮立杰，王清華，王金鳳，3，張 珂，張世斌

（1.鄭州大學(xué)管理學(xué)院，河南鄭州 450001；2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306；3.上海海事大學(xué)中國(guó)（上海）自貿(mào)區(qū)供應(yīng)鏈研究院，上海 201306；4.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045）

1 研究背景

技術(shù)創(chuàng)新是提高社會(huì)生產(chǎn)力和綜合國(guó)力的戰(zhàn)略支撐，而技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)作為技術(shù)創(chuàng)新的起點(diǎn)，是企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和國(guó)家層面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵，對(duì)制定創(chuàng)新決策及提高核心競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)作為一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，可視為創(chuàng)新環(huán)節(jié)中諸多要素的潛在組合［1］。傳統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別方法大多側(cè)重于基于專家經(jīng)驗(yàn)開展定性分析。然而，伴隨著相關(guān)情報(bào)數(shù)量的幾何級(jí)遞增及技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域劃分的日益細(xì)化，專家的知識(shí)及專長(zhǎng)越來越難以滿足目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)的具象需求，對(duì)此，定性與定量分析相結(jié)合識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的方法越來越受到企業(yè)的青睞［2］。其中，基于關(guān)鍵詞分析和SAO（subject-action-object）語(yǔ)義分析的相關(guān)研究尤為廣泛［3］。

關(guān)鍵詞分析方法主要借助高頻詞或關(guān)鍵詞表述創(chuàng)新主題的特征，在探究主題詞之間關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上研判技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。如Yoon 等［4］通過從專利文獻(xiàn)中抽取關(guān)鍵詞，利用生成式拓?fù)溆成浞?gòu)建可視化專利地圖，并利用鏈路預(yù)測(cè)算法評(píng)價(jià)指標(biāo)界定了有價(jià)值的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)；Shen 等［5］通過構(gòu)建向量空間模型從科技論文及專利文獻(xiàn)中抽取關(guān)鍵詞，并基于Orclus clustering algorithm對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行主題聚類，利用主題間的語(yǔ)義相似度界定了技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)；潘東華等［6］通過從期刊文獻(xiàn)中提取關(guān)鍵詞并構(gòu)建共詞圖譜，利用時(shí)序圖譜對(duì)關(guān)鍵詞聚類，以聚類的動(dòng)態(tài)屬性界定了技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

而SAO 語(yǔ)義分析方法則主要借助技術(shù)組件的關(guān)鍵概念和結(jié)構(gòu)表述創(chuàng)新主題的特征，在剖析其中包含的語(yǔ)義關(guān)系基礎(chǔ)上研判技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。如Yoon等［7］利用SAO 結(jié)構(gòu)相似性進(jìn)行了專利聚類，以“離群性”指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)離群專利的界定和評(píng)價(jià)；黃魯成等［8］分別從專利文獻(xiàn)和期刊文獻(xiàn)中抽取了SAO 結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了相似性計(jì)算，在采用多維尺度剖析聚類結(jié)果后，將論文中存在而專利中不存在的主題界定為技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)；李乾瑞等［9］利用SAO 結(jié)構(gòu)構(gòu)建了技術(shù)形態(tài)矩陣，并以技術(shù)價(jià)值、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效用、產(chǎn)業(yè)可行化和中國(guó)產(chǎn)業(yè)化作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊一致矩陣法識(shí)別了技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)；賴朝安等［10］對(duì)SAO 結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析以實(shí)現(xiàn)對(duì)專利文本的特征表示，并將專利地圖上的空白點(diǎn)界定為技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

