滚装运输船船型结构技术演变与发展趋势

刘振，盛永祥，吴洁,2

（1.江苏科技大学 经济管理学院，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003）

0 引言

滚装船（Ro-Ro Ship）又称“开上开下”船，是利用运货车辆或牵引车牵引来载运货物的专用运输船舶[1]。相比于其他船型，滚装船具有装卸货物效率高、水陆直达联运方便、对码头设备要求更低等优点[2]。近年来，随着我国经济的快速发展，我国的滚装船运输业得到快速发展[3]。“中国制造2025”国家战略的稳步推进，也使我国滚装船制造业迎来了绝佳的发展机遇。而船型结构设计是船舶建造的重中之重，文献[4]-[6]从船型尺度、设计特点、适应场景等角度对滚装船的船型结构进行了深入研究，提出不同的运输环境和要求需设计合适的船型。文献[7]、[8]从多层甲板和多挂靠港的滚装船配载等角度对滚装船的配载优化问题进行了深入研究，提高了装载效率和营运经济性。随着造船技术的发展，滚装船建造吨位越来越大，使用设备越来越先进，规范越来越严格，出现和发生的问题也会越来越多，船型结构领域越来越多的关键技术需要不断完善和改进突破。

由于知识产权在创新驱动发展中的重要地位，专利作为技术创新的重要载体，其受重视程度不断提高。专利分析是实现专利信息服务的关键手段，在挖掘专利情报以及提升专利信息价值的过程中发挥着重要作用[9]。近年来，越来越多的学者开始关注到专利文本中蕴含的大量信息价值，专利分析方法也被广泛应用于各个行业。李国秋，等[10]从主要技术领域专利分布图、重点技术研发领域地形图、技术热点变迁图3个维度提炼出了上汽集团的优势技术领域；闫洪波，等[11]基于专利分析的视角研究了稀土抛光材料技术发展趋势；谌凯，等[12]基于专利分析和文献计量方法对我国医药制造业发展态势进行研究，得出我国和国际医药强国的技术差距；王雅薇，等[13]基于专利分析法和技术轨迹理论，研究了我国人工智能产业，提出我国人工智能产业处于基础型研究向应用型模式转变阶段，需要深入加强自主技术创新；丁礼谦，等[14]从专利统计层面对智能船舶技术进行研究，得出我国在智能船舶技术领域布局的特点和存在的不足，并针对不足提出了可行性建议。

对以往文献进行梳理发现，许多学者多从专利数量和专利的空间分布着手，研究技术的演化及发展趋势，但还欠缺对具体专利文本深层次的挖掘，忽视了专利文本对创新的作用。而以往对滚装船船型结构的研究多停留在传统技术层面，还没有对滚装船船型结构领域进行技术演化趋势分析和专利布局研究。因此，本文将从专利数据分析和专利文本分析结合的角度，研究滚装船船型结构领域的技术发展情况，为今后我国滚装船船型结构技术的发展提供参考依据。

1 专利分析

1.1 专利数据获取与处理

本文对滚装船船型结构领域的专利来源于智慧芽数据库（https://analytics.zhihuiya.com/）。首先对滚装船大类进行初检，得到截至2020年底的专利为2 923条，在此基础上通过进一步人工筛选，分析筛选出有关滚装船船型结构的专利共686条。

1.2 专利总体发展态势分析

由图1全球和中国在滚装船船型结构领域的专利申请发展趋势可以看出，滚装船船型结构全球专利申请总体上呈波动上升的趋势，1980年以前处于技术萌芽期，在这个阶段，专利申请量相对较少；1981年到2002年为技术缓慢发展期，这个期间较之前有所增长，但增长数量不多；2003年到2019年处于快速发展期，此阶段专利的发展速度较快。相比于世界，中国在船型结构领域的研究起步较晚，在2005年以前处于技术萌芽期，这期间专利的增长趋势缓慢，各年的申请量均在5件以下；2006年到2008年处于技术缓慢发展期，属于技术发展和摸索阶段；2009年及以后，我国在滚装船船型结构领域开始发力，中国专利年申请量得到了稳定提升，并保持较高的增长速度，进入了快速发展期。可以看出，中国对于滚装船的研究虽起步晚，但发展势头足。对比中国和全球滚装船船型领域的发展趋势来看，滚装船的专利申请量在国内外都呈波动上升的趋势，船型结构领域相关技术成为研究焦点。

