5.6.3 技术创新方案提出
1）轨道工程技术数据收集
（1）专利信息数据来源
本案例主要研究了我国铁路建设过程中轨道工程施工的相关技术，以轨道工程为研究主题，可将铁路轨道工程施工技术领域公知的技术术语作为关键词，采用国家知识产权局官方专利检索与查询系统进行检索。
对轨道工程相关专利进行检索收集，国家知识产权局收录了自1985年9月10日至今103个国家、地区和组织的专利数据，同时还收录了引文、同族、法律状态等信息，利用国家知识产权局专利检索平台能够收集轨道工程施工领域的各类专利信息，进而通过专利信息的分析取得需要的各类数据。
（2）专利检索方案
首先，在对轨道工程相关的文献进行分析的基础上，选取该领域的高频技术词汇进行初步检索，通过随机查阅等方式对检索词及布尔运算关系予以调整，同时咨询轨道工程领域专家不断优化关键词，最终选定“轨道工程”“轨道铺设”“铺轨”和“铺架”作为本次的检索关键词。
其次，不同国家对专利客体的保护范围和保护时间也不同。我国专利包括发明专利、实用新型专利、外观专利，专利法规定发明专利权的保护期限为20年、实用新型专利权和外观设计专利权的保护期限为10年，均自申请之日起计算。同时，我国自1997年开始进行铁路提速，列车运行速度的提升对轨道铺设质量提出了更高的要求，相关技术逐年增多。根据预检索，1998年之前轨道工程相关的专利非常少，几乎可以忽略不计。因此，可将本研究对象确定为1998年1月1日至2018年1月1日我国轨道工程施工领域的所有专利（发明专利、实用新型专利、外观设计专利）。检索方案见表5-11。
表5-11 轨道工程施工领域专利检索方案
2）轨道工程专利分析
（1）专利检索结果
按照检索方案对专利数据进行筛选、检索后共获得1 494项专利，进而通过随机抽样查看等方式对刮泥机、电解槽、航空等一些明显不相关的专利进行过滤和剔除，最终收集到轨道工程施工相关专利1 033项（其中发明专利475项、实用新型专利541项、外观专利17项）。
（2）总体趋势分析
通常，专利申请量随着时间上升代表相关技术创新趋向活跃，技术发展较为迅速；专利申请量持平和下降则代表技术创新趋向平淡，技术发展较为迟缓，或技术已经趋于落后并被其他技术取代。专利申请趋势能够在一定程度上反映技术的发展历程、技术生命周期的具体阶段以及预测未来一段时间内的发展趋势，因为专利从申请到公开存在的延迟（通常有1～2年），近两年专利申请数量不具有参考价值。
从总体趋势看，轨道工程施工领域相关专利在2005年及之前申请数量和公开数量较低，维持在个位数，技术发展缓慢，技术突破较少，处于萌芽状态；自2006年起，专利申请数量逐渐增加，2007年时速可达200 km／h的第一列和谐号动车组CRH2-026A正式开行、2008年京津城际开通，加之2009年武广客车专列、2010年郑西高铁、2011年京沪高铁、2012年哈大高铁相继通车。自此，我国铁路建设步入了发展的快车道，伴之以轨道工程领域的创新亦逐渐活跃，从专利申请及公开数量上反映出其进入了蓬勃发展时期。2015年、2016年新增申请专利占比分别高达13.5%，16.5%。从图5-69可以看出，未来一段时间内轨道工程领域相关专利申请数量仍将快速增加。图5-70所示为主要申请人排名。
图5-69 专利数量趋势图
图5-70 主要申请人排名
（3）申请人分析
分析申请并公开专利数量最多的申请人排名情况，可以看出中铁一局、中铁十一局、中铁十九局、中铁二局等施工单位在轨道工程领域深耕多年，在轨道工程施工方面专利占比较高。与此同时，成立于2010年的中铁上海工程局在城市轨道施工领域发展迅猛，在地铁施工机械等方面专利成果较为丰厚，具有一定的技术优势；而成立于2011年的安徽兴宇轨道装备有限公司在轨道工程施工机具智能化方面具有一定的研发实力，如图5-71所示。
