嚴婷婷 劉 向 李文靜

(華中師范大學(xué)信息管理學(xué)院 武漢 430079)

0 引 言

科學(xué)文獻通過引證關(guān)系形成的引文網(wǎng)絡(luò)從時間角度來看是學(xué)科歷史演進的時序圖，從空間角度來看是學(xué)科群，它能夠反映特定領(lǐng)域知識的發(fā)展和演變[1]。隨著時間的推移及知識的增長，引文網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演變成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如何從龐大的引文網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵文獻，是分析具體領(lǐng)域變化趨勢的一個重要問題[2-3]?；谝牡闹髀窂椒治鰧τ谔崛√囟I(lǐng)域的關(guān)鍵文獻或關(guān)鍵技術(shù)及其演化路徑具有明顯的優(yōu)勢[4-5]。

技術(shù)主路徑通過提取網(wǎng)絡(luò)的主干來簡化復(fù)雜的引文網(wǎng)絡(luò)，并將關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點按照時間順序排列，以便清晰地展示科技領(lǐng)域重要技術(shù)及其發(fā)展承接關(guān)系[6-7]。Hummon等[8]最早提出基于引文的主路徑分析方法，其采用節(jié)點對投影計數(shù)(NPPC)，搜索路徑鏈接計數(shù)(SPLC)和搜索路徑節(jié)點對(SPNP)三種方法來衡量鏈接的重要性，然后基于局域或全局最優(yōu)進行路徑搜索，得到最高遍歷權(quán)重的路徑。之后，Batagelj[9]在總結(jié)上述遍歷計數(shù)方法的基礎(chǔ)上提出了搜索路徑計數(shù)(SPC)方法，指出SPC方法比 Hummon 等提出的三種算法更有效[10]。Liu等[11]對路徑搜索方法進行了完善，提出了關(guān)鍵路線搜索 (key-route search) 方法，這一方法可以通過選擇關(guān)鍵路徑的數(shù)量來解決主路徑單一的問題，得到更加全面完整的演化路徑。祝清松等[12]、陳亮等[13]、Gwak等[14]、劉向等[15]結(jié)合不同方法對主路徑進行了改進。實證方面，研究者將主路徑分析方法應(yīng)用到不同科技領(lǐng)域來探索技術(shù)軌道。楊中楷等[16]究了太陽能光伏電池板領(lǐng)域的技術(shù)軌道識別。李健等[17]基于主路徑研究了太陽能領(lǐng)域的知識擴散。Liu等[18]探索了DEA領(lǐng)域的局域、全局和多元主路徑。王婷等[19]、Kang等[20]、顏端武等[21]分別將主路徑方法應(yīng)用到中藥、色譜技術(shù)、石墨烯制備等領(lǐng)域。

然而，主路徑分析采用SPx方法對直接引證網(wǎng)絡(luò)的邊權(quán)賦值存在以下問題：被引頻率越高、參考文獻數(shù)量越多的文獻，其在遍歷計數(shù)過程中獲得的權(quán)重越大，被引頻次高可以從一方面體現(xiàn)文獻的重要性程度，然而參考文獻的數(shù)量并不一定可以反映該文獻的重要性[22]。同時，由于每條引文對知識擴散的影響不同，在引文網(wǎng)絡(luò)中，權(quán)重相同的邊的重要性也不盡相同。區(qū)別于傳統(tǒng)的SPx方法對引文網(wǎng)絡(luò)邊的權(quán)重進行遍歷計數(shù)，本文基于知識流在引文網(wǎng)絡(luò)中傳遞的思想，考慮施引文獻與被引文獻之間關(guān)系的緊密程度，提出了一種根據(jù)施引文獻與被引文獻同被引強度分配知識流的引文網(wǎng)絡(luò)邊權(quán)賦值算法，據(jù)此計算得出引文網(wǎng)絡(luò)中各邊的權(quán)重值，然后采用全局搜索方法得到權(quán)重值之和最大的主路徑。最后，由于文獻間的同被引強度會隨時間演變發(fā)生變化，基于上述方法構(gòu)建的主路徑在不同時期也會存在差異，我們采用有機發(fā)光二極管 (OLED) 領(lǐng)域的不同時間階段的引文數(shù)據(jù)實證本方法的合理性和有效性。