顯然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者眾多的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別方法為本文提供了重要的參考。然而，現(xiàn)有研究仍存在以下不足：首先，在創(chuàng)新要素挖掘方面，基于關(guān)鍵詞的系列方法難以系統(tǒng)考量主題特征詞在領(lǐng)域內(nèi)的表征能力［11］，由此可能導(dǎo)致對(duì)創(chuàng)新要素的理解產(chǎn)生偏差，繼而影響技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別的準(zhǔn)確性；而基于SAO 語(yǔ)義的系列方法則會(huì)囿于領(lǐng)域主題相關(guān)性識(shí)別所限［12］，可能導(dǎo)致部分創(chuàng)新要素的丟失，繼而影響技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別的全面性。其次，在技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別方面，現(xiàn)有文獻(xiàn)多采用單一規(guī)則（如離群性閾值篩選或鏈路預(yù)測(cè)）遴選技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)，將不符合該規(guī)則的創(chuàng)新機(jī)會(huì)予以排除，由此可能錯(cuò)失有價(jià)值的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)［13］。此外，部分文獻(xiàn)借助技術(shù)形態(tài)矩陣對(duì)創(chuàng)新要素進(jìn)行了直觀呈現(xiàn)或組合表達(dá)［14］，但較少考慮對(duì)創(chuàng)新要素采用特定法則進(jìn)行迭代變換，由此可能會(huì)使技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別存在一定的盲目性和無序性。

有鑒于此，本文將集關(guān)鍵詞分析和SAO 語(yǔ)義分析兩種方法之所長(zhǎng)，進(jìn)行關(guān)鍵創(chuàng)新要素的深度挖掘及層級(jí)關(guān)系梳理，以多維技術(shù)創(chuàng)新地圖導(dǎo)航并作為切入點(diǎn)進(jìn)行概念化和具象化雙層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別，在為企業(yè)有效降低技術(shù)創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，精準(zhǔn)、前瞻性預(yù)判具象技術(shù)的創(chuàng)新先機(jī)，進(jìn)而不斷提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 SAO 語(yǔ)義分析

SAO 結(jié)構(gòu)是基于主體-行為-客體，從文本語(yǔ)料中抽取的三元組結(jié)構(gòu)Subject-Action-Object［15］，其中的主體S（Subject）和客體O（Object）為名詞元素，行為A（Action）為主客體之間的動(dòng)作或關(guān)系［16］。顯然，基于S/O 元素可開展實(shí)體分析，如通過提取SAO結(jié)構(gòu)，可對(duì)S或O名詞元素的出現(xiàn)頻率進(jìn)行分析，以識(shí)別具象領(lǐng)域的核心技術(shù)組件［17］。同時(shí)，也可基于A 元素開展主客體間的關(guān)系分析，如通過對(duì)A元素的識(shí)別，可將SAO 結(jié)構(gòu)劃分為Partitive SAOs 和Attribute SAOs，以識(shí)別關(guān)鍵概念之間的關(guān)系及特定問題的解決方案［18］；也可利用SAO 結(jié)構(gòu)中具有“包含”關(guān)系（如：has，comprise）的A 元素，將多個(gè)SAO 結(jié)構(gòu)進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)建SAO 語(yǔ)義鏈，以識(shí)別多個(gè)關(guān)鍵詞間的關(guān)系，進(jìn)而輔助構(gòu)建產(chǎn)品或技術(shù)形態(tài)結(jié)構(gòu)［19］，從而有效實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)變革方向和技術(shù)及創(chuàng)新機(jī)會(huì)的預(yù)測(cè)［20］。

進(jìn)一步地，基于關(guān)鍵詞挖掘和SAO 語(yǔ)義層級(jí)識(shí)別構(gòu)建的SAO 語(yǔ)義鏈可從語(yǔ)義視角深度挖掘相關(guān)專利的核心信息，厘清關(guān)鍵詞之間的層級(jí)關(guān)系，以提升專利分析的準(zhǔn)確性和全面性。

由此，本文將在構(gòu)建SAO 語(yǔ)義鏈基礎(chǔ)上，拓寬對(duì)表示“是”關(guān)系的A 元素識(shí)別區(qū)域，以獲得細(xì)粒度技術(shù)關(guān)鍵詞的表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)較為精準(zhǔn)的關(guān)鍵創(chuàng)新要素甄別，為后續(xù)研判技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)奠定基礎(chǔ)。

2.2 多維技術(shù)創(chuàng)新地圖

多維技術(shù)創(chuàng)新地圖融合了TRIZ、SIT、核檢表法和專利功效矩陣等創(chuàng)新理論［21］，將創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)歸納為創(chuàng)新維度（包括機(jī)理維、材料維、環(huán)境維、空間維、結(jié)構(gòu)維、功能維、動(dòng)力體系維、時(shí)序維和人機(jī)關(guān)系維）和創(chuàng)新法則（包括分解與去除、組合與集成、局部?jī)?yōu)化、替代、動(dòng)態(tài)化、自服務(wù)、友好化、柔性化和智慧化）耦合的過程［22］。該方法主要針對(duì)目標(biāo)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)，首先以創(chuàng)新維度導(dǎo)航，搜尋影響技術(shù)創(chuàng)新的基本要素，繼而借助創(chuàng)新法則對(duì)創(chuàng)新要素變換重組識(shí)別技術(shù)機(jī)會(huì)，最后根據(jù)反饋不斷改進(jìn)完善，輸出系列技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)［21］。

