Academic papers and invention patents are important carriers of scientific and technological innovation, and government policies are important factors in promoting scientific and technological development. It is important way for studying the regularity and path of disruptive technology development to exploiting the latent data information in academic papers, patents, and the Natural Science Foundation, and establish the interactive relationship between these information and disruptive technology. This paper constructs an indicator system of seven dimensions to evaluate the development and evolution of disruptive technology, including the number growth rate of published papers, the citation growth rate of published papers, the cited growth rate of published papers, the number growth rate of filed patents, the citation growth rate of filed patents, the cited growth rate of filed patents, and the funding growth rate of Natural Science Foundation. Then, for each indicator, temporal variation characteristics are analyzed with the major historical events of the disruptive technology from a quantitative analysis perspective. Finally, the coefficient of variation method (CV) is used in fusion analytics of multi-type indicators, obtaining a fitting curve, and then the law of disruptive technology development is analyzed with major historical facts.
GPS technology is a typical disruptive technology that experiences a relatively complete technology lifecycle, and it is going into the large-scale application stage. Therefore, this paper takes the GPS technology as an empirical case to research the law of disruptive technology development. According to the principles of authority and completeness, this paper collects data from the Web of Science Core Collection Database, the Patsnap Patent Database, the Natural Science Foundation Database of the U.S., and open-source data on the internet. Then, these data are analyzed using the proposed method, such as extracting related indicator features from papers, patents, and natural science foundations, and conducting analysis on the temporal variation characteristics of the indicators with the relevant historical events.
The case of GPS technology reveals that the development of disruptive technology requires several rounds of technical innovation breakthroughs, and these breakthroughs are achieved under the synergistic effects of military need, scientific theory, technology application, and the policy environment. Among these effects, military need and market demand are the direct driving forces for the formation and development of disruptive technologies. Basic theory is the source power for the formation and development of disruptive technologies. Technological innovation is the important driving force for the formation and development of disruptive technologies, and government policy is the catalyst for the formation and development of disruptive technologies.
