列车通信网络技术专利发展研究

贺德强，刘旗扬，邱 福，雷 昊，李冀晖

（广西大学，a.机械工程学院；b.科技处，广西 南宁 530004）

列车通信网络，是一种面向控制及信息系统、连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心。其集列车控制系统、故障检测与诊断系统和旅客信息服务系统于一体，以车载嵌入式系统为主要技术手段，并通过网络实现列车各个系统之间的信息交换，最终达到对车载设备的分布式监视、控制和管理等目的，实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化[1～3]，是高速列车、机车车辆、城市轨道交通车辆和高速磁悬浮列车的“心脏”。

然而迄今为止，国内运营的高速动车组、和谐型电力机车、内燃机车和城市轨道交通地铁车辆的列车通信网络的标准和核心专利，主要由国外机构和企业掌握，从而严重影响了我们轨道交通机车车辆的进一步发展和对外合作。为突破国外跨国公司在轨道交通装备关键技术上的专利壁垒，缩短与国际先进机车车辆制造业的差距，中国轨道交通装备行业迫切需要在某些关键技术方面，实施积极的专利战略，并将其作为行业创新力和竞争力的重要战略，予以深入研究和运用。

本文通过分析国内外企业新型列车通信网络知识产权保护的现状及发展趋势，为国内相关企业实施自身的知识产权发展战略，以提高企业核心技术创新能力和知识产权保护能力，正确定位竞争策略，增强企业的技术和市场竞争力提供有益的参考。

1 列车通信网络的发展趋势

现有轨道交通列车车载机械、电气和辅助设备众多，且车内安装有大量的分布式传感器和复杂耦合的智能节点，联网控制越来越复杂，以及各种安全检测和信息系统对列车网络系统性能要求的提高，迫切需要列车通信网络具有更高的实时性、可靠性、较好的可维护性、扩展性、高的带宽和良好的互操作性等，并能进行分布式任务处理和数据融合[4～6]。然而现有各机车车辆、高速动车组和城轨列车上应用的列车通信网络由于传输速率较低，导致列车牵引、制动、辅助等设备的很多关联状态信息和故障隐患不能有效传输，也不能及时发现全列车可能的故障，致使大量的事故难以追溯根源。

以太网(Ethernet)基于IEEE802.3标准，作为具备大容量数据传输能力的现场总线已经大规模应用于工 业 现 场 中 ， 如 Ethernet/IP、PROFINET、Ethernet PowerLink、EtherCAT、MODBUS-IDA、以及我国负责制定的EPA实时以太网等。但列车车载环境恶劣，车辆之间经常需要解编和重联，常用的100 Mbps和1000 Mbps民用和工业级以太网，在可靠性、实时性和稳定性等方面与列车通信网络需求并不相适应，需要针对机车车辆特有的运营环境进行改良。

国际上，目前国际电工委员会IEC/TC9 WG43工作组正着手起草实时列车车载以太网 (Real Time Ethernet，RTE)标准，旨在推动以太网技术在列车通信网络领域中的全面应用。计划于2012年完成IEC 61375-3-4和IEC 61375-2-5标准的发布，分别作为铁路应用的“以太网编组网络”标准和“以太网列车网络”标准。

加拿大庞巴迪已开启了列车以太网的商业化应用，于2010年在德国和荷兰的区域型列车上配备了列车以太网设备，列车上同时存在车载环型以太网和TCN系统，该公司希望在3～5年内用以太网完全取代TCN，即所有车载智能设备集成到一个以太网系统。

德国西门子正在研究把工业以太网PROFINET作为列车通信网；

日本铁路联合体正在研究基于以太网的INTEROS列车通信网络，并计划在MUE-Train多功能试验列车上进行测试；

法国阿尔斯通正在研究列车级和编组级以太网，并已开始与法国铁路运营商SNCF合作在全部TGV高速铁路列车内测试车载以太网性能；

2011年12月，中国南车四方股份公司以380A高速列车为基础开发的时速500公里试验列车就采用以太网环网作为车载控制和信息网络[7～10]。

2 列车通信网络专利的定量分析

列车通信网络是列车通信的核心部分。其负责对整辆列车进行控制、检测，以及各种信息的采集和传输。随着现代列车朝着高速和重载方向发展，列车通信网络系统受到越来越多的关注和重视，尤其是基于以太网的车载网络，是列车通信网络的发展方向。

