基于專利分析的液壓挖掘機技術(shù)成熟度研究*

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(1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川邦立重機有限責(zé)任公司，四川 瀘州 646006)

0 引言

液壓挖掘機是通過液壓循環(huán)系統(tǒng)來驅(qū)動工作裝置用挖斗進行挖掘作業(yè)的建筑工程機械，它是機械行業(yè)的晴雨表。根據(jù)權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，世界上各種土方工程中大約有65%～70%的土方量是由液壓挖掘機來完成的[1]。我國從上世紀(jì)50年代引進當(dāng)時蘇聯(lián)的機械式液壓挖掘機開始，到現(xiàn)在已有60多年的發(fā)展歷史，液壓挖掘機的技術(shù)得到不斷完善和改進，各種機重、功率和鏟斗容量的產(chǎn)品層出不窮，企業(yè)之間的競爭也隨之加劇。而要在這激烈的市場競爭中取勝，需要把握當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)的成熟度，才能高效快速地開發(fā)出新產(chǎn)品。為此，對液壓挖掘機技術(shù)成熟度的預(yù)測就顯得尤為重要。

在運用專利預(yù)測產(chǎn)品技術(shù)成熟度上，Altshuller通過產(chǎn)品性能、專利等級、專利數(shù)量和獲利能力之間的關(guān)系預(yù)測產(chǎn)品技術(shù)成熟度[2]。Mann重點考察彌補缺陷和降低成本專利在產(chǎn)品技術(shù)生命周期中的分布情況來判斷產(chǎn)品技術(shù)是否過了成熟期[3]。Aurigin通過研究專利被索引次數(shù)來確定專利等級進行成熟度預(yù)測。劉玉琴通過文本挖掘研究專利新穎度來預(yù)測技術(shù)成熟度。張換高教授在綜合Altshuller和Mann研究成果基礎(chǔ)上，研發(fā)出基于專利分析的產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測TMMS系統(tǒng)[4]。楊武提出根據(jù)專利數(shù)據(jù)定量測度計算出技術(shù)增長速度、成熟度系數(shù)、衰老系數(shù)和新特征系數(shù)進行技術(shù)成熟度預(yù)測的方法[5]。

在Altshuller模式中產(chǎn)品不同時期有不同的性能指標(biāo)，且企業(yè)的獲利能力涉及到商業(yè)秘密也很難獲取。在Mann的考察模式中，只能判斷產(chǎn)品技術(shù)是否過了成熟期，其他三個時期都不適用。Aurigin考察的專利被索引次數(shù)在涉及引用技術(shù)很少的技術(shù)領(lǐng)域不適用。劉玉琴的技術(shù)新穎度只是單個指標(biāo)不能直接用于預(yù)測技術(shù)成熟度。而在TMMS系統(tǒng)中曲線擬合采用多項式擬合算法，需用戶選擇擬合曲線存在誤差。楊武的專利數(shù)據(jù)定量測算法未對專利進行分析，預(yù)測結(jié)果較為片面。

基于此，本研究在介紹基于專利分析的產(chǎn)品成熟度預(yù)測技術(shù)基礎(chǔ)上，運用S曲線中專利數(shù)量和專利等級特性曲線，以產(chǎn)品銷售數(shù)量替代企業(yè)獲利能力，結(jié)合Mann的彌補缺陷專利綜合預(yù)測產(chǎn)品成熟度。同時，運用專利數(shù)據(jù)定量測算的方法，從兩方面采取優(yōu)勢互補來預(yù)測產(chǎn)品技術(shù)成熟度。

1 基于專利分析產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測技術(shù)

1.1 運用TRIZ理論的S曲線預(yù)測技術(shù)

圖1 S曲線

圖2 專利特性曲線

前蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuller通過對各國、各行業(yè)專利的研究發(fā)現(xiàn)，任何產(chǎn)品的進化都是經(jīng)過嬰兒期、成長期、成熟期和退出期等4個時期，進化規(guī)律的發(fā)展如同S曲線(圖1)。圖中橫坐標(biāo)為時間，表示產(chǎn)品一項核心技術(shù)所推出一系列產(chǎn)品的時間；縱坐標(biāo)為產(chǎn)品性能，表示產(chǎn)品核心技術(shù)的性能提升，其值在一定自然限制內(nèi)[2]。TRIZ技術(shù)進化理論通過產(chǎn)品專利數(shù)量、專利級別、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品利潤等方面考察各參量隨時間的演進變化趨勢，形成產(chǎn)品技術(shù)生命周期演進規(guī)律的專利特性曲線(圖2)。

