多目标优化的专利引用网络主路径分析方法及实证研究

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技术是人类社会大系统中的一个相对独立的子系统,当前主流观点认为技术的发展是连续和累积式的,可以用“技术演化”概念来表征。自组织理论模式观点认为,技术创新过程是一个自组织的进化过程;生物进化论模式观点认为,技术创新体系是一个关于人工制品的协同进化的完整生态系统。二者都认同技术演化模式具有可分析、可描述特性。开展技术演化分析有助于探究技术起源与未来趋势,对及时识别优先领域、合理配置科技资源具有重要意义。随着创新日益成为经济发展的原动力,世界主要国家与组织对开展技术演化分析予以高度重视。20世纪70、80年代,随着计算机技术的迅速发展,技术演化研究进入了快速发展阶段,相关理论与方法不断丰富和完善。  专利是世界上最大的技术信息源。专利文献记载了一项技术自诞生之日起的一系列主要事件。专利引用信息反映了研发活动的技术和科学基础,在此基础上形成的专利引用网络蕴含着丰富的技术演化线索。当前,专利引用网络主路径分析已成为探测技术演化主干的一项有效研究手段,主要是通过识别出引用网络中具有最大连通度的系列文献来研究领域的发展演化过程,分析技术流动主路径,绘制技术演化轨迹。已有研究证明主路径法与常用的高被引文献方法相比具有独特性与互补性。但是,现有的专利引用网络主路径方法存在着不足:根据单一目标(网络连通性、或主题相似性)来搜索主路径,未充分反映出技术演化驱动因素的多元性;忽视了不同类型引用动机下的引用关系差异及其对路径选择存在的影响;基于静态网络的特定拓扑结构开展研究,忽视了网络演化的动态性特征。  鉴于现有研究的局限,论文将工程和优化设计中的多目标优化思想,应用于主路径方法研究,提出了一个新的基于多目标优化的专利引用网络主路径分析模型及其解决方案。论文分析了影响专利引用路径的不同因素,确定了两个典型的优化目标,研究同时优化这两个目标的专利引用网络主路径分析方法。论文确定了两个典型的目标函数,及其各自相应的约束条件,以考虑技术生命周期、引用动机对主路径形成的影响,并且保障了计算时间的合理经济性,采用Pareto最优近似解集形式,为决策者提供一组质量较高的专利引用网络最优主路径参考。  论文采用了多目标进化算法对主路径优化模型进行求解。综合考虑计算效率、可操作性、结果冗余性等因素,论文采用了基于超体积指标函数方法的多目标局部搜索算法,设计了相应的路径搜索机制、问题解的适应值分配策略、解集的筛选与更新机制,实现了多目标路径评价和排序、Pareto最优近似解集的输出。  论文选择了具有新兴技术代表性特征的石墨烯传感技术、具有成熟技术代表性特征的高温超导电缆技术,开展实证研究。论文建立了两个领域的真实的专利引用网络,分别采用普遍认可的优先算法SPC主路径方法、本文构建的多目标优化主路径方法,获取了两个领域的专利引用网络主路径。论文比较分析了两种方法的主路径结果,验证了多目标优化主路径分析方法的应用效果,总结了其决策参考意义。  论文的主要创新贡献为:(1)建立了多目标优化的专利引用网络主路径分析模型与解决方案。论文将多目标优化思想首次应用于主路径方法研究,提出了同时最大化路径连接性重要度、路径技术主题相似度两个目标的专利引用网络主路径方法,构建了数学模型,提出了基于多目标进化算法的模型解决方案。与当前普遍基于单目标评价的主路径方法相比,论文提出的多目标优化主路径分析方法将两个具有不可公度性甚至可能冲突的主路径目标进行了协调折衷处理,得到了在一定条件下整体性能最优化的专利引用网络主路径。(2)实现了面向动态网络的含时、含权的主路径搜索。论文采用基于超体积指标函数方法的多目标局部搜索算法实现了对主路径优化模型的求解。通过技术生命周期约束条件、引用动机类型约束条件,分别反映了技术成熟度、引用动机对专利引用路径的影响,将研究对象由静态网络特定拓扑结构转换成了含时、含权的动态演化结构,实现了一个清晰而成熟的含时网络主路径搜索框架,有效反映出路径形成的动态性。(3)实现了基于Pareto最优近似解集的多主路径解决方案。论文采用Pareto最优近似解集提供的多主路径结果,与现有研究中基于单目标评价值全序排列输出的若干主路径结果具有本质区别。Pareto最优多主路径还方便了决策者根据决策场景实际需求来设定决策偏好,选用适合不同决策场景需求的最优解。  总之,基于现有研究的不足与技术演化研究的实际需求,论文提出了一个基于多目标优化的专利引用网络主路径分析模型与解决方案,实现了基于多目标搜索的动态专利引用网络的主路径识别,并且面向具体技术领域进行了实证研究。实验结果表明,与现有方法相比,本方法识别出的技术演化主题更丰富、探测新兴技术演化主题动向更灵敏、揭示演化路径更细分、有效克服了超高频次被引专利的干扰,算法稳定高效、合理经济。本方法表现出了丰富的决策参考意义:微观层面,有助于识别领域内的专利技术演化进程主干及关键技术节点,方便不同决策场景的决策偏好需求;中观层面,有助于及时探测领域内萌生的新兴技术演化热点及其动向;宏观层面,有助于判断技术领域的演化成熟度和推演未来演化趋势。
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