1 同被引知識流方法

1.1方法描述主路徑分析方法主要包括以下兩個步驟：第一步，運用遍歷計數(shù)方法計算網(wǎng)絡(luò)中的鏈接權(quán)重；第二步，基于局域或全局方法進行路徑搜索，得到最高遍歷權(quán)重的路徑即為領(lǐng)域主路徑。本文提出的同被引知識流方法與傳統(tǒng)主路徑方法(如SPC)相比，改進主要體現(xiàn)在第一步計算鏈接權(quán)重。在SPx方法中對鏈接進行賦權(quán)時，參考文獻數(shù)量這種無關(guān)因素會對節(jié)點的權(quán)重大小產(chǎn)生影響，而本文中同被引知識流的方法從節(jié)點與節(jié)點之間的聯(lián)系緊密程度出發(fā)，依據(jù)同被引強度對網(wǎng)絡(luò)鏈接進行賦值，具體計算方法如下所述。

基于特征向量中心性的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點影響力評價取決于該節(jié)點鄰居節(jié)點的數(shù)量及質(zhì)量。在引文網(wǎng)絡(luò)中，即施引文獻的數(shù)量越多，被引文獻的影響力越大；施引文獻的影響力越大，被引文獻的影響力也越大。我們將引用關(guān)系視為文獻之間影響力傳遞的路徑，如果文獻B引用了A，那么節(jié)點B的部分影響力通過有向邊B→A傳遞到A，即施引節(jié)點的重要性通過引用鏈接分配給被引節(jié)點；就如同投票，B將票投給了A，A獲得影響力。對于被引節(jié)點而言，施引節(jié)點的影響力越大，其分得的影響力越大；同時，施引節(jié)點的參考文獻數(shù)量越多，其分得的影響力越小。

由于不同節(jié)點對之間的關(guān)系密切程度有所差別，在知識流的傳遞過程中，對于同一施引節(jié)點，不同被引節(jié)點分配到的權(quán)重值也會存在差異。我們可以根據(jù)引文網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點間的同被引強度來確定權(quán)重值的分配。同被引強度越高，專利文獻相關(guān)的可能性與關(guān)系密切程度越高，傳遞的影響力值也越大。假設(shè)節(jié)點A同時引用了B和C兩個節(jié)點，B與A的同被引強度高于C，我們可以假設(shè)A向B傳遞了更多的影響力。被引節(jié)點B與A之間相關(guān)程度更高，從B到A的知識擴散比從C到A的知識擴散更多。因此同被引強度越高的節(jié)點對，施引節(jié)點傳遞的影響力越大。

施引節(jié)點根據(jù)關(guān)系密切程度按比例將其影響力傳遞給被引節(jié)點。施引節(jié)點傳遞的權(quán)重值的大小與自身權(quán)重值成正比，與其參考文獻數(shù)量成反比，與施引節(jié)點和被引節(jié)點的同被引強度成正比。每個節(jié)點所獲得的影響力來自于其所有施引節(jié)點所傳遞的影響力之和。假設(shè)節(jié)點D同時引用了節(jié)點E，F(xiàn)和G，節(jié)點D的權(quán)重值越大，被引節(jié)點E，F(xiàn)和G的權(quán)重值也越大。但是，如果節(jié)點D有3個以上的參考文獻，那么每個分支分配得到的權(quán)重值會減少。假設(shè)節(jié)點對(D，E)，(D，F(xiàn))和(D，G)的同被引強度分別為2，1，0，那么節(jié)點D會通過連接到E的鏈路傳遞更多的權(quán)重值，在邊的權(quán)重值中所占比例最大。

在實際的引文網(wǎng)絡(luò)中存在一定數(shù)量的同被引強度為0的引文節(jié)點對(如上述節(jié)點對D，G)，如果僅根據(jù)絕對同被引強度分配權(quán)重值，則同被引強度為0的施引節(jié)點與被引節(jié)點之間不會傳遞任何值。為了解決這一問題，我們在傳遞權(quán)重值的計算過程中不采用原始同被引強度，而是將每對節(jié)點對之間的原始同被引強度值加1，然后根據(jù)同被引強度加1后的比值傳遞知識流；這樣的處理也可以解釋為將引用本身視為施引文獻和被引文獻的一次共現(xiàn)。

