面向智能船舶相关技术的专利分析研究

丁礼谦 ，张建辉，杨 萌，赵芮凯，王学瑞，刘桔森

（1.河北工业大学机械工程学院，天津 300130；2.河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津 300130；3.中国船舶重工集团公司第七零一研究所,湖北武汉 430061）

随着互联网、计算机、大数据、物联网、信息物理系统等新技术的兴起，推动了船舶向智能化方向发展，并受到世界各国的广泛关注。船舶已经开始逐渐由单一的自动化控制系统向多功能综合系统的转变[1]。关于智能船舶的概念，各国研究机构和造船企业都进行了大量的研究，并给出了自己的定义[2]。虽然各国对智能船舶的定义存在不同的见解，但其本质内容都是将现代信息技术与船舶相结合，使其朝着更加智能化的方向发展。欧洲对于智能船舶研究较早，早些年前，英国著名的罗尔斯·罗伊斯公司已经开始对无人货船投入研发，预计在不久的将来会有首艘无人驾驶货船出现在人们的视线中[3]。与无人驾驶汽车相似，船舶无人驾驶必将成为现实。考虑到船舶无人驾驶是一个极其复杂的过程，其中一些关键技术还有待于突破[4]。与国外相比，国内对于智能船舶的研发与应用都处于较初级的水平，但是国内对于智能船舶的研究从未间断[5]。2019年6月22日，由大连船舶重工集团有限公司研究设计的全球首艘大型智能邮轮“凯征”号正式交付用户，这对于中国智能船舶的发展具有极大的意义[6]。

中国船级社于2015 年发布，2016年3月生效的《智能船舶规范》将智能船舶的功能主要分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台[7]。为了实现以上智能船舶的功能，世界各国正在研究与之相关的通信导航、智能运动控制、自动靠泊、自动避碰、多传感器信息融合、航线规划等相关配套技术。

智能舰船具有很好的应用需求和发展前景，国外研究机构和企业纷纷投入了大量人力、物力、财力对智能船舶技术进行研究，特别是日本、韩国、欧洲、美国等发达国家和地区的研究机构与企业，并且对智能船舶技术进行了大量的专利布局。由于理论和技术水平、认知水平的差距，我国对智能船舶技术的研究起步比较晚，投入少，相比于这些国家和地区，我国已经处于落后位置。因此，研究全球智能船舶技术专利的发展动态以及重点船舶研发企业的专利布局态势是非常必要的。一方面可以积极响应国家关于“加强知识产权建设”的号召,另一方面对我国船舶研究机构具有一定的借鉴意义。

1 国内外研究及评述

随着经济的全球化，国际间的竞争日趋激烈。研究表明，竞争的实质归根结底是知识产权的竞争[8]。专利文献作为知识产权最重要的一种形式，它被用来衡量一个国家知识创新的重要指标[9]。据世界知识产权组织统计，每年有大量的科技成果以专利的形式公布于世。专利是一种可以从侧面反映出一个国家科学技术发展状况的情报文献[10]。专利情报分析就是将专利文献中大量杂乱无章的信息加以整合，并利用一定的技术手段使这些信息变成具有预测功能的一项工作[11]。在产业发展决策层面，专利情报分析能快速从大量专利信息中获取专利布局态势以及判断竞争对手的产业发展动向[12]。于企业而言，专利情报分析是保障他们在竞争中获取胜利最有效的手段，对企业开发新技术具有指导性的意义[13]。

