摘要：本文以专利检索数据为基础，从创新水平和创新潜力两个方面对中美两国的人工智能创新能力进行比较研究。通过比较两国的创新水平发现：中国的人工智能专利在总量上已经超过美国成为全球第一，但其专利国际化水平不高，PCT专利数量远远落后于美国；专利分布不合理，主要集中在应用层，基础层和技术层存在短板。美国人工智能相关专利国际化水平高、分布合理，基础层发展扎实，技术层发展平稳，基础层和技术层的基础研发能力可以支撑应用层的长期发展。进一步比较两国的创新潜力发现：中国的基础层和技术层未来发展潜力较大，在一定程度上可以弥补目前人工智能在基础层和技术层的短板。可以预见，未来随着中国人工智能基础层和技术层的快速发展，中国不仅可以在专利数量方面超越美国，人工智能整体创新能力与美国的差距也将会逐渐缩小。
关键词：人工智能，创新能力，创新潜力，中国，美国
0 引言
2018年3月，美国政府宣布“因知识产权侵权问题对中国商品征收500亿美元关税，并实施投资限制”；之后又多次扩大征税范围并提高关税税率。美国发起贸易战的战略意图非常明显，就是要通过征收关税和实施高新技术领域的投资限制来制约中国高新技术领域的发展，巩固其自身在关键技术领域的主导地位[1]。近年来，中国的高新技术领域快速发展，虽然其技术水平还不及美国，但发展速度已经明显高于美国，与美国在关键领域的技术创新水平差距逐年缩小，未来发展潜力巨大[2]。美国的“301”调查主要针对中美技术转让、知识产权和自主创新等方面展开，企图影响中国在技术创新、产能优化、产业升级等方面的快速发展[3]。人工智能是未来高新技术发展的核心领域，是世界各国新兴产业发展的主要方向。中美两国未来在人工智能领域的发展将会决定两国未来科技发展能力和科技创新潜力[4]。基于人工智能对国家的战略发展作用，中美两国政府都把人工智能确定为其未来发展的国家战略和主导产业，针对人工智能产业出台了国家级战略发展规划，从国家层面整体推进人工智能产业发展。2016年，美国成立了人工智能和机器学习委员会，探讨制定与人工智能相关的法律和政策，同年发布了《美国国家人工智能研究与发展战略规划》，将人工智能确定为国家战略；2017年，中国印发《新一代人工智能发展规划的通知》，从国家层面系统布局人工智能发展。然而，中美两国在人工智能领域发展的侧重点并不一样，美国是人工智能的传统强国，在基础研发领域一直处于领先地位；而中国则是人工智能的后起之秀，近年来应用领域的发展突飞猛进。通过比较中美两国的人工智能创新能力和创新潜力，可以有效了解中美两国高新技术领域的发展水平和趋势，对中国未来高新技术领域发展战略的制定和新兴产业的布局具有重要意义。
近年来，学术界针对人工智能领域的相关研究也越来越多。一些学者从各自的研究视角对人工智能的概念进行了界定[5-8]，并分析了人工智能在竞争战略制定、技术创新、军事、安全等领域的重要作用[9-12]。另一些学者对人工智能产业发展问题进行了研究，分析了人工智能产业的产业布局、发展现状、核心技术、专利转化情况[13-16]，并进一步预测了人工智能技术和相关产业未来发展趋势[17-18]。还有一些学者针对人工智能领域的产业政策开展研究，分析人工智能领域的产业政策与人工智能产业特征的匹配程度，并评价相关产业政策的效果[19-20]；在对人工智能领域的产业政策进行深入分析的基础上提出了政策优化对策[21-22]。然而，针对人工智能创新能力，特别是中美两国创新能力比较的研究目前还非常有限。本文通过对人工智能专利数据进行检索，旨在通过比较中美两国人工智能领域的创新水平和创新潜力，分析中国人工智能领域目前发展中的优势和短板，为中国人工智能领域的健康和可持续发展提出具有借鉴意义的理论支撑。
1 数据和研究方法
1.1 数据来源
鉴于专利数据在衡量国家或者某一产业创新能力方面的重要作用[23-25]，本文应用人工智能相关领域的专利数据分析中美两国的人工智能创新能力，专利数据来自国家知识产权局专利检索数据库[26]。国家知识产权局专利检索数据库收录了103个国家、地区和组织的专利数据，以及引文、同族、法律状态等数据信息，其中涵盖了中国、美国、日本、韩国、英国、法国、德国、欧洲专利局和世界知识产权组织等。国家知识产权局专利数据库虽然没有德温特数据库的数据全面，但其数据覆盖了中美两国的专利信息，可以满足本研究的需求。此外，国家知识产权局专利检索数据库采用表格检索并支持检索项的逻辑关系运算以及专利的统计分析功能，对本研究的专利检索结果分析具有重要的支撑作用。需要说明的是国家知识产权局专利数据库不能检索专利引用数据，受此限制本文无法应用专利引用数据来说明专利质量，为了尽力弥补这一缺陷，本文从专利国际地位和国际化程度两个方面来衡量人工智能专利的质量水平。在衡量专利国际地位时本文采用某领域专利申请量与该领域专利申请量最大的国家的该专利申请量的比值来衡量；在衡量专利国际化程度时，本文引入PCT（专利合作条约）专利数据。中美两国的人工智能国别专利数据是按专利申请主体所在国家确定的，例如，中国的人工智能专利数据是中国的申请主体在全世界各国所申请的人工智能专利数的总和，这种国别专利数据的确定方式可以保证本文所使用的中美两国专利数据能够反映两国在人工智能领域的实际创新能力。
