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中国对机器人基础研究领域的支持及效果分析

  摘要:本文利用统计学、文献计量学等方法,以丁香通-国家自然科学基金网站上所有的机器人项目为研究对象,采用Python爬虫程序获取所需数据,并从CNKI和Web of Science数据库中下载由项目资助产出的科研论文作为数据来源,探讨了中国国家政府对机器人基础研究的支持及其支持效果,并提出了相应的发展政策建议。研究表明,随着国家对基础研究重视度的提升,我国机器人国家自然科学基金项目在数量、资助金额以及资助强度上都呈现显著的增长趋势;增加对基础研究的投入可以显著增强科研机构的科研绩效;高校作为基础研究的主要阵地,在推动机器人技术发展上发挥了积极有效的作用,科研成果丰富,质量和影响力较好,但应该更加重视加强与国际先进国家的合作交流。
  关键词:机器人;国家自然科学基金;资助效果;文献计量学
  中图分类号:F270;G311 文献编码:A DOI:10.3969/j.issn.1003-8256.2017.02.003
  邓小平同志早在1988年就提出了“科学技术是第一生产力”的论断,高度概括了科学与技术在社会发展中的重要性。科学是人类在认识自然的过程中所形成的一系列不同的理论体系的集合,技术则可以认为是人类在已取得的科学知识的基础上所发展的利用和改造自然的手段[1]。技术的进步源自于科学的发展,科学和技术二者密切结合和高度统一是当代社会发展的重要特征。科学按照研究内容性质的不同可以分成三类,即:基础研究、应用研究和发展研究[2]。基础研究按其目标来说,主要是认知世界,阐明或发现客观世界的规律,虽然并不以应用为直接目的,但它们对经济文化的发展和社会的进步所发挥的作用,是不可估量的[3]。《中国制造2025》明确提出了我国实施制造强国战略的第一个十年的行动计划,将“高档数控机床和机器人”作为大力推动的重点领域之一[4],那么如何有针对性的对我国机器人研究进行基础研发资金的投入,哪些科研机构在引领中国机器人基础研发的方向,投入-产出之间又有怎样的关系,解决以上问题就需要对历史数据进行分析,并对相关的科研机构及其产出成果进行客观评价。
  国家自然科学基金(National Natural Science Foundation of China, NSFC)作为我国自然科学领域的国家级科研基金,在国家创新体系发展中担负着重要职责[5],主要资助全国范围内的基础研究和应用研究,重点资助具有良好科研条件与研究实力的高等院校和科研机构的研究人员开展创新性基础研究[6]。从国家自然科学基金委员会官网中公开的信息中可以看到,目前共收录国家自然科学基金资助结题项目116,608项,项目成果1,669,928个,其中期刊论文1,288,475项(占比77.18%),会议论文324,030项(占比19.40%),著作28,178项(占比1.69%),奖励计划29,245项(占比1.75%),可见项目成果主要以论文(占比96.56%)的形式呈现[7]。因此本文以国家自然科学基金资助的机器人科研项目作为总体资助情况的研究对象,以资助项目产出的论文成果作为资助效果的评估对象,借以了解我国机器人基础研究的状况,对国家在基础研发领域的投入及产出的效果进行客观的评价,在此基础上提出有针对性的政策建议,以期为相关科技成员及科技政策的制定提供有意义的参考。
  1 数据来源及处理
  首先,在丁香通――国家自然科学基金网站(http://nsfc.biomart.cn/index.php)上以检索式“项目名称 OR 摘要 OR 主题词 = 机器人”进行检索,考虑到科研项目的成果一般会在项目结�}时呈现的最全面,且国家自然科学基金项目的周期一般是2~3年,因此我们将检索时间限定为从1986-2014年,共有2052个相关项目。
  由国家自然科学基金资助产出的论文,理论上讲质量相对较高,在一定程度上能够反映机器人领域目前整体的基础研究状况。能够被CNKI中文数据库收录的中文文献以及能够被Web of Science数据库收录的英文文献无论是在质量上还是影响力上都是受到学界认可的。因此,本文依据国家自然科学基金资助的机器人项目在检索并下载了两个数据库中发表的文献数据。我们将利用机器人项目号(共2052个)在CNKI中检索到11736篇“NSFC-CNKI”文献 (剔除掉少量与SCI重复录用的英文文献)和在SCI中检索到的8314篇“NSFC-WoS”文献(时间截止到2016年6月22号)。