国内外关于智能船舶技术的研究从未间断。在智能船舶产业发展方面，柳晨光等[4]从智能化特征方面介绍了智能船舶，并从智能航行和智能化管理两方面分析了船舶智能化发展现状。刘徽等[5]将国内外智能船舶发展状况进行了对比分析，并对我国智能船舶的发展提出了建议。梁云芳等人[1]不仅研究了国内外智能船厂的发展现状，而且总结了智能船舶相关技术。在相关技术领域范新刚等[14]运用船舶多源信息融合技术，提高了船舶在海上航行时的精准度与可靠度。周剑敏等人[15]基于船舶自动识别系统而开发出智能船舶动态视频监测系统。Mingkui Feng等[16]提出了一种船舶智能防撞方案。刘勇等[17]将数字信号处理器、信号处理电路、FPGA传感器相结合，最终成功的设计了智能船舶隔振系统。王宏智等[18]将智能监控技术应用到智能机舱领域中，研究出智能机舱系统。杨令省[19]对船舶航线规划中精确算法进行了深入的研究。国外关于智能船舶的研究主要集中在日本、韩国、欧洲。其中日本在智能船舶方面比较注重通信导航技术的研究。韩国研究的重点主要是智能船舶系统的应用[20]。欧洲则集多技术领域开发出了内河航运综合信息系统（RIS）[20]。早在 20 世纪 80 年代，挪威船级社（DNV）就提出了船体结构监测的需求并进行研究[21]。在智能靠泊技术层面,日本Ahmed等[22-23]和韩国Park等[24]分别提出了泊位外镇定、直接靠拢的靠泊理论。而Mizuno N等人[25-27]解决了船舶在靠泊路径方面的问题。

以上研究仅仅在智能船舶具体技术领域。但是，目前对于全球智能船舶技术进行专利研究和分析的文章少之甚少。我国在智能船舶领域起步较晚，和国外相比有一定的差距，在未来的专利战争中已经处于不利的地位。综上，本文对于国内外智能船舶技术的专利分析与研究对于我国在智能船舶技术领域的发展极其重要，这将对后续我国在智能船舶技术方面的专利布局有一定的参考意义。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文研究的数据来源于智慧芽专利数据库，其数据库涵盖了欧专、世界知识产权组织、美国、中国、德国、日本、台湾等7个地区或组织的全文以及90多个国家地区的摘要数据，专利数达到9 000万条，且数据库更新频率为每周一次，这就为专利检索的全面性、准确性提供了保障。

具体检索策略如下：

第一步：通过阅读文献和查阅资料确定智能船舶的关键技术。

第二步：首先通过相关技术确定每个技术分支的技术关键词以及该技术在该领域内的英文词。

第三步：确定该技术分支关键词的IPC分类号，分类号是代表技术主题所对应的专利类别。

第四步：根据上述三个步骤制定检索要素表。

第五步：构建智能船舶相关技术的检索式。并不断通过去重、去噪得到最终的结果。

检索时间跨度为2000年1月1日—2018年12月1日；检索字段为：标题/摘要/权利要（见表1、表2）。

表1 智能船舶技术检索要素表

表2 检索式与检索结果

2.2 研究方法

本文研究方法主要从以下几个方面进行。针对全球智能船舶技术专利申请趋势、智能船舶技术领先国家专利技术类别构成、智能船舶技术专利申请来源地分析研判未来智能船舶技术的发展方向、找出热点技术分支以及专利申请的密集点；国内外主要专利权人分析、国内外专利权人重点技术领域分布分析、国内外专利申请IPC技术分布可以了解在该技术领域内的竞争对手、竞争对手主要技术布局策略；核心专利分析（被引频次分析）、专利价值分析能从一定程度上获取核心技术分布情况、专利质量的高低；最后通过专利聚类（3D专利地图）分析提取出智能船舶技术空白点，并且可以捕捉研发的热点技术。具体研究方法流程如图1所示。

图1 智能船舶技术专利分析方法流程

该分析方法流程图主要包含以下部分：

（1）技术整体发展现状分析包括全球智能船舶技术专利申请趋势、智能船舶技术领先国家专利技术类别构成、智能船舶技术专利申请来源地分析。该分析具有“识大局”的功能，并能从整体上了解智能船舶技术的发展历程，以及技术的分布状况。其中智能船舶技术领先国家专利技术类别构成分析可以研判智能船舶发展的热点技术。