On the basis of the research results, this paper suggests that it is pivotal to strengthen research on the development and evolution of disruptive technology, utilize advanced scientific methods, technical tools, and expert experience to study, identify, and predict disruptive technologies, improve awareness, understanding, and insight of disruptive technology. Then it is essential to sustain funding on scientific frontier and interdisciplinary research, provide long-term and stable support for basic interdisciplinary research, promote the cross-integration of natural sciences and engineering fields, and keep obtaining the source force for the development of disruptive technology. Finally, it is need to construct a multi-stage intervention mechanism for disruptive technology. According to technological development and market status, it is necessary to input different degrees of policy intervention and resource investment at different technological stages to improve the efficiency of resource utilization.
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颠覆性技术概念产生于20世纪90年代,但具有颠覆性影响的技术由来已久。科技发展史上,火炮、无线电、飞机、真空电子管、雷达、数字计算机、全球定位系统(Global Positioning System, GPS)、互联网等[1]颠覆性技术的出现改变了人类生产生活方式,加速推动全球科技发展。实践经验表明,谁及时抓住颠覆性技术创新机遇,谁就能赢得发展先机。当前,各主要国家均将颠覆性技术发展作为大国博弈的重要抓手,高度重视推动高投入、高风险、高回报的颠覆性技术创新,以抢占新科技革命的战略制高点。2018年3月,习近平总书记在十三届全国人大一次会议解放军和武警部队代表团全体会议上的重要讲话中指出,要“高度重视战略前沿技术特别是颠覆性技术的发展,加强前瞻性、先导性、探索性、颠覆性的重大技术研究和新概念研究”。我国亟待建立完善颠覆性技术“发现—遴选—培育”体制机制,重点挖掘和发现一批颠覆性技术,提高颠覆性技术发展质量和供给效率,促进科技创新驱动发展、国家综合实力提升,助力实现高水平科技自立自强。
掌握颠覆性技术发展演化规律是准确发现、遴选、培育颠覆性技术的前提和基础。GPS技术作为上世纪50年代以来典型的颠覆性技术,历经技术生命周期萌芽期、发展期、成熟期[2-3],正处于大规模应用阶段,经历的技术发展阶段相对完整。同时,GPS技术是在数字计算机出现之后形成和发展的,其学术论文、技术专利、科技政策等相关数据信息利用数字计算机进行存储,相关数据比较完备、易于获取。因此,本文以GPS技术为实证案例,构建基于学术论文、技术专利、科技政策数据的颠覆性技术发展评价指标体系,挖掘这些数据指标在颠覆性技术各发展阶段的变化规律,建立市场需求、基础理论、创新研发、科技政策与颠覆性技术发展关联分析框架,探讨相关因素与颠覆性技术发展之间的互动影响关系,揭示颠覆性技术发展演化规律。