1.2操作步驟第一步：數(shù)據(jù)預(yù)處理。提取專利號、專利引文數(shù)據(jù)及發(fā)布時間，如表1所示。

表1 專利引文數(shù)據(jù)表

第二步：構(gòu)建專利引文網(wǎng)絡(luò)?？紤]到文獻間的同被引強度會隨時間演變而發(fā)生變化，我們嘗試將數(shù)據(jù)集中的專利文獻及其參考文獻以專利文獻為節(jié)點、直接引證關(guān)系為邊，根據(jù)不同時間階段的引證關(guān)系構(gòu)建專利引文網(wǎng)絡(luò)。設(shè)定每個節(jié)點的初始值為1。

第三步：計算引文網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的重要性度量值及每條邊的權(quán)重。每個施引節(jié)點根據(jù)節(jié)點對之間的同被引強度按比例分配自己的重要性度量值，直到達到引文網(wǎng)絡(luò)中的所有源。根據(jù)每個節(jié)點的重要性度量值CIF計算每條邊的權(quán)重值。節(jié)點i與節(jié)點j連邊的權(quán)重值Wij與節(jié)點j從引用它的節(jié)點獲得的總權(quán)重值TWj可以表示為：

(1)

(2)

其中Cij為節(jié)點i與j同被引強度，n為節(jié)點i的參考文獻數(shù)量，V為節(jié)點j的施引文獻集合。 圖1為知識流傳遞過程示意圖，表2為圖1中各節(jié)點的CIF值。

圖1 基于同被引強度的引文網(wǎng)絡(luò)知識流過程示例

第四步：搜索路徑。本文采用全局搜索策略進行路徑搜索，篩選出權(quán)重和最大的路徑，得到不同時間階段的技術(shù)主路徑。

表2 圖1中各節(jié)點的CIF值

1.3實驗數(shù)據(jù)本文選取OLED領(lǐng)域的美國授權(quán)專利數(shù)據(jù)進行實驗。采用檢索詞"OLED""organic LED""organic light-emitting diodes""organic electroluminescent""organic electro-luminescence""polymer light-emitting diodes"和"polymer LED" 在美國專利商標局數(shù)據(jù)庫中進行檢索，檢索字段為：標題、關(guān)鍵詞，檢索時間范圍為1976年1月-2018年5月，得到7 343條專利數(shù)據(jù)作為本文實驗數(shù)據(jù)，這些專利的引文共計179 425條，平均引文數(shù)量24.43。

選取OLED領(lǐng)域美國專利數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源的原因如下：a.OLED是相比傳統(tǒng)的LCD技術(shù)而言更具優(yōu)勢的顯示技術(shù)，其在電子產(chǎn)品、工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對此領(lǐng)域進行研究具有一定的理論意義和實際意義。b.美國專利作為全球科技創(chuàng)新和發(fā)明的主要陣地，公開和授權(quán)了大量LED、OLED的專利，在專利數(shù)量和專利的覆蓋率等方面具有一定優(yōu)勢，擁有較為完整的技術(shù)演化路徑。

2 實驗結(jié)果

2.1同被引知識流與SPC方法對比

2.1.1 路徑形態(tài) 實驗結(jié)果如圖2所示，圖2左圖和右圖分別為采用基于同被引知識流方法和SPC方法，再使用全局搜索得到的主路徑。其中縱坐標表示專利申請年，橫坐標沒有特殊意義，節(jié)點大小表示專利文獻的被引頻次，邊的線條粗細表示邊的權(quán)重值。