（2）竞争对手及技术分析包括国内外主要专利权人分析、国内外专利权人重点技术领域分布分析、国内外专利申请IPC技术分布、核心专利分析。该些分析能进一步具体了解竞争对手在智能船舶产业中发展的态势，为进一步专利布局奠定了基础。

（3）热点、空白技术可通过3D专利地图分析。该分析能呈现出专利中的高频词，进一步与智能船舶技术领先国家专利技术类别构成分析相耦合，明确智能船舶技术领域中具体热点技术。而专利质量的高低判断是通过专利价值的分析，最后达到“知己知彼”的目的。

3 专利统计分析

3.1 全球智能船舶相关技术态势分析

如图2所示，可以清晰地看出全球智能船舶各技术分支专利申请量呈现出逐年递增趋势，其中通信导航技术的专利年度申请量相比其他技术分支一直处于遥遥领先的地位，并且呈现出年增长率为正的情况。较次之的为智能运动控制技术，其专利申请量从2004—2017年度之间出现稳步递增的情况，其中在2016—2017年度增长率达到该技术领域的最高水平为82.5%，但在2017—2018年度期间，出现 了年均增长率为负的情况。对于其他四个技术分支专利申请量均保持着稳步递增的趋势。从所有技术分支专利申请数量来看，其中多传感器信息融合技术专利申请数量最低，平均年申请数量为个位数，则可以说明该技术领域集中度大，技术门槛较高，推断出该技术分支的申请量低可能与核心技术掌握者的专利策略有关系。从图中也可以看出在2015年后自动避碰技术、智能运动控制技术、通信导航技术专利申请数量呈现快速增长的趋势，仔细分析其原因2014年10月中国和德国共同签署了《中德合作行动纲要》，纲要中指明了德国与中国未来会在“工业4.0”方面加强合作，其目的为了促进中国制造业的快速转型，具体表现在高端技术领域，如智能船舶领域[28]。正因为如此智能船舶相关技术专利申请量才得以快速发展。

图2 全球智能船舶技术申请趋势

3.2 智能船舶相关技术领先国家专利技术类别构成

由图3可得这几个主要国家智能船舶技术专利布局如下：

（1）中国：其专利申请数量综合居于其他各个国家之上，其中通信导航、航线规划、智能运动控制技术分支更是遥遥领先于其他国家，但是在靠泊技术分支专利申请数量较次于在其他技术的专利申请数量。

（2）日本：其专利申请数量在所有国家专利申请中排名第二，与中国申请状况很相似，也比较注重在通信导航、航线规划、智能运动控制技术方面。

（3）美国、韩国：在总体申请侧重度方面，美国和韩国大致相同，值得注意的是韩国在智能运动控制技术方面申请了大量的专利，可见韩国在该技术领域处于领导者的地位。

（4）英国：在智能船舶技术分支专利申请数量较少，但是在航线规划技术专利申请数量远远多于在其他技术分支专利申请数量，其申请数量达到139项。在航线规划技术领域中排名靠前，可见英国比较注重航线规划技术。

（5）俄罗斯、德国：对于这两国而言，在智能船舶领域其专利申请数量与其他国家相比较次之，表明在智能船舶领域刚刚起步，或者不太重视。

图3 智能船舶技术领先国家专利技术类别构成

3.3 专利价值研究

要准确的研究各个国家在智能船舶技术领域所申请专利质量的高低，专利价值评判是必不可少的。谢智敏等人[29]在专利价值评估工具的有效性一文中，详尽的对比了Innography、Inco Pat、Pat Snap 这三种价值评估工具，从而得出了结论：Pat Snap评估的专利价值具有较高的可信度，并且通过数学模型验证了这一结论。Pat Snap 的专利价值评估是基于25个不同的维度[29]。其中Pat Snap估值体系的5个主要维度具体如下图4所示；利用Pat Snap Insight和统计学知识，作出图5所示的专利价值曲线图。