随着国家对铁路基础设施建设投入的逐年加大，相关专利申请也在2006年后开始活跃，以中铁一局、中铁十一局、中铁十九局和中铁二局等为代表的老牌工程局（以下简称“老牌局”），是铁路领域第一批专利申请者。目前施工企业的部分专利已逐步进入失效期，成为公知技术为人们所普遍采用。同时，伴随着老牌铁路局在轨道工程领域失效专利的逐年增多，新增专利的增长速度远不及行业整体水平，专利领域市场竞争力与新组建的中铁上海工程局、新型民营企业安徽兴宇轨道装备有限公司等企业相比呈下行态势。
图5-71 老牌工程局专利失效情况
对主要申请人进行分析，一方面可以帮助企业识别出当前的主要竞争对手，另一方面还可以验证检索方案的科学合理性。
（4）IPC分析
图5-72所示为轨道工程专利IPC分析。
图5-72 轨道工程专利IPC分析
在中国轨道工程专利中：E01“道路、铁路或桥梁建筑”占比最大，达43%，为轨道工程施工领域专利最集中的大类，其子目E01B“铁路轨道、铁路轨道附件、铺设各种铁路的机器”占绝对比例。具体而言：E01B29指“铺设、再建或取出轨道，所用工具或机械”，该IPC分类申请的专利数量最多，占分析样本专利总量的25.4%；E01B1指“铁路轨道、铁路轨道附件（含道砟层、轨枕、混凝土轨道板等）、铺设各种铁路的机器”，占比为4.3%；E01D下子目E01D21指“专用于架设或装配桥梁的方法或设备”，占比为4.6%。显然，各类轨道工程部件及直接用于轨道施工的机具、设备等技术类专利最多，为轨道工程技术创新的密集区。
B61为“铁路”，占比为11.8%，其子目包含B61F（铁路车辆的悬架，如底架、转向架或轮轴的布置，在不同宽度的轨道上使用的铁路车辆、预防轨道车辆脱轨、护轮罩、障碍物清除器或轨道车辆的类似装置）、B61D（铁路车辆的种类或铁路车辆车体部件）等，说明在铁路施工车辆改进等方面有一定数量的专利。
B66为“卷扬、提升、牵引”，占比为7.5%，其子目包含B66C（用于起重机、绞盘、绞车或滑车的载荷吊挂元件或装置）等，即各类提升、起重设备为轨道工程施工中的一个技术研发热点。
H（电学）、F（机械工程、照明、加热、武器、爆破）、G（测量、测试）等部分也有涉及，但专利数量相对较少，为轨道工程技术稀疏区。
对收集到的1 033项轨道工程相关专利进行分析，研究关键词所处的技术大类排行情况，可以确定轨道工程技术创新密集区及稀疏区，为后续关键词的确定提供参考。
3）路径构建
（1）创新要素挖掘
专利文本储存着专利的关键信息，所以，对专利文本进行文本聚类分析筛选出其中的高频词汇能够系统、全面地了解相关技术领域的专利技术热点，因此，专利关键词是相关技术的直接体现，分析关键词能够快速提取该技术领域的创新要素。
通过聚类分析，共获得276个关键词，分布在钢轨、转向架、卷扬提升、一般车辆、测量等不同大类中，对关键词所在技术大类进行统计，可以识别出当前比较热门的研发领域，同时能够较便捷地排除一些干扰项，缩小核心词汇范围。
最终评判结果见表5-12，根据轨道工程施工技术发展趋势以及行业专家评测与技术大类排行，共确定技术关键词181个，即为轨道工程施工技术方面的核心创新要素。
表5-12 关键词技术大类排行
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（2）创新要素关联规则挖掘
关联规则反映了研究对象之间潜在的联系与规则，表现为对象之间的关联性。对创新要素进行关联规则挖掘的目的是发现频繁出现的创新要素及创新要素之间的关系。针对频繁出现的创新要素，利用关联规则挖掘它们之间的关系，从而得到其中关联性较强的技术创新要素的关系，能够客观反映创新过程中常见的创新模式，为企业技术创新提供科学合理的技术要素组合及创新要素组合、创新策略及技术机会预测，有利于在降低技术创新难度的同时提升技术创新效率。
