基于德尔菲法和层次分析法的“卡脖子”关键技术甄选研究*——以生物医药领域为例

郑国雄 李 伟 刘 溉 练冠华

（广州生产力促进中心（广州创新战略研究院），广州510091）

“卡脖子”技术的概念业界尚未形成统一定义，白春礼院士认为除了已经受到限制，需要及时攻克的核心技术外，“卡脖子”技术还应考虑未来发展长远布局的影响[1]。中科院院士高福教授认为“卡脖子”问题是我们跟世界科技强国相比，遇到的关键核心技术瓶颈。清华大学教授肖广岭认为，“卡脖子”技术具有垄断性、复杂性、重要性等特点[2，3]。苏州大学邢冬梅教授认为“卡脖子”技术是在关键共性技术范围内的一种成熟的、经过市场检验的系统性高新技术，具有先发优势、强积累性及垄断集群效应等特点[4]。电子科技大学教授汤志伟认为，“卡脖子”技术除了在技术领域上有极高的价值外，在国际上的可获得途径也非常少。“卡脖子”技术是属于某个领域的关键核心技术，具有关键核心的战略性、无法替代的垄断性及难以突破的复杂性等[5]。“卡脖子”技术不同于诸如高精尖技术和突破性技术之类的概念，它更多是一项战略技术，对资源限制、经济发展、社会发展、甚至国家安全等方面的因素都要全面考虑，这与技术预见的概念基本一致。技术预见最早追溯到1983年，英国萨塞克斯大学科学技术政策研究中心的一项研究中使用“前瞻性”（远见）术语，该词当时的意思是“找到并确认可以带来最大效益的研究领域”[6，7]。到了 1984年，“技术预见”才正式被提议作为一个学术术语[8]，该词的定义是“在研究领域尝试建立起具有战略潜力的技术，机制和程序”。随着对技术预见的研究热潮的兴起，不同组织已经详细阐述了技术预见的定义。经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）将其定义为：系统地探索科学、技术、经济和社会的长期的过程，目的是寻找可能产生最大经济和社会效益的新技术[9]。亚太经合组织（Asia-Pacific Economic Cooperation，APEC）对技术预见的定义与经合组织的定义基本相同，不同之处在于它强调技术的环境效益[10]。技术预见在很多发达国家和地区已经成为进行科学技术政策研究的重要工具。

结合上述分析，本文认为“卡脖子”技术有以下几个特点：

1）是某个产业的核心技术，对产业链起关键性作用。该技术与企业的生存发展、国家的安全稳定、社会经济的发展都有着密切关系，是产业链高速运行的关键核心技术，同时也是国家发展战略的重要战略技术。

2）为某个团体（联盟、国家、企业）所掌握，具有相对唯一性。“卡脖子”技术内容以及技术相关的产品在全球存在唯一的，难以替代的，存在个别企业或国家、地区对技术垄断的现象。

3）技术的复杂性决定其在短时间内难以突破，往往会成为制约产业发展的瓶颈，首先攻克“卡脖子”技术的一方将拥有巨大的竞争优势。

基于以上分析，可以得到“卡脖子”技术的内涵：“卡脖子”技术是某个产业领域中的关键核心技术，不仅对产业链发展起关键性作用，而且在国际上可以获得的途径很少，从而形成技术垄断的局面。由于技术的复杂性难以突破，技术的垄断带来巨大的竞争优势，将直接威胁到技术需求方企业的生存和国家经济的安全。

生物医药领域一直属于世界各国科研不断取得突破的研究热点，是各国争相抢占的科技创新制高点，是关系国计民生的战略性新兴产业，是继汽车、机械制造业之后的第三大产业，是最具成长性的产业之一，世界主要国家都将生物医药领域作为新的经济增长点。国际上生物医药技术不断取得新突破：考拉、金枪鱼、小龙虾、海蟾蜍、乌龟和鹦鹉等的基因组已得到全面解析[11]；来自美国研究团队采用规律间隔成簇短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）介导的基因编辑技术推出一种新的病毒感染检测系统[12，13]，美国的霍华德·休斯医学研究所和其他机构完成的果蝇完整脑成像技术，清晰度已达到纳米级[14]；哈佛大学基于可折叠脱氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）转子的成像和跟踪（Origami-Rotor-Based Imaging and Tracking，ORBIT）技术，开发了新的单分子成像跟踪技术可用于高通量以及高时空分辨率条件下跟踪DNA分子的旋转[15]，为DNA提供了新的旋转测量和酶动力学研究工具；美国生物科技公司的研究人员将生命的“字母表”数量增加到原来的两倍，并率先合成了8碱基脱氧核糖核酸[16]，因此系统地证明了天然碱基可以和合成碱基互相识别并结合，继而形成稳定的双螺旋结构；英国医学研究理事会分子生物学实验室完成了在完整的基因组水平重新对大肠杆菌进行编码，并用一套人工合成的新遗传密码对其天然基因组进行替代[17]，此举奠定了各种非标准氨基酸重新编码的基础，未来将可用于生产依赖细菌合成的药物。