  2 国家自然科学基金对机器人研究的资助情况
  2.1 资助的趋势
  从1986年至2014年,国家自然科学基金委资助项目共资助2052项机器人研究项目,资助数量从2003年起迅速增。在1986到2002年间的资助项目数量并没有太多增长,但之后,增长速度几乎呈线性增加,从2003年的59项增加到2012年的274项,10年资助量增加了215项,平均增长率为18.6%。
  随着资助项目数量的增长,资助金额也呈增长趋势,特别是2003年以后,从2003年的21.08万元增加到2014年的10,377万。每个项目的平均资助强度从最初的6.67万元增加到了2014年的75.2万元,增长显著。机器人项目资助金额占NSFC资助经费总额的比例也呈现增长趋势,尤其在2003年以后,基本维持在0.5%以上(1995之前的国家自然科学基金资助总额的数据无法查到)。
  哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京航空航天大学在项目数量上位于前三位,占比都在4%以上。在资助金额上,上海交通大学占比最多,达到了6.49%,其次是中国科学院自动化研究所(5.87%)和中国科学院沈阳自动化研究所(5.07%)。
  哈尔滨工业大学于1986年成立了机器人研究所,研究实力目前居全国高校前列[8]。以机器人研究所所长孙立宁教授为核心的研究团队获资助最多(424万,占比11.03%),该团队主要从事纳米级微驱动及微操作机器人、高速高精度机构、工业机器人技术、并联机器人、医疗机器人、微小型机器人、仿人手臂及机器人机构与控制方面的研究工作。 哈尔滨工业大学还成立了博实精密测控有限责任公司、海尔哈工大机器人技术有限公司、哈工大机器人集团等,促进了科研成果的转化。这些研究和应用基础也无疑增加了哈尔滨工业大学在机器人领域的基础研究实力,有能力和优势承担更多的国家科研项目。   上海交通大学于1985年成立了机器人研究所,是我国最早从事机器人技术研发的专业机构之一。以林忠钦教授为核心的研究团获资助最多队(115万,占比20.76%),主要研究复杂装备的数字化技术。著名的德国库卡机器人公司(KUKA)在上海交通大学成立了“KUKA焊接机器人智能化与工程应用联合实验室”,充分发挥“产、学、研”联合的优势,促进科研成果的转化。
  北京航空航天大学于1987年由张启先院士创建了集教学、科研、开发为一体的机器人研究所,主要从事现代机构学及机器人技术方面的理论研究和技术开发。获资助金额最多的是以丁希仑教授为核心的研究团队(291万,占比9.95%),该团队在空间弹性机构、变胞机构、多旋翼多功能空中机器人以及星球探测机器人等应用基础理论研究上成果丰富。
  此外,清华大学、东南大学、天津大学、燕山大学、上海大学、北京理工大学、华南理工大学、南京理工大学、中国科学技术大学这些高校都建有自己的机器人研究所或者实验室,比例占到表2中18所高校(除去三个中国科学院研究所相关机构以外)的66.7%,这说明以上12所高校在机器人研究领域成为中国机器人基础研究的核心力量。
  3 中国机器人基础研究领域的知识生产
  一项课题的资金投入,除了产生经济效益和人才效益之外,其知识形态的产出通常以多种形式表征,比如专著、报告、专利 、论文等。我国自然科学基金项目绝大多数的产出是以论文为主要形式[9],其产出量及其影响力是量化评估NSFC资助效果的主要参数[10,11]。中国知网(CNKI)数据库是目前全球信息量最大、最具价值的中文网站,Web of Science(WoS) 数据库是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源,因此,我们选取这两个数据库作为本文基金产出论文的来源数据库。
  我国机器人研究领域基础研究的成果日益繁荣,“NSFC-CNKI”文献和 “NSFC-WoS”文献数量都呈现增长趋势(图2,图3)。
  图2 NSFC-CNKI论文数量增长趋势(NSFC-CNKI论文有确切发表年份的是从2000年开始)