Apriori算法是关联规则挖掘频繁项集的经典算法，由频繁项集可生成关联规则，生成的关联规则由最小支持度和最小置信度阈值评估。在进行关联规则挖掘时，设置的最小支持度阈值过低会造成频繁项集过大，降低关联规则的显著性，设置的最小置信度阈值过低则会造成关联规则过多，降低关联规则的关联效果；反之亦然。只有合理设置最小支持度和最小置信度阈值，根据最小置信度和最小支持度阈值剔除不满足条件的规则，才能得到强关联规则的频繁项集。
在轨道工程施工技术创新要素关联规则挖掘过程中，可设定最小支持度和最小置信度均为10%，直接过滤掉一些低频次创新要素以及关联度不高的关联规则。基于关联规则挖掘的轨道工程技术创新要素组合，不仅是轨道工程施工技术领域核心创新要素的组合，同时也是轨道工程施工领域较成熟技术手段的直接呈现。
在对大量专利数据进行关联规则分析时，仍然会有大量无价值的关联规则，因此，可以根据轨道工程领域专家的主观度量过滤掉显而易见或没有实际意义的关联规则，进而获得有价值的关联规则。挖掘的轨道工程施工领域关联规则结果见表5-13。
表5-13 轨道工程施工领域创新要素Apriori关联度挖掘结果
在轨道工程施工领域，在材料方面只有橡胶被列为核心创新要素（confidence（转向→橡胶）＝15.38%）。经过专利查阅，发现虽然近年来以树脂、聚氨酯等新材料为载体研发的合成轨枕、支撑结构弹簧垫等专利成果逐年增加，但以树脂、聚氨酯、胶轮、自密实混凝土等为主题的专利数量仍然较少，导致材料类关键词出现频率不高，与其他关键词关联出现频次较低（confidence（套筒→胶轮）＝3.28%），由此被排除在置信度最小阈值之外。但在具体实践中，树脂、聚氨酯等新型材料的应用日益广泛，伴随着新材料的不断涌现，它们将带动施工工艺、工装快速革新升级，因此，在进行多维创新分析时，仍应将材料维作为轨道工程施工领域的创新维度进行分析。
（3）技术多维分析
关联规则揭示了本领域创新要素之间的关联性，反映了相关领域技术开发的热点，通过Apriori经典算法对轨道工程施工领域的关联规则进行挖掘，可以找出具有强关联关系的核心创新要素组合，进而对其进行筛选，将挖掘产生的技术要素进行维度划分，利用元易创新方法进行九维九法耦合，形成多维空间专利地图，进而可进行潜在技术机会识别。
（4）维度划分
根据挖掘出的关联规则，结合轨道工程领域专家对该领域内施工技术及多维空间专利地图中各个维度的认知，提取轨道工程核心创新要素的热点创新维度，见表5-14。其中，结构维主要从各类施工工装、机械的结构关系、零部件等角度考察了轨道工程施工工具方面的创新要素；材料维主要对创新系统中与创新活动密切相关的材料进行了创新要素分析；人机关系维主要从作业对象、工具与环境的互动关系方面进行了创新要素分析。
表5-14 轨道工程施工领域创新要素维度提取
4）多维空间技术创新地图构建
根据提取的创新维度，在创新要素归类基础上，采用向量法定义各种要素组合，以材料维为X轴、以结构维为Y轴（也可以以人机关系维为Y或X轴），将各创新要素映射至空间坐标系，进而将创新法则与创新维度耦合，可以形成轨道工程施工领域的多维空间专利地图，如图5-73所示，多维空间专利地图中每一个点均为结构维、材料维和创新法则的组合变换交叉点。
由图5-73可以看出，轨道工程施工领域的多维空间专利地图是结构维、材料维、人机关系维与9种创新法则的耦合，即轨道工程施工领域技术创新的过程是结构维、材料维、人机关系维与9种创新法则耦合的过程。为此随机抽取了轨道工程施工领域40个专利进行创新维度和创新法则分析，其中有33个涉及结构维、材料维、人机关系维（见表5-15），证明了该理论的可行性。
图5-73 轨道工程施工多维空间专利地图
表5-15 已存在专利的创新维度、创新法则分析