多維技術(shù)創(chuàng)新地圖目前已廣泛應(yīng)用于3D 打?。?3］、煤層氣開采、軟件產(chǎn)品和智能手機(jī)研發(fā)等領(lǐng)域的具象創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別［24］。結(jié)果表明，在提取目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)關(guān)鍵創(chuàng)新要素基礎(chǔ)上，利用創(chuàng)新法則進(jìn)行維法耦合以挖掘系列技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)，能夠?yàn)槠髽I(yè)高效開展技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)的決策參考依據(jù)。

3 研究框架

基于SAO 語(yǔ)義分析與多維技術(shù)創(chuàng)新地圖，本文構(gòu)建了技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別框架，如圖1 所示。首先，以專利文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)源，利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析篩選相關(guān)專利；其次，利用過濾后的SAO 結(jié)構(gòu)搭建SAO語(yǔ)義鏈，獲得關(guān)鍵詞之間的語(yǔ)義層級(jí)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵創(chuàng)新要素甄別；再次，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和多維技術(shù)創(chuàng)新地圖對(duì)維度的界定，對(duì)創(chuàng)新要素進(jìn)行維度劃分；最后，選取創(chuàng)新法則，對(duì)不同層級(jí)的創(chuàng)新維度進(jìn)行迭代變換構(gòu)建多維技術(shù)創(chuàng)新地圖，實(shí)現(xiàn)雙層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的識(shí)別。

圖1 基于SAO 語(yǔ)義分析與多維技術(shù)創(chuàng)新地圖的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別框架

3.1 專利數(shù)據(jù)搜集

該過程需要以目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)的關(guān)鍵詞作為檢索詞，通過檢索特定數(shù)據(jù)庫(kù)以界定創(chuàng)新的邊界。具體包括：一是明晰目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)亟待解決的具象技術(shù)創(chuàng)新問題；二是科學(xué)合理選擇檢索平臺(tái)；三是基于相關(guān)文獻(xiàn)及專家經(jīng)驗(yàn)，確定檢索表達(dá)式并下載專利文本；四是采用特征詞初始篩選和手動(dòng)標(biāo)記相結(jié)合的方式來篩選專利。通過咨詢專家確定2～3 個(gè)領(lǐng)域特征詞，繼而使用Python 將摘要文本數(shù)據(jù)與特征詞匹配，剔除不含特征詞的數(shù)據(jù)，并在閱讀標(biāo)題和摘要的基礎(chǔ)上，采用背靠背數(shù)據(jù)標(biāo)記方法消除噪聲文本，得到與目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)高度相關(guān)的專利數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 基于SAO 語(yǔ)義鏈的關(guān)鍵創(chuàng)新要素提取

3.2.1 基于關(guān)鍵詞的文本挖掘

該過程需要采用關(guān)鍵詞文本挖掘方法開展共現(xiàn)分析，進(jìn)一步篩選專利數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得含有關(guān)鍵詞的專利數(shù)據(jù)集。具體包括：

一是高頻詞提取。通過去除停用詞、標(biāo)注詞性、抽取特征詞，以抽取專利數(shù)據(jù)庫(kù)的高頻詞。在剔除無實(shí)義詞和功效詞后，將抽取的高頻詞作為關(guān)鍵詞，進(jìn)而得到目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)的關(guān)鍵詞集。

二是關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析?；谏鲜鲫P(guān)鍵詞集開展共現(xiàn)分析，還需剔除未包含共現(xiàn)關(guān)系的專利，繼而得到包含關(guān)鍵詞的專利數(shù)據(jù)集。因明晰關(guān)鍵詞之間的層級(jí)關(guān)系所需，還應(yīng)剔除不含或僅含一個(gè)關(guān)鍵詞的專利文本，為后續(xù)SAO 結(jié)構(gòu)抽取減少數(shù)據(jù)量。需要補(bǔ)充說明的是，該數(shù)據(jù)集同時(shí)為后續(xù)創(chuàng)新法則的選取提供了數(shù)據(jù)支持。

