基于文献和专利分析的海洋工程与技术热点识别及发展态势研究*

杜尊峰 陈香玉 朱海明

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300354；2.国家知识产权战略实施（天津大学）研究基地，天津 300072）

海洋工程与技术，指用于研究海洋自然现象及规律，开发利用海洋资源、保护海洋生态环境所使用的各种技术，以及为实现上述海洋研究、资源开发与海洋保护而形成的各种设备、系统、工程的总体。发展海洋工程与技术是我国实现“海洋强国”战略目标的重要前提和基础。

海洋工程与技术的研究领域分布广泛，近年的研究热点主要包括海上油气、矿产、交通、可再生能源等在内的海洋资源开发，以及基于水下、海面和天空的海洋探测，具体研究内容涵盖科学理论、产品设计、装备制造、运营规划等方面。1）在海洋资源开发领域，随着浅水区油气资源趋于枯竭，海上油气勘探开采正在向深水发展［1］，数字化［2］与智能化［3］、环保［4］与安全［5］问题成为当下海上油气平台的研究热点。海洋矿产方面，俄罗斯、英国、德国、巴布亚新几内亚与我国是海洋采矿活动的主要国家，正在积极推进海洋采矿项目的研究与试点［6］，以解决海洋采矿设备技术不成熟、海洋生态环境影响［7］等首要问题。随着技术的不断进步，海洋交通格局也在发生变化，《2030全球海洋技术趋势》［8］预测造船、动力推进、智能、材料、数据等技术将成为海运业的新兴热点。此外，各国可再生能源开发技术也日趋成熟：欧洲国家在海上风电技术领域处于领先地位，“十三五”以来，我国海上风电也发展迅速，成为仅次于英德的世界第三大海上风电国家；在波浪能、潮汐能开发方面，英国美国技术发达，韩国则通过与欧洲合作以谋求潮汐能发电技术的不断进步［9］，但各国在能源利用率［10］、商业化运营［11］、政策过渡［12］等方面仍有待进一步完善。2）海洋探测是进行海洋科学研究与环境保护的基础，依赖于先进的遥感、潜航、测量等探测技术。卫星遥感方面，其发展更专注于连续性观测与全面协调能力，美国在该领域处于领先地位，欧洲重点发展由多颗卫星构成的综合观测系统，俄罗斯、日本、加拿大、印度和我国也陆续发射了各种海洋卫星［13］。水下机器人方面，美国 Bluefin、REMUS系列Autonomous Underwater Vehicle（AUV）已完全实现产业化，英国 Autosub系列AUV、挪威 HUGIN系列 AUV、日本 Kaiko号Remotely Operated Vehicle（ROV）以及我国潜龙系列AUV等一些国家的产品也拥有较高的技术优势［14］。随着探测范围不断扩大，探测环境更加复杂，水下机器人的导航、控制、传感等问题成为当前的研究热点与难点［15］。DeepOcean Engineering、ECA Group等全球水下机器人运营公司致力于通过创新、并购、合作等战略来扩大市场份额［16］，我国也在部署大量的海洋探测计划与设备研发工作，以推动深海探测技术的全面、深入发展［17］。

可以看出，随着第四次工业革命的浪潮逼近与可持续海洋经济理念的提出，全球海洋工程与技术领域正经历新旧技术结合与多元学科融合的变革。我国虽陆续颁布《船舶工业深化结构调整加快转型升级行动计划（2016—2020年）》《海洋工程装备制造业持续健康发展行动计划（2017—2020年）》等规划，产业转型升级处于加速推进中、技术创新体系也逐步完善，但在关键技术研发、核心装备设计、产品质量服务等方面，我国发展水平同欧美、日韩等国家相比仍存在较大差距［18］。因此，研究海洋工程热点技术及其发展态势，从而为我国制定该领域技术发展战略与策略提供相应的理论依据是十分必要的。