图4 Pat Snap 估值体系的5个主要维度

图5 各国智能船舶技术专利价值对比

为了更加客观地对比中国与其他国家专利申请质量高低，本文采用Pat Snap专利分析系统的专利价值概念评判专利质量。其中价值评级$、$$、$$$、$$$$、$$$$$分别表示价值区间在$0～$25K、$25～$100K、$100～$500K、$500～$2.5M、＞$2.5M之间。从图3可知，中国、美国、日本、韩国、英国、德国、俄罗斯在智能船舶技术领域申请专利总数分别为1 010、262、575、529、219、77、173项。由图5得知，随着价值评级的增加中国所申请的专利数呈直线下降，并且价值评级$的专利数量高达900项左右，$$评级的专利数量大约为80项，而$$$、$$$$、$$$$$评级的专利数量几乎为零，对于日本而言价值评级为$的专利数为80项左右，而价值评级为$$$的专利数量高达200多项，$$$$和$$$$$价值评级的专利数都保持在100项左右，虽然日本在智能船舶技术领域所申请的专利数为575项，但是其专利质量如此之高，可见日本在智能船舶技术领域具有较强的实力。对于韩国而言其高强度专利仅仅弱于日本，但是价值评级为$$$$$的专利数却反超日本，总体而言二者实力旗鼓相当，具有较强的竞争势头。对于美国而言，其专利申请总量为262项，处于较低的申请量，价值评级为$$的专利申请占绝对优势，而$$$、$$$$、$$$$$评级的专利数平均保持在20项左右，可见美国也具有一定的发展潜力。对于英国、德国、俄罗斯而言，其势力总体差不多，都具有一定的发展潜力。综上可以得出结论，中国与日本、韩国、美国在智能船舶领域有一定的差距。总体来看，中国专利申请总量居于全球第一，但是质量普遍较低，仅从专利数量的多少并不能客观反映出我国在该领域的真实情况。

3.4 重点专利权人分析

通过对国内外主要专利申请（专利权）人重点技术领域分布进行统计分析，得到表3。总体来看国外主要研究机构及企业主要涉及在通信导航技术领域和智能运动控制技术领域（如船舶优化导航系统和方法、船舶导航记录装置、船舶的优化导航系统有关的发明的监视器及其与固定信息系统的方法、船舶系泊装置、导航辅助设备综合导航装置、导航安全预警装置、船舶位置控制方法、导航控制装置）；而国内高校主要集中在控制系统方面，其中包括船舶远程监测系统、船舶监管系统的监控方法、远程监控方法等，且不同高校间稍许有点不同。哈尔滨工程大学还涉及传感器信息融合方法、航线、路径优化方法和船舶自动避碰方法。而中国船舶重工集团公司稍微侧重船舶目标态势模拟方法与船舶信息交互系统技术领域。因此国家应该统筹规划，让其发展自己的优势技术，早日攻破智能船舶的各个技术。

表3 主要专利权人重点技术领域分布

3.5 国内外智能船舶技术IPC对比

为了进一步了解中国和国外专利权人的专利技术构成情况，取IPC的TOP10频次排序，得到表4、表5。从表4可以看出IPC分类号主要分布在G部、H部、B部，其中物理部专利数量占总的专利数量的85.4%，而H部和B部总的专利数量占比14.6%。具体IPC为G08G3/00、G05D1/02、G08G3/02的分类号，其专利数量分别为100、21、16项，涉及的技术领域为海上航行器的控制系统、二维的位置或航道控制、防撞系统，G部还涉及的技术领域有G01C21/20、G06F17/30、G06Q10/04，其技术包含的有执行导航的计算仪器、信息检索及其数据库结构、预测或优化。H部包含有H04L29/08、H04W84/18，涉及的领域分别是传输控制规程、自组网络技术。由表5可知国外专利申请前10位的IPC技术分布：与中国专利权人专利申请状况几乎相同，G部专利数量占总的专利数量的68.8%，B部和E部专利数量总和占到比31.2 %，其中排名比较靠前的技术领域IPC分别为G08G3/00、B63B49/00、G01C21/00、G08G3/02，与中国专利权人所申请的情况几乎相同，唯一有所差别的是国外专利权人还涉及的技术领域有B63H25/04、E02B3/20、G09B29/10、G01S5/14、G01C；具体分别为用于操舵的启动装置，海岸、海港或其他固定海洋结构物的航运设备，地图定点或坐标位置指示器，由多个已知位置的分散点确定绝对距离，测量距离、水准或者方位。