颠覆性技术概念最早由哈佛商学院Christensen教授[4]于1995年提出。这一概念被引入军事领域后,颠覆性技术被赋予特殊含义,美国国家科学基金会[5]、美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)[6]、美国国防研究与工程署[7]、新美国安全中心(Center for a New American Security,CNAS)[8]及德国弗朗恩霍夫协会[9]等机构分别对颠覆性技术进行了界定。总体而言,目前颠覆性技术尚无统一定义,不同应用领域、不同视角和不同关注点对颠覆性技术概念有不同的界定和表述。苏成等[10]从多维视角对颠覆性技术进行分析,认为颠覆性技术是指通过新科技突破、技术颠覆性创新组合或技术颠覆性创新应用,突破传统或主流技术、产品、商业思维和路线,对已有技术、产品、商业模式、工艺流程、设计方法等进行革新,改变原有技术、产品、市场发展轨道,逐步取代目前主流技术、主流产品,完成技术替代、市场替代和产业替代,并重塑产业格局、生产方式、商业模式、生活方式、战争规则甚至推动全球经济、社会、军事等的革命性技术。笔者认为,颠覆性技术是指以科学技术的新原理、新组合和新应用为基础,颠覆传统或主流技术范式和路线,开辟全新技术轨道,对传统或主流技术、原有技术应用模式等产生革命性影响,能够改变“游戏规则”的战略性创新技术。它一般以市场需求为牵引,以颠覆性创新思路解决重大科技问题,主要来源于基础理论研究和技术研发重大突破,是对已有科学技术跨学科跨领域创新应用以及已有技术综合集成产生的颠覆性应用。因此,颠覆性技术发展与市场需求、基础理论、创新研发、政策环境等密不可分。
Christensen等[4]认为,颠覆性技术是市场资源依赖与技术发展相互作用的结果;Chandy等[11]指出创新者自我替代意愿是区分颠覆性创新者与其它创新者的根本标志;黄海洋等[12]认为,颠覆性创新对技术先进性和复杂性要求不高,通常是对现有技术的组合,并且颠覆性技术起源于主流市场性能过剩;Danneels[13]指出,颠覆性技术是一种通过改变企业竞争性绩效指标实现企业竞争基础变化的技术;Ganguly等[14]认为,颠覆性技术既有可能是对现有技术的组合,也有可能是一种全新技术,并分析技术产生颠覆性影响的基本过程;高俊峰[15]以TD-SCDMA技术演化为例,剖析新兴技术演化过程,揭示政府政策在各演化阶段的作用机理;陈玉怡[16]认为,颠覆性技术具有诱导性和突变性特征,实质上是新技术代替旧技术的创新扩散过程,是技术创新者和技术接纳者博弈的过程;苏敬勤等[17]基于技术轨道理论建立颠覆性技术演化分析框架,分析智能手机技术颠覆传统手机技术的过程,利用专利数据相关特征的JΛL型曲线揭示颠覆性技术演化轨迹;储节旺等[18]运用专利分析方法和主题模型分析颠覆性技术整体演化路径,把握技术发展整体态势,利用后离散方法分析前沿技术热点;李乾瑞等(2021)基于专利数据,以技术融合性、新颖性、扩张性和影响力为测量指标,采用熵权法和模糊一致性矩阵方法构建颠覆性技术识别模型,通过增材制造、量子通信、光纤通信、智能手机、传统手机不同发展阶段对比分析验证模型的有效性,但该模型仅从创新研发角度展开分析,未考虑市场需求、基础理论、科技政策等影响因素。上述研究采用定性分析方法或专利分析方法探究颠覆性技术演化发展规律,易受专家主观因素的影响,专利数据所提供的信息不够全面,可能影响研究结果的准确性。
近年来,颠覆性技术研究正从定性分析、单一类型数据分析逐步演变为多源数据分析,研究人员愈发注重学术论文、技术专利、新闻报道、科研项目、科技政策等数据的综合使用。苏鹏等[19]回溯分析液晶技术、数码相机和即时通讯 3 个典型历史案例,从宏观层面总结出创造性、覆盖性、替代性、异轨性和抵抗性5个颠覆性技术特征;白光祖等[20]基于核心论文和技术专利相互引用情况,分析技术领域知识突变特征,挖掘潜在颠覆性技术方向,利用Fisher-Pry模型研判技术成熟度和发展阶段,由此识别颠覆性技术;Li等[21]基于学术论文和技术专利两种数据,以钙钛矿太阳能电池技术为例,综合运用文本挖掘和专家研判等方法探析技术发展演化路径,利用科技差距特征预测技术发展趋势;曹阳春等[22]采用跨案例实证分析方法研究颠覆性技术演进特征,提炼出创造性、异轨性和迭代性等共性特征以及价值主张、价值路线和价值检验等差异化特征;庞弘燊等[23]通过构建科学—技术多源数据、多特征项共现分析模型,系统分析前沿技术之间的关联关系;赵格[24]综合运用学术论文、技术专利和新闻报道等数据,从不同角度分析技术发展特征,采用文本分类、文本聚类、分层分析等方法处理多源异构数据,识别关键技术方向,并以技术专利3年引用率、专利平均独立权利要求和学术论文数量增长率为指标分析技术的颠覆性;谭晓等[25]通过构建科学—技术—市场模型,从技术演进角度分析人工智能技术主题关联网络和相关政策,挖掘技术颠覆性特征。综上所述,当前基于多源数据分析的颠覆性技术发展规律研究多采用主题变化分析,定量分析较少,缺乏 “客观数据+历史事件”关联耦合和关联因素互动的深入探讨。本文借鉴冯瑾毅等[26]的多源数据融合分析思路,将学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目作为考察数据,构建颠覆性技术发展演化评价指标体系,采用变异系数法进行多源数据融合分析,通过“客观数据+历史事件”关联耦合探析颠覆性技术发展演化规律。
学术论文和技术专利是表征科技创新产出的重要指标,科技政策是促进科技创新发展的重要外部因素[27]。颠覆性技术作为一类备受关注的技术,其创新发展伴随着大量学术论文、技术专利和科技政策,它们在颠覆性技术不同发展阶段呈现出不同特点。学术论文是理论研究成果的重要承载形式,当科学研究产生重要发现时,通常会以学术论文形式发表、传播和共享。研究表明,基础研究是颠覆性技术孕育发展的主要来源。以学术论文数据为基础开展历史回溯和归纳分析,有助于从基础理论发展角度剖析颠覆性技术发展演化规律。技术专利代表最新技术研发成果,是颠覆性技术发展和应用落地的重要载体。相关研究表明,技术专利与创新研发紧密联系,可将其作为衡量技术创新研发的重要指标。对技术专利数据进行历史回溯和归纳分析,有助于从技术创新研发角度把握颠覆性技术发展规律。科技政策反映国家对科学技术应用发展的支持程度。项目经费投入是反映科技政策的重要指标,其中国家自然科学基金项目是体现国家意志、落实国家重大科技计划、推动关键领域科技创新的重要政策工具[26]。
综上所述,学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目数据是研究颠覆性技术发展演化规律的重要数据源。通过建立学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目3种数据指标与颠覆性技术发展之间的耦合互动关系,可为科学把握颠覆性技术发展演化规律提供有力支撑。基于此,本文以学术论文、技术专利和国家自然科学基金项目为主要考察数据,探析颠覆性技术发展演化规律。