文献与专利分析可以反映出相关领域的技术热点与其发展态势。Muhuri［19］等通过文献计量法总结了工业4.0领域的新兴技术增长情况与应用热点。Wang［20］等通过对文献的发表量、关键词与研究机构分析，以及对专利的申请量分析，研究了我国纳米发电机的技术现状。Adamuthe［21］等根据专利数据绘制了计算机技术的S型增长曲线，以预测其发展速度。霍艳飞［22］从专利的技术、经济与法律价值入手，评估了我国医药产业的专利质量与发展态势。在海洋工程与技术领域，也有不少学者利用文献、专利来研究技术的发展热点及其态势。吴秀平［23］等基于文献关键词的频数信息分析了全球海洋油气资源的前沿热点。王亚凤［24］通过专利申请量与专利分布分析了我国重点船企与高校的海洋工程与技术发展现状。Zhang［25］等也是根据专利数据明确了我国海上风电的产业化水平。丁礼谦［26］等则利用专利价值指标研究了全球智能船舶的技术竞争力大小。纵观这些研究发现，海洋工程与技术领域下的热点分析多以专利分析或文献计量为出发点，缺乏二者的综合分析，难以反映出技术热点从研究到应用阶段的变化情况，且研究格局具有一定的限制性，要么是仅就我国发展情况进行分析，国际视野不足，要么是集中于海洋工程与技术的某一领域，缺少对整个产业的研究。为全面识别技术热点，Li［27］等同时对文献关键词和专利关键词进行文本挖掘，根据关键词的首次出现时间、近3年的频数增长率，预测出了钙矿太阳能电池技术的发展热点。本文将在此研究的基础上，进一步从技术发展历史与空间布局两个维度确定热点技术的发展态势。

综上，为探索全球海洋工程与技术发展趋势，本文综合对比了该领域文献与专利数据的关键词聚类、频数增长情况，以识别出海洋工程与技术热点。并依据技术成熟度理论，确定这些热点技术所处的发展阶段；以专利价值为指标，研究主要国家与机构的技术竞争力大小，从而较为全面地分析热点技术的发展态势，提出我国在相应领域的发展建议。

1 研究设计

1.1 数据来源

本文以Web of Science核心合集数据库为文献数据来源，检索式为TI＝（（ocean OR offshore OR sea ORmarine）AND（techn*ORmethod）），检索时间跨度为2010—2019年，文献类别选定期刊与论文，在学科类别中排除食品科学、医药科学、动植物学等不相关学科，最终检索文献6076篇。专利数据取自德温特专利数据库（Derwent Innovations Index，DII），标题检索式、时间与论文检索条件一致，国际专利分类号（International Patent Classification，IPC）排除（A*AND D*AND C01 AND C03-08 AND C11-14 AND C25-C99）这些不相关类别，最终检索专利22312件。

1.2 分析方法

本文基于文献与专利视角，对当前海洋工程与技术的热点及其发展态势进行分析，具体研究框架如图1所示。

图1 海洋工程与技术热点识别及其发展态势研究框架Fig.1 The Research Framework of Identification and Development of the Ocean Engineering and Technology Hotspots

本文首先利用CiteSpace软件对文献和专利关键词分别进行聚类与频数增长分析，通过文献、专利分析结果的相互补充与验证，更为科学、全面地确定出海洋工程与技术热点；然后进一步研究这些热点的发展态势。由于专利数据较文献数据更能反映技术的应用状况，因此本研究在专利数据的基础上，通过Logistics回归方法绘制出热点技术S型增长曲线来评估技术成熟度水平，同时利用Innojoy专利价值指标来衡量技术在国际上的竞争力，并据此为我国提出相应建议。具体方法原理如下：

1）根据发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）技术的进化同其他产品进化一致，都遵循特定的规律，即发展呈现出S型增长趋势，生命周期包括婴儿期、成长期、成熟期与衰退期。对S型增长曲线的拟合可以采用Logistics逻辑回归，具体拟合模型见公式（1）。

其中，P（t）表示第t年的专利累积件数，k表示S型增长曲线的饱和水平，区间［k×0.1，k×0.9］基本上代表了技术成长期与成熟期的时间长度，α表示曲线在转折点处的斜率，即技术成长率，代表曲线的转折点时间［28］。

2）专利价值是判断专利所代表的技术实力高低的重要指标，反映了专利在技术强度、法律效力、市场范围等方面的情况［29］。根据中国技术研究所颁布的《专利价值分析指标体系操作手册》［30］，专利价值由法律价值、技术价值与经济价值共同决定。实际应用中，Innojoy作为一种专利检索与分析系统，引入了大为专利指数（Dawei Patent Index，DPI），在上述三维度基础上又增加了市场价值和战略价值，构成五维度价值体系，如公式（2）所示，以分值和星级的形式呈现专利价值。本文利用DPI研究热点技术的竞争力水平，检索条件同DII一致。