表4 中国专利申请前10位的IPC技术分布

表5 国外专利申请前10位的IPC技术分布

表5（续）

3.6 核心专利分析

通常来说，如果一项专利在某技术领域内被施引的次数越多，表明该项专利具有较强的先进性和创新性，则可以说明该专利在该技术领域内是核心专利[30]。通过对智能船舶技术领域专利引证分析，得到 top10 专利引证情况，如表6。从中可以看出核心专利具体信息。从被引次数来看，美国在这些技术领域占有大量的核心专利。

表6 智能船舶技术专利被引证次数排名前10位 单位：次

3.7 3D专利地图分析

为了能更加清晰地看出智能船舶技术具体的研究热点，智慧芽3D专利地图是结合专利文献中高频词和IPC自动生成可视化分析图，如图6所示。通过此图可以快速了解到智能船舶热点技术的分布情况。其中波峰代表此技术方向的专利密集区，波峰越高表示该技术越热门，波谷代表该技术空白点，是智能船舶技术需要加大研发的领域。图中不同的点表示专利权人的不同，点越密集表明申请人在该技术点申请的专利数越多。整体来看，智能船舶技术包含了监控、导航、通信、监测控制、航道控制、自动识别、航线规划等，表明在这些领域是智能船舶技术研究的热点。值得注意的是导航、通信、航线、控制系统这些关键词出现的频率较高，表明涉及该关键词的技术是更加值得关注的热门。与此同时，也可以进一步地了解到处于波谷的技术领域，从图中可以看见防撞、避碰、显示、传感器、靠泊等关键词处于波谷的位置，表明该关键词的技术领域为技术较弱的领域。同时还可以了解到监控、导航定位、通信导航、通信、显示等处，所集中的点数比较密集，得知在该技术领域申请人比较多。

图6 智能船舶技术热点技术分布

结合图2、图3智能船舶技术的研究热点，可针对图6中的关键词从以下几个方面进行阐述：

（1）智能运动控制技术的研究，包括交通控制系统、航道控制、监控的研究、各种自动识别系统的研究等。

（2）通信导航技术的研究，包括导航线路的识别装置，航海仪器或导航设备的布置、航道控制系统、数据采集、驱动模块、收发模块等。

（3）航线规划技术的研究，包括船舶的航线规划算法，航线规划自动控制系统、路径规划、无线数据、航线网络布局方案等。

（4）避碰技术、多传感器信息融合、靠泊技术分别包括防撞系统、传感器、自动识别、融合、系泊设备、Moooring system等。

4 主要结论及建议

4.1 主要结论

由上述分析可得：

（1）从产业的发展过程来看，全球智能船舶技术专利数量从2015年后得到了快速的增长，究其原因，中国的专利数量快速增加促进了全球专利数量的增长，并且可以清楚地了解到日本、韩国、美国、英国、德国、俄罗斯在该领域投入了研发。其中，日本、韩国是智能船舶技术领域的领头羊，并且智能运动控制技术、通信导航技术、航线规划技术是专利申请数量最多的技术领域。

（2）从专利价值层面来看，中国虽然拥有较多的专利数量，但高价值的专利却寥寥无几，韩国、日本虽然专利数量相对于中国来说较少，但是高价值专利却是中国所不能比拟的。此外，智能船舶技术高被引专利主要分布在美国，并且没有中国的专利，表明美国在该技术领域拥有较多的核心专利。也可以发现韩国、日本是智能船舶技术领域发展比较靠前的国家，中国应该密切关注这些在智能船舶技术中处于引领的国家，深入分析并且追踪其技术发展的方向，这将会为自身的技术发展提供一定的依据。

