基于专利分析的液压挖掘机技术成熟度研究*

时间：2024-07-28

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(1.四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065；2.四川邦立重机有限责任公司，四川泸州 646006)

0 引言

液压挖掘机是通过液压循环系统来驱动工作装置用挖斗进行挖掘作业的建筑工程机械，它是机械行业的晴雨表。根据权威机构统计，世界上各种土方工程中大约有65%～70%的土方量是由液压挖掘机来完成的[1]。我国从上世纪50年代引进当时苏联的机械式液压挖掘机开始，到现在已有60多年的发展历史，液压挖掘机的技术得到不断完善和改进，各种机重、功率和铲斗容量的产品层出不穷，企业之间的竞争也随之加剧。而要在这激烈的市场竞争中取胜，需要把握当前产品技术的成熟度，才能高效快速地开发出新产品。为此，对液压挖掘机技术成熟度的预测就显得尤为重要。

在运用专利预测产品技术成熟度上，Altshuller通过产品性能、专利等级、专利数量和获利能力之间的关系预测产品技术成熟度[2]。Mann重点考察弥补缺陷和降低成本专利在产品技术生命周期中的分布情况来判断产品技术是否过了成熟期[3]。Aurigin通过研究专利被索引次数来确定专利等级进行成熟度预测。刘玉琴通过文本挖掘研究专利新颖度来预测技术成熟度。张换高教授在综合Altshuller和Mann研究成果基础上，研发出基于专利分析的产品技术成熟度预测TMMS系统[4]。杨武提出根据专利数据定量测度计算出技术增长速度、成熟度系数、衰老系数和新特征系数进行技术成熟度预测的方法[5]。

在Altshuller模式中产品不同时期有不同的性能指标，且企业的获利能力涉及到商业秘密也很难获取。在Mann的考察模式中，只能判断产品技术是否过了成熟期，其他三个时期都不适用。Aurigin考察的专利被索引次数在涉及引用技术很少的技术领域不适用。刘玉琴的技术新颖度只是单个指标不能直接用于预测技术成熟度。而在TMMS系统中曲线拟合采用多项式拟合算法，需用户选择拟合曲线存在误差。杨武的专利数据定量测算法未对专利进行分析，预测结果较为片面。

基于此，本研究在介绍基于专利分析的产品成熟度预测技术基础上，运用S曲线中专利数量和专利等级特性曲线，以产品销售数量替代企业获利能力，结合Mann的弥补缺陷专利综合预测产品成熟度。同时，运用专利数据定量测算的方法，从两方面采取优势互补来预测产品技术成熟度。

1 基于专利分析产品技术成熟度预测技术

1.1 运用TRIZ理论的S曲线预测技术

图1 S曲线

图2 专利特性曲线

前苏联发明家Altshuller通过对各国、各行业专利的研究发现，任何产品的进化都是经过婴儿期、成长期、成熟期和退出期等4个时期，进化规律的发展如同S曲线(图1)。图中横坐标为时间，表示产品一项核心技术所推出一系列产品的时间；纵坐标为产品性能，表示产品核心技术的性能提升，其值在一定自然限制内[2]。TRIZ技术进化理论通过产品专利数量、专利级别、产品性能、产品利润等方面考察各参量随时间的演进变化趋势，形成产品技术生命周期演进规律的专利特性曲线(图2)。

产品的技术成熟度预测就是确定当前产品在专利特性曲线上的位置。通过成熟度预测可以为企业提供战略依据，图1 S曲线处于婴儿期的产品，由于性能不完善，专利等级较高但专利数量较少，企业经济收益也为负，此时应加大投入。处于成长期的产品，性能得到较快提升，专利数量增多但专利等级开始下降，企业经济收益也开始增加，此时应优化其结构、参数等指标，使其尽快进入成熟期。处于成熟期的产品，性能已达到最佳状态，专利数量大批量增加，等级也继续降低，企业应研发新的核心技术使产品升级换代，从而在未来市场竞争中占据优势。处于退出期的产品，企业的利润会急剧下降，这时企业应研发一种新系统来替代现有系统。

