1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
煤层气开采行业是当今能源开采行业中极具前景的行业之一，如果能够得到充分合理的开发，可成为安全高效、广泛应用的清洁能源，但如不能充分开采，在浪费资源的同时还会造成严重的环境污染，甚至引发煤层气泄露，造成重大安全事故。据统计，我国有 70%以上的矿山开采恶性事故均与瓦斯爆炸有关，可见煤层气开采是一个对开采技术先进性依赖性较大的行业。
煤层气作为煤炭和天然气资源的重要替代品开发潜力巨大，目前已在美国、俄罗斯和加拿大等国家普及，并且形成了煤层气工业新行业，成效显著。在我国，煤层气资源开发也已被归为我国能源发展的战略之一，在矿山开采煤矿之前先开采煤矿瓦斯，不但可以有效的减少矿山瓦斯气体污染，还可以同时产生与采煤附加的经济效益，开发潜力巨大。同时，我国煤层气储量位居世界第三，具有丰富的开采资源，在我国保护大气环境、降低温室气体排放，大力倡导以转变能源取用方式来优化能源结构的政策导向下，煤层气作为一种经济潜力巨大的清洁能源，近年来获得了大量的国家政策扶持和经济资助，使得煤层气在我国的产业化雏形不断显现。
然而，作为开采潜力巨大的新能源产业之一，当今我国的煤层气开采却多数依赖国外已有技术，自主创新技术十分匮乏，虽针对于我国煤矿资源贮存特点进行了一些优化，但总体进展缓慢，亟待根据我国特殊的煤矿贮存条件针对性地对我国煤层气开采技术展开创新研究。我国的煤层气开采由于受到独特的赋存条件影响，与其他能源开采行业差别较大：其一，开采影响要素多、动态复杂性高；其二，开采模式可移植性差，不同赋存条件需要不同的自主创新技术。因此，亟需依托技术创新探索影响我国煤层气开采创新的一般规律，发现并提出系统的创新路径，为深受技术创新水平不足而困扰的煤层气开采行业提供有效的技术创新方法与创新工具支撑，为我国未来煤层气的规模化开采奠定基础。
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1.2 国内外研究现状
本研究研究涉及到创新基因学理论的应用研究、 煤层气开采技术方面的研究、技术演化路径方面的研究等方面，众多专家学者进行了深入的研究并取得了丰厚的研究成果，为本研究提供了重要的参考价值。
1.2.1 创新基因理论的相关研究
创新基因理论作为一门新兴学科概念，目前国内外对此并没有特定的学术定义，但对于创新基因理论的相关研究已经逐渐涌现，主要集中在理论和应用研究两方面。
（1）关于创新基因的理论研究
创新基因学理论是近年管理创新领域研究的重点，国外学者在此方面的研究主要包括：Feng 等等依据遗传学的法则分析并编码了运动输出的影响因素，建立了染色体机理模型，参考减数分裂和染色体变异提出了以显性、异位和转移三种方式对染色体模型进行基因重组操作，并引例证明了该方法的方便性和实用性；Chao 等利用基因学原理，对产品设计基因的知识结构进行了分析，结合基因遗传法则提出了基于基因设计的创新方法模型；Chen 等认为每个功能结构是一个基因，结构创新设计是通过交叉进化和变异进化，实现了有机融合内外创新设计知识，基于内部创新知识本体表达、外部创新知识和创新理论知识，从功能到结构的开放式创新设计实现了逐步建立；Feng 等对概念设计与基因工程的相似性进行了系统研究，提出产品基因是概念设计的一般信息基础，在借鉴基因工程的基础上，提出了一种基于基因遗传和重组的概念设计方法；He 等研究了基于遗传算法的产品创新设计方法，构建了通过交叉和变异的遗传操作实现优化的方法；Yoon、Yang认为可以通过定义突变和选择技术，研究有前途的技术的演变，探讨了一种应用遗传算法的方法，以便于掌握技术的进化路径；Haghrah 等通过将提出的基于随机转移载体的基因突变的实数编码的遗传算法方法（rcga-rtvm）应用于两种不同特性的测试系统，验证了所提出的方法的有效性；Chen 等对基因工程与产品创新的相似性进行了研究，阐述了基于基因工程的创新设计方法，应用数据库技术对产品染色体进行了编辑和存储；Kell、Lurie-Luke把创新和发现的过程和生物进化概念相结合，以进化的突变和重组反应增量和破坏性创新。
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2 相关理论基础
2.1 创新基因理论
2.1.1 基本概念