虽然中国科学家在生物医药技术上在不断探索，在生物制造方面也取得一些突破[18-20]，但是我国生物医药自主创新能力与欧美等发达国家差距仍较为明显，基础研究投入薄弱、突破性进展不多等问题仍然突出。《2019年全国科技经费投入统计公报》指出，我国研发人员人均研发经费以15万美元／人年在国际上处于第三层级，与美国39.6万美元／人年的人均研发经费差距极大；另一方面美国政府医学科研经费支出占国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）的比例超过我国13倍，英、澳的比例约为我们的4倍，我国在财政医学研究经费投入相对较少[21]。随着世界发达国家及主要经济体把科技创新作为未来竞争的焦点，美国等国家凭借其在生物医药等领域拥有的多项关键核心技术垄断权，对我国进行技术封锁，使我国面临“卡脖子”技术困境[22]。

因此，本文选取生物医药领域作为研究对象，参照技术预见方法，设计以德尔菲法为基础、融合社会经济需求调查分析法、层次分析模型、专利分析法等多种定量与定性方法的组合方法，对生物医药领域“卡脖子”关键技术进行甄选，从而清楚呈现我国生物医药领域的技术创新现状，对突破该领域关键核心技术起到指引作用。

1 生物医药领域关键技术梳理

1.1 建立技术数据库

“卡脖子”技术一般来说是某个产业领域的关键核心技术。为了确定某个产业领域的关键核心技术的范围，并同时获得各项技术相应的技术内涵等信息，保证后续识别过程的顺利进行，本文通过搜集国家、各地科学发展计划、相关调查及研究成果、科技白皮书、政府报告、企业调研报告、重点研发计划项目及企业技术需求等信息，建立起生物医药领域重点项目技术数据库。

1.2 识别过程

1.2.1 识别方法

对关键技术梳理方法采用德尔菲法。德尔菲法是一种反馈匿名函询法，在获得专家对要预测的问题的意见后，对其进行整理，汇总和分析，得到的初步结论再匿名反馈给专家。接着展开下一轮意见征求，然后再集中、反馈，直到达成共识。德尔菲法具有匿名性、多次反馈性、小组的统计回答等特征[23，24]。

1.2.2 识别标准

根据目前学术界对“卡脖子”技术定义的主流观点，“卡脖子”技术具有战略布局重要性，技术水平高、不容易突破，以及目前对国外依赖程度高、容易被垄断等特点。本文梳理识别关键技术的标准时参考了“卡脖子”技术的特点，包括技术重要性，技术水平高低，技术获得的难易程度。生物医药领域关键技术梳理识别过程如图1所示。

图1 生物医药领域关键技术识别过程Fig．1 Identification Process of Key Technologies in Biomedical Field

技术的重要性，判断是否属于产业价值链核心技术。部分技术虽然国内外的技术水平差距明显，而且对技术来源的依赖度较高，但是如果这些技术在产业链的价值不高，或者不处于关键核心环节，那么即使技术被垄断，对我国经济发展造成的影响也很小。

技术水平高低，判断技术与国际上的差距，攻克难度是否很大。如果一项技术是我国可以通过加强独立研发以在短期内满足技术需求的，那么即便现阶段不完全掌握该技术，也不存在被垄断的风险，这也不属于“卡脖子”技术的范畴。

技术获得的难易程度，判断是否存在技术垄断，是根据特定技术在特定时空范围内对某个国家或地区的依赖程度来判断的。根据依赖程度的不同，判断是否存在技术垄断问题或者技术垄断的严重性。