3.2.2 基于SAO 結(jié)構(gòu)的層級(jí)識(shí)別

該過程需要采用SAO 語(yǔ)義分析方法，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)抽取并篩選通過構(gòu)建語(yǔ)義鏈識(shí)別目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)的關(guān)鍵詞語(yǔ)義層級(jí)結(jié)構(gòu)。具體包括：

一是SAO 結(jié)構(gòu)抽取。首先，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行單句切分及分詞；其次，根據(jù)訓(xùn)練語(yǔ)料庫(kù)構(gòu)建詞性標(biāo)注器，對(duì)分詞結(jié)果進(jìn)行標(biāo)注并進(jìn)行依存關(guān)系分析；最后，利用Stanford Parser 抽取SAO 結(jié)構(gòu)。

二是SAO 結(jié)構(gòu)篩選。首先，基于A 元素語(yǔ)義篩選表征“包含”關(guān)系（如：comprise，involve，is，include）的SAO 結(jié)構(gòu)；其次，基于S/O 元素，剔除不含或僅含有一個(gè)關(guān)鍵詞的SAO 結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到多個(gè)表征目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)中關(guān)鍵詞之間層級(jí)關(guān)系的SAO結(jié)構(gòu)。

三是SAO 語(yǔ)義鏈構(gòu)建及關(guān)鍵詞語(yǔ)義層級(jí)關(guān)系識(shí)別。首先，對(duì)上述SAO 結(jié)構(gòu)中的S/O 元素進(jìn)行模糊匹配，得到多個(gè)相似的SAO 結(jié)構(gòu)；其次，根據(jù)SAO結(jié)構(gòu)中A 的語(yǔ)義，判別S/O 元素的層級(jí)關(guān)系，通過串并聯(lián)SAO 結(jié)構(gòu)形成語(yǔ)義鏈，識(shí)別關(guān)鍵概念間的語(yǔ)義關(guān)系；最后，合并整理語(yǔ)義鏈，可得到目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵詞的層級(jí)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)而關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵創(chuàng)新要素的提?。?9］。

3.3 基于維法耦合的雙層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

3.3.1 創(chuàng)新維度的劃分

該過程需要在明晰技術(shù)關(guān)鍵詞語(yǔ)義層級(jí)關(guān)系基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，以多維技術(shù)創(chuàng)新地圖中的九大創(chuàng)新維度導(dǎo)航，對(duì)前述關(guān)鍵創(chuàng)新要素進(jìn)行維度劃分。具體包括：

一是以目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)關(guān)鍵詞語(yǔ)義層級(jí)關(guān)系為基礎(chǔ)，確定維度劃分的層級(jí)。

二是根據(jù)多維技術(shù)創(chuàng)新地圖中九大創(chuàng)新維度的定義，對(duì)關(guān)鍵創(chuàng)新要素進(jìn)行逐一歸類。

三是整理維度劃分結(jié)果并繪制目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)的創(chuàng)新維度表。

3.3.2 創(chuàng)新法則的選取

該過程需要以前述共現(xiàn)分析的專利數(shù)據(jù)集作為對(duì)象，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)進(jìn)行“維”“法”耦合，即剖析創(chuàng)新要素的構(gòu)成規(guī)律并選取創(chuàng)新法則。此過程一方面需要提取目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)適用的創(chuàng)新法則，為后續(xù)創(chuàng)新法則選取提供指導(dǎo)；另一方面還需對(duì)上述劃分的創(chuàng)新維度進(jìn)行合理性驗(yàn)證。

3.3.3 雙層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的識(shí)別

該過程需要依托SAO 語(yǔ)義鏈識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)義層級(jí)關(guān)系，結(jié)合多維技術(shù)創(chuàng)新地圖進(jìn)行雙層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別。具體包括：