不同时期数据对颠覆性技术发展的推动作用不同。颠覆性技术早期学术论文或技术专利对技术发展的推动作用和后期学术论文或技术专利对技术发展的推动作用不同;且受通货膨胀的影响,基金项目经费的货币价值(代表科技政策影响力)也会随着时间变化而发生改变。一般而言,在同一研发周期内,科技政策、货币价值等因素变化不大,等量学术论文或技术专利对技术发展的推动作用也基本相同,即同一研发周期内,同类型等量数据对技术发展的推动作用基本相同。因此,利用同一研发周期内同类型数据进行归一化分析,可在一定程度上消除不同发展阶段数据作用的差异。考虑到技术研发突破、政策实施效果发挥的一般周期为5年[27],故本文以5年为对比周期,使用5年生长率(所在年度总量与邻近5年内总量之比)定义相关指标。
部分研究人员从学术论文、技术专利、宏观政策等视角研究颠覆性技术发展演化特征[28]。Ahmadpoor等[29]研究发现,参考学术论文的技术专利影响力往往较大,被技术专利引用的学术论文被引频次也更高;苏敬勤等[18]、白光祖等[20]采用专利数量、专利引用数量、技术3年生长率、专利引用率、专利引用次数、文献引用关系构建评价指标体系,基于JΛL型曲线、Fisher-Pry模型分析颠覆性技术发展轨迹;梁镇涛等[30]基于技术专利和学术论文数据分析专利颠覆性、技术特性及“科学—技术”知识关联度,采用机器学习建模预测方法测度技术颠覆性,并对半导体器件、电数字数据处理领域高颠覆性专利进行预测;王英等[31]综合使用学术论文和技术专利数据,采用学术论文分布、学术论文和技术专利引用数量分析数字孪生技术发展特征;Hahn等[32]、栾恩杰等[33]、Guo等[34]、冯瑾毅[26]从技术突破性、技术可实现性、市场实现可能性、市场动态、宏观政策和外部环境等方面构建颠覆性技术分析框架,研究3D打印、航空航天、AR/VR、人工智能等颠覆性技术发展特征;许海云等[35]以知识网络结构为视角,构建科学、技术、产业知识网络体系,分析颠覆性技术在科学—技术—产业之间的互动模式。
基于上述研究,本文从基础理论、创新研发、科技政策3个方面构建由论文发表数量生长率、论文引用数量生长率、论文被引数量生长率、专利申请数量生长率、专利引用数量生长率、专利被引用数量生长率、国家自然科学基金项目经费生长率7个维度组成的颠覆性技术发展评价指标体系。
(1)论文发表数量生长率。科学理论突破是颠覆性技术的基础来源。当科学研究人员取得基础理论突破时一般会以学术论文的形式发表,学术论文发表数量将出现增长;随着基础理论的不断突破,论文数量生长率可能会出现爆发点,显现出“质变”特征。因此,将论文发表数量生长率作为基础理论研究指标之一,可分析某一技术领域的基础理论突破程度。本文将论文发表数量生长率定义为某一技术领域当前年度论文发表数量与邻近5年内论文发表数量之比,公式如下:
(1)
其中,Nai表示年度i该领域论文发表数量;GRNa,i表示该领域基础理论研究突破程度。年度i该领域论文发表数量越多,则其与邻近5年内论文发表数量之比就越大。即GRNa,i值越大,该领域理论突破程度越高。反之,GRNa,i值越小,该领域理论突破程度越低。
(2)论文引用数量生长率。颠覆性技术有可能来源于已有科学理论跨学科、跨领域创新应用,也有可能源于已有科学理论的组合运用,表现为科学理论的新应用,因此科学理论的新应用通常具有颠覆性潜力。学术论文引用现有学术论文产生新理论是科学理论新应用的重要表现形式。因此,将论文引用数量生长率作为基础理论研究指标之一,用以分析某一技术领域的科学理论新应用情况,评估理论颠覆性潜力。本文将论文引用数量生长率定义为某一技术领域当前年度发表论文引用数量与邻近5年内发表论文引用数量之比,计算公式如下:
(2)
其中,Cei表示年度i该技术领域发表论文的引用数量,GRCe,i反映技术理论融合程度。GRCe,i值越大,该技术对现有理论创新组合的力度越强,该领域理论颠覆性潜力也就越大。相反,GRCe,i值越小,该技术领域理论颠覆性潜力较小。
(3)论文被引数量生长率。颠覆性技术具有颠覆性影响力。某一颠覆性技术取得理论突破会引起研究人员广泛关注进而形成扩散效应,相关学术论文被引数量也将实现大幅增长,产生颠覆性影响力。论文被引数量通常用来衡量学术论文的理论影响力,故本文将论文被引用数量生长率作为基础理论指标之一,用以分析某一技术领域的理论扩散效应,以掌握其理论影响力。本文将论文被引用数量生长率定义为某一技术领域当前年度发表论文被引用数量与邻近5年内发表论文被引用数量之比,计算公式如下:
(3)
其中,Cdi表示年度i该领域发表论文的被引数量,GRCd,i值反映该领域理论影响力。GRCd,i值越大,该领域理论扩散效应越强,该领域理论创新影响力也就越大。反之,GRCd,i值越小,该领域理论扩散效应越弱,其理论创新影响力也就越小。
(4)专利申请数量生长率。创新研发突破是颠覆性技术的重要基础。当某一项颠覆性技术研发取得突破时,研发主体通常通过专利申请获取知识产权,独享创新成果。随着该技术研发的不断突破,专利申请数量出现爆发式增长,显现出“质变”特征。因此,本文将专利申请数量生长率作为创新研发指标之一,分析某一技术领域研发创新突破程度。本文将专利申请数量生长率定义为某一技术领域当前年度专利申请数量与邻近5年申请专利数量之比,计算公式如下:
(4)
其中,Npi表示该领域年度i的专利申请数量,GRNp,i值则反映该领域创新研发突破程度。GRNp,i值越大,该领域创新研发突破程度越强;反之,GRNp,i值越小,该领域创新研发突破程度越弱。
(5)专利引用数量生长率。颠覆性技术通常以科学技术的新应用为基础,因而科学技术的创新应用被认为具有颠覆性潜力。技术专利引用原有技术专利和学术论文产生新技术是科学技术新应用的重要表现。因此,将专利引用数量生长率作为创新研发指标之一,可分析技术颠覆性潜力。本文将专利引用数量生长率定义为某一技术领域当前年度专利申请引用数量与邻近5年内专利申请引用数量之比,计算公式如下:
(5)
其中,BCa,t表示该领域年度i申请专利对现有论文的引用数量,BCp,t表示该领域年度i申请专利对现有专利的引用数量。所在年度该领域专利引用数量越多,则其与邻近5年相关专利的引用数量之比就越大。GRBc,i值越大,年度i该领域创新研发颠覆性潜力越强。反之,则说明年度i该领域创新研发颠覆性潜力越弱。
(6)专利被引数量生长率。颠覆性创新通常具有很大的技术影响力。被引数量是反映技术专利影响力的重要指标。若某项技术专利被大量引用,则表明该专利蕴含着先进或共性技术知识,具有较强的技术影响力。将专利被引数量生长率作为创新研发指标之一,可以分析某一技术领域的技术扩散情况,掌握其技术影响力。本文将专利被引用生长率定义为某一技术领域当前年度申请专利被引用数量与邻近5年内申请专利被引用数量之比,计算公式如下:
(6)
其中,Fci表示年度i该领域申请专利被引用频次,GRFc,i值反映该领域的研发创新影响力。GRFc,i值越大,该领域创新研发影响力越强。GRFc,i值越小,该领域创新研发影响力越弱。
(7)国家自然科学基金项目经费生长率。颠覆性技术通常会获得国家政策支持。某一颠覆性技术得到政府或军队认可后,国家将给予该技术领域政策支持,布局国家自然科学基金项目开展基础理论和技术研发攻关。将国家自然科学基金项目经费生长率作为科技政策指标之一,可分析国家对该技术领域的政策支持力度。本文将国家自然科学基金项目经费生长率定义为某一技术领域当前年度获得的国家自然科学基金项目经费总量与邻近5年内获得的国家自然科学基金项目经费总量之比,计算公式如下:
(7)
其中,Bi表示年度i该领域获得的国家自然科学基金项目经费数量。GRB,i值越大,该领域获得的政策支持力度越大。GRB,i值越小,该领域获得的政策支持力度越小。
基础理论、创新研发、科技政策是影响技术发展的重要因素,对颠覆性技术发展起到推动或抑制作用。因此,对学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目等多源数据进行融合分析,探究多种类型数据指标变化特性及其内在联系,可以揭示颠覆性技术发展规律与影响因素。研究发现,随着颠覆性技术的不断发展,颠覆性扩散效果逐步显现,学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目数据等指标可能会出现爆发点,显现出“质变”特征。因此,可通过指标波动情况衡量各项指标对颠覆性技术发展的影响程度(贡献度)。
变异系数法根据客观数据序列指标变异程度确定指标权重,并对数据指标特征进行动态赋权,能够较好地反映数据指标的综合影响力,适用于分析多源数据指标。对于学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目等数据指标,采用变异系数法开展多源数据融合分析,具体过程如下:
(1)根据前文所述,搜集相关数据,计算上述7种数据指标特征序列,整理形成如下矩阵:
(8)
其中,每一列数据代表一种数据指标,第1列(x1,1…xn,1)T代表论文发表数量生长率指标,第2列(x1,2…xn,2)T代表论文引用数量生长率指标,…,第7列(x1,7…xn,7)T代表国家自然科学基金项目经费生长率指标,n为采集到的样本数量。
(2)对于每一种数据特征指标,计算其均值和标准差,其中j=1,2,…,6,7。
(9)
(3)计算每一种数据特征指标的变异系数:
(10)
(4)对变异系数作归一化处理,得到各指标权重:
(11)
W={w1,w2,…,w7}
(12)
通过分析权重wi可以分析论文发表数量生长率、论文引用数量生长率等的贡献程度,即通过各类指标权重大小分析各指标特征对颠覆性技术发展的影响程度。
(5)根据上述指标权重,对上述7种数据指标曲线进行融合分析:
(13)
其中,yi表示融合曲线。结合典型重大标志性事件,综合市场需求、理论突破、技术创新、科技政策等多种因素,分析yi趋势走向,形成客观、合理的颠覆性技术发展历史脉络,有助于更好地把握颠覆性技术发展演化规律。
基于上述评价指标体系和数据处理方法分析颠覆性技术发展演化规律,按实施准备、数据采集、挖掘处理、综合分析4个阶段展开。
(1)实施准备。该阶段是研究工作的起始阶段,主要任务是根据研究目标和需求,遴选确定拟研究的技术领域,制定具体实施方案,明确咨询专家群体,做好工作计划和进度安排,针对拟研究技术领域确定技术关键词,制定文献检索式等。其中,技术关键词和检索式制定是该阶段的重点工作,需通过与领域专家共同研讨确定技术内涵和边界,利用技术关键词制定检索式,并通过多轮迭代优化。
(2)数据采集。该阶段的主要任务包括确定数据源、搜集和整理相关数据等。通过咨询图书情报专家确定可靠、权威的数据库、期刊、网站列表。根据权威性和完备性原则,本文以Web of ScienceTM核心合集论文数据库、智慧芽全球专利数据库、美国自然科学基金项目数据库和网络开源情报数据为数据源。采集的数据信息包括论文标题、论文摘要、论文作者、引用文献信息、论文被引频次、专利公开号、专利标题、专利摘要、专利权人、专利施引信息、专利被引用信息、项目名称、项目摘要、项目负责人、实施年度、项目授予经费等。
(3)挖掘处理。该阶段对采集到的学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目数据信息及相关技术重大标志性事件进行深度处理、挖掘、关联、拼图,主要任务包括指标计算、指标分析、指标关联耦合等。主要是对收集到的各种数据信息进行提取,计算颠覆性技术发展指标,获得相应指标特征序列,梳理分析颠覆性技术发展重大标志性事件,与上述指标序列及其多指标融合曲线进行耦合关联,分析颠覆性技术发展规律和演化路径,获得初始研究结论。
(4)综合分析。以挖掘处理阶段得到的初步研究结论为基础,采用专家研讨、交叉验证等方法进行研判、修正,综合分析市场需求、基础理论、创新研发、科技政策等因素对颠覆性技术发展的影响作用及关联互动。以颠覆性技术发展过程为基准,结合市场需求、基础理论、创新研发、科技政策等相关指标和重大标志性事件开展综合研判,揭示颠覆性技术发展演化规律。