  由图2 可见,NSFC-CNKI论文产出量除2014年出现小幅下降以外,其余年份呈现递增趋势,2005年以后增长幅度趋于稳定,2005年至2015年的年平均增长率为18.20%。自2002年首篇被WoS数据库收录的机器人基金项目论文以来,NSFC-WoS论文产出量在2007至2009年出现了大幅增长,之后增长趋势稳定,2008年至2015年的年均增长率为25.01%,高于NSFC-CNKI论文产出量的增长速度,这表明我国机器人基础研究越来越与国际前沿看齐,也越来越受到国际学术界的认可。
  3.1 中国机器人基础研究的知识生产机构
  我国国家自然科学基金资助的机器人研究中有近四分之三(73.73%)的项目集中在48所大学(或研究机构,见附表1),这些机构的项目数量都不低于10次,在一定程度上代表了中国机器人基础研究的主要力量,也是基础研究的主要知识生产机构。
  从科研产出上看,排在前五位的高校分别是上海交通大学(1476篇)、哈尔滨工业大学(1276篇)、清华大学(814篇)、北京航空航天大学(767篇)和华中科技大学(741篇),这些高校的项目数量也排在前五位。被WoS数据库收录的论文通常会比被CNKI收录的论文有更高的国际影响力,上述五所高校的WoS发文量依然排名前五位,这说明这五所高校在中国机器人基础研究领域处于领头羊的地位,研究方向更加前沿。西安电子科技大学、北京大学、清华大学、电子科技科大学、北京理工大学以及东北大学这六所高校,他们在的WoS发文量显著高于CNKI 发文量,这说明这6所高校在提高科研�a出效率的同时,也比较注重科研产出的国际影响力,我们应该鼓励高校的科研成果更多的面向国际,促进知识的传播和交流。
  国家自然科学基金资助量和资助额的增加可以有效增强相关科研机构对基础研发的热情,提高我国基础研究的水平,充分发挥科研机构在基础研究方面的作用,NSFC资助与科研产出之间具有明显的正相关关系。
  3.2 中国机器人基础研究的影响力分析
  论文的被引频次,尤其是WoS论文的被引频次是评估论文科研价值和学术影响力的公认指标,这些论文的期刊分布特征也有助于了解我国机器人基础科研论文的去向及其被国际性期刊接受和认可的程度,在一定程度上可以反映科研成果的影响力[12],本文从论文引用情况以及期刊发表情况来对我国NSFC资助机器人领域基础科研的资助效果进行评价。
  由于NSFC-WoS论文在2007年以前数量极少(5篇),因此本文选取2008~2015年的7316篇NSFC-WoS论文作为数据源。这些论文被引频次总计70097次(去除自引的被引频次总计62248次),篇均被引频次为9.58,被引频次与篇均被引量的年度分布趋势如图4所示。可见,我国基础研究的成果质量在不断提高,无论是被引总量还是篇均被引量都呈现增长趋势(2016年收录的文献不全,出现引用量上的下滑是正常现象)。篇均被引量在2012年增长到了2次以上,2013年增长到2.5以上,虽然在2015年出现小幅下降,其原因可能与文献被引用的峰值大约在其发表后的2~4年[13]有关。基于此我们也可以预测,我国机器人基础研究文献的篇均被引量在2017年有望突破3次。
  H指数综合反映了产出论文的质量和数量[14],是评价科研绩效的常用计量指标[15]。本文选取了NSFC-WoS论文被引量排名前50的大学,统计了它们的H指数和篇均被引量,并依照H指数的大小进行排序,如图5所示(图中次坐标轴代表论文被引量)。哈尔滨工业大学、清华大学、中国科学技术学院在H指数和被引量上均排在前三,但篇均被引量除清华大学(26.27)外其他两所高校均不理想。格拉摩根大学(英国)和上海交通大学H指数分别排序第四和第五,但对比发现,格拉摩根大学发文量虽然只有94篇(排名30),但篇均被引量高达44.56(排名第2),而上海交通大学发文量高达621篇(排名第2),但篇均被引量只有7.75(排名第38)。在H指数排名前10的机构中,香港城市大学(排名第6)和维多利亚大学(排名第8)的发文量均不高,分别为127篇和104篇,但篇均被引量较为理想,特别是维多利亚大学,以42.5的篇均被引量排在第3位。通过观察图5我们可以发现,中国机器人基础研究在兼顾论文的“质”与“量”上表现尚可,有隶属于国外机构的作者参与撰写的论文通常有较高的篇均被引量,可见加强国际合作和交流可以显著提高论文的质量和影响力。   刊载NSFC-WoS论文的期刊学术质量和影响力在某种程度上反映了NSFC资助机器人基础研究的科研效果。7316篇NSFC-WoS论文共发表在1027种期刊上,其中前44种期刊各自的载文量均在0.5%以上,总载文量的占比接近42%(附表2)。