從路徑形態(tài)對比觀察圖2左右兩種算法進行全局搜索得出的主路徑，可以看出采用基于同被引知識流方法得到的主路徑的節(jié)點提取會更偏向于老節(jié)點，從技術(shù)主路徑顯示來看，最早的節(jié)點可以追溯到1965年，比右圖中技術(shù)主路徑源節(jié)點申請年對應(yīng)的1979年，早了14年時間。此外，左圖主路徑中專利節(jié)點申請年份的平均值為1995.5，右圖平均值為1999.3，從整體來看基于同被引知識流方法得到的主路徑節(jié)點也更偏向于早期節(jié)點，這是因為同被引頻次是基于當前視角對過去的審視，隨著領(lǐng)域研究的發(fā)展，重要且相關(guān)聯(lián)的專利節(jié)點會在后人研究的引文中凸顯出來。

圖2 基于同被引知識流傳遞的全局搜索(左) 基于SPC的全局搜索(右)

2.1.2 路徑內(nèi)容 從專利內(nèi)容上看，如表3所示，基于同被引知識流的主路徑共有12項專利，基于SPC方法的主路徑共有15項專利，兩條路徑共有7項重合專利，重合度高，且集中分布在1983-2002年。兩條路徑的差異主要存在于路徑的源節(jié)點及2008年之后的節(jié)點。首先，基于同被引知識流方法搜索得到的主路徑的源節(jié)點是3172862，這項專利首次公開了含共軛結(jié)構(gòu)的主體有機材料的電致發(fā)光現(xiàn)象，揭開了對有機電致發(fā)光器件的研究；基于SPC方法得到的主路徑的源節(jié)點是4164431，這項專利公開了使用多層有機組合物的有機太陽能電池，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。其次，兩條路徑高度重合部分(4356429 -…- 6303238)，所有專利都是關(guān)于有機電致發(fā)光器件，這與基于同被引知識流方法搜索得到的主路徑的源節(jié)點承接性較強，而與SPC方法得到的主路徑的源節(jié)點(關(guān)于光電轉(zhuǎn)換)關(guān)系較弱。最后，基于同被引知識流方法搜索得到的主路徑在2008年之后的專利(7332232-9281483-9722193)公開了包含不同的金屬配合物的有機發(fā)光二極管器件；基于SPC方法得到的主路徑在2008年之后的專利(7279704-9059412-9224963-9385329-9947881)中，專利7279704關(guān)于磷光有機材料，專利9059412關(guān)于金屬配合物，專利9224963、9385329和9947881則都是關(guān)于鉑配合物。為提高發(fā)光效率，鉑配合物等其他重原子金屬配合物在電致發(fā)光材料領(lǐng)域被廣泛探索[23]?；谕灰R流的方法得到的位于主路徑后期的節(jié)點在研究內(nèi)容上承接關(guān)系稍強，而SPC方法得到的位于主路徑后期的節(jié)點稍顯分化。

表3 基于同被引知識流方法與SPC的全局主路徑中關(guān)鍵節(jié)點

總體來說， 基于同被引知識流方法搜索得到的主路徑能提取出更早的專利技術(shù)，可以追溯到技術(shù)的根源節(jié)點。從內(nèi)容分析可以看出，基于同被引知識流方法搜索得到的主路徑更為集中，源節(jié)點以及主路徑節(jié)點表示的專利技術(shù)都與有機電致發(fā)光器件相關(guān)，而基于SPC方法得到的主路徑節(jié)點數(shù)量更多，專利技術(shù)更為分散。相比之下，基于同被引知識流方法提取出的技術(shù)主路徑對于理清有機發(fā)光二極管技術(shù)的演化過程的脈絡(luò)更有理論價值。

2.2基于同被引知識流方法的演變路徑將本文得到的7 343篇專利文獻按時間劃分，每5年為一段，由于2003年以前的數(shù)據(jù)量較少，不作單獨劃分。然后將1976-2003，1976-2008，1976-2013，1976-2018年的專利文獻和它們的引文構(gòu)成專利引證網(wǎng)絡(luò)，依照上文實驗步驟得到基于同被引知識流方法的技術(shù)主路徑。表4為OLED領(lǐng)域的美國授權(quán)專利數(shù)據(jù)按時間階段劃分的統(tǒng)計數(shù)量。

表4 OLED領(lǐng)域的美國授權(quán)專利數(shù)據(jù)