图3 弥补缺陷专利特性曲线

Darrell Mann受Altshuller专利考察模式的启发，在专利研究中引入了弥补缺陷和降低成本这两种特殊的专利，通过考察这两类专利在生命周期曲线中的分布情况(图3)，来快速判断产品技术是否已经过了成熟期[3]。

1.2 运用专利数量预测技术

专利数据定量测算法是以专利信息的计量数据作为分析研究基础，通过数学公式对专利的数据进行分析从而预测技术的发展状况。主要包含四个技术指标：技术生长率(v)、技术成熟度系数(α)、技术衰减系数(β)和新技术特征系数(N)，预测方法如表1[5]。

表1 技术预测

该技术是通过对长时期累计的专利数据进行计算，从而预测技术成熟度的成长期、成熟期和衰退期及新技术的产生等。此方法简单方便，但对专利数据的完整性要求较高。

2 技术成熟度预测步骤

产品技术成熟预测主要按下面的7个步骤进行[4]：

(1)检索专利数据。专利数据的来源决定着产品预测的关键，企业要明确所处的竞争环境，选择合适的专利数据库进行检索，通过关键字、国际专利分类号检索专利名称或专利摘要中包含的字符进行查询。

(2)筛选专利数据。查看关键词检索出的专利是否属于技术研究领域，必要时通过专利摘要清洗无关专利，保证专利数据的可靠性。

(3)专利分类和分级。将筛选出来的专利按照Altshuller的专利分级原则(表2)对专利进行分级，并按照是否为弥补缺陷专利或降低成本的专利来进行分类[6]。

表2 专利等级

其中，弥补缺陷的专利是指通过引入补充技术、结构或方法来弥补专利所指的技术中所存在的缺陷，以在不致对技术系统做出太多改变的前提下提高技术性能。降低成本的专利是指能够使产品的成本降低，从而使产品的市场价格降低的专利。

(4)专利汇总统计。对专利数据逐年进行汇总，统计每年的专利数量，专利平均等级，弥补缺陷的专利数量，同时统计出产品的销售数量。

(5)生成曲线图。将统计汇总出的数据运用MATLAB工具进行曲线拟合，可采用多阶进行曲线拟合，自动选择最优拟合曲线。并根据拟合曲线与标准曲线进行比对，对技术成熟度作出预判。

(6)产品技术成熟度预测。根据预判情况，分析产品技术成熟度组合判据，判断技术的成熟度。

(7)预测结论评价。比对两种方法预测产品技术成熟度结论，分析产品技术成熟度预测结论。

3 液压挖掘机成熟度预测研究

本文用来分析的专利数据采集来自中国专利数据库(http：//www.pss-system.gov.cn/)，通过搜索“液压挖掘机”关键词，共检索出1707件专利申请(截止2016年12月)，其中包括发明、实用新型和外观设计专利。通过人工对专利摘要和说明书进行分析筛选，清除与液压挖掘机技术领域无关专利，最后确定与液压挖掘机有关专利1173件，占比约68.71%。

3.1 基于S曲线液压挖掘机技术成熟度分析

在对专利筛选的过程中，同时进行了专利性质分类、等级划分和弥补缺陷专利判定，然后根据专利等级算出每年专利平均等级。通常，产品的性能参数指标及产品利润的数据不易获取，就采用产品销售量来代替专利获利能力，同时根据中国工程机械工业协会挖掘机械分会公布的销售数据情况[7-8]，绘制出液压挖掘机专利信息统计汇总表(表3)。

根据表3数据，用Matlab曲线拟合工具对数据采用多阶多项式函数进行曲线，拟合工具计算出与数据点的最小残差的平方和，从而选择曲线拟合阶数，将拟合曲线与标准曲线进行对比，初步预判现技术所处时期(图4-图7)。