其中，P代表专利价值度，L、T、E、M、S分别代表法律、技术、经济、市场与战略价值度，α、β、γ、δ、ε分别对应其权重系数，且α＋β＋γ＋δ＋ε＝1。

2 热点技术识别

2.1 关键词聚类

使用CiteSpace软件对文献与专利关键词进行聚类。由表1可知，文献关键词聚类规模分布均匀，各聚类簇轮廓系数均介于0～1之间，说明这些聚类结果合理有效。序号1～4的聚类词由于轮廓系数较小，簇间可能存在重叠现象。

表1中，电磁法主要用于海洋地质调查、油气与矿产等资源勘探，湿法洗涤用于工业气体脱酸、废气处理，船舶辐射噪声与方位跟踪、监测识别相关。因此，可以认为聚类结果体现在可再生能源、渔业影响、油气勘探与处理、船舶探测以及船舶运动五方面。

表1 海洋工程与技术文献关键词聚类结果Tab.1 Keyword Clustering Results of Ocean Engineering and Technology Literature

相比文献聚类结果，专利聚类因其数量庞大，簇规模也更大，且轮廓系数普遍接近于1，说明其聚类结果中，各簇的内聚度与分离度更优（表2）。

表2 海洋工程与技术专利关键词聚类结果Tab.2 Keyword Clustering Results of Ocean Engineering and Technology Patents

从技术功能角度对聚类词进行划分，由于微晶蜡主要用于船舶涂料方面，碳纳米管应用于电子材料、燃料电池、防腐涂层等领域，因此聚类结果包括油气处理、船体结构、材料涂层、电力设备以及动力装置。

对比表1和表2，发现仅有油气处理同时出现在文献与专利聚类结果中，文献聚类结果中的可再生能源、船舶探测、船舶运动代表一些较为基础、泛化、模糊的研究内容，并未出现在专利聚类结果中；相反，专利聚类多呈现出包括船体结构、材料涂层和电力设备等在内的具体应用类技术。可见，文献体现了技术的研究方法与进程，而专利更多地代表着已经成熟、成型的技术，这也在一定程度上反映了专利增长滞后于文献增长的现象。

2.2 关键词频数增长

为深入探讨海洋工程与技术在最近几年的发展情况，对2015—2019年关键词频数增长率变化进行分析。

表3列出了总频数排名靠前28个文献关键词，由于模型、系统、优化等虚词对技术热点的研究意义不大，已在表中省略，整体增速由2019年关键词频数相比于该关键词在首次出现年份的频数计算得到。

表3 高频数文献关键词Tab.3 Keywords of High-frequency Literature

表3可见，整体增速前10的关键词有排气、神经网络、船舶探测、船舶运动、风险管理、电力、预测、图像、雷达和可再生能源。其他增长缓慢的关键词中，不确定性、渔业、能源、动态、稳定性、风机等虽逐渐进入或曾经位于年频数排名前10的关键词行列，但其分布零星、增长不连续，不足以反应出技术发展态势。

CiteSpace软件对专利关键词的分析以德温特手工代码（Derwent Manual Code，DMC）形式呈现，表4列出了近5年频数排名靠前的21个关键词及其DMC代码。

排名前10的专利关键词有计算机辅助设备、非化石能源、过程和机器控制、电力分布与传送、物化过程/装置、数字计算机、非金属涂料、发动机、警报信号遥测和工程仪表。此外，雷达系统、航道疏浚和油气开采尽管增速缓慢，但发展规模庞大，一直位列年频数排名前10位，在热点识别时也应予以考虑。

对比表3和表4，发现频数增长较快的文献关键词基本上都体现在专利关键词中，说明文献增长与专利增长具有一致性，但后者中多了非金属涂料和发动机，这可能与它们较强的工程实践性有关。

