基于科技政策和前沿动态的第四次工业革命关键技术和举措分析

王燕鹏，王学昭，2，陈小莉，李宜展，刘细文，2

（1.中国科学院文献情报中心，北京 100190；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京 100190）

1 引言

迄今为止，人类社会已经历了三次工业革命的洗礼，每一次工业革命的爆发都深刻地改变了人类的生存环境、生产形态、生活方式以及整个社会面貌[1-2]。18世纪60年代，以英国纺织机械化为开端，以蒸汽机的改良和广泛应用为标志，集群化的创新形成以蒸汽动力为核心的技术体系，机械代替手工劳动带来生产力的巨大变革和飞越，直接引爆第一次工业革命[3]。19世纪50至60年代，电磁学、热力学、化学研究的进步催生出一系列崭新的技术领域，促进形成以电力技术为主导，以内燃机、新通信手段和化学工业为主要标志的技术体系，德国和美国率先发起以电力和内燃机为代表性技术的第二次工业革命[4]。20世纪中叶，尤其是第二次世界大战后，美国开始了以高科技革命为基础的第三次工业革命，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域[2,5]。

纵观世界格局变迁，集群式技术创新与工业变革相伴互动，处于技术前沿的国家往往率先发起工业革命，科技成为国家角逐的决胜之地，高精尖科技创新成为推动社会经济转型发展、创建国家竞争力新优势的重要驱动力，甚至是最重要因素[6]。为充分把握第四次工业革命的历史机遇，世界各国必然会布局一系列重点科技领域，以一批关键技术为抓手，推出一系列的政策、战略、规划、计划和具体举措，推动产学研机构开展研发攻关，实现原始创新突破和关键技术掌控，以期在第四次工业革命中占据科技先发优势。在此背景下，本文立足于情报研究视角，对世界主要国家近年来发布的科技政策战略、前沿研发等重要动态新闻文本开展定量分析和挖掘，揭示各国为应对第四次工业革命开展的重点领域技术布局，明确其主要科技发展举措，以期为我国布局第四次工业革命战略科技领域和关键技术、实施相应发展举措提供情报参考。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

中国科学院文献情报中心持续开展科技政策战略、前沿研发等重要动态新闻的跟踪监测，内容以重大科技问题、前沿技术、创新路径、科技政策、战略、科技管理制度等为主，信息主要来源于世界主要国家政府等官方机构，一定程度上可以代表国家意志，能够反映各个国家在应对第四次工业革命时关注的关键领域技术以及采取的科技发展举措。

2013年4月，在汉诺威工博会上发布了《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略建议书》，“工业4.0”概念在国家层面上被正式提出，并成为《德国2020高技术战略》的十大未来项目之一[7]。2014年年末，美国先进制造业合作指导委员会发布了《加速美国先进制造业》的最终报告[8]。2015年，我国出台了实施制造强国战略第一个十年行动纲领《中国制造2025》[9]。2016年，日本在第五个《科学技术基本规划》中提出“超智能社会”（Society 5.0）概念[10]。由此可见，全球围绕第四次工业革命的战略布局在2014年前后进入高潮。因此，本文以2014—2019年上半年监测的科技政策战略和前沿研发动态新闻作为分析数据，共解析出2182条动态新闻内容，利用每条动态新闻的标题及全文开展文本分析工作，利用动态新闻的年期归属数据开展时序分析。数据样例如表1所示。

表1 科技政策战略和前沿研发动态新闻数据样例

2.2 研究方法

本文在对科技前沿和政策动态新闻文本进行预处理的基础上，利用NLP（natural language process‐ing）方法从中抽提技术/政策短语和国家实体，利用科学计量学方法开展关键科技领域、关键技术和科技发展举措分析。具体研究过程如图1所示。

图1 研究技术路线图

2.2.1 基于NLP和文本挖掘的技术/政策短语抽取和国家实体抽取研究

本文利用TextRank算法抽取动态新闻文本中具有实际意义的技术短语和政策短语，并利用词性标注和词典匹配的方法抽取动态新闻文本中的国家实体，上述过程通过Python语言来实现。抽取出的技术短语和政策短语导入到DDA（Derwent Data Ana‐lyzer）软件中做进一步的规范化，通过人工判读的方式对其中出现频次较高的短语进行归类。其中，描述某一科技领域、范围较广且泛化的短语归为“科技领域短语”，如“生物技术”“材料研究”等；描述某一科技方向或主题、范围较窄且具体的短语归为“技术短语”，如“量子技术”“人工智能技术”等；描述科技发展举措的短语归为“发展举措短语”，如“研究项目”“合作研究”等。

2.2.2 基于科学计量学方法的关键领域技术和举措分析

基于上述抽取出的科技领域短语、技术短语、发展举措短语以及国家实体，利用频次统计、时序分析和共现分析等科学计量学方法，开展关键领域技术和举措分析，包括关键科技领域及热度变化、关键技术及热度变化、关键技术国家布局、重点科技举措及国家布局、驱动关键技术进步的科技发展举措等分析内容。