专利数量曲线。从图4中发现，液压挖掘机专利数量最初都在较少数量，从2008年开始数量快速增长，在2012年达到顶峰后又出现下降趋势，且专利数量都在较高的数量，与标准曲线对比，现正处于成熟期后期到退出期过渡阶段。

表3 液压挖掘机专利信息汇总

图4 专利数量与时间曲线

图5 专利等级与时间曲线

专利等级曲线。从图5中看出，专利等级最初都在2级以上，一直逐年下降，最终等级都处于第1级与第2级之间，与标准特征曲线对比，现技术处于生命周期的成熟期。

销售数量曲线。从图6可知，液压挖掘机的销售数量也是一直在上升，从2012年开始销售量开始出现下降，与标准曲线对比可知，现技术处于成熟期。

图6 销售数量与时间曲线

弥补缺陷专利曲线。从图7中可看出，弥补缺陷专利数从最初的较低水平一直上升到2012年的较大值后开始出现下降，与标准曲线对比可判定技术处于成熟期。

图7 弥补缺陷专利与时间曲线

上述专利等级、弥补缺陷和销售数量专利与时间曲线预测液压挖掘机技术处于成熟期后期，而专利数量时间曲线得出液压挖掘机技术处于成熟期后期进入退出期。由此预测，液压挖掘机技术正处于成熟期。

3.2 基于专利预测液压挖掘机技术分析

液压挖掘机在这20年的专利变化情况，可以反映出该项技术发展的生命周期。而在运用专利数量预测时，首先需要根据专利数量分出每年的发明、实用新型和外观设计专利的数据，然后根据已有的这些数据分别计算出生长率v，技术成熟度α，衰减系数β和新技术特征N的值，并生成发明、新型实用、外观设计专利与生长率、成熟度、衰减系数和新技术特征关于时间变化的表格(表4)。

表4 专利数量与预测指标变化表

图8 预测指标曲线图

根据表4作曲线拟合得出专利数量预测指标曲线图(图8)，从图中可以看出生长率v在逐年降低，说明该技术没有处于稳定的生长期，成熟度系数α值逐年在变小而趋于平稳，说明该技术显示进入成熟期，衰减度系数β值在逐年上升后平稳并有下降趋势，说明该技术即将进入衰减期，技术特征值N在平稳中有上升，说明该技术现技术特征在逐步增强，各方面性能都在趋于上升。由此可预测，液压挖掘机技术正处于成熟期。

4 成熟度评价与预测

由于我国液压挖掘机技术和专利制度起步比较晚，1967年我国才有自主研制液压挖掘机，1985年才开始发展专利数据库，而我国的液压挖掘机技术最开始都是在模仿、吸收国外同类产品的基础上发展起来的。1994年，国际挖掘机知名企业先后与国内同类企业建立了合资和独资企业，这些企业完成了国内挖掘机新一轮的技术更新，大大提高了液压挖掘机的作业性能，使我国的液压挖掘机技术在经历了短暂的婴儿期之后，很快进入了成长期。进入成长期后，液压挖掘机技术每年都在稳步上升，尤其是在2008年，在国家4万亿投资利好政策环境下，各企业开始大力发展挖掘机的技术特性，使液压挖掘机的性能得到飞速的提升。而到2012年液压挖掘机的专利申请和技术基本达到高峰点，从2013年开始，液压挖掘机的专利申请数、专利等级、弥补缺陷专利数和销售数量均呈下滑趋势。

根据以上两种方法的分析预测可知，我国的液压挖掘机正处于成熟期，到现在几乎所有的性能参数都能达到较好，企业虽然可以通过进一步降低成本和弥补缺陷来改进优化现有技术，但对于长期竞争发展要求来说，建议企业开发新一代核心技术，推出新一代产品，进一步提升挖掘机整体性能，才能在未来的竞争中取胜。