一是第一層概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)預(yù)判。該過程一般在維度和子維中進(jìn)行，基于影響技術(shù)創(chuàng)新的單一或多個(gè)維度，與創(chuàng)新法則進(jìn)行迭代變換，可衍生出多個(gè)概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。一般而言，該層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的粒度較為宏觀，可為目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)中具體技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的生成減少大量無意義的方案組合，同時(shí)預(yù)判有價(jià)值的研發(fā)方向，但該層較難產(chǎn)生映射具象技術(shù)細(xì)節(jié)的創(chuàng)新方案。

二是第二層具象化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別。該過程一般在目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)的具體技術(shù)形態(tài)中進(jìn)行，需要在前述概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)引導(dǎo)下，結(jié)合具體技術(shù)形態(tài)，生成系列粒度較細(xì)的、可行而具體的技術(shù)創(chuàng)新方案。

4 案例分析

海綿鈦因提煉成本高、對(duì)批次的穩(wěn)定性和質(zhì)量要求高、而我國(guó)的相關(guān)冶煉技術(shù)落后，長(zhǎng)期以來制備原料主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重掣肘了我國(guó)未來的“空間站計(jì)劃”“大飛機(jī)計(jì)劃”以及“艦船建造計(jì)劃”等項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)程［25］。進(jìn)一步的，富鈦料作為海綿鈦生產(chǎn)的重要原料，其制備技術(shù)對(duì)鈦工業(yè)的發(fā)展尤為重要。因此，本文將以富鈦料制備技術(shù)為例，進(jìn)行基于SAO 語(yǔ)義分析與多維技術(shù)創(chuàng)新地圖的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別研究，以期為極大地改善我國(guó)富鈦料制備技術(shù)落后局面，以滿足航空航天、船舶和海洋工程等中高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)︹伈牟粩嘣黾拥男枨?，同時(shí)形成富有競(jìng)爭(zhēng)力的鈦工業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)提供創(chuàng)新方法支持。

4.1 富鈦料制備技術(shù)專利信息檢索

有鑒于德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)（Derwent Innovations Index,DII）覆蓋領(lǐng)域主要包括化學(xué)、電氣和工程等3 大領(lǐng)域［26］，由此能夠較好地與富鈦料的制備領(lǐng)域?qū)傩韵嗥ヅ?。因此，本文以德溫特專利?shù)據(jù)庫(kù)作為檢索平臺(tái)檢索相關(guān)專利。具體包括：

首先，對(duì)該領(lǐng)域的專家進(jìn)行訪談以確定檢索表達(dá)式（見表1）；其次，通過檢索表達(dá)式進(jìn)行富鈦料制備技術(shù)專利信息檢索，共計(jì)獲得598 條相關(guān)文獻(xiàn)；再次，選定 titanium 和rutile 為特征詞與摘要文本進(jìn)行匹配，并采用背靠背數(shù)據(jù)標(biāo)注方式對(duì)專利進(jìn)行識(shí)別，最終得到392 份與富鈦料制備技術(shù)高度相關(guān)的專利。

表1 富鈦料制備技術(shù)專利檢索表達(dá)式

4.2 基于SAO 語(yǔ)義鏈的富鈦料制備技術(shù)關(guān)鍵創(chuàng)新要素提取

4.2.1 基于關(guān)鍵詞的富鈦料制備技術(shù)文本挖掘

一是高頻詞提取。首先可采用NLTK 自然語(yǔ)言處理工具包，利用Python 語(yǔ)言編程對(duì)得到的392 條專利數(shù)據(jù)摘要及權(quán)利要求書等文本進(jìn)行自然語(yǔ)言處理，實(shí)現(xiàn)去停用詞、詞性標(biāo)注、特征詞抽取和高頻詞統(tǒng)計(jì)；然后取前500 個(gè)特征詞作為關(guān)鍵詞，通過剔除無實(shí)義詞、功效詞等，最終可得到與富鈦料制備技術(shù)創(chuàng)新相關(guān)的178 個(gè)主要關(guān)鍵詞。

二是關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析。為確定富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)形態(tài)，還需對(duì)前述178 個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析，由此可得到領(lǐng)域內(nèi)178×178 關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣。在剔除未包含共現(xiàn)關(guān)系的64 條專利后，可得到后續(xù)進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)抽取和創(chuàng)新法則選取的系列數(shù)據(jù)。

