《Journal of Cleaner Production》：From barriers to solutions: Analyzing patent responses to industrial symbiosis implementation challenges
Serhat Burmao?lu|Ozcan Saritas|Furkan O?uzhan Polat
数据科学与分析系，经济与管理科学学院，伊兹密尔Katip Celebi大学，Atatürk OSB，?i?li，35620，伊兹密尔，土耳其
摘要
随着气候变化挑战的加剧，循环经济策略（如工业共生IS）——其中废物输出成为其他过程的宝贵输入——为可持续工业发展提供了关键路径。尽管在概念上具有吸引力，但由于技术、经济、监管、社会和信息方面的持续障碍，IS的广泛实施仍然受到限制。本研究通过系统性的专利活动分析来探讨技术创新是如何应对这些挑战的。基于1993年至2025年的6422项与IS相关的专利，结合SciBERT基础的语义分析和聚类技术，将技术创新与已知的IS实施障碍进行了对比。研究结果表明，技术创新主要集中在技术障碍上（88.9%），而对信息（7.5%）、经济（2.4%）、社会/组织（0.9%）和监管挑战（0.4%）的关注较少——这表明专利创新的重点与实施需求之间存在显著差异。时间分析显示专利活动呈加速趋势（年均增长20.6%），而司法管辖区分析突显了中国和美国的双极领导地位。技术分类显示化学/材料领域占主导地位（49.7%），而生物/制药应用仅占3.5%。值得注意的是，解决非技术障碍的专利引用率更高（高出2-3倍），且覆盖范围更广，这表明尽管存在局限性，但这些专利仍具有较大影响力。虽然专利分析仅捕捉到了技术层面，并且本质上倾向于技术解决方案，但本研究揭示了正式研发响应中的重要模式，并指出了导致实施挑战持续存在的关键差距。
引言
尽管经过数十年的发展以及政策的日益关注，工业共生在理论上比实践中更具吸引力。其理论承诺与实际实施之间的持续差距对可持续工业发展构成了关键挑战（Kosmol和Otto，2020；Neves等人，2020）。尽管文献广泛记录了技术、经济、监管、社会和信息方面的实施障碍，但系统性地理解技术创新如何应对这些挑战仍然缺乏。
工业共生传统上被定义为位于同一地点的设施之间交换副产品、能源、水和材料（Chertow，2000），现已发展到包括组织网络和数字促进机制在内的更广泛的概念（Lombardi和Laybourn，2012）。然而，这种概念上的演变并未转化为加速的实施。尽管有Kalundborg、Kwinana和多个中国生态工业园区等成功案例，但这些仍属于例外，而非主流实践（Domenech等人，2019）。这种实施差距引发了关于当前技术应对措施的重要问题。虽然技术创新对于进步是必要的，但工业共生的复杂社会技术性质要求多方面的解决方案，以应对组织、监管和经济挑战。正如Ormazábal等人（2021）所指出的，技术创新是应对实施挑战的关键潜在途径，但具体创新与障碍解决之间的关系尚未得到充分研究。
专利分析为探索技术创新对实施挑战的响应提供了一种专注的方法论方法，提供了关于正式研发优先事项、创新轨迹和潜在盲点的见解。虽然专利仅代表符合法律专利性标准的技术解决方案，从而倾向于技术创新而非社会、组织或监管解决方案，但它们是克服障碍的正式研究努力的有形指标。专利分析在揭示技术应对实施挑战的模式方面的潜力尚未得到充分利用（van Capelleveen等人，2017）。这一研究差距反映了几个趋同的因素。首先，工业共生研究传统上强调案例研究方法，而不是对正式创新输出的系统性分析。其次，IS的跨学科性质——涵盖工程、环境科学和政策——意味着专利分析专业知识很少与工业生态学研究相交。第三，根据实施障碍框架系统地对专利进行分类的方法论挑战限制了研究人员将技术创新与记录的实施挑战联系起来的大规模分析能力。最后，专利数据的固有局限性——更倾向于技术解决方案而非组织、经济或监管创新——可能使研究人员不愿对像工业共生实施这样多方面的现象进行基于专利的分析。
