基于专利文献的移栽机械发展态势分析

吴磊琦， 谌 凯， 吴巧玲

(浙江省科技信息研究院，浙江杭州 310006)

移栽技术主要呈现在水稻的移植以及旱地的移植中，移栽机械是《农机装备发展行动方案(2016—2025年)》中提出的重点发展农业装备之一。本研究基于专利文献，从发展趋势、重点技术领域、区域分布、优势机构、发明人、高引专利、技术路线图等方面开展移栽机械发展态势研究，以期为相关政府部门、企业和高校院所进一步发展移栽机械产业和技术提供情报支撑。

本研究采用Derwent Innovation专利数据库，在数据采集过程中结合关键词、国际专利分类号(international patent classification，简称IPC)、Derwent手工代码的方法进行专利检索，共得到与移栽机械相关的15 342个专利族，24 664项专利；其中中国专利4 925项，且我国申请人申请的中国专利为 4 489 项(检索时间范围为1950年1月至2018年2月)。

1 发展趋势

图1展示了1951—2016年移栽机械相关专利数量的年度变化趋势，可以将移栽机械的技术发展分为3个阶段：第1阶段(1951—1987年)是移栽机械技术孕育期。该阶段申请专利数量少，每年专利申请量不超过100项，且专利数量增速较为缓慢，专利申请主要来自前苏联、美国和日本，申请主力是前苏联林业机械研究所、日本井关农机和日本久保田，专利技术主要集中在用于种苗的移栽机械、装幼苗的盆、用于播种或种植的挖掘或覆盖坑穴的机械等。日本在20世纪60年代完成了移栽机械从步行式到乘坐式的过渡，20世纪70年代开始研发水稻插秧机，80年代改进提出旋转式分插机构[1]。第2阶段(1988—2005年)是移栽机械技术快速发展和调整期。该阶段专利申请数量明显上升，其中1996年后呈现一定波动，日本加大了研发力度，专利申请量遥遥领先于其他国家。此外，我国也开始了移栽机械方面的研究，进行相关专利申请，申请主力是日本久保田、洋马和井关农机。这一时期的技术热点集中在用于种苗的移栽机械、由液压或气动装置操作的农机具调整机构、施肥机械等方面。主要研究成果有日本相关公司如洋马农机研制的顶出式水稻钵苗移栽机、齿轮连杆式钵苗取苗机构；意大利Ferrari公司研发的FPC型全自动膜上移栽机，一次性可以移栽4行穴盘苗[2-3]。第3阶段(2006年至今)是移栽机械技术高速发展时期。专利申请数量飞速增长，其中中国专利申请量增长最为迅速，在该阶段的专利申请量超越日本排名第一，这时期的申请主力是日本井关农机、日本久保田、浙江理工大学等。这个时期的研究主要侧重于种苗的移栽机械、施肥机械、由液压或气动装置操作的农机具调整机构等方面。主要成果有浙江理工大学、东北农业大学、沈阳农业大学等高校院所陆续研制出多种移栽机械并持续改进，如顶出式水稻钵苗移栽机、非圆齿轮行星系钵苗移栽机取苗机构、傅里叶齿轮行星系水稻钵苗移栽机构、旋转式椭圆-不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构等一系列钵苗移栽机构[4-10]。此外，南通富来威农业装备有限公司、柳州五菱汽车工业有限公司、福田雷沃重工、现代农装科技股份有限公司等已有相关产品投入市场。

由于专利从申请到公开通常存在18个月的期限，因此2016年的专利申请数据还不完整，仅作参考(图1)。

从图2可以看出，全球移栽机械技术经过20世纪50年代初至80年代的第1阶段技术孕育期后，专利申请人数量和专利数量总体出现大幅增长，表明该领域仍处于成长期。

2 重点技术领域

IPC代码包含专利的技术信息，通过对相关专利的IPC代码进行统计分析，可以了解移栽机械的重点研发技术。

表1列出了移栽机械相关专利的前10名IPC代码，可以看出，用于种苗的移栽机械、移栽机械、施肥机械、由液压或气动装置操作的农机具调整机构、农业机械或农具的转向机构等是该领域的关键技术。