  刊载NSFC-WoS论文的期刊主要来自美国,其次为英国。影响力和质量都较高(IF为2.392,JCR分区为 Q1区)的荷兰期刊《NEUROCOMPUTING》是我国发表基础研究论文最多的期刊;影响因子较高,且JCR分区也很靠前(Q1区)的英国期刊《IET CONTROL THEORY AND APPLICATIONS》和美国期刊《AUTOMATICA》也是我国基础研究发表的主要国际期刊(发文量分别排在第四、五位)。
  为了更好的了解NSFC-WoS论文的影响力和质量情况,我们对这44本期刊从国别划分并进行了详细统计,如表4所示,表中JCR分区一列括号中的数字统计的是此分区的期刊数量。由于有些期刊在不同的学科分区不同,如美国的《MATHEMATICAL PROBLEMS IN ENGINEERING》期刊分属不同学科的Q3、Q4区,统计时会在原有只属于Q4区期刊的数量上+1,因此Q4(2+1)就代表有两本期刊只位于Q4区,一本期刊即位于Q4区,也位于其他分区。
  NSFC-WoS论文分布于8个国家的不同期刊,其中21种来自美国,11种来自英国,5种来自中国,荷兰和日本各2种,澳大利亚、韩国和日本各1种。美国期刊总载文量最高(1358篇),且期刊影响因子普遍较高,IF均值达到了2.7以上,有14种期刊位于学科Q1分区,占比66.7%。英国期刊有3种位于学科的Q1分区,且这三本期刊载文量均排在前10(附表2)。荷兰期刊有两本,《NEUROCOMPUTING》是载文量最高的期刊,它的影响力和质量也较高,IF均值为2.15,仅次于美国。综合上述期刊分布情况来看,我国NSFC资助机器人领域研究的国际论文在学术质量和影响力上较为乐观,资助效果良好,但依然有提升空间。
  4 中国机器人基础研究的知识传播
  基础科研成果的知识生产主要以公开发表的论文形式体现,其传播路径通常体现为论文的引用。7316篇NSFC-WoS论文的41904篇(去除自引的施引文献39,378篇)施引文献中,有中国作者撰写的文献有27231篇(比例为64.98%,下文统称为国内施引文献),其余14676篇的作者都是源于外国机构(比例为35.02%,下文统称为国外施引文献),国内施引文献是国外施引文献的2倍左右,可见,我国机器人基础研究的成果更多是受到中国学者的关注,但在一定程度上也引起了国外相关学者的注意。为了理清是哪些国家在哪些领域更加关注中国机器人基础研究,以及与我国学者关注领域的异同,本文分别对27231篇中国施引文献和14676篇外国施引文献从国家地区、关注领域、发文期刊以及作者机构四个方面进行了对比分析。
  4.1 国内外学者关注领域的对比
  共有18个国家地区在14676篇国外施引文献中占比高于2%(表5),占14676篇施引文献的85.19%。其中,美国学者共有2651篇施引文献(占比18.06%),明显高于其他国外学者对我国机器人基础研究的关注程度,其次是韩国和印度。这18个国家中,亚洲国家的比例为44.44%,美国、德国、日本以及韩国的机器人技术相对比较发达,受到这些国家学者的关注说明我国机器人基础研究技术在某些领域处于世界领先地位。
  机器人领域是一个多学科交叉的领域,因为机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成,应用到的知识涉及到的生物学、力学、电学等多个学科。
  附表3列出了国内外学者对我国机器人基础研究的主要关注领域(文献量占比达2%)。可见,国内外的关注领域均主要集中在电气电子工程、自动化控制系统以及人工智能和化学物理等学科的交叉应用。相比国内学者,国外学者已经把机器人的基础研究成果开始应用于神经科学、高分子科学、生物工程以及电信学等领域的研究。
  4.2 国内外学者发文期刊分布的比较
  由于国内外学者的发文期刊分布太为广泛,因此本文分别选取了载文量较高的具有代表性的期刊(累计载文量达20%)进行对比分析(见附表4),国外施引文献主要的发文期刊有28本(刊物-F),国内的主要有11本期刊(刊物-C)。可见,国内施引文献在选择发表期刊上具有一定的倾向性(附表4中“刊物-C”列排在前3的期刊),发文最多的期刊是荷兰的《NEUROCOMPUTING》,这本期刊也是目前我国机器人基础研究的主要发文期刊(见附表2)。