（3）从技术创新主体来看，中国研发的主体多数是高校，而相应的科研机构和企业几乎很少，就连中国船舶重工集团公司所申请的专利数目也不多。形成鲜明对比的是国外的专利权人，其中韩国、日本研发的主体大多数是企业和科研机构，分别是实力较为雄厚的大宇造船海洋工程有限公司、现代重工、三菱重工等，其实力不容小觑。

（4）从技术研发层面来看，全球智能船舶研发的热点技术领域为智能运动控制技术、通信导航技术、航线规划技术，具体为：交通控制系统、航道控制、监控的研究、各种自动识别系统的研究等；导航线路的识别装置，航海仪器或导航设备的布置、航道控制系统、数据采集、驱动模块、收发模块等；船舶的航线规划算法、航线规划自动控制系统、路径规划、无线数据、航线网络布局方案等。这些技术在智能船舶技术网络中的位置越重要，则说明发展的技术机会越多，相应的智能船舶创新主体应该关注这些技术的发展方向。

4.2 建议

（1）调整研发主体，深化产学研合作。根据对全球智能船舶技术分析可知，我国在该技术领域研究的主体主要为高校，而科研机构及企业几乎很少，目前我国企业在该技术领域资金投入不够，专业人才储备不足，且专利质量较低，掌握的核心专利几乎没有，这就导致不能形成完整的技术体系，因此技术研发还需加大投入。而我国高校拥有较多的专业人才，况且申请的专利数较多，如今正是智能船舶快速发展的关键时期，中国要想让智能船舶在未来的发展中处于引领的位置，目前最重要也是最必要的方法是中国企业和研究机构根据高校的专业特长有选择性地进行技术合作，加强基础研究和关键技术的研究。除此以外，我国还应该建立协同创新发展机制，积极地促进双方的合作与交流，不断去深化产学研合作，从而大大提高专利成果的生成。

（2）加强智能船舶的国际合作。在实际的合作中，除了国内企业与科研院所的合作，我国经济实力较强的科研机构还可以考虑与国外技术较强的企业进行交流合作，吸收先进的技术，如大宇造船海洋工程有限公司、现代重工有限公司、三菱重工有限公司等实力雄厚的造船公司。

（3）重视核心专利的技术研发与布局。核心专利一般包含着该技术领域发展的核心技术，对技术产业的发展具有重要的作用。通过全球智能船舶技术领域专利价值的分析，得出中国虽然拥有较多数量的专利，但是专利价值与国外相比，远远不及国外专利质量，导致了核心专利不足，进而影响高质量专利的产出。故此，国家应该重点去扶持研究机构，提供浓厚的科研氛围，让其在核心技术领域攻坚克难，成为智能船舶专利产出的重要来源。中国还应该密切关注那些在智能船舶技术中处于引领的国家，深入分析并且追踪其技术发展的方向，对于一些对智能船舶技术发展将产生重大影响的专利及时进行评估。若的确具有很好应用前景和发展空间，中国智能船舶相关研究机构应该抢占先机，沿其产业链进行专利布局，阻碍对手在该技术领域发展。

（4）重视智能船舶领域内核心人才的培养。国际间的竞争，归根到底是科学技术的竞争；而科学技术的竞争，关键是人才的竞争。因此，中国要想在船舶技术领域追赶世界先进水平，该技术内人才的培养必不可少。建议中国从高校抓起，合理地去设置专业课，重视理论与实践的结合。一方面，学校可以给学生提供与船舶有关的企业去实习，另一方面可以开展与船舶有关的学术活动，以此来激发学生的学习兴趣和热情。除此之外，社会可以广泛宣传智能船舶文化，国家应该深入挖掘那些在船舶技术领域具有发展潜力的人才。通过共同的努力，高素质的专业性人才定会出现。