產(chǎn)品的技術(shù)成熟度預(yù)測就是確定當(dāng)前產(chǎn)品在專利特性曲線上的位置。通過成熟度預(yù)測可以為企業(yè)提供戰(zhàn)略依據(jù)，圖1 S曲線處于嬰兒期的產(chǎn)品，由于性能不完善，專利等級較高但專利數(shù)量較少，企業(yè)經(jīng)濟收益也為負，此時應(yīng)加大投入。處于成長期的產(chǎn)品，性能得到較快提升，專利數(shù)量增多但專利等級開始下降，企業(yè)經(jīng)濟收益也開始增加，此時應(yīng)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、參數(shù)等指標(biāo)，使其盡快進入成熟期。處于成熟期的產(chǎn)品，性能已達到最佳狀態(tài)，專利數(shù)量大批量增加，等級也繼續(xù)降低，企業(yè)應(yīng)研發(fā)新的核心技術(shù)使產(chǎn)品升級換代，從而在未來市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。處于退出期的產(chǎn)品，企業(yè)的利潤會急劇下降，這時企業(yè)應(yīng)研發(fā)一種新系統(tǒng)來替代現(xiàn)有系統(tǒng)。

圖3 彌補缺陷專利特性曲線

Darrell Mann受Altshuller專利考察模式的啟發(fā)，在專利研究中引入了彌補缺陷和降低成本這兩種特殊的專利，通過考察這兩類專利在生命周期曲線中的分布情況(圖3)，來快速判斷產(chǎn)品技術(shù)是否已經(jīng)過了成熟期[3]。

1.2 運用專利數(shù)量預(yù)測技術(shù)

專利數(shù)據(jù)定量測算法是以專利信息的計量數(shù)據(jù)作為分析研究基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)公式對專利的數(shù)據(jù)進行分析從而預(yù)測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。主要包含四個技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)生長率(v)、技術(shù)成熟度系數(shù)(α)、技術(shù)衰減系數(shù)(β)和新技術(shù)特征系數(shù)(N)，預(yù)測方法如表1[5]。

表1 技術(shù)預(yù)測

該技術(shù)是通過對長時期累計的專利數(shù)據(jù)進行計算，從而預(yù)測技術(shù)成熟度的成長期、成熟期和衰退期及新技術(shù)的產(chǎn)生等。此方法簡單方便，但對專利數(shù)據(jù)的完整性要求較高。

2 技術(shù)成熟度預(yù)測步驟

產(chǎn)品技術(shù)成熟預(yù)測主要按下面的7個步驟進行[4]：

(1)檢索專利數(shù)據(jù)。專利數(shù)據(jù)的來源決定著產(chǎn)品預(yù)測的關(guān)鍵，企業(yè)要明確所處的競爭環(huán)境，選擇合適的專利數(shù)據(jù)庫進行檢索，通過關(guān)鍵字、國際專利分類號檢索專利名稱或?qū)＠邪淖址M行查詢。

(2)篩選專利數(shù)據(jù)。查看關(guān)鍵詞檢索出的專利是否屬于技術(shù)研究領(lǐng)域，必要時通過專利摘要清洗無關(guān)專利，保證專利數(shù)據(jù)的可靠性。

(3)專利分類和分級。將篩選出來的專利按照Altshuller的專利分級原則(表2)對專利進行分級，并按照是否為彌補缺陷專利或降低成本的專利來進行分類[6]。

表2 專利等級

其中，彌補缺陷的專利是指通過引入補充技術(shù)、結(jié)構(gòu)或方法來彌補專利所指的技術(shù)中所存在的缺陷，以在不致對技術(shù)系統(tǒng)做出太多改變的前提下提高技術(shù)性能。降低成本的專利是指能夠使產(chǎn)品的成本降低，從而使產(chǎn)品的市場價格降低的專利。