3 第四次工业革命的关键领域技术和举措分析

3.1 关键科技领域分析

（1）生物与农业、材料、航空航天与空间、数字与通信、能源、海洋、传统制造业是第四次工业革命中全球重点关注的关键科技领域。

统计科技领域短语在政策前沿动态中的提及频次并降序排列，选取频次最高的20个科技领域进行归纳分析。由表2可知，生物与农业（生物技术、农业研究、农业技术、农业生产）、材料（材料研究、新材料、材料技术）、航空航天与空间（航空航天研究、空间领域）、数字与通信（数字技术、通信技术、数据科学）、能源（能源系统、能源领域、能源研究）、海洋（海洋研究、海洋科学）、传统制造业（车辆技术、制造业发展、制造工艺）均是第四次工业革命中全球重点关注的关键科技领域。生物与农业是第四次工业革命产业和技术革新的重要领域，生物与农业科技的发展直接影响人民生命健康、生存质量和社会福祉。材料科技作为关键使能技术[11]，将带动机械、化工、电子、航空、能源等大批产业的发展进步，是第四次工业革命的基础和重要推动力量。深海空天科技进步将使得人类探索自然、利用自然的手段更快、更远、更强[12]。数字与通信科技推动数字空间、物理空间和生物空间的深度融合，数字新基建将成为第四次工业革命中社会生产方式变革的重要基础和条件[13]。能源是维持生产生活和社会发展必不可少的核心要素，能源科技贯穿了历次工业革命的始末，是推动和完成整个工业革命的核心技术要素，新型能源、绿色能源、能源高效利用将是第四次工业革命中能源科技发展的重要趋势[14]。制造业在第四次工业革命历史潮流中再次成为全球竞争的优先事项，以新技术为抓手转型升级制造业已成为引导经济复苏、促进经济增长的重要手段[15]。

表2 全球重点关注的关键科技领域（Top 20）

（2）生物、材料、航空航天、能源、数字等领域保持着较高的关注热度，并且增长趋势明显，农业和制造领域在主要发达国家中的关注热度有所减弱。

以半年时间为窗口，以提及某科技领域的动态新闻数量占当前时间窗口总动态新闻数量的百分比作为当前科技领域的关注热度，分析关键科技领域关注热度的变化情况。由图2可知，生物、材料、航空航天、能源、数字等领域保持着较高的关注热度且增长趋势明显。在生物领域，2019年3月，英国研究与创新机构（UK Research and Innovation，UKRI）宣布投入4500万英镑推进生物大数据基础设施建设，用于支持未来药物、癌症遗传学、再生医学和农作物疾病预防等研究领域的重大发现[16]。在材料领域，2019年1月，美国能源部宣布提供4500万美元拟资助化学与材料领域的量子信息科学研究[17]。在能源领域，2019年2月，欧盟委员会宣布设立创新基金，在2020—2030年投入超过100亿欧元，支持能源、建筑等部门的清洁技术研发创新。相较而言，农业和制造领域在主要发达国家中的关注热度则有所减弱[18]。

图2 全球重点关注的关键科技领域热力分布图(时间窗口为半年)

3.2 关键技术分析

（1）量子计算、人工智能、再生能源、纳米技术、基因技术等已成为第四次工业革命的关键技术驱动力，与此同时，技术创新监管也引起了充分重视。

统计技术短语在政策前沿动态中的提及频次并降序排列，选取频次最高的30个技术短语进行归纳分析。由表3可知，量子计算、人工智能、再生能源、空间探索、纳米技术、基因技术等已成为第四次工业革命的关键技术驱动力；同时，技术创新监管也引起了人们的充分重视。量子计算具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力[19]，奠定了智能浪潮下的算力基础，有望形成未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。人工智能是智能化时代的关键使能技术，其强大的赋能性对社会经济发展和科学技术进步有着重要影响，人工智能驱动的智能化变革主导了第四次工业革命，将会引发社会生产方式的深刻变革[20]。太阳能、生物质能等再生能源的发展利用是第四次工业革命中贯彻绿色发展理念的重要基础。纳米尺度下的物质会呈现出与宏观物体和微观粒子截然不同的特性，纳米技术促进了新型材料和超材料的快速发现，在医学、能源、环境、信息和军事等领域得到了广泛应用[21]。基因技术发展促进了生命健康、农业生产、生态环境、能源化工等领域的进步，具有渐进性、渗透性和颠覆性的影响[22]。硬科技的快速发展在推动第四次工业革命的同时，也可能带来安全、伦理、公平等风险和挑战，因此，监管研究、开放科学、风险研究等软科学课题也引起了充分重视。

表3 全球重点布局的关键技术（Top 30）

（2）量子技术、人工智能、气候研究、传感器技术、空间探索、制造技术等保持着较高的关注热度，并且增长趋势明显，大数据和再生能源技术在主要发达国家中的关注热度有所减弱。