1.3 关键技术识别梳理结果

识别工作邀请了两位从事创新战略研究工作的专家来完成。专家对前期建立的生物医药领域重点项目技术数据库识别梳理。根据技术的重要性、技术水平高低、技术获得的难度等进行两轮识别，识别梳理出25项技术作为生物医药领域“卡脖子”关键技术备选清单（表1）。

表1 生物医药领域“卡脖子”关键技术备选清单Tab．1 Alternative List of“Neck-jamming”Technologies in Biomedical Field

2 生物医药领域“卡脖子”关键技术甄选

2.1 生物医药领域“卡脖子”关键技术评价指标体系构建

经过生物医药领域的关键技术梳理、识别后，为了进一步实现对技术的甄选，本文通过邀请专家，采用德尔菲法对上述技术进行评价，构建了技术重要性、技术垄断性、技术先进性、技术获得难度、社会经济价值5个指标生物医药领域“卡脖子”关键技术评价指标体系（表2、3）。

表2 德尔菲法专家信息Tab．2 Information Sheet of Experts

表3 生物医药领域卡脖子关键技术指标Tab．3 Key Technical Indicators of“Neck-jamming”Technologies in Biomedical Field

根据生物医药领域“卡脖子”关键技术指标体系及指标内涵，专家匿名对全部5个指标进行两两比较，判断指标对于甄选卡脖子技术的重要性。然后根据技术评价指标体系，对关键技术备选清单中的技术进行评价。德尔菲法主要是强调依靠专家的专业知识进行判断，以定性分析为主。因为层次分析模型能够为难以完全量化的复杂系统提供结合定量与定性的分析，使甄选机制更加科学合理[22，23]。因此，本文下一步利用层次分析模型对调查数据进行分析处理。

2.2 基于层次分析法的“卡脖子”技术甄选模型构建

本文利用层次分析的原理，构建一个基于层次分析法的生物医药领域“卡脖子”技术甄选模型，把特定问题拆解成多个独立的构成因素，并根据每一个因素的相互关系和从属关系在不同的层面上进行有序组合，重新得到一个拥有不同层次的模型以进行分析。使问题演化为最底层（具体的关键技术项目）相对于最高层（甄选卡脖子关键技术）的权值比较[24-26]。“卡脖子”指数的分析分为4个步骤，具体如下。

第一步是根据“卡脖子”技术的标准和技术创新的需求，建立一个识别筛选“卡脖子”技术的层次分析模型。该模型分为3个层次，分别为目标层O，指标层C和技术层T。模型层次结构图如图2所示。最高层（目标层）O：“卡脖子技术”的甄选；中间层（指标层）C：判断一项技术是否是卡脖子技术的指标；最底层（技术层）T：甄选卡脖子技术的备选技术（图2）。

图2 基于层次分析法的“卡脖子”技术甄选模型Fig．2 Selection Model of＂Jammed Neck＂Technology based on Analytic Hierarchy Process

第二步是构造指标重要性判断矩阵。在确定各个层次上各个因素的权重时，采用一致矩阵法，即：1）把5大因素进行两两比较；2）为了减少比较具有不同属性的因素的难度并提高准确性，使用了相对尺度。指标重要性判断矩阵是表示指标层所有因素针对目标层的总目标“甄选卡脖子技术”的相对重要性的比较。指标重要性判断矩阵的元素cij表示第i个因素于第j个因素的比较结果，该值由1～9标度方法给出（表4）。

表4 指标重要性判断矩阵标度方法[27]Tab．4 Index Importance Judgment Matrix Scaling Method

通过根据德尔菲法，邀请专家对指标层各指标两两比较，获得各个指标的相对重要性判断，构造指标判断矩阵cij（表5）。

表5 指标判断矩阵[28]Tab．5 Index Matrix

第三步检查指标判断矩阵的一致性。如果指标重要性判断矩阵属于可接受的一致性或者是一致性矩阵，则可以计算指标层单排序权重，即指标层的每个指标对于目标层“甄选卡脖子技术”相对重要性的排序权值。如果一致性得不到满足，需要重新构造判断矩阵C，对cij加以必要的调整。

关于矩阵的一致性，用以下例子说明。

矩阵A中，a21＝2，a13＝4，如果是一致性矩阵，应该有a23＝a21·a13＝8。但例子中a23＝7，成对比较出现不一致的情况，也就是说这个矩阵不是一致阵，在构造成对矩阵的时候很容易出现这种情况。在实际情况中，成对比较矩阵允许不一致，但要确定不一致的允许范围。