表4 高频数专利关键词Tab.4 Keywords of High-frequency Patents

2.3 热点技术识别结果

综合关键词聚类与频数增长分析结果，初步识别出海洋工程与技术热点，如表5所示。

表5 海洋工程与技术热点Tab.5 Ocean Engineering and Technology Hotspots

其中，渔业影响、浮式离岸风机仅在聚类分析中表现突出，近5年热度不如其他关键词；风险管理、航道疏浚近年来增势迅猛，但发展较分散，聚类效果并不显著。综合同时出现在聚类与频数增长结果中的关键词，最终确定八类热点技术。

3 热点技术发展态势研究

3.1 技术成熟度

根据上文检索条件，对 DII数据库2000—2019年的年累计专利量进行Logistics逻辑回归，得到相应的S型增长曲线，以确定技术所处的发展时期（图2）。

图2可知，八类技术总体上处于成长期或成熟期。动力推进、电力系统和目标探测与预测三类技术的市场规模较大，其余五类规模较小。

1）动力推进经过几十年的发展变化，2019年增速下降，处于技术成熟期，逐渐接近技术衰退期，如图2a，此阶段发动机产量稳定、性能接近极限，且回报率逐渐降低，有害效应日益凸显。2）电力系统位于技术成熟期初期，已经具备了电力推进、风电开发、综合用电等细分市场，且有所获利。3）目标探测与预测技术发展速度稍慢，2019年仍在技术成长期后期，且临近发展转折点，市场逐渐细分为自主船舶运输、海洋环境监测等领域，技术性能正逐渐提升。4）剩余五类热点技术中，图2d所示的防腐涂层技术的饱和点较高，2035年累计专利申请量将超过4000件，2019年位于技术成长期，在我国船舶制造业升级革新的推动作用下，未来两三年内将步入技术成熟期。5）雷达系统、油气勘探与处理、运动与结构响应技术的S型增长曲线具有相似性，都位于成熟期初期，其技术市场稳固，且仍在不断扩大，技术性能也在逐渐整合与简化。6）可再生能源开发的技术饱和点最低，说明其整体性的研究较其他热点技术少，从2010年开始出现大规模的新能源研究热潮，到2019年该热点已处于成熟期，代表着包括太阳能、风能等主流可再生能源的研发技术逐渐进入成熟期，然而，为实现经济利益，这些细分领域还面临技术性能、法律政策等问题。

图2 热点技术的S型增长曲线Fig.2 S-shaped-curve of Technology Hotspots

3.2 技术竞争力

利用Innojoy软件计算海洋工程与技术领域内整体专利价值排名靠前的25个企业与研究机构在热点技术领域下所有专利DPI的总和，得到技术矩阵图（图3，气泡大小代表DPI高低，反映技术竞争力水平）。

由图3可知：1）动力推进技术市场规模最大、分布最广，绝大部分的船海企业及科研机构在该领域都有一定份额，我国与美、法、韩国技术竞争力较强。2）电力系统方面，我国中船重工、中海油等企业和国内高校的技术发展较为均衡，与德国Siemens公司、美国通用电气公司和韩国海洋科学研究所的技术实力相当。3）由于目标探测与预测技术现阶段还未大规模投入应用，科研院所的技术竞争力普遍强于船海企业。我国中科院、哈尔滨工程大学等高校与韩国海洋科学研究所在该领域占据重要席位。4）防腐涂层技术主要分布于我国中科院、中船工业与中海油，这很有可能与我国造船大国的国际地位有关，且国外相关技术公司因其整体技术实力较弱而未上榜。5）受市场规模影响，雷达系统竞争力相比其他热点技术普遍较低，我国与日韩的技术实力处于同一水平。6）在油气勘探与处理技术方面，韩国大宇造船技术竞争力最高，中海油、芬兰Wartsila等公司位列其后。7）运动与结构响应方面，我国技术实力领先，相关机构包括中船重工、大连理工大学和中海油等，国外发展较快的有美法TechnipFMC油服公司、荷兰Huisman海洋装备公司等。8）可再生能源开发方面，国内大连理工大学、丹麦Vestas风机集团与美国通用电气公司的专利价值最高，技术竞争力水平较高。

图3 海洋工程与技术热点竞争力矩阵Fig.3 Competitiveness Matrix of Ocean Engineering and Technology Hotspots