本文从基础层、技术层和应用层三个层面分析中美两国在人工智能领域的创新能力，通过分析《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《新一代人工智能发展规划》等中国人工智能领域相关文献[27-30]，《国家人工智能研究和发展战略计划》等美国人工智能领域相关文献[31-32]，以及人工智能创新领域的国内国际期刊学术论文[16，21-22]，按文献中人工智能关键领域出现的频次进行排序，将出现频次最高的前13个关键领域确定为本文所要研究的人工智能关键领域，再由各关键领域多位专家提供各关键领域的关键词，根据关键词出现的频次确定本文用于代表各关键领域进行专利检索的关键词，具体检索策略如表1、表2所示。本文专利检索时间为2019年5月7日，由于专利的申请日和公开日在时间上存在滞后性，所以本文以专利申请日为检索标准，专利申请日下限为2000年1月，上限为2018年12月。检索完成后，发现2018年的部分数据未被中国国家知识产权局专利数据库收录，因此本文的专利分析时限为2000—2017年。
1.2 研究方法
根据检索结果，2000—2017年中美两国人工智能相关专利数据359225项，对数据库进行同一专利不同公布级的合并后为288128项，据此建立本地数据库。
本文借鉴张诚等关于专利数据分析的研究方法[33]，结合人工智能领域的专利特点，应用专利地位和专利质量分析和比较中美两国各领域的人工智能创新水平。其中专利地位是指某领域专利申请量与该产业专利申请总量的比值，表示该领域在整个产业中的地位。而专利质量是某领域专利申请量与标杆国家该领域专利申请量的比值，表示该领域专利的国际地位。对于标杆国家的选取，本文将该领域中专利申请量最多的国家作为标杆国家。需要说明的是：本文的专利质量衡量的是某一领域一系列专利的质量水平，反映的是这一系列专利的国际地位；不同于用专利被引用次数所表示的专利质量，那是用于衡量某一个专利的质量水平的。仅用某一领域专利的国际地位来衡量这一领域专利的质量水平还不够全面，为了更好地衡量这一领域专利的质量，本文还引入了PCT专利数据，用以反映这一领域专利的国际化水平，特别是在国际比较过程中，可以体现这一系列专利的质量水平。此外，本文进一步应用专利总量和相对增加率分析和比较中美两国的人工智能创新潜力。
本文所采用专利数据分析方法的优势在于：在没有专利被引用数据的情况下，应用专利数量数据在一定程度上反映出专利质量水平；另外，还可以根据时间序列数据和增长率数据分析专利未来变化趋势，从而对人工智能创新潜力进行分析。应用以上方法比较中美两国人工智能领域创新能力时，既可以比较分析当前人工智能创新水平，又可以比较分析未来人工智能创新潜力。
通过专利总量与相对增长率组合分析的方式，分析中美两国人工智能各领域的创新潜力[34]。其中相对增长率是考察期内某领域专利申请量复合增长率与所有领域专利申请量复合增长率的比值，表示该领域在时间维度的成长。相对增长率大于1，说明这一领域创新能力增长快于整个产业；相对增长率小于1，说明这一领域相对于整个产业创新能力处于落后状态。其计算公式如下：
Bj=Cj/Ce （1）
其中，Rj表示j领域专利申请量的相对增长率、Cj表示j领域专利申请量的复合增长率、Ct表示所有领域专利申请总量的复合增长率，x1j表示j领域2000年的专利申请量、x18j表示j领域2017年的专利申请量、
表示所有领域在2000年的专利申请总量、
表示所有领域在2017年的专利申请总量。
2 中美人工智能专利申请量总体比较分析
2000—2017年中美两国人工智能产业专利申请总量如图1所示。2000—2012年，美国人工智能相关专利申请量保持波动式增长且增速较小，2012—2017年的专利申请量增速有所加大；而中国的人工智能相关专利申请量在2000—2009年虽有小幅增长，但总量很小，2010—2014年专利申请量增速有所加大，2015年以后迎来快速增长。对比发现，中国人工智能比美国起步晚，前期发展缓慢，但近几年的发展速度突飞猛进，专利申请总量已经超过美国。