指标重要性判断矩阵有两种可能，一种是一致阵，另一种则不是一致阵。如果它是一个一致矩阵，则自然回取对应于最大特征根n的归一化特征向量｛w1，w2，…，wn｝，且，wi表示第i个指标对总目标“甄选卡脖子技术”影响程度的权值。

如果不是一致阵，那么就使用其最大特征根对应的归一化特征向量作为权向量W，有AW＝λW，W＝｛w1，w2，…，wn｝，A的最大特征根为 λ。由于λ连续地依赖于aij，因此λ比n大的越多，A的不一致性越严重。把与最大特征值对应的特征向量用作比较因子对上层中某个因子的影响程度的权重向量。特征根的不一致程度越大，则引起的判断误差也越大。因此，采用λ-n的值对矩阵A的不一致性进行测量。定义一致性指标，CI越接近于0，一致性越令人满意。为了衡量CI的大小，引入了随机一致性指数RI。根据统计数值，当n＝5时，RI＝1.12。定义一致性比率：。通常，当一致性比率CR＜0.1时，认为不一致程度在允许的范围内，其一致性令人满意，可以通过一致性检验，可以将归一化特征向量用作权向量。

第四步，对专家评分进行标准化处理以消除不同专家的评估差异，实现分数的等值化，以更好、更科学地解释每一项技术在备选技术中的相对位置。标准化处理后的“卡脖子”指数，由正负号和绝对数值两部分组成。正负号说明该项技术在备选技术中高于还是低于平均值，绝对数值的大小说明其距离平均说明的远近程度。标准化公式为：

由第三步得到指标层C层5项因素C1，C2，…，C5，对总目标层O的单排序权重为w1，w2，…，w5。技术层T层有N项技术，每项技术对指标层层 C中因素为 Cj的标准分为 t1j，t2j，…，tnj（j＝1，2，3，4，5）。T层第 i项技术对总目标“甄选卡脖子”的得分计算公式为：

最后对各专家给出的得分做数值平均得到对应技术的卡脖子指数。

2.3 甄选结果与分析

邀请的专家对该领域甄选“卡脖子”技术的5个指标的重要性进行判断，并对生物医药领域备选技术清单上的各项技术的每个指标进行打分。通过处理计算及分析，甄选出3项“卡脖子”关键技术。同时，专家根据对产业的理解，对以下5项甄选“卡脖子”技术指标的重要性作出判断。每位专家通过对指标两两的比较，形成初步的判断矩阵。然后对专家的判断矩阵进行综合处理，并检验其一致性得出最终的生物医药“卡脖子”指标重要性判断矩阵（表6）。

表6 生物医药领域“卡脖子”指标重要性判断矩阵Tab．6 The Importance Judgment Matrix of＂Neckjamming＂Index in Biomedical Field

计算得到归一化特征向量 W＝｛w1，w2，w3，w4，w5｝＝｛0.134，0.068，0.260，0.035，0.503｝。即各个指标的归一化权重如表7所示。

表7 生物医药领域各指标权重归一化处理Tab．7 Normalized Weight of Each Index in Biomedical Field

这说明在生物医药领域，甄选一项技术是否是卡脖子关键技术时，技术经济价值以及技术先进性这2个指标起主导作用（图3）。

图3 生物医药领域指标权重Fig．3 Indicator Weights of＂Neck-jamming＂Technologies in Biomedical Field

为消除不同专家的评估差异，实现分数的等值化，以更好、更科学地解释每一项技术、指标的相对位置，对专家评分结果进行标准化处理。通过对指标重要性判断矩阵的计算，得到各个指标的归一化权重，结合每项技术的标准分以及各个指标的归一化权重，根据公式（1）得出各项技术的“卡脖子”得分。最后对专家给出的“卡脖子”得分取算数平均值，从而得到对应技术的“卡脖子”指数（表8）。

表8 生物医药领域关键技术“卡脖子”指数Tab．8 Key Technology＂Neck-jamming＂Index in Biomedical Field

基于关键核心技术的“重要—垄断—先进—难度—价值”建立甄选指标，结合德尔菲法以及层次分析模型，经过通过评价分析以及相应的计算得出的结果，最终识别出生物医药产业领域关键技术“卡脖子”程度最高的3项技术如表9所示。

表9 生物医药领域关键技术“卡脖子”程度最高的3项技术Tab．9 Technologies with the Highest Degree of＂Neck-jamming＂in Biomedical Field