综合来看，国外有关热点技术的研究与发展多集中在船海企业，研究机构则十分少见，技术发展以集中化与高技术性为特点，往往以质量取胜。例如，美、法在动力推进领域占据主导位置，韩国在油气勘探与处理领域领先，丹麦在可再生能源技术方面实力较强，而这些国家在其他热点技术领域则少有涉猎。与此不同，我国采取了一种船海企业与研究机构共同研发技术的模式，对各大热点技术均有所涉及，凭借众多的企业、机构数量与广泛的科研范围来提升技术竞争力。具体来看，在电力系统、目标探测与预测、雷达系统、防腐涂层以及运动与结构响应技术领域，我国总体水平较高；但在动力推进领域，由于国际竞争激烈，我国技术难以突出竞争重围，这也说明我国在该领域的技术实力较国外先进企业仍有所差距。此外，由于韩国、芬兰等国家在资源开发（包括油气与可再生能源）领域份额较大，我国缺乏核心科技储备，因此处于竞争劣势。

4 结论与建议

通过对技术热点及其发展态势的分析发现，海洋工程与技术热点涵盖了产业“新旧”技术，包括动力推进、电力系统、目标探测与预测、防腐涂层、雷达系统、油气勘探与处理、运动与结构响应以及可再生能源开发。这些技术在国际上多处于成长期和成熟期，且我国技术竞争力水平高低不同，具体情况如表6所示。

表6 热点技术发展态势Tab.6 Development Trend of Technology Hotspots

基于表6，为我国海洋工程与技术发展方向与策略提出以下建议：

1）对于技术竞争力低下且位于成熟期的技术，我国已经丧失了先发优势，未来发展应考虑走自主创新道路，同时集中整合产业链，最大化全产业链的技术价值。（1）对于动力推进技术，传统动力发展已进入成熟期，电力推进市场将逐渐扩大，因此，我国可以借鉴电动车市场“弯道超车”的经验，开发柴油机节能减排技术，挖掘有潜力的零碳燃料供应链，推进柴油机与其他动力版块协同作用。（2）海洋油气产业由于资金壁垒和技术壁垒较高，国内仅有少数大型国有企业才有实力施展拳脚，在海上油气不断走向深水的背景下，建议调整我国油气装备产业结构，提高产业链中每一环节的附加值，利用科研院所拥有的专业优势孵化技术，同时坚持海外发展和科技创新，以提升综合竞争能力。（3）近些年，我国可再生能源技术逐渐追赶上来，但一些关键技术与装备仍依赖于国外进口，未来要实现技术赶超，首先应突破海上风机、潮流能发电机等设备的关键建造技术，实现供应链主要大部件的国产化，其次，需提供良好的政策环境来支持新能源技术发展。

2）针对处于成长期且我国竞争力高的技术，产业前景广阔，建议拓宽技术市场，并不断提高产品性能。（1）在目标探测与预测技术领域，应提高数字化设计的技术储备水平，深度融合传统设计、制造技术、现代信息通讯与人工智能技术。（2）为推进我国防腐技术在海洋工程领域的广泛应用，考虑强化质量品牌建设，研发新型环保、低表面处理、便于维修清理的长效防腐涂层。

3）对发展处于成熟期、竞争力较高的技术，需要继续稳固市场，同时通过系统间的简化、技术间的融合等方式来降低成本，进而提升服务能力。（1）我国电力推进市场逐渐扩大，但产业化进程较慢，建议通过产学研合作占据先机、攻克产业化瓶颈，重点发展船舶综合电力推进技术。（2）我国雷达产业化程度多有不足，技术融合还存在问题，未来应寻求多种信号源的有机融合和灵活运用，提高数据的标准化水平，拓宽产品的多样化应用市场。（3）有关运动与结构响应的技术研究应多体现在各类应用层面上，未来发展需注重对系统安全性的理论研究以提高结构监测水平。

由于本文对技术成熟度的研究以最近二十年为基础，未考虑技术S型曲线的跃迁式变化，在详细规划热点技术发展路线图时，还需综合考虑技术的整个生命周期［31］。对文献与专利的聚类分析，也依赖于聚类算法与软件的优化，随着人工智能的迅速发展，未来对数据信息的分析与评估将更加高效、精确。

致谢 感谢天津大学海洋科学与技术学院英才副教授周清基对论文提出的宝贵意见与帮助！