本研究将专利视为对感知到的实施挑战的正式化技术响应，认识到专利活动不仅反映了技术可能性，还反映了在特定制度和市场背景下运营的创新者的战略重点。通过研究这些技术响应如何与实施研究中记录的多方面障碍相一致或不一致，这项分析有助于更好地理解专利创新在应对实施挑战方面的贡献，并有助于识别正式创新景观中的关键差距。
通过系统分析6422项工业共生专利，本研究解决了这一研究差距。为了研究专利景观如何应对记录的实施障碍，采用了基于SciBERT的语义分析和聚类技术，并结合定性评估，从而将技术响应与文献中得出的障碍框架进行对比。这种方法能够识别可能阻碍全面实施解决方案发展的创新模式和关键差距。指导这项研究的核心问题是：专利如何有助于应对工业共生的实施挑战和障碍？这包括几个子维度：哪些障碍在专利创新中受到更多关注？哪些障碍在正式技术创新中未得到充分解决？专利技术响应随时间如何演变？这些模式揭示了正式创新景观中可能存在的哪些潜在差距，这些差距可能导致实施挑战的持续存在？
该分析为工业共生文献做出了几项独特的贡献。首先，它提供了关于专利系统内的技术创新如何应对实施障碍的实证证据，超越了大多数研究主要以理论或案例为基础的方法。其次，它识别了专利创新景观中的关键差距，这可能有助于解释持续存在的实施挑战。第三，它开发了一个用于系统分析正式创新系统中对实施障碍的技术响应的方法论框架，适用于面临复杂社会技术挑战的其他可持续性转型。
本文的其余部分安排如下：文献回顾批判性地审视了工业共生的障碍，以识别理解技术响应的研究差距；方法论部分详细介绍了将计算专利分析与定性评估相结合的混合方法；结果部分揭示了技术响应在时间、地理和组织维度上的独特模式；讨论部分解释了这些发现，突出了创新的成功和持续存在的差距；结论部分讨论了理论和实践意义，同时承认了方法论的局限性，并总结了正式创新系统中技术-障碍动态的关键见解。
章节片段
工业共生实施障碍的回顾
工业共生代表了一种协作方法，其中传统上分离的行业相互交换材料、能源、水和副产品，使一个过程的废物流能够作为另一个过程的输入（Chertow，2000）。尽管它被认为对可持续工业发展具有潜力，但实施过程中仍面临许多阻碍其更广泛采用的障碍（Neves等人，2019）。理论承诺与实际实施之间的持续差距
材料与方法
本研究采用了一个全面的方法论框架，通过结合计算方法和定性解释的十步结构化过程，分析专利创新如何应对工业共生（IS）的实施障碍。这些步骤在图1中进行了说明。
步骤1：数据获取- Lens.org 被选为主要数据来源，因为它全面覆盖了全球专利信息。使用了扩展的搜索词来识别直接相关的
数据、分析与发现
本节对工业共生专利景观进行了系统分析，以回答核心研究问题：专利如何有助于应对工业共生的实施挑战和障碍？分析采用了混合方法，结合计算方法和定性解释，以揭示方法论部分所指出的对记录实施障碍的技术响应模式。
步骤1：数据库选择和数据
讨论
对6422项工业共生专利的系统性分析揭示了正式技术创新应对记录实施障碍的基本模式，提供了实证见解，同时强调了基于专利的创新分析的关键考虑因素。必须从专利系统设计的限制角度解释技术障碍的压倒性关注（88.9%）。专利保护的是技术发明
结论
本研究通过分析6422项专利，首次全面系统地分析了专利创新如何应对工业共生的实施障碍。分析表明，虽然专利系统在其设计的技术保护框架内有效运作，但它们在技术解决方案上表现出明显的集中（88.9%），这可能无法充分解决实施文献中确定的全面障碍谱。
CRediT作者贡献声明
Serhat Burmao?lu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Ozcan Saritas：撰写——审阅与编辑，验证，监督，方法论，调查，正式分析，概念化。Furkan O?uzhan Polat：撰写——审阅与编辑，可视化，软件，方法论，调查，正式分析，数据
代码可用性
所有分析代码作为补充材料提供，包括用于数据预处理、SciBERT嵌入生成、聚类分析、障碍分类、统计分析和可视化生成的Python脚本。代码包包含详细文档、完整的关键词字典和指定软件依赖性的requirements.txt。代码根据MIT许可证发布，可以应用于独立获取的数据集以复制我们的分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究未获得公共、商业或非营利部门任何特定资助机构的资助。