2.4 生物医药领域“卡脖子”关键技术的专利分析

专利是技术信息最有效的载体，专利比一般比技术刊物提供的信息早5～6年，专利涉及的信息有80%～94%无法通过其它渠道获得，涵盖了全球90%以上的最新技术信息[29]。通过文献计量和分析的方法，可以通过各领域专利集中度来判断未来技术的发展趋势[30，31]。

根据生物医药领域“卡脖子”关键技术甄选结果，对3项生物医药领域“卡脖子”关键技术提炼相应的中英文专利关键词，检索其近10年公开（公开日为2010年9月—2020年9月）的专利数量，对中国专利及外国专利的数量、专利数排名第一的国家等情况进行对比分析，评估生物医药领域“卡脖子”关键技术的甄选效果，为对“卡脖子”技术甄选结果进行评估提供参考（表10、图4）。

表10 生物医药领域卡脖子关键技术国内外专利数量情况Tab．10 The Number of Patents of＂Neck-jamming＂in Biomedical Field

图4 生物医药领域“卡脖子”关键技术国内外专利对比Fig．4 Comparison of Chinese and Foreign Patents of ＂Neck-jamming＂ Technologies in Biomedical Field

从专利数量角度看，3项“卡脖子”技术其相应的国内专利数量都比国外专利数量少，而且各项技术国内专利的数量在全球都不是第一。一方面，说明在这些方面的技术，中国处于相对落后的位置。如果出现国外技术断供的情况，需要通过加强自主研发、攻克技术难关、突破技术垄断，才能实现自主的技术供给。另一方面，对于这些技术，国外比国内更早地开始研究，研究成果也比国内更多，说明甄选得出的3项技术处于价值链核心位置，产业链的重要环节，如果被国外管制，可能会对我国经济发展造成巨大冲击。

从技术占有率的角度看，我们发现再生修复材料技术中国专利的占有率特别低，中国／外国专利数的比例，以及中国／排名第一国家专利数的比例都非常低，而相对专利排名最高的国家占外国专利的比例相当高。我国在这些方面的技术落后程度更明显，技术攻克的难度更大，更容易出现技术垄断的现象。

3 结论与建议

本文通过德尔菲专家调查法结合层次分析模型，甄选出3项卡脖子程度最高的生物医药领域关键核心技术。通过专利分析结果显示，甄选得出的3项“卡脖子”技术都属于全球研究热点，但其国内专利数量都比国外专利数量少，且专利占有率不高。说明甄选出的“卡脖子”技术处于价值链核心位置和产业链的重要环节，而中国在这些方面处于相对落后的位置，特别是再生修复材料方面更容易出现技术垄断的现象。针对甄选结果及专利分析结果，本文提出以下建议：

1）充分发挥制度的优势，突出科研院所、重点高校、企业的带头作用，通过产业集群的发展来提升整个产业链的创新能力。建立科研平台协同新机制，发挥协同创新和科技金融的“双引擎”作用；实施有针对性的人才政策以及技术和财务计划，为科技创新提供强有力的要素。

2）通过政策引导，推动社会资本投入生物医药领域，引导更多人关注生物医药领域科研发展。加大政府经费对生物医药领域科研的投入，逐步缩小与发达国家的差距。建议分别在国家重大科技计划、基础和前沿技术研究、生物医药领域科技人才培养和团队建设等领域加大投入，着力补齐学科发展短板。

3）不断强化生物材料等领域的基础研究和应用基础研究，特别是组织器官替代与再生修复材料和医用原材料等薄弱领域。健全和优化基础与应用基础研究支持体系，坚持引导多元投入机制，积极拓展与地方政府、行业管理部门、产业界的战略合作，引导社会资本对基础研发的投入，提高对基础研究投入的积极性和主动性。针对国际领先的前沿技术或可能存在“卡脖子”困境的技术领域进行重点布局，在高端生物材料等领域实现一批从“0”到“1”的原始技术创新突破，排除对我国科技创新及经济发展产生影响的外部隐患[32]。

4）探索专利分析与产业决策的深度融合，培育并形成专利导航产业发展模型和知识产权战略，以支持创新驱动的发展。利用专利导航识别与分析技术，实时跟踪国际前沿技术动向，完善技术预警机制。根据自身的基础和优势提出技术发展方向，绘制产业技术路线图，强优势、补短板，避免陷入“卡脖子”困境。