2.2.1 路徑形態(tài) 實驗結(jié)果如圖3所示，圖3從左至右分別為截至2003、2008、2013的專利數(shù)據(jù)及其引文數(shù)據(jù)構(gòu)成引文網(wǎng)絡(luò)，然后采用同被引知識流方法得到的技術(shù)主路徑。截至2018年的技術(shù)主路徑如圖2(左)所示。

從路徑形態(tài)上來看，圖3 (左)與圖3 (中) 所示路徑在除源節(jié)點外的節(jié)點上完全重合，側(cè)面說明有機發(fā)光二極管領(lǐng)域在2004-2008年間專利技術(shù)沒有較為重大的突破。比較基于同被引方法得到的4條技術(shù)主路徑(圖2 (左) 與圖3)發(fā)現(xiàn)，路徑(4356429-4539507)在整條技術(shù)主路徑中一直占比較大，該路徑連接的兩項專利被引頻次也較高。

1976-2003 (左) 1976-2008 (中) 1976-2013 (右)

2.2.2 路徑內(nèi)容 從路徑內(nèi)容上來看，圖2 (左) 及圖3所示的4條技術(shù)主路徑的源節(jié)點分別為3173050、3172862，這兩項專利都是由Gurnee等人于1965年申請，首次公開了含共軛結(jié)構(gòu)的主體有機材料的電致發(fā)光現(xiàn)象，揭開了對有機電致發(fā)光器件的研究，在專利內(nèi)容上具有相似性。4條主路徑在源節(jié)點后的2個節(jié)點(4356429，4539507)是完全重合的，專利4356429中美國柯達公司的Tang等人首次發(fā)明了具有三明治結(jié)構(gòu)的有機雙層薄膜電致發(fā)光器件，使器件的開啟電壓大大降低，這是有機電致發(fā)光技術(shù)進入實用化時代的重要標志[24]，自此有機電致發(fā)光材料與器件在國際上開始了大規(guī)模的研發(fā)。4539507從提高交流技術(shù)效率方面改善了器件制備工藝。

圖3 (左) 和 (中)所示路徑的中后期節(jié)點(5059861-5276381-5742129-6232713)完全重合，其中專利505986和5276381從開發(fā)新型發(fā)光材料、專利5742129從探索新的器件結(jié)構(gòu)方面提高了發(fā)光效率，6232713則通過屏障將有機電致發(fā)光裝置彼此分離從而改善了制作工藝。值得注意的是，圖3 (中) 所示路徑與圖3 (左) 相比并無新增節(jié)點，但節(jié)點及邊權(quán)相對大小發(fā)生改變，說明2004-2008年新增專利更加側(cè)重對專利5059861-6232713的引用，對新增專利的同時引用較少。

圖3 (右) 所示路徑中，中后期專利(如5151629、6130001和6798135)更多涉及開發(fā)新的發(fā)光和傳輸材料，以提高操作穩(wěn)定性、器件壽命、發(fā)光效率和顏色等。這與姜春林等[25]的研究結(jié)論類似：OLED涉及的技術(shù)領(lǐng)域以半導(dǎo)體器件為核心，同時有明顯的演化趨勢，如用于控制光的強度、顏色、相位、偏振或方向的器件或裝置逐漸變?yōu)橹鲗?dǎo)性技術(shù)領(lǐng)域，這與OLED顯示器的技術(shù)成熟化相關(guān)。此條路徑與前兩條(圖3 (左) 和 (中))相比，在節(jié)點4539507后發(fā)生變化(由5059861轉(zhuǎn)變?yōu)?061569，此二項專利分別關(guān)于公開新型陰極發(fā)光材料、改進發(fā)光器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu))，且后續(xù)節(jié)點無一相同，表明在2009-2013年OLED領(lǐng)域?qū)＠芯糠较蜉^之前發(fā)生較大轉(zhuǎn)變。