卫星导航技术是通过导航卫星系统无线电信号对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术[36]。美国自20世纪50年代开始发展卫星导航技术,建设全球定位系统,GPS技术的发展应用对军事、经济、社会等领域产生变革性影响。本文以GPS技术为例,搜集、整理、处理学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目等数据信息,提取相关数据指标,梳理分析重大标志性事件,采用多源数据融合、“客观数据+重大事件”耦合分析,探究相关数据指标与GPS技术发展的内在联系,揭示颠覆性技术发展演化规律。
本文借鉴文献[37]以及网络公开信息梳理GPS技术发展重大标志性事件。基于查全率和查准率的综合考量,在检索Web of Science论文数据库、智慧芽全球专利数据库数据时,对文献类型、产出国家/地区不作限制。由于缺乏整合多个国家的自然科学基金项目数据库,因而难以在短时间内搜集、整理多个国家的国家自然科学基金项目。鉴于美国是GPS技术研究与发展的起源国和主导国,几乎全程参与并影响GPS技术发展,其国家自然科学基金项目数据能够在一定程度上满足本文研究需求[26]。因此,本文采用美国自然科学基金项目数据作为科技政策考察指标。根据GPS技术起源时间、检索数据范围、主要研究内容确定不同类型数据的检索策略(见表1),检索时间为2022年3月25日。
表1 GPS技术领域不同类型数据检索策略
Table 1 Retrieval strategies for different data types in the field of GPS technology
数据类型检索策略时间跨度论文TS=((satellite navigation system∗ OR navigation satellite system∗ OR GNSS OR GPS OR rubidium clock OR cesium clock OR atomic clock OR operating reference station OR real-time kinematic OR precise point positioning OR position∗ Navigat∗ Time∗ OR RTK/CORS∗) and (Navigation∗ OR Satellite∗)) NOT TS= (Lithographic∗ or medical OR patient∗ OR car∗)1957年1月—2021年12月专利TTL_ALL:(global navigation satellite system OR global positioning system OR 北斗导航系统 OR 卫星导航定位 OR satellite navigation system OR navigation satellite system OR PNT OR 原子钟 OR rubidium clock OR transit satellite OR cesium clock OR 全球卫星导航定位 OR 卫星定位系统 OR precise point po-sitioning OR real-time kinematic OR RTK/CORS OR GLONASS) AND IPC_SECTION:(G OR H)1957年1月—2021年12月项目项目名称、摘要包含GLONASS、navigation satellite system、satellite navigation system、global positioning system、rubidium clock、cesium clock、atomic clock、operating reference station、real-time kinematic、precise point positioning等关键词1965年1月—2021年12月
根据上文所述,按照式(1)—式(7)计算和提取学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目等相关指标,绘制论文发表数量生长率、论文引用数量生长率、论文被引数量生长率、专利申请数量生长率、专利引用数量生长率、专利被引用数量生长率、国家自然科学基金项目经费生长率等时序变化图,将GPS技术发展重大事件与其关联耦合,结果见图1—图7。
图1 GPS技术论文发表数量生长率时序变化特征
Fig.1 Temporal variation characteristics of the number growth rate in published papers from the field of GPS technology
图2 GPS技术论文引用数量生长率时序变化
Fig.2 Temporal variation of the citing growth rate in papers from the field of GPS technology
学术论文是颠覆性技术基础理论发展的重要体现。由图1—图3可知, 伴随着论文发表数量增长率、论文引用数量生长率、论文被引用数量生长率等指标发生突变, GPS技术领域发生重大标志性事件,表明基础理论突破推动GPS技术发展。它们或反映萌芽期的基础理论突破、理论新应用和扩散影响力,推动GPS技术取得重大进展,如“子午仪系统首次测试”“GPS系统概念提出”“防御性卫星导航系统标准制定”“稳定铯原子钟NBS-4研制”等;或反映发展期的基础理论突破、理论新应用和扩散影响力,推动GPS技术取得重大应用,如“首颗GPS实验卫星成功验证铷钟和时间传播技术”“BLOCK-I型GPS系统完成建设”“首颗BLOCK-Ⅱ型GPS系统正式工作”“小型化GPS接收机成功研制”;“GPS系统在海湾战争大规模应用”;抑或反映成熟期的基础理论突破、理论新应用和扩散影响力,推动GPS技术取得重大发展,如“美国实施GPS现代化计划”“BLOCK Ⅲ型 GPS系统进入实质性研制阶段”“GPS地面系统采用新架构体系”等。