图1 滚装船船型结构领域专利申请趋势

1.3 专利申请人分析

对滚装船船型结构领域的专利申请人进行分析，滚装船船型结构领域全球专利排名前15的重点申请人情况如图2所示。由图2可知，排名前15名的专利申请人均来自中国、日本、韩国、北欧等国家，共申请量189件，占全部申请量的28.6%，在该领域占据了一定的优势。在申请人中，三菱造船株式会社作为日本老牌造船公司三菱重工有限公司成立的专做船舶的子公司，专利申请量位居全球第一，为31件；紧随其后的是中国的广船国际有限公司和沪东中华造船（集团）有限公司，都为25件；其他的申请人如，韩国的大宇造船海洋股份公司，法国的CNIM公司（CONSTRUCTIONS INDUSTRIELLES DE LA MEDITERRANEE-CNIM），德 国 的FSG公 司（FLENSBURGER SCHIFFBAU-GESELLSCHAFT MBH）等的申请量较小。其中，中国的申请人占一半以上，可见船型结构技术领域成为国内滚装船领域的研究热点，且发展较快。

图2 滚装船船型结构领域专利全球重点申请人分析

1.4 专利关注焦点分析

《国际专利分类表》（IPC分类）是目前国际通用的专利文献分类法。IPC的集中度体现了技术创新的关注焦点。因此，通过对滚装船船型结构排名前10的IPC分类梳理（见表1），发现目前滚装船的船体结构、载荷处理、内部分舱和试验方法等方面的IPC占比最高，为该领域的技术关注焦点。

表1 占比排名前10的IPC技术

2 专利技术演化分析

对专利文本的分析有利于清晰准确抓住技术要点，通过分析发现，滚装船船型结构领域的专利申请主要集中于船体结构和建造工艺等两个技术层面。本文针对技术发展过程中存在的技术问题，结合核心专利进行技术分析，以期为相关企业和研发机构提供新的研究思路。

2.1 核心专利筛选

本文运用引用专利文献数量、被引频次、引用非专利文献数量等10个指标[15]从686条专利筛选出27条核心专利，并根据船体结构和建造工艺2个技术层面对核心专利进行归纳分析，最后按照时间顺序绘制出专利发展演化图（如图3所示）。

图3 滚装船船型结构领域技术路线图

2.2 船体结构

滚装船的船体结构设计一直是一个技术难点。该类船体由于具有多层数甲板，高型深，高干舷等结构特点，其在设计上相较于常规船体更难。通过专利文献阅读分析，船体结构领域专利主要分为船体整体设计与局部结构设计两个分支。

2.2.1 整体设计。有关滚装船整体设计的核心专利在20世纪80年代就已经出现，该专利（JP1982086356）提供了一种早期滚装船的船体概念模型，提出滚装船包括外部船体结构和形成用于滚装货物单元的货舱，且设定了各个货舱壁之间的距离。滚装船作为一种货物运输船，其货舱设计独具一格，多甲板的设计让滚装船能够承载更多的货物，且可以提高装卸效率，但也导致了滚装船重心高、稳定性较差。因此，日本钢管株式会社早在1983年就提出了一种半潜式滚装船（JP1984142194U），在装有压载舱的半浸入式滚降船中，该压载舱能够在船体内部倾倒和排放海水，并且通过倾倒和排放压载舱可以部分下沉或漂浮在水中，此方式在一定程度上降低了滚装船的重心，同时提高了滚装船的载货能力。