创新即是一种多要素与环境相互影响的活动，是基于海量数据检索、分析、设计、选优的一种为达成既定目标优化，而进行不同要素组合、重构并赋予其新结构和功能的一种具象化过程，该过程与生物进化领域基因的复制、变异、重组、表达，并形成新生物个体的过程类似：创新是在特定环境下进行功能、结构、机理的重构并研究如何获取社会与经济效益的行为，与生命体形成所涉及的基因功能表达、结构重组、信息调控等生物特性过程具有相似性。因此，可将创新构成要素类比为创新基因，进而可利用基因学的理论研究创新基因的重构方法、表达路径及其演化规律。创新基因理论主要包含创新基因、创新染色体及创新算法三个基本概念。
（1）创新基因
创新基因是进行创新过程调控的直接载体，它往往控制着创新产品组成、技术系统中最细分、最具体的部分，存在于产品或技术创新过程的每一个环节之中，决定着创新产物的基本结构、材料、功能、特性等各个要素。创新基因的获取往往可以通过以下几种方式：①通过创新过程中，创新人员、行业专家或创新的各个环节中直接反应并收集得到；②通过对创新领域相关背景信息及同源知识中进行数据检索、分析得到；③通过与创新领域相关的各类异源知识体系中通过关联性分析进行选择性筛选并搜集得到。因此，创新过程中的创新基因一般均来自于各类系统大数据的统计和分析结果之中，是一套经过筛选、极具针对性并且科学可靠的创新过程技术核心索引信息，往往涵盖着相关领域的核心技术信息，具有极强的技术概览和创新参考价值。
（2）创新染色体
创新染色体即是在创新过程中将各个创新基因按照一定的类别进行规约集成而形成的，创新过程固定类别信息的载体。创新染色体一般承载着创新产品或技术中的各个基本功能单元，是创新过程中各个具体环节的控制体，创新染色体中所含有的各个创新基因具有一定的类似性和集成性。创新染色体一般是通过将各类创新基因信息的进一步分析汇总而得到的，可以通过对常见创新过程所涉及创新基因的类别，将创新染色体归为以下七大类：①时间染色体；②结构染色体；③功能染色体；④空间染色体；⑤材料染色体；⑥环境染色体；⑦介质染色体。创新染色体信息细分如图 2-1 所示。
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2.2 数据分析理论与方法
2.2.1 科学知识图谱
知识图谱(Mapping Knowledge Domain）是一种广义的基于知识信息采集、共现分析与信息可视化为一体的信息统计与分析工具，它可以将海量、复杂、不规则的知识数据进行聚类规约、可视化表达，通过对数据的富集分析，绘制与其相对应的知识图谱，进而通过图形的密集程度反应所分析知识数据之间的相互联系，是一种应用较普遍的计量分析方法。
简而言之，知识图谱就是一种将传统计量学分析方法（共现词频分析、引文计量分析等）与信息分析及可视化表达方法相结合，可以将海量、复杂、不规则知识信息通过数据挖掘、聚类、矢量计算进而转化成图形呈现出来的一种多领域知识融合的现代知识处理方法。运用知识图谱可以直观的分析目标领域的技术核心分布、技术关联度及技术发展态势，进而为企业或者政府等需要对海量信息进行规约处理的单位提供一种基于实际数据的科学、直接而客观的可视化分析工具。其特点主要体现在以下几个方面：
①知识数据的完善程度，与用户的检索次数成正比；
②将赋予字串新的意义，而不只是单纯的字串；
③知识信息范围跨度大，具备普遍的科学意义；
④既能为用户提供全面的知识概览，同时也能进行知识深度分析；
⑤通过图形界面将所检索到的知识信息系统的展现至用户面前；
⑥可以从不同信息渠道获取知识信息，并集成至同一知识图谱中。
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3 技术创新基因理论模型构建 ..................24
3.1 技术基因数据的获取与预处理 .................24
3.2 技术基因特征要素的提取 ................26
4 技术创新基因理论在煤层气开采技术创新中的应用 ..........31
4.1 煤层气开采技术基因片段提取 ...................31
4.1.1 技术基因数据获取 ................... 31
4.1.2 核心基因片段导入 ............ 32
5 结论与展望 ...................46
4 技术创新基因理论在煤层气开采技术创新中的应用
4.1 煤层气开采技术基因片段提取
4.1.1 技术基因数据获取
本文选择检索文献量大、数据准备可靠的 CNKI 中国全文数据库作为检索系统，分别以“煤层气开采+技术”和“瓦斯开采+技术”为关键词进行文献检索，得到 2006-2016 年关于煤层气和瓦斯开采相关文献 2929 篇，其中核心期刊文献1002 篇。从中剔除与技术无关的文献后，最终得到 2591 篇有效文献，并以此为基础建立煤层气开采技术文献数据库。
利用SATI文献信息统计分析工具对数据库中的技术文