4.2.2 基于SAO 結(jié)構(gòu)的富鈦料制備層級(jí)識(shí)別

一是SAO 結(jié)構(gòu)抽取及篩選。首先，采用自然語(yǔ)言處理工具Stanford Parser 和Spacy 工具包，利用Python 語(yǔ)言編程，對(duì)上述數(shù)據(jù)集的摘要及權(quán)利說明書等文本進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)抽??；其次，剔除未含有層級(jí)關(guān)系的SAO 結(jié)構(gòu)；再次，保留包含兩個(gè)或兩個(gè)以上關(guān)鍵詞的SAO 結(jié)構(gòu)，最終可得到276 條SAO 結(jié)構(gòu)（部分結(jié)構(gòu)見表2）。

表2 有效SAO 結(jié)構(gòu)表（10/276）

二是SAO 語(yǔ)義鏈構(gòu)建及關(guān)鍵詞語(yǔ)義層級(jí)關(guān)系識(shí)別。首先，依托上述SAO 結(jié)構(gòu)對(duì)SAO 結(jié)構(gòu)中的S/O 元素進(jìn)行相似性匹配，如：在The preparation of synthetic rutile（S1）involves（A1）pretreating ilmenite ore（O1）結(jié)構(gòu)和The pre-treating of the ilmenite（S2）comprises（A1）milling by a dry ball mill to obtain the ilmenite particles（O2）結(jié)構(gòu)中，O1元素和S2元素可進(jìn)行模糊匹配；其次，構(gòu)建SAO 語(yǔ)義鏈（部分結(jié)構(gòu)見表3）；最后，合并整理語(yǔ)義鏈，進(jìn)而構(gòu)建富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵詞層級(jí)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示。

圖2 富鈦料領(lǐng)域關(guān)鍵詞層級(jí)關(guān)系結(jié)構(gòu)

表3 基于SAO 的富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域?qū)蛹?jí)關(guān)系結(jié)構(gòu)（10/57）

4.3 基于維法耦合的富鈦料制備技術(shù)雙層創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

4.3.1 富鈦料制備技術(shù)的創(chuàng)新維度劃分

結(jié)合多維技術(shù)創(chuàng)新地圖對(duì)創(chuàng)新維度的定義、富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)及SAO 語(yǔ)義分析識(shí)別出的關(guān)鍵詞層級(jí)關(guān)系，可將前述關(guān)鍵創(chuàng)新要素逐一分別歸入機(jī)理維、材料維及環(huán)境維度。具體見表4。

表4 富鈦料制備技術(shù)創(chuàng)新維度

表4 （續(xù)）

其中，機(jī)理維是富鈦料制備技術(shù)涉及的物理、化學(xué)等基本原理，主要包括富鈦料制備的各種具體技術(shù)（如氧化焙燒、助劑改性還原和煅燒等）；材料維是富鈦料制備技術(shù)所涉及的各種材料（如氧氣、鹽酸和氫氧化鈉等）；環(huán)境維是富鈦料制備技術(shù)所涉及的環(huán)境參數(shù)，包括富鈦料制備過程中的溫度、壓力及時(shí)間等（如氧化焙燒溫度、還原溫度、高溫煅燒和還原時(shí)間等）。

4.3.2 富鈦料制備技術(shù)的創(chuàng)新法則選取

在維度劃分基礎(chǔ)上，結(jié)合多維技術(shù)創(chuàng)新地圖對(duì)創(chuàng)新法則的定義，可對(duì)共現(xiàn)分析后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行再次查閱，進(jìn)而選取20 個(gè)技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)進(jìn)行“維”“法”耦合分析，以提取富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域常用的、在技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別過程中優(yōu)先考慮的創(chuàng)新法則，見表5。

表5 富鈦料制備技術(shù)已存在專利的“維”“法”分析（10/20）

由表5 可以看出，在富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域使用的主要?jiǎng)?chuàng)新法則有：局部?jī)?yōu)化、組合與集成、友好化、分解與去除。對(duì)相關(guān)創(chuàng)新法則進(jìn)一步詮釋如下：

一是局部?jī)?yōu)化法則。在富鈦料制備過程中，某一機(jī)理的優(yōu)化可直接提高富鈦料的品質(zhì)或縮短工藝流程。如添加助劑可改變?cè)蟹磻?yīng)物結(jié)構(gòu)并增加其活性，更有利于浸出后續(xù)的雜質(zhì)；將某一過程置于高溫或高壓狀態(tài)可以增加反應(yīng)速率。