2014年以前中国人工智能相关专利申请量的主要贡献者是处理器/芯片领域，2014年以后智能运载领域的专利申请量快速增长，成为年申请量最多的领域。美国人工智能专利申请量相对均衡，处理器/芯片一直保持在较高水平，自然语言处理产品领域则保持在低位，2010年以后，机器学习和智能运载两个领域则快速增加，成为美国人工智能相关专利申请量的主要贡献者。对比发现，两国的处理器/芯片领域的专利申请量前期都是在增加，近两年开始下降。可以预见，未来处理器/芯片领域专利将逐渐减少，而另一个基础领域即机器学习将成为未来主要基础领域。
从总量来看，中国人工智能相关专利申请量高于美国，虽然起步晚，但是近几年发展势头良好，到目前为止中国人工智能专利申请总量高达96724项，比美国多两万多项。然而，中国人工智能各领域发展并不均衡。图2表明中国人工智能产业层面的发展比例失衡比较严重，应用层专利申请量远远大于基础层和技术层，而美国人工智能三个层面的比例较为均衡，基础层和技术层是美国发展的重点。这种差别与两国的人工智能发展战略有一定关系，美国一直以来注重基础研发和技术研发，而中国则更专注于相对成熟人工智能技术的应用。
3 中美人工智能领域创新水平比较分析
本文应用气泡图方法分析中美两国人工智能领域的创新水平（见图3、图4），横坐标表示专利地位，纵坐标表示专利质量，气泡的大小代表两国的专利数量，坐标平面根据专利地位和专利质量的平均值划分出四个象限。第一象限的专利地位和专利质量的值均较高，属于优良领域，中国包括处理器/芯片和智能运载两个领域，其专利地位数值分别为0.442和0.234，专利质量指标均为1；美国包括处理器/芯片、机器学习、自然语言处理和计算机视觉技术四个领域，其中机器学习和自然语言处理两个领域的专利质量均为1。第二象限专利地位的值较低，但是专利质量的值较高，这一象限的技术在国际上领先，但并不是国内的重点发展领域，属于潜在领域，中国包括深度学习、知识图谱产品、计算机视觉产品、特征识别产品、智能机器人和智能设备六个领域；美国包括语音识别技术、自然语言处理技术和特征识别产品三个领域。第三象限的专利地位和专利质量的值均较低，属于落后领域，中国包括计算机视觉技术、自然语言处理技术、语音识别技术、自然语言处理产品和机器学习五个领域；美国包括深度学习、知识图谱产品、计算机视觉产品、智能运载、智能机器人和智能设备六个领域。中美两国在第四象限即活跃领域均为空白，因此这一象限不做分析。
总体来看，中国人工智能产业二个属于优良领域、六个属于潜在领域、五个属于落后领域；美国则是四个优良领域、三个潜在领域、六个落后领域。通过两国的对比可以看出，美国因为人工智能发展较早，创新水平总体高于中国；中国虽然起步较晚，但是发展前景十分可观，潜在领域的发展势头较好。从产业层面对比来看，中国的优良和潜在领域的专利主要来自应用层，基础层也有所涉及，但技术层全部集中在落后领域；而美国的专利分布则有所不同，美国的优良和潜在领域的专利主要来自基础层和技术层，而应用层则主要集中在落后领域。这两种不同的人工智能专利分布特点源于中美两国不同的人工智能创新战略，美国注重基础研发和技术研究，处于人工智能产业链的前端；中国人工智能起步晚于美国，为了突出其后发优势，更加强调投入更少、见效更快的应用研究。然而，中国人工智能产业未来的发展必将会受其当前战略选择的限制，应用研发和创新需要以基础研发和技术研究为依托，而中国在基础研发和技术研究中的投入相对有限，并且主要集中于高校和科研院所，而科研院所与企业之间的专利转化情况目前仍然不容乐观，因此，目前中国这种人工智能发展战略可能无法维持可持续发展的态势。
为了更为全面地说明中美两国人工智能专利质量，本文引入了PCT专利数据。PCT专利数据是一个国家某一领域国际发明专利申请数量，应用PCT专利数据可以更直观地体现一个国家某一领域专利的国际化水平。检索中美两国人工智能相关领域的PCT专利数据结果发现，到2017年底，全球范围内人工智能相关PCT专利数为13150件，而来自美国和中国的PCT专利数分别为5829件和972件，分别占全球PCT专利总量的44.3%和7.4%[16]。由此可见，中国虽然在人工智能相关专利数量上明显高于美国，但是中国专利特别是发明专利的国际化水平还远远落后于美国。这种差距也在一定程度上说明：中国在人工智能领域的应用研发战略相对于美国以基础研发和技术研发为主导的研发战略还是存在一定劣势，例如，处于产业链的末端，产品附加值相对较低；不掌握人工智能领域的关键技术，在关键技术方面受到限制等。