(4)專利匯總統(tǒng)計。對專利數(shù)據(jù)逐年進行匯總，統(tǒng)計每年的專利數(shù)量，專利平均等級，彌補缺陷的專利數(shù)量，同時統(tǒng)計出產(chǎn)品的銷售數(shù)量。

(5)生成曲線圖。將統(tǒng)計匯總出的數(shù)據(jù)運用MATLAB工具進行曲線擬合，可采用多階進行曲線擬合，自動選擇最優(yōu)擬合曲線。并根據(jù)擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進行比對，對技術(shù)成熟度作出預(yù)判。

(6)產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測。根據(jù)預(yù)判情況，分析產(chǎn)品技術(shù)成熟度組合判據(jù)，判斷技術(shù)的成熟度。

(7)預(yù)測結(jié)論評價。比對兩種方法預(yù)測產(chǎn)品技術(shù)成熟度結(jié)論，分析產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測結(jié)論。

3 液壓挖掘機成熟度預(yù)測研究

本文用來分析的專利數(shù)據(jù)采集來自中國專利數(shù)據(jù)庫(http：//www.pss-system.gov.cn/)，通過搜索“液壓挖掘機”關(guān)鍵詞，共檢索出1707件專利申請(截止2016年12月)，其中包括發(fā)明、實用新型和外觀設(shè)計專利。通過人工對專利摘要和說明書進行分析篩選，清除與液壓挖掘機技術(shù)領(lǐng)域無關(guān)專利，最后確定與液壓挖掘機有關(guān)專利1173件，占比約68.71%。

3.1 基于S曲線液壓挖掘機技術(shù)成熟度分析

在對專利篩選的過程中，同時進行了專利性質(zhì)分類、等級劃分和彌補缺陷專利判定，然后根據(jù)專利等級算出每年專利平均等級。通常，產(chǎn)品的性能參數(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品利潤的數(shù)據(jù)不易獲取，就采用產(chǎn)品銷售量來代替專利獲利能力，同時根據(jù)中國工程機械工業(yè)協(xié)會挖掘機械分會公布的銷售數(shù)據(jù)情況[7-8]，繪制出液壓挖掘機專利信息統(tǒng)計匯總表(表3)。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，用Matlab曲線擬合工具對數(shù)據(jù)采用多階多項式函數(shù)進行曲線，擬合工具計算出與數(shù)據(jù)點的最小殘差的平方和，從而選擇曲線擬合階數(shù)，將擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進行對比，初步預(yù)判現(xiàn)技術(shù)所處時期(圖4-圖7)。

專利數(shù)量曲線。從圖4中發(fā)現(xiàn)，液壓挖掘機專利數(shù)量最初都在較少數(shù)量，從2008年開始數(shù)量快速增長，在2012年達到頂峰后又出現(xiàn)下降趨勢，且專利數(shù)量都在較高的數(shù)量，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比，現(xiàn)正處于成熟期后期到退出期過渡階段。

表3 液壓挖掘機專利信息匯總

圖4 專利數(shù)量與時間曲線

圖5 專利等級與時間曲線

專利等級曲線。從圖5中看出，專利等級最初都在2級以上，一直逐年下降，最終等級都處于第1級與第2級之間，與標(biāo)準(zhǔn)特征曲線對比，現(xiàn)技術(shù)處于生命周期的成熟期。

銷售數(shù)量曲線。從圖6可知，液壓挖掘機的銷售數(shù)量也是一直在上升，從2012年開始銷售量開始出現(xiàn)下降，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比可知，現(xiàn)技術(shù)處于成熟期。

圖6 銷售數(shù)量與時間曲線

彌補缺陷專利曲線。從圖7中可看出，彌補缺陷專利數(shù)從最初的較低水平一直上升到2012年的較大值后開始出現(xiàn)下降，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比可判定技術(shù)處于成熟期。