表1 移栽机械专利申请的前10名IPC代码

图3是移栽机械领域的地形图，从中可以看出移栽机械相关机构如传动机构(变速箱、行星齿轮轴、离合器等)、动力装置(液压缸、泵、电池)、执行机构(输送带、秧爪等)、调节机构(螺纹滑块)、传感器检测、苗箱、钵苗盘、施肥机械等是该领域的研究重点。

3 专利竞争区域

3.1 国际竞争格局

全球有数十个国家在移栽机械领域进行了专利申请。如图4所示，专利申请排名前列的国家和地区依次为日本、中国、前苏联、美国、韩国、法国等。其中，日本在该领域技术基础最为雄厚，申请专利8 661项，占该领域专利总量的56%，排名第1；其次是中国申请专利4 489项，占29%。排名前2位的国家专利申请量占比达85%。单从专利数量上看，日本具有很强的研究实力，引领移栽机械领域的技术发展。

如图5所示，在前5名专利来源国(排除前苏联)中，美国于1968年率先申请了第1项相关专利，主题为具有加强筋的热成型隔室苗盘，但研发热度不高，申请高峰期出现于2011—2012年，达40余项；日本于1969年申请了第1项相关

专利，主题为用作水稻发芽人工种子床的打孔塑料膜，研发活跃期在1989年之后，申请高峰期出现在1995年，达743项，随后专利申请量总体上逐年下滑；韩国落后美国、日本10余年，第1项专利申请出现于1981年，主题为具有使植物板往复运动并带动侧架上种植杆的引导凸轮轴的水稻种植机动力传递装置，但研发热度总体不高，每年专利申请量不超过30项。我国移栽机械技术研发起步相对较晚，落后美国、日本近20年，直到2006年，研发活动才逐渐升温，2010年起专利申请量超过同年度其他国家专利申请量，说明国内创新主体越来越重视移栽机械技术的相关研发。

表2综合反映了前5名专利来源国的专利质量，中国专利引用≥5次(占比)、平均被引次数、H指数、PCT专利数量、三方专利数量等专利质量指标远远落后于美国和日本，说明我国在该领域专利质量较低，研发水平还有待进一步提高。

美国、日本、韩国和法国作为移栽机械技术研发的强国，其对世界市场的争夺也非常激烈，因此除了对本国进行专利保护外，为了在国外生产、销售移栽机械，也必须在国外申请相关专利以求获得知识产权保护，同时该国同族专利的申请也可以反映出其市场战略。

从图6可知，日本除在本国申请专利外，同时重点在中国、韩国、美国等国家和地区进行布局，表明日本更为重视这些国家和地区的市场；美国除在本国申请专利外，同时重点在加拿大、欧洲、日本、中国等国家和地区进行布局；韩国除在本国申请专利外，同时重点在中国等国家和地区进行布局；法国除在本国申请专利外，同时重点在欧洲、德国等国家和地区进行布局。

我国作为移栽机械领域专利申请量排名第2的大国，主要针对本国市场，只在国外零星地申请了一些专利，如在日本申请了16项专利，在韩国申请了12项专利，这说明国内创新主体的专利保护意识还不够强，而且值得向国外申请专利的真正有价值的技术少之又少，侧面印证了我国在移栽机械领域核心技术的缺乏。另一方面，日本、美国、韩国等国家对中国市场非常重视，竞相在中国进行专利布局，也给我国移栽机械的研发工作带来一定的专利壁垒。