图3 GPS技术论文被引用数量生长率时序变化
Fig.3 Temporal variation of the cited growth rate in papers from the field of GPS technology
技术专利是颠覆性技术创新研发突破的重要体现。由图4—图6可以看出,GPS技术领域专利申请数量生长率、专利引用数量生长率、专利被引用数量生长率经历多轮波动,且突变均出现在GPS技术研发取得突破性进展的节点附近,表明技术专利相关指标“正向”突变对GPS技术发展具有促进作用。它们或反映萌芽期的创新突破、新技术应用和扩散影响力,推动 GPS技术取得突破进展,如“子午仪原型系统发展”“子午仪系统研制成功”“首次通过卫星系统修正潜艇位置”“稳定铯原子钟NBS-4研制成功”等;或反映发展期的创新突破、新技术应用和扩散影响力,推动GPS技术研发取得重大突破,如“BLOCK-I型GPS系统组网完成并进行系列试验”“BLOCK-Ⅱ型GPS系统组网完成”;“GPS系统在海湾战争中大规模应用”等;抑或反映成熟期的创新突破、新技术应用和扩散影响力,推动GPS技术研发取得重大发展,如“GPS地面系统改进升级”“GPS新一代操作控制系统”等。可见,技术研发对GPS技术突破发展具有直接推动作用。
图4 GPS技术专利申请数量生长率时序变化特征
Fig.4 Temporal variation characteristics of the quantity growth rate in patents from the field of GPS technology
图5 GPS技术专利引用数量生长率时序变化
Fig.5 Temporal variation characteristics of the citing growth rate in patents from the field of GPS technology
图6 GPS技术专利被引用数量生长率时序变化
Fig.6 Temporal variation characteristics of the cited growth rate in patents from the field of GPS technology
国家自然科学基金项目是国家科技政策的重要体现。由图7可以看出,美国自然科学基金项目经费生长率爆发点均出现在GPS技术取得重大发展节点附近,表明美国自然科学基金项目经费生长率正向“突变”推动GPS技术突破发展。该生长率曲线多次“正向”突变,或体现萌芽期政策力度激增促进GPS技术取得突破性进展,如“NavstarGPS项目立项”“子午仪系统研制成功”等;或体现发展期政策力度激增促进GPS技术取得突破性应用,如“GPS系统具备全面作战能力”“GPS BLOCK-Ⅱ型系统正式工作”等;抑或体现成熟期的政策力度激增促进GPS技术取得重大发展,如“新一代GPS BLOCK Ⅲ型系统进入实质性研制”“GPS BLOCK Ⅲ型系统进行生产”“美空军采购4颗GPS系统卫星”等。因此,政策支持力度加强促进GPS技术不断革新,推动GPS系统持续迭代和升级。
图7 GPS技术美国国家自然科学基金项目经费生长率时序变化
Fig.7 Temporal variation characteristics of the funding growth rate in the field of GPS technology from Natural Science Foundation of the United States
GPS技术领域学术论文、技术专利、美国自然科学基金项目记录出现的起始时间不同,为便于进行融合分析,本文将起始时间统一设置为1957年。对于没有数据记录的年度,将其相应指标设置为0。按照式(8)—式(13),采用变异系数法处理学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目数据相关指标,结果见表2和图8。
图8 GPS技术多类型数据拟合曲线
Fig.8 Fitting curve for multi-type data in the field of GPS technology
表2 GPS技术领域多种类型指标权重
Table 2 Feature weights for multiple data types in the field of GPS technology
数据类型均值方差变异系数权重专利被引用频次生长率0.2490.2871.1520.169专利引用频次生长率0.2320.2551.0990.162专利申请数量生长率0.2450.2150.8790.129论文被引用数量生长率0.2580.2280.8820.130论文引用数量生长率0.2400.2531.0560.155论文发表数量生长率0.2150.1480.6870.101自然科学基金经费生长率0.2140.2241.0450.154
由表2可以看出,按变异系数指标权重排序,依次为专利引用数量生长率、专利被引用数量生长率、论文引用数量生长率、基金经费生长率、专利申请数量生长率、论文被引用数量生长率、论文发表数量生长率。相应地, 按照对GPS技术发展贡献程度排序,依次为专利引用数量生长率、专利被引用数量生长率、论文引用数量生长率、基金经费生长率、专利申请数量生长率、论文被引用数量生长率、论文发表数量生长率。总体表明,技术新应用(技术组合创新和跨域技术应用)对GPS技术发展的推动作用最强,基础理论发展积累对GPS技术发展突破的推动作用较弱。
由图8可知,GPS技术发展指标融合曲线出现多次N型波动,表明在需求牵引、理论发展、技术研发、政策推动的综合作用下, GPS技术取得多次突破性进展,其发展在量变基础上产生质的飞跃。高精度导航需求催生了GPS技术概念,GPS技术创新突破又进一步推动军事需求提高。政府和军队通过科技政策影响GPS技术创新突破,GPS技术创新突破又反过来影响政府行为和政策实施,促进GPS技术发展。