圖2 (左) 所示路徑中，中期專利(如5343050、5674597和5834893)以探索新的器件制作工藝及器件結(jié)構(gòu)為主，而后期則主要涉及開發(fā)和研究新型發(fā)光材料，如6303238公開了摻雜磷光化合物的發(fā)射層，7332232研發(fā)了具有過渡金屬的發(fā)射材料和光活性配體，9281483和9722193研發(fā)了磷光金屬配合物以改進磷光材料。正如焦志強等[26]的研究所述，理論上，有機磷光材料發(fā)光效率是有機熒光材料的4倍，在發(fā)光效率上有突破性的進展，磷光發(fā)光材料近來已成為OLED材料極重要的發(fā)展方向。與圖3 (右) 所示路徑相比，此路徑在節(jié)點5151629后改變，由5925980轉(zhuǎn)變?yōu)?343050，此二項專利都是關(guān)于探索新的器件結(jié)構(gòu)，分別為具有梯度(分級)區(qū)域的發(fā)光器件、具有多層結(jié)構(gòu)的有機薄膜。并且在節(jié)點5151629后，圖2 (左) 與圖3 (右) 兩條路徑完全無重疊。

總的來看，圖3所示的1976-2003年與1976-2008年專利數(shù)據(jù)形成的演進路徑基本重合，二者與截至2013、2018年的路徑在前期基本重合，屬于領(lǐng)域內(nèi)開創(chuàng)性研究，在研究發(fā)光機理、探索新的器件制作工藝及研發(fā)新型發(fā)光材料三方面均有涉及，但中后期差異顯著。在1976-2013年專利數(shù)據(jù)形成的演進路徑中，中后期專利以開發(fā)新的發(fā)光和傳輸材料為主。在1976-2018年專利數(shù)據(jù)形成的演進路徑中，中期專利主要涉及優(yōu)化器件制作工藝及器件結(jié)構(gòu)，后期則注重于新型發(fā)光材料的研發(fā)。從實驗結(jié)果來看，基于同被引知識流的技術(shù)主路徑并非一成不變，具有動態(tài)演變的特性。

3 討 論

3.1貢獻與創(chuàng)新之處基于同被引知識流方法對專利引證網(wǎng)絡(luò)邊權(quán)賦值，采用全局搜索方法提取權(quán)重值之和最大的技術(shù)主路徑。相比傳統(tǒng)的主路徑分析方法SPx對引證網(wǎng)絡(luò)的邊進行遍歷計數(shù),本文采用的基于同被引知識流方法有以下貢獻和創(chuàng)新之處：

a.解決了參考文獻數(shù)量多的文獻有更大機會獲得更高權(quán)重的問題。在引證網(wǎng)絡(luò)中將節(jié)點間傳遞的知識流的大小作為邊的權(quán)重值，然后根據(jù)邊的權(quán)重值采取全局搜索算法提取主路徑，避免由于參考文獻太多導(dǎo)致節(jié)點權(quán)重值大入選主路徑而邊的權(quán)重值都很小的問題。

b.本文基于引證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點關(guān)系來衡量鏈接權(quán)重。在提取領(lǐng)域主路徑時不僅考慮了節(jié)點的影響，還考慮了節(jié)點之間關(guān)系的密切程度。

c.通過專利文獻的同被引強度確定路徑上的知識流比重。由于文獻的同被引關(guān)系是由比它們新的知識內(nèi)容決定的，上述方法得到的主路徑建立在歷史追溯的角度上，反映了不同時期的當前研究者們對過去知識的看法，具有動態(tài)演變的特性。

3.2局限之處與應(yīng)用范圍基于同被引知識流方法提取技術(shù)主路徑的方法存在以下三點局限：

a.本文基于專利文獻間的同被引強度對引文網(wǎng)絡(luò)的邊權(quán)賦值，由于文獻的同被引關(guān)系是由比它們新的知識內(nèi)容決定的，因此在時間上存在一定的滯后性，不適于用來發(fā)現(xiàn)前沿研究領(lǐng)域。

b.基于不同時間階段的專利文獻及其參考文獻所得的主路徑可以發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域研究內(nèi)容的轉(zhuǎn)變，但無法衡量這種轉(zhuǎn)變的大小，可對此做進一步研究。

c.本文基于文獻之間的引證關(guān)系，所以并不適用于沒有引文的專利數(shù)據(jù)。