二是組合與集成法則。該法則在富鈦料制備過程中既可表現(xiàn)為多種工藝流程的組合，也可表現(xiàn)為單一工藝的重復(fù)。如表5 中專利CN111979413A 采取的多級(jí)酸浸，不僅能夠提高產(chǎn)品中二氧化鈦的品位，同時(shí)能夠增加鹽酸利用率，繼而有效降低母液再生酸的成本。

三是友好化法則?，F(xiàn)有富鈦料制備工藝流程易產(chǎn)生大量廢渣、廢氣及廢液，而且能耗較高，顯然，如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型生產(chǎn)是當(dāng)前富鈦料制備技術(shù)研究的熱點(diǎn)［27］。對(duì)此，可將回轉(zhuǎn)窯煅燒改為天然氣熱風(fēng)爐閃干，或?qū)鹘y(tǒng)高溫還原工藝改為微波高溫還原以節(jié)能降耗，繼而達(dá)到降低成本的目的。

四是分解與去除法則。傳統(tǒng)的富鈦料制備工藝中，電爐鈦渣硅雜質(zhì)組分的去除主要以堿浸為主，由此會(huì)產(chǎn)生大量的廢堿。因此，聚焦于脫硅研究以去除堿浸脫硅工序，不僅能夠有效降低生產(chǎn)成本，而且能夠減少對(duì)環(huán)境的污染。

4.3.3 富鈦料制備技術(shù)的雙層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

依托于上述三級(jí)創(chuàng)新維度的劃分，優(yōu)先考慮將局部?jī)?yōu)化、組合與集成、友好化及分解與去除等創(chuàng)新法則作用于不同層級(jí)的創(chuàng)新維度，可構(gòu)建多維技術(shù)創(chuàng)新地圖（部分方案如圖3 所示），從而識(shí)別出多個(gè)富態(tài)料制備技術(shù)的雙層創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

圖3 富鈦料制備技術(shù)多維技術(shù)創(chuàng)新地圖

第一層是概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的預(yù)判。該層主要依托維度和子維度生成的概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)，預(yù)判富鈦料制備技術(shù)領(lǐng)域有價(jià)值的研發(fā)方向。

如在機(jī)理維中，可選擇多個(gè)子維進(jìn)行變換實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)化程度不同、品位不同鈦鐵礦的升級(jí)處理以提升除雜效率；在機(jī)理維和材料維組合中，可在氧化焙燒過程添加特殊改性劑促使雜質(zhì)組分更易溶解；在機(jī)理維、材料維和環(huán)境維組合中可加入特殊介質(zhì)，并通過相應(yīng)溫度及壓力變化，優(yōu)化富鈦料制備技術(shù)工藝。預(yù)判的概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)見表6。

表6 第一層富鈦料制備技術(shù)概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)預(yù)判

第二層是具體技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的識(shí)別。該層將依托第一層研判的概念化技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)，運(yùn)用創(chuàng)新法則對(duì)選取的技術(shù)形態(tài)進(jìn)行迭代變換，進(jìn)而識(shí)別出富態(tài)料制備技術(shù)的具體創(chuàng)新機(jī)會(huì)。包括：首先選定機(jī)理維中影響富鈦料制備技術(shù)的機(jī)理，然后確定實(shí)現(xiàn)機(jī)理所需的環(huán)境條件，最后選取相應(yīng)的材料作為輔助工具以支持技術(shù)創(chuàng)新過程。對(duì)應(yīng)表6 識(shí)別的富鈦料制備技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)見表7 至表9。

表7 基于機(jī)理維的富鈦料制備技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

表8 基于機(jī)理維和材料維的富鈦料制備技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

表9 基于機(jī)理維、材料維和環(huán)境維的富鈦料制備技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