(1)全球导航定位、精确制导等军事需求是牵引GPS技术形成与发展的原动力。在GPS技术萌芽阶段,提升洲际导弹和轰炸机导航精度的迫切需求促使美军提出GPS导航新概念,随之带来诸多基础理论和技术研发问题,形成理论研究和技术创新热潮,使得论文发表数量生长率、专利申请数量生长率、国家自然科学基金项目经费生长率产生一个高峰。例如,GPS导航对高精度、高稳定性时间测量的迫切需求引发原子钟相关理论研究问题,形成铯钟、铷钟等原子钟研究热潮。
(2)卫星信号多普勒效应等基础理论发展是GPS技术形成与发展的源动力。在早期萌芽阶段,美军以子午仪系统、TIMATION系统、621B计划应用为基础,通过引入多普勒频移效应、铷原子钟时间测量、伪随机码测距等基础理论,形成GPS技术发展的基础理论体系,促使GPS技术新概念提出。颠覆性技术形成与发展具有鲜明的科学理论发展特性,以潜在应用需求为突破口,往往依托于一系列创新理论和技术原理。
(3)人造地球卫星技术创新突破是GPS技术形成与发展的推动力。1957年,世界首颗人造地球卫星发射升空是形成卫星导航定位新概念、新技术的前提,将卫星相关技术跨域引入导航定位领域,打破原有导航系统技术研发局限,极大提升了导航定位精度和使用范围。颠覆性创新的实现往往需要跨领域知识融合,集成多领域科学理论、工程应用突破技术难题,创造突破性技术创新。
(4)美国政府政策是GPS技术形成与发展的助催剂。美国政府政策在很大程度上推动GPS技术的形成与发展[38]。在GPS技术各发展阶段,美国政府均出台相应政策,这些政策对于促进GPS技术发展、军事化运用、产业化应用等方面发挥重要作用。在早期萌芽阶段, GPS技术可行性尚不明确,军事应用前景不明朗,但美国政府仍给予政策扶持和充足的项目经费,各军兵种均开展天基导航系统发展计划,最终推动子午仪系统、TIMATION系统、621B计划成功落地,为GPS概念理论和系统项目立项奠定了坚实的基础。GPS系统项目成功落地后,美国政府仍长期给予充足的研发经费促进系统优化升级,并密集出台国家、军队层面政策、法案、研究报告,保障GPS技术持续快速发展,推动GPS技术广泛应用。因此,政府需要在国家层面上营造鼓励、培养、扶持和保护颠覆性技术创新的政策环境。
本文以学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目等数据为基础,构建颠覆性技术发展评价指标体系,利用单源数据指标、多源数据指标、“客观数据+历史事件”耦合分析等方法,研究颠覆性技术在基础理论、创新研发、科技政策等综合影响作用下的发展演化过程,探析颠覆性技术发展演化规律。对典型颠覆性技术——GPS技术进行研究发现,颠覆性技术在基础理论、创新研发、科技政策等因素的综合作用下实现突破创新,其发展完善需历经若干次技术突破。在这些影响因素中,市场需求是颠覆性技术形成和发展的原动力,基础理论是颠覆性技术形成和发展的源动力,创新研发是颠覆性技术形成和发展的核心推动力,科技政策是颠覆性技术形成和发展的助催剂。其中,创新研发中的技术组合创新和跨域技术应用对颠覆性技术发展的推动作用最强。
根据上述研究结论,本文提出如下政策建议:
(1)加强颠覆性技术发展演化规律研究。颠覆性技术的形成与发展受市场需求、基础理论、创新研发、科技政策等多种因素影响。应依托多源数据融合分析方法和专家知识经验不断加强颠覆性技术发展研究,把握颠覆性技术发展演化规律,提高颠覆性技术洞察力、理解力和认知力,准确识别、预测颠覆性技术,精准研判颠覆性技术发展趋势和走向,为国家科技发展布局、把控科研投向投量提供科学理论支撑。
(2)不断强化前沿和基础交叉研究投入。研究发现,科学理论发展与跨域技术应用是GPS技术形成与发展的关键,其主要来源于航天、电磁、导航等多领域基础交叉研究的率先突破。因此,应给予基础交叉研究长期稳定的政策支持,超前布局、提前投入,推动基础数学、理论物理、系统科学、应用力学、复合材料、智能科技等自然科学和工程领域交叉融合,从纯科学发展中挖掘颠覆性技术发展的源动力。
(3)形成颠覆性技术多阶段干预机制。颠覆性技术由产生萌芽到发展成熟需经历多个阶段,要加强技术发展分阶段评估,根据不同技术发展阶段和市场发展状态给予不同程度的政策干预和资源投入,形成颠覆性技术分阶段政策支持、资源投入机制。在颠覆性技术萌芽阶段,市场前景不明朗,政府除给予政策扶持外,还应提供充足的项目经费支持,确保技术研发能够持续。在颠覆性技术进入快速发展、成熟阶段后,应用前景已经明朗,政府应利用政策工具引导市场研发投入,并逐步退出政府投入。
本文创新之处在于:一是从基础理论、创新研发、科技政策多个视角构建颠覆性技术发展评价指标体系,较文献[15-17]运用定性分析方法而言受专家影响较小,分析结果更客观;比文献[18]采用单一类型数据源分析方法考虑影响因素更多、分析维度更全面。二是利用学术论文、技术专利、国家自然科学基金项目数据等相关指标, 运用“客观数据+历史事实”耦合关联分析方法,多维度揭示颠覆性技术发展演化规律及其相关因素的互动关系。与文献[21,24,25]运用研究主题演化分析相比呈现要素更多,与重大科技事件的关联耦合更强,对颠覆性技术发展演化规律的研究更有利。三是从历史纵向视角,采用变异系数法进行多源数据融合分析,运用多指标融合曲线展示颠覆性技术发展演化过程;与文献[19,22]从总体上分析历史案例相比,在颠覆性技术早期信号捕捉、颠覆性技术发展时机推断方面更具参考价值。
本研究存在一些不足:一是受数据采集渠道所限,仅使用美国自然科学基金项目开展科技政策分析,反映GPS技术政策环境不够全面,未来可分析更多国家自然科学基金项目数据,更全面地反映技术发展政策环境;二是仅在GPS技术领域开展实证研究,未来可将研究方法拓展至其它技术领域,针对不同技术发展阶段,研究颠覆性技术发展演化规律。
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