圖7 彌補缺陷專利與時間曲線

上述專利等級、彌補缺陷和銷售數(shù)量專利與時間曲線預(yù)測液壓挖掘機技術(shù)處于成熟期后期，而專利數(shù)量時間曲線得出液壓挖掘機技術(shù)處于成熟期后期進入退出期。由此預(yù)測，液壓挖掘機技術(shù)正處于成熟期。

3.2 基于專利預(yù)測液壓挖掘機技術(shù)分析

液壓挖掘機在這20年的專利變化情況，可以反映出該項技術(shù)發(fā)展的生命周期。而在運用專利數(shù)量預(yù)測時，首先需要根據(jù)專利數(shù)量分出每年的發(fā)明、實用新型和外觀設(shè)計專利的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)已有的這些數(shù)據(jù)分別計算出生長率v，技術(shù)成熟度α，衰減系數(shù)β和新技術(shù)特征N的值，并生成發(fā)明、新型實用、外觀設(shè)計專利與生長率、成熟度、衰減系數(shù)和新技術(shù)特征關(guān)于時間變化的表格(表4)。

表4 專利數(shù)量與預(yù)測指標(biāo)變化表

圖8 預(yù)測指標(biāo)曲線圖

根據(jù)表4作曲線擬合得出專利數(shù)量預(yù)測指標(biāo)曲線圖(圖8)，從圖中可以看出生長率v在逐年降低，說明該技術(shù)沒有處于穩(wěn)定的生長期，成熟度系數(shù)α值逐年在變小而趨于平穩(wěn)，說明該技術(shù)顯示進入成熟期，衰減度系數(shù)β值在逐年上升后平穩(wěn)并有下降趨勢，說明該技術(shù)即將進入衰減期，技術(shù)特征值N在平穩(wěn)中有上升，說明該技術(shù)現(xiàn)技術(shù)特征在逐步增強，各方面性能都在趨于上升。由此可預(yù)測，液壓挖掘機技術(shù)正處于成熟期。

4 成熟度評價與預(yù)測

由于我國液壓挖掘機技術(shù)和專利制度起步比較晚，1967年我國才有自主研制液壓挖掘機，1985年才開始發(fā)展專利數(shù)據(jù)庫，而我國的液壓挖掘機技術(shù)最開始都是在模仿、吸收國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1994年，國際挖掘機知名企業(yè)先后與國內(nèi)同類企業(yè)建立了合資和獨資企業(yè)，這些企業(yè)完成了國內(nèi)挖掘機新一輪的技術(shù)更新，大大提高了液壓挖掘機的作業(yè)性能，使我國的液壓挖掘機技術(shù)在經(jīng)歷了短暫的嬰兒期之后，很快進入了成長期。進入成長期后，液壓挖掘機技術(shù)每年都在穩(wěn)步上升，尤其是在2008年，在國家4萬億投資利好政策環(huán)境下，各企業(yè)開始大力發(fā)展挖掘機的技術(shù)特性，使液壓挖掘機的性能得到飛速的提升。而到2012年液壓挖掘機的專利申請和技術(shù)基本達到高峰點，從2013年開始，液壓挖掘機的專利申請數(shù)、專利等級、彌補缺陷專利數(shù)和銷售數(shù)量均呈下滑趨勢。

根據(jù)以上兩種方法的分析預(yù)測可知，我國的液壓挖掘機正處于成熟期，到現(xiàn)在幾乎所有的性能參數(shù)都能達到較好，企業(yè)雖然可以通過進一步降低成本和彌補缺陷來改進優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，但對于長期競爭發(fā)展要求來說，建議企業(yè)開發(fā)新一代核心技術(shù)，推出新一代產(chǎn)品，進一步提升挖掘機整體性能，才能在未來的競爭中取勝。

5 結(jié)束語

本研究在分析液壓挖掘機技術(shù)特點和基于專利數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，運用S曲線的專利數(shù)量、等級、彌補曲線專利和銷售量曲線方法，同時結(jié)合專利數(shù)據(jù)定量測算方法對液壓挖掘機技術(shù)成熟度進行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果為企業(yè)制定戰(zhàn)略決策，加快企業(yè)創(chuàng)新和新產(chǎn)品的開發(fā)，提高市場競爭力具有重要意義。

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