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5）技术机会识别
经过以上对轨道工程施工领域专利文献检索分析、文本聚类及关键词提取、挖掘关联规则等系列过程，在对基于元易创新方法的轨道工程领域创新规律深入了解基础上，可以构建轨道工程的多维空间专利地图。
从上述多维空间专利地图不难看出，目前结构维、材料维与人机关系维是轨道工程技术研究的热点，多数专利出自该区域。
基于此，在进行轨道工程技术创新时可有的放矢，根据多维空间专利地图进行创新，即在轨道工程施工领域，从结构维、材料维、人机关系维进行创新法则组合，快速识别出实用、易实施的技术创新机会，同时形成多种技术创新方案。
轨道组成结构相对比较简单，可分为钢轨、轨枕、道床，其中道床又分为有砟道床和无砟道床，现有轨道工程方面多数技术专利即是围绕这几方面展开。因此，可针对钢轨及扣配件、有砟轨道、无砟轨道3个板块分别提出具体的技术创新方案。
6）技术创新方案提出
（1）有砟道床施工领域的创新技术
有砟道床在我国已有一百年的历史，目前我国绝大多数轨道道床形式为有砟道床，尤其是在新中国成立后，我国修建了大量的有砟线路，在施工过程中积累了丰富的施工经验，各种施工器具齐全。但是，随着科学技术的不断发展，新的技术创新机会已经形成，见表5-16。
表5-16 轨道工程有砟道床施工领域存在的技术创新机会
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（2）无砟道床施工领域的创新技术
无砟轨道是地铁、高铁线路的主要道床形式。近年来，随着城市轨道交通及高速铁路的快速发展，无砟轨道得到了广泛的应用，大量轨道工程技术专利在此区域产生，说明无砟轨道是目前轨道工程技术创新的热点，通过创新法则的变换较容易产生新的技术创新机会和方案，见表5-17。
表5-17 轨道工程无砟轨道施工领域存在的技术创新机会
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（3）连钢轨及上扣配件的创新技术
连轨及上扣配件是轨道工程施工中的一道重要工序，钢轨作为列车运行的载体和线路的根本，是铁路建设的重要部分，正因如此，国家持续进行了较大投入，开发了43轨、50轨、60轨、75轨等多种型号的系列钢轨，相关技术作为公知技术。另外，国家对具体材质也有明确的要求，因此相关专利较少，材料维上对创新者要求较高，创新难度较大。
与此同时，钢轨、轨枕、扣配件作为铁路的必备组成部分，在现场安装等方面仍有较大的创新空间，见表5-18。
表5-18 轨道工程连轨及上扣配件存在的技术机会
本项成果在专利地图、多维空间专利地图基础上运用元易创新方法，挖掘了轨道工程的专利文献，在创新要素提取、创新维度确定等方面进行了系统探索，构建了基于元易创新方法的轨道工程技术创新路径，由此得出以下结论：
①通过专利收集与分析可获得轨道工程施工领域的众多专利，初步研究检索结果，可探明轨道工程施工领域包含的专利数量趋势、主要申请人、主要技术大类等在内的技术整体态势，从而为企业技术研发人员制定创新战略、选择创新方向提供理论指导。
②在专利分析基础上进行深层次数据挖掘，运用文本聚类方法可以找到轨道工程施工领域的关键词并构成轨道工程创新要素，进一步可利用关联规则的Apriori算法从众多创新要素中提取出核心创新要素，发现轨道工程施工领域的核心创新要素。
③对轨道工程施工领域核心要素进行维度划分，可提取出创新维度，在此基础上将创新维度与创新法则耦合，通过创新要素的组合变换可以发现技术创新机会，提出基于元易创新方法的轨道工程施工技术创新方案。
前述通过运用元易创新方法对轨道工程施工领域的技术创新进行分析，可以提出潜在的轨道工程施工创新技术组合方案。