  从国内外施引文献发表期刊的综合统计情况来看(见附表5),国外施引文献发表在美国(12.41%)和英国(5.46%)期刊上的文献显著高于其他国家的期刊,国内施引文献的期刊主要来自美国(8.57%),发表在英国、荷兰和中国期刊上比例差异较小。在影响因子总和上,国内施引文献期刊(22.56)明显低于国外施引期刊(91.41),平均影响因子(2.05)也低于国外施引刊物的平均影响因子(3.26),说明国外施引文献质量相对较高,未来随着我国机器人基础研究的发展,相信无论是科研论文本身的质量还是其施引文献的质量,都会随之提升。
  综合上述分析,41904篇施引文献的发表刊物在质量和影响力上均较为理想,说明我国机器人基础研究的成果受到了国内外学者的肯定,不但体现在本身发文期刊的高质量上,也在施引文献的发文期刊质量上有所体现。
  4.3 国内外学者所属机构分布的比较
  附表6列出了国内外学者所属机构的前20名的对比情况(机构-F代表国外施引文献作者的所�倩�构,机构-C代表国内施引文献作者的所属机构),从各机构占比情况来看,国内施引文献的作者机构较为集中,前20所机构发文量已经占到了总量的60%左右,这些机构与我国机器人基础研究的主要机构大体相同。国外最关注我国机器人基础研究的机构是法国国家科学研究院,是欧洲最大的基础研究机构之一,其次是印度工业发展研究所和新加坡的南洋理工大学,并且从表中可以看到,国外机构主要分布于亚洲国家。   5 结论及展望
  本文以国家自然科学基金资助的机器人科研项目作为总体资助情况的研究对象,以资助项目产出的论文成果作为资助效果的评估对象,从资助情况、知识生产以及知识传播三个方面进行分析,得到以下结论:
  (1)我国机器人国家自然科学基金项目无论是在项目数量、资助金额、平均资助金额还是占所有资助金额的比例来看,在近几年都整体呈现显著的增长,表明中国政府对机器人领域基础研究的重视程度增加,加大了资金和人才投入,并在政策上予以支持。
  (2)高校是我国机器人基础研究的主力军,哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京航空航天大学在获得资助的项目数量上处于全国领先地位,他们都建有自己机器人研究所,并通过与企业合作促进科研成果转化。
  (3)上海交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学和华中科技大学在总发文量以及被WoS收录的论文量上都排名前5,说明这五所高校在中国机器人基础研究领域处于领头羊的地位,研究方向更加前沿。
  (4)国家自然科学基金资助量和资助额的增加可以有效增强相关科研机构对基础研发的热情,提高基础科研的成果产出,充分发挥科研机构在基础研究方面的作用。
  (5)我国机器人基础研究发文量、被引量和篇均被引量均呈现稳定增长趋势,论文质量稳步提高。在兼顾论文的“质”与“量”上表现尚可,其中,哈尔滨工业大学、清华大学、中国科学技术学院、上海交通大学这四所国内机构的H指数较高,但从篇均被引量上看,国外高校显著高于国内的高校,可见,加强国际合作和交流可以显著提高论文的质量和影响力
  (6)从论文产出情况来看,NSFC-WoS�文的年均增长率在2009~2015年为25.01%,高于NSFC-CNKI论文的增长速度,这表明我国机器人基础研究越来越受到国际学术界的认可;从发表国际期刊的情况表明,NSFC-WoS论文的学术质量和影响力上较高,可见资助效果良好,但依然有提升空间。
  (7)通过分析14,676篇国外施引文献发现,美国学者对我国机器人基础研究关注度最高,其次是韩国和印度等亚洲国家,电气电子工程、自动化控制系统、人工智能以及化学物理等学科的交叉应用领域受到了较多关注,相比国内的学者,国外学者已经开始将把机器人的研究成果应用在神经科学、高分子科学、生物工程以及电信学领域。
  (8)国内外施引文献的发表刊物在质量和影响力上都较为理想,这说明我国机器人基础研究的成果质量较高,不但体现在本身发文期刊的高质量上,也在施引文献的质量上体现。