以半年时间为窗口，以提及某技术的动态新闻数量占当前时间窗口总动态新闻数量的百分比作为当前技术的关注热度，分析关键技术关注热度的变化情况。由图3可知，量子技术、人工智能、气候研究、传感器技术、空间探索等技术保持着较高的关注热度，并且增长趋势明显。其中，量子技术和量子计算在2018年下半年出现关注高峰，人工智能、传感器技术和制造技术在2019年上半年出现关注高峰，气候研究和空间探索在2018年上半年和2019年上半年出现关注高峰。此外，再生能源和大数据技术近年来的关注热度呈现波动减弱的态势，可能是由于技术发展方向的逐步细化和具象化，笼统上位技术概念的使用逐渐在各国科技动态报道中减少。例如，再生能源细化为太阳能发电、生物质原料等；大数据技术细化为人工智能、量子计算、计算系统等。

图3 全球重点关注的关键技术热力分布图(时间窗口为半年)

（3）美、英、日、德、法等国和欧盟重点布局的关键技术包括机器人技术、人工智能、再生能源、空间探索等，同时，各个国家/地区的布局情况也存在一定差异。

统计世界主要发达国家/地区对上述关键技术的动态新闻报道次数，针对每个国家/地区选取报道次数最多的5项技术，以此分析重点布局情况。由表4可知，美、英、日、德、法和欧盟重点布局的关键技术包括机器人技术、人工智能、再生能源、空间探索等。例如，2019年1月，欧洲人工智能项目（Artificial Intelligence for Europe，AI4EU）正式启动，项目汇聚了来自欧洲21国的79家顶尖研究机构和企业，聚焦人工智能资源建设，包括数据存储、计算能力、智能工具及智能算法，旨在为潜在用户提供智能技术服务和支撑，为其研发和生产过程提供集成的人工智能解决方案[23]；2018年10月，美国白宫发布了《美国先进制造业领导力战略》，提出未来优先关注技术方向，其中包括先进工业机器人、人工智能基础设施等方向[24]；2018年12月，英国自然环境研究理事会（Natural Environment Re‐search Council，NERC）宣布出资2400万英镑支持第四批重点主题的14个项目，其中包括“深层地热作为一种潜在的未来主要能源”项目[25]；2018年12月11日，日本政府召开宇宙开发战略本部会议，发布《宇宙基本计划》实施进度表修订版，补充并细化了空间项目内容，使工程进度更加具体、全面[26]。

表4 美、英、日、德、法和欧盟重点布局的5项关键技术

在上述关键技术布局的共性之外，各个国家/地区的布局情况也存在一定差异。欧盟重点布局了生物质原料、食品技术、开放科学等，德国重点布局了纳米技术。

3.3 科技发展举措分析

（1）美、英、日、德、法等国和欧盟的共性科技发展举措包括投资计划、合作研究、政策研究和研究项目等，同时，它们的具体举措也存在一定差异。

统计世界主要发达国家/地区对各类发展举措短语的动态新闻报道次数，针对每个国家/地区选取报道次数最多的5项科技发展举措，以此开展分析。由表5可知，美、英、日、德、法和欧盟的共性科技发展举措包括投资计划、合作研究、政策研究和研究项目等。美国以研究项目部署为主，此外还包括投资计划、研究人员配套等；英国、德国和法国等欧洲国家采取的举措中，合作研究较为突出；日本以基础研究、投资计划等举措为主。

表5 美、英、日、德、法和欧盟的5项重点科技发展举措

（2）驱动各类关键技术进步的重点科技发展举措各不相同，存在较大差异。

统计各类关键技术（Top 30）和各类科技发展举措在动态新闻报道中共同出现的次数，据此分析驱动关键技术进步的重点科技发展举措。由图4可知，驱动各类关键技术进步的重点科技发展举措各不相同，存在较大差异。值得注意的是，政策研究在推动气候研究、再生能源发展、气候变化、开放科学、监管研究等技术发展方面起到了重要作用；驱动人工智能技术进步的重点举措包括研究机构投入、投资计划、教育培训、企业支持和基础研究等。

图4 驱动关键技术进步的科技发展举措分析

4 结 论

本文立足于情报研究视角，面向第四次工业革命关键领域技术和举措布局分析的目的，利用NLP、文本挖掘和科学计量学等方法，定量揭示各国为应对第四次工业革命开展的重点领域技术布局，明确其主要科技发展举措。由此发现，世界主要国家重点关注生物与农业、材料、航空航天与空间、数字与通信、能源、海洋、传统制造业等科技领域，积极布局量子计算、人工智能、再生能源、纳米技术、基因技术等关键技术，并采取投资计划、合作研究、政策研究和研究项目等发展举措，推动上述科技领域和关键技术的发展。

第四次工业革命浪潮正以前所未有的态势席卷而来，面对这一历史机遇，我国应从基础研究、技术研发和产业应用等方面审视我国在第四次工业革命关键领域和技术上的实力水平和薄弱环节，发挥优势、补足短板、另辟蹊径，牢牢掌握核心技术，实施积极的知识产权和标准化战略，推动技术产业化应用进程，为第四次工业革命创造坚实的科技支撑基础和强劲的技术驱动力。