由于上述所識(shí)別出的富鈦料制備工藝技術(shù)機(jī)會(huì)源自作者團(tuán)隊(duì)與龍蟒佰利聯(lián)集團(tuán)股份有限公司的產(chǎn)學(xué)研合作研究課題，后續(xù)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的合理性和可行性。以方案3 為例，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）在回轉(zhuǎn)窯中的鈦鐵礦經(jīng)高溫氧化焙燒，其物相結(jié)構(gòu)被破壞，鈦渣得以富集，產(chǎn)品細(xì)料率顯著降低；（2）換熱器收集氧化焙燒階段的溫度以用于后續(xù)銹蝕液的加熱，一定程度上降低了熱能耗；（3）銹蝕階段的催化劑加快了反應(yīng)速度，并得到了鈦品位較高的人造金紅石。經(jīng)該企業(yè)技術(shù)人員和有關(guān)專家確認(rèn)，方案3 可提高生產(chǎn)效率，降低“三廢”排放量，且具有能耗小、污染低的特點(diǎn)，可為企業(yè)清潔高效生產(chǎn)提供新思路。綜上，本文所提技術(shù)機(jī)會(huì)識(shí)別路徑具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性，可為相關(guān)企業(yè)突破技術(shù)創(chuàng)新瓶頸提供有效支撐。

5 結(jié)論與展望

本文融合SAO 語(yǔ)義分析和多維空間技術(shù)創(chuàng)新地圖構(gòu)建了技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別方法，并以富鈦料制備領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新為例驗(yàn)證了該方法的有效性。本文的研究貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面：首先，以往采用單一關(guān)鍵詞或SAO 語(yǔ)義方法挖掘創(chuàng)新要素的研究存在要素主題表征較弱且內(nèi)在聯(lián)系模糊的局限性，本文從功能互補(bǔ)角度將兩者融合深度挖掘影響技術(shù)創(chuàng)新的要素，并對(duì)關(guān)鍵創(chuàng)新要素進(jìn)行層級(jí)關(guān)系梳理，進(jìn)而形成層次分明的技術(shù)形態(tài)，有利于清晰、準(zhǔn)確地甄別創(chuàng)新要素。其次，以往利用單一規(guī)則或構(gòu)建形態(tài)矩陣進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別的研究技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)數(shù)量有限且存在一定的盲目性和無序性，本文以多維技術(shù)創(chuàng)新地圖導(dǎo)航對(duì)關(guān)鍵創(chuàng)新要素進(jìn)行維度、子維及技術(shù)形態(tài)等三級(jí)創(chuàng)新維度劃分，并與創(chuàng)新法則耦合，實(shí)現(xiàn)了概念化和具象化兩層技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)的識(shí)別，既對(duì)企業(yè)選擇技術(shù)標(biāo)桿和研發(fā)方向具有指引作用，也可為企業(yè)具體研發(fā)實(shí)踐活動(dòng)提供方案指導(dǎo)。最后，現(xiàn)有技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別的相關(guān)文獻(xiàn)大多集中在機(jī)械制造領(lǐng)域，較少涉足化工領(lǐng)域，本文以富態(tài)料制備技術(shù)為目標(biāo)創(chuàng)新系統(tǒng)，借由上述方法生成的兩層共9種富態(tài)料制備技術(shù)創(chuàng)新方案切實(shí)可行，對(duì)推動(dòng)我國(guó)富鈦料制備技術(shù)的快速發(fā)展，乃至于對(duì)破除嚴(yán)重掣肘我國(guó)未來的“空間站計(jì)劃”“大飛機(jī)計(jì)劃”和“艦船建造”等計(jì)劃的鈦工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展藩籬，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文仍存在一定局限性有待于進(jìn)一步加以改進(jìn)。首先是本文構(gòu)建的技術(shù)關(guān)鍵詞層級(jí)結(jié)構(gòu)圖主要依賴于自然語(yǔ)言的挖掘，難以囊括技術(shù)領(lǐng)域全部特征詞，未來可從語(yǔ)義理解角度進(jìn)行信息抽取，借助領(lǐng)域?qū)＜覙?gòu)建用戶詞典，以獲取更為完善的領(lǐng)域特征詞表。此外，本文從技術(shù)角度對(duì)創(chuàng)新機(jī)會(huì)進(jìn)行識(shí)別的研究，缺乏針對(duì)技術(shù)創(chuàng)新方案的系統(tǒng)性和綜合性評(píng)價(jià)，有可能導(dǎo)致與研發(fā)主體的能力不相匹配，未來還需深入創(chuàng)新主體研發(fā)實(shí)踐過程強(qiáng)化對(duì)技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。