  (9)国外最关注我国机器人基础研究的机构是法国国家科学研究院,是欧洲最大的基础研究机构之一,其余机构主要分布在亚洲国家,其中较为突出的是印度工业发展研究所和新加坡的南洋理工大学。
  我国机器人产业作为国家从“制造业大国”向“制造业强国”重点发展领域之一,应抓住这次发展契机,着力缩短在核心技术和关键零部件上与国际一流水平的差距,高校作为基础研发的主要阵地,应肩负起时代的重任,做好人才储备工作。从全国地区分布上来看,东北地区科研实力较强,包括了哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所这两个在全国最早开始研究机器人技术研究的单位。华北地区科研力量较为集中,北京和天津是其主要阵地,有北京航空航天大学、清华大学、天津大学等一批国内知名高校。华东地区高校数量很多,有上海交通大学、浙江大学、东南大学等院校。华中地区以华中科技大学这所理工科高校为其主要研发阵地。我国各地区应结合自身发展优势推动机器人产业发展,如东北作为我国的机器人之乡,工业基础雄厚,科研工作走在前端,又拥有新松这样的行业排头兵,应积极发展“产、学、研”三位一体的科研体系,政府、企业、科研机构多方发力,加快东北老工业基地转型升级的进程。
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  (编辑:张萌)
  Analysis on Basic Research on Robot Projects Funded by the Chinese Government and its Funding Effect
  CHEN Yue,WANG Zhiqi,TAN Jianguo
  (School of Public Admininstration and Law, WISE Lab, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)
  Abstract:The paper explores the support to the basic research in robot field by the Chinese Government and the corresponding effects through the statics and bibliometrics analysis to the NSFC projects about robot and corresponding papers indexed in CNKI and WoS. The results show that the amount of projects and the funding strength have a great development trend with increasing attention on the basic research, raising investment of the basic research could significantly enhance the research performance of research institutions, universities play an active role on improving the robot basic research development as the main force, and the outputs of the funding projects are abundant with high quality and influence. But there is still more room to advance, for example strengthening the communication and cooperation with the foreign counterparts.
  Keywords: Robot;National Natural Science Foundation of China (NSFC);Funding effect;Bibliometrics


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