3.2 国内竞争格局

如图7所示，移栽机械领域，我国专利申请排名前10名的省(市、区)依次为浙江、江苏、山东、安徽、黑龙江、湖南、湖北、河南、重庆、新疆。浙江省申请主力为浙江理工大学、莱恩农业装备有限公司和浙江大学；江苏省申请主力为江苏大学、农业部南京农业机械化研究所和无锡同春新能源科技有限公司；山东省申请主力为潍坊同方机械有限公司和山东农业大学。

表2 移栽机械前5名专利来源国专利质量指标

注：H指数是指至多有N件专利至少被引用了N次；三方专利是指同时在世界上最大的3个市场(美国、欧盟和日本)寻求保护的专利。

4 专利优势机构

本节主要介绍移栽机械技术领域的优势机构，包括国内外优势机构的排名、专利申请动向、专利申请区域布局等。

4.1 国际申请人

全球有3 000余家机构在移栽机械相关领域进行了专利申请，如表3所示，排名前20的机构主要来自日本、美国、前苏联和中国，其中有11家企业，9家研究机构。

日本在移栽机械领域具有雄厚的实力，前20名申请人中有9个来自日本，包括日本久保田(第1名)、日本井关农机(第2名)、日本洋马(第3名)、日本三菱(第4名)、日本MINORU SANGYO(第6名)、日本蜻蛉工业(第8名)、日本神崎高级工机制作所(第10名)、日本八鹿铁工(第16名)、日本环周铁工(第19名)，这些公司均较早就开始申请相关专利，但研发活跃期多在2005年之前，近年来专利申请量逐渐下滑，平均专利年龄最低为10.8年(日本八鹿铁工)，最高为19.1年(日本神崎高级工机制作所)。

前20名申请人中同样有9个来自于中国，包括浙江理工大学(第5名)、江苏大学(第7名)、东北农业大学(第11名)、农业部南京农业机械化研究所(第12名)、莱恩农业装备有限公司(第13名)、石河子大学(第15名)、浙江大学(第17名)、湖南农业大学(第18名)和安徽农业大学(第20名)。其中，浙江理工大学于2003年申请第1项相关专利，主题为圆柱齿椭圆齿行星系分插机构，自此每年均保持相关专利申请，活动年期在国内机构中最长，达14年；江苏大学起步较晚，第1项专利申请于2007年，主题为差动椭圆齿轮系分插机构及其用途，研发活跃期在2011年后，平均专利年龄仅为2.7年；东北农业大学第1项专利申请于2009年，主题为自动移栽机用链式纸钵，自此每年均保持相关专利申请，研发活跃期为2010—2013年。

表4展示了全球移栽机械前20名专利申请人的申请区域布局情况。国外专利申请人除布局本国外，主要布局中国和韩国。除前苏联林业机械研究所、日本环周铁工外，其他国外申请人在我国进行了大量专利布局，给我国创新主体移栽机械技术研发带来了较强的专利壁垒。相对来说，日本三菱、日本蜻蛉工业、日本神崎高级工机制作所、日本八鹿铁工等在我国的专利布局力度稍弱，我国创新主体可以考虑对这些公司未在我国申请同族专利的相关专利加以利用。

表3 移栽机械主要专利申请人相关指标

表4 移栽机械主要专利申请人申请区域布局

图8中，坐标横轴代表专利申请人在移栽机械领域中的关注度和专利技术实力，即专利申请人的专利性，气泡越往右专利性越强；坐标纵轴代表专利申请人总体的资源和财富，表征了其利用专利的能力，即专利申请人的市场性，气泡越往上市场性越强。可以看出，日本久保田、日本井关农机、日本洋马的综合实力较强，其中，日本久保田的技术实力处于领先位置。

4.2 国内申请人

如图9所示，在4 489项中国专利(以中国为专利来源国)的申请人中，企业占31%，大专院校和科研院所共占38%，说明目前我国国内企业正在积极为移栽机械技术的产业化作准备，同时高校院所等研究机构也在针对移栽机械技术开展基础研究和应用研究工作。