本文以现行列车通信网络IEC61375国际标准的发布时间1999年为检索起始日期，对各专利数据库检索出符合要求的专利文献，经过人工逐条反复斟酌和比较，最后确认可以用于进行专利分析的专利件数为324件，其中，中国（CN）申请列车通信网络相关专利218件，欧洲专利局（EP）申请19件，世界知识产权组织申请（WO）15件，德国（DE）申请 7件，英国（GB）申请 1件，日本（JP）申请 11件，美国(US)申请17件，法国(FR)申请 4件，韩国（KR）申请 24件，新加波(SG)申请 2件，俄罗斯(RU)申请 4件，南非（ZA）和墨西哥（MX）各申请1件，其分布情况如图1所示。

图1 列车通信网络专利申请国家分布情况

可见，中国在列车通信网络的专利申请数量，已领先于其他国家和组织，一定程度上反应了中国近10年在该领域已处于世界先进水平。

2.1 不同年度专利申请分布情况

不同国家和专利组织不同年度的专利申请情况如图2所示。

图2 不同年度的专利申请分布

自从列车通信网络IEC 61375国际标准于1999年正式发布后，有关国家和组织就开始申请该方面的专利。1999～2010年，该方面的专利申请数总体处于上升状态，由1999年的5件上升到2010年的77件，而之后的2011年该专利申请数量有所下降，为38件(注：以18个月的专利公开日期作为参考，这些专利申请日实际截止到2012年初，因为未到年底，造成2012年申请的数量图形失真)。其中，1999～2007年申请数量处于缓慢上升状态，且略有波动，2008年突然增加到69件，之后的3年申请数量略有波动，维持在较高水平，总的来看，世界列车通信网络专利申请数量稳步上升。

引起列车通信网络专利申请数量变化的原因在于，2003年以前，中国还未开始申请该专利，从2004年开始申请了4件、2005年1件、2006年9件、2007年3件，数量都比较少；而在同一时期内，世界上其他国家的申请数量增长也不大，2005年国内外申请数量只有6件，比前两年有所减少，从而出现了一个低谷。

2008年申请数量突然增加，原因是在这一年国内外的申请数量都比前一年增加，国外由11件上升到22件，国内由3件上升到47件。

在2009开始，情况出现了新的变化，国外的申请数量大幅减少的同时中国的申请数量反而处于一个上升的状态，总体数量保持在较高的水平。

到2011年时，国外的申请数量变为2件，而中国的申请数量上升到36件，占了绝大部分。这也正好印证了国内铁路和城市轨道交通在该段时期内处于飞速发展期。

中国列车通信网络专利申请起步较晚，但后来居上，到现在已经占据世界专利申请数量的大部分，紧跟列车通信网络核心技术及世界专利总体趋势的发展。

2.2 不同年度专利申请国别情况分析

不同年度专利申请国别情况如图3所示。

图3 不同年度专利申请国别情况

欧洲及美国是世界上最早研究列车通信网络的国家，欧洲在1999年就申请了1件专利，而在同一年美国申请了3件专利。2000年欧洲申请数为3件，2008年达到8件，为历年最多，其他年份申请量都在0～2件范围内波动。美国在2007年的专利申请量为4件，其他年份申请量在0～3件之间。

世界知识产权组织在2000年开始有2件专利申请，在同一年德国也提交了2份专利申请。而2008年，世界知识产权组织的申请量为3件，其他年份申请量在0到2件之间徘徊，申请量较少。德国在2001年、2002年、2004年、2006年和2008年的申请量都是1件。

韩国和日本在2002年都开始申请了1件专利，随后，在2003年韩国申请量为9件，2006年为4件，2008年为5件，其余年份申请量在0到2件不等；日本在2007年申请量为3件，其余年份都低于这个水平。

中国在2004年开始加入列车通信网络专利申请，在2004～2007这四年的申请量都在10件以下，到 2008年突然猛增到 47件，2009年为 46件，2010年为70件，2011年为36件。2008年往后的几年申请量都维持在较高水平，其中2010年申请量比2006年增长了8.75倍，为历年最多。专利申请量的增加，与中国铁路2004年开始的引进消化吸收再创新是密切一致的。

3 基于以太网的列车通信网络技术类别的定量分析

基于新型以太网的列车通信网络其技术分类包括列车级总线、车辆级总线、车地无线通信网络和车载网关。

从图4可以看出，基于以太网的列车通信网络专利的研究与开发始于1999年，1999年至2004年期间，每年专利申请量在3至9件之间徘徊。从2005年开始稳步上长，直到2008年达到25件高峰，2011年以来下降幅度较大。2012年以后专利申请量数据则由于实际收集到的数据未能统计到年底，故不能说明该年度真实的申请量。据目前统计，2007～2010年是基于以太网的列车通信网络专利申请的阶段性高峰期。

图4 基于以太网的列车通信网络专利申请年度变化趋势

在基于以太网的列车通信网络相关专利所涉及到的诸多技术要素领域中，1999～2006年，是该项车载现场技术的探索阶段，获得专利所涉及的技术要素比较少。而从1997～2010年，是该项技术经历了阶段性发展，部分技术逐步不断成熟，这一阶段专利所涉及到的技术要素大约是早期阶段的5～10倍。随着2012年底以太网技术进入列车通信网络国际标准，涉及到以太网技术要素的专利申请，必将会迎来新的高峰期。

3.1 基于以太网的列车通信网络技术组成分析

基于以太网的列车通信网络专利，国内外共申请104件，占列车通信网络专利总数324件的32.1%。其中基于以太网的列车通信网络专利技术组成中列车级总线的专利件数为31件，占基于以太网的列车通信网络专利总数的29.81%。其技术要素包括：WTB总线网关，网络控制，网络拓扑，数据交换，故障诊断，状态检测，车辆跨接，以太网连接，网络互连和网络通信等方面。

车辆级总线的专利申请量为22件，占基于以太网的列车通信网络专利总数的21.15%。其技术要素包括：以太网接口，MVB总线网络，接入网技术，数据采集，数据融合，以太网通信和网络互连等方面。

车地无线通信网络的专利申请量为14件，占基于以太网的列车通信网络专利总数的13.46%。其技术要素包括：车地网络通信，无线通信，TCP/IP协议，智能维护等方面。

车载网关，共计37件专利，占基于以太网的列车通信网络专利总数的35.58%。车载网关的技术要素包括：通信协议，网关管理，以太网网关，以太网接口，网络互连和网络通信等方面。

3.2 基于以太网的列车通信网络的年度变化趋势分析

基于以太网的列车通信网络核心技术，包括列车级总线、车辆级总线、车地无线通信网络和车载网关，如图5所示。

图5 新型列车通信网络专利年度分布变化趋势

其中，

涉及列车级总线的专利31件，主要集中在2003年、2004年、2006年、2007年、2008年、2009年和2010年；

涉及车辆级总线的专利22件，主要集中在2000年、2002年、2003年、2008年和2010年；

涉及车地无线通信网络的专利14件，主要集中在2002年、2004年、2007年和2008年；

涉及车载网关的专利37件，主要集中在2001年、2003年、2006年、2007年、2008年、2009年和2010年。

3.3 基于以太网的列车通信网络核心技术专利申请国别动态

中国在列车通信网络的核心技术方面，在列车级总线、车辆级总线、车地无线通信网络和车载网关上分别申请和拥有4件、6件、1件和21件专利。

中国主要的研究方向，是列车通信网络车载网关。美国在列车通信网络核心技术4个方面都申请有专利，在列车级总线、车辆级总线、车地无线通信网络和车载网关上分别申请和拥有3件、1件、3件和2件专利。欧洲专利局同样在列车通信网络核心技术4个方面，都申请和拥有专利，分别为4件、4件、2件和6件专利。

在世界知识产权组织申请专利保护，是一国的专利同时受到其他国家专利法保护的必经之路，该组织是专利申请PCT国际阶段的国际专利申请机构。因此，各国都非常重视在世界知识产权组织申请专利保护。对于某项专利的核心技术更是如此，在世界知识产权组织申请列车通信网络核心技术总量为7件，其中，在列车级总线通信网络上拥有4件专利，在车辆级总线通信网络上拥有1件专利，在车地无线通信网络上申请了1件专利，在车载网关上申请了2件专利。

在拥有核心技术专利的数量上，中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心拥有专利18件，高居榜首，韩国铁道科学研究院和日本三菱电气分别以10件和8件专利位于第二和第三位。

4 结束语

根据上述文献检索分析知，由于起步较晚等诸多原因，我国列车通信网络的早期技术水平与国外相比存在一定的差距，但在基于以太网的新型列车通信网络知识产权保护方面，国内企业与国外企业处于同一竞争水平。随着2012年底基于以太网的列车通信网络标准（IEC 61375）第三版的发布，涉及该要素的专利申请将迎来高峰。为此，国内相关研究机构和企业需基于自身优势技术，在提高知识产权意识的基础上，从专利技术开发和保护等方面，构建轨道交通列车通信网络专利战略，积极响应协同创新国家战略，通过建设南北车、各研究院和高校协同开发、储备创新人才、完善专利管理机构与管理制度、创建轨道交通专利协会，来保证我国机车车辆专利战略的有效实施，从整体上提升轨道交通制造业经营发展活力和核心竞争力。

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