在4 489项中国专利(以中国为专利来源国)中，排名前20的申请人如表5所示。

5 主要发明人及团队

由表6可以发现，移栽机械主要发明人是来自日本和中国的企业、科研院所，如日本井关农机、日本洋马、日本久保田、日本三菱、浙江理工大学等除日本井关农机的Ishida I、日本三菱的Funo T外，其他发明人近期均保持研发活跃状态。

6 高引专利和技术路线图

通过技术引证分析，可以发现移栽机械领域的高引专利，这些高引专利在一定程度上是该领域的核心专利。

从表7可以看出，被引次数排名前10位的高引专利来自美国、日本、加拿大等的相关企业，说明这些企业的专利有着很强的基础性，专利受到的关注较多，研究能力很高。

基于相关核心专利，绘制移栽机械的技术路线图，如图10所示。这些核心专利的申请人大多为美国和日本的相关机构， 显示出这些国家在移栽机械技术领域的领先实力。此外，沿着时间轴剖析技术演进方向，可以发现移栽机械的发展呈现自动化、智能化、高适应性的趋势，逐渐引入全球定位系统(global positioning system，简称GPS)定位、自动下降、自动补苗、负载监控等先进技术，并通过种植机构的改进不断提高移栽机械对不同作业条件的适应能力。

表6 移栽机械专利主要发明人及团队

7 结论

从以上分析结果可以看出，移栽机械技术仍处于快速发展期，短期发展前景毋庸置疑。用于种苗的移栽机械(传动机构、动力装置、执行机构、苗箱、钵苗盘)、施肥机械、由液压或气动装置操作的农机具调整机构、农业机械或农具的转向机构等是该领域的关键技术，自动化、智能化、高适应性是移栽机械的发展方向。我国虽起步较晚，落后美国、日本近20年，但近年来在该领域的专利申请量快速增长，从2010年起专利申请量超过同年度其他国家专利申请量，说明国内创新主体越来越重视移栽机械技术的相关研发，不断开发新技术、新机型。但也应该看到，在该领域，中国专利质量远低于美国和日本，绝大多数高引专利来自日美企业，说明中国相关技术研发水平还有待进一步提高，须要分别从政府和企业层面进行推进：

7.1 从政府层面进行推进

(1)加大财税政策支持力度，对于在结构、功能、自动化智能化程度、适应性方面有重大突破的移栽机械新机型给予首台重大技术装备保费补贴，并相应强化农机购置补贴政策的导向作用；(2)扩大对外合作与开放，鼓励国内相关企业与国外领军企业如日本久保田、日本井关农机、日本洋马、日本三菱合作开发和建立技术研究中心，提升核心技术、关键部件的研究开发能力，通过合资、合作生产等方式，积极引进相关企业的先进技术， 带动农业和社会经济双重发展；(3)加强专利预警工作，政府牵头、组织科技信息服务机构实时提供移栽机械专利预警服务，为相关企业移栽机械产品开发、生产、出口等保驾护航。

表7 移栽机械前10名高引专利

7.2 从企业层面进行推进

(1)加强关键技术研发，对于移栽机械技术领域，重点研发传动机构、动力装置、执行机构、施肥机械、由液压或气动装置操作的农机具调整机构等关键技术；(2)加强与高校院所的产学研合作，如浙江理工大学、江苏大学、农业部南京农业机械化研究所、东北农业大学、石河子大学等在移栽机械领域积累了许多技术成果；(3)加强人才引进，将移栽机械专利的主要发明人和团队作为重点引进方向，如日本井关农机的Muranami M团队、日本洋马的Doi K团队、日本久保田的Fujii K团队等；(4)加强对失效专利、无中国同族的相关专利的利用，前10名高引专利中就有7项失效专利，而日本三菱、日本环周铁工、日本蜻蛉工业、日本神崎高级工机制作所、日本八鹿铁工等在我国专利布局力度稍弱，我国企业可以考虑对这些专利进行合理利用，降低研发成本。