2009年后，依托我国得天独厚的内河航运资源，滚装船的专利申请也转向内河，大量涉及内河的滚装船专利涌现。2011年由宜昌东江造船有限公司提出一种内河滚装船（CN201120222150.9），采用宽吃水比、不对称双尾鳍、内旋螺旋桨和大外漂横剖面的设计使内河客滚船适用于内河航道，填补了我国内河无客滚船的空白。在此基础上，内河航道的滚装船开始从主航道向支流及人工水库扩展（CN202703861U），通过设计减少滚装船船身长度使其适用于各种航道流域。此外，为了满足内河支流和人工水库重型汽车和旅客运输的要求和大量水库矿产资源需要外运的现状，滚装船开始向重型车辆、旅客混合运输发展，通过设计大方形系数U型首、双球尾、全纵通型甲板（CN203681831U）；S型大外漂横剖面、至少二个大浸深球尾（CN105882899A）在保证适用于内河航道的船体长度的情况下，同时提高了载货能力和结构刚度。

近年来，航运的污染问题逐渐成为人们关注的重点，滚装船的船体结构研究也向绿色化发展。船体结构的绿色化技术涉及船体型线、舱室结构、节能结构等方面。无压舱系统的应用和水滴下凸型三尾的船型型线（CN206750072U）使滚装船在非满载的情况下，无需使用压载水的同时减少了2%-3%的船舶阻力，可以达到2%-3%的节能效果。此外，宜昌东江造船有限公司提出尾部W形流线型剖面与高效螺旋桨相配合、螺旋桨加装节能效涡鳍、舵叶加装节能舱球、舵杆，舵套管凸出船体部分加装导流罩（CN207120845U）使综合节能效果达到12%。

2.2.2 局部结构设计。局部结构设计指滚装船船体内部构件如上部结构、货舱结构、船首结构等的设计。滚装船的结构强度一直是滚装船船体结构中亟需提升的技术点，早在20世纪90年代，三菱重工业株式会社提出通过改善发动机壳体、烟囱与桥之间的布置关系解决了由于烟囱举升不充分，可能会导致烟雾损坏的问题（JP1986200095A），提升了船体的结构强度；2010年以后，双艏结构的滚装船船首结构（CN202944536U）、双壳体货舱区的货舱结构（CN204250305U）都不同程度上提高了滚装船船体结构强度和破舱稳性。此外，开设隔断孔的船舶甲板的分隔装置（CN109911102A）能防止危化品的污染和危害，在保证船体结构强度的同时也保证了人员及环境的安全。总的来看，滚装船船体的局部结构多用于提高船体的结构强度和稳定性。

2.3 建造工艺

2.3.1 整体建造工艺。滚装船的整体建造工艺兴起较早，但早期的建造工艺只是粗略地对滚装船的各部分结构进行建造，因此早期的建造工艺比较粗糙。滚装船船体建造技术的核心专利出现在20世纪90年代，由瓦特西拉股份公司提出，该专利（NO19821701A）提出了外壳结构建造方法和内部舱室的建造长度。2000年后，由于航运经济的大量发展，滚装船的需求也越来越多，这对滚装船的质量要求也越来越高。滚装船在航行过程中需要克服船体重心高和稳定性差的缺陷，因此南通中远川崎船舶工程有限公司提出一种双壳式舷侧结构（CN104443258B），并提出用分段加工分段拼接的方式施工，能有效地控制车辆滚装船在横摇时由于左右舷受力不对称而产生的扭转变形，提高车辆滚装船的结构强度。此外，南通中远川崎船舶工程有限公司依然采用分段加工分段拼接的方式建造可注水的底部和舷侧空舱（CN104443259B），在船舶航行中对底部和舷侧空舱注水压载，降低船舶重心，提高稳性。

2018年广船国际有限公司提出多分段的总段划分方法（CN109263794B），通过将含有多个甲板的多分段分别施工制作，有效提高了分段的结构强度和改善了总段的保型效果；同时，将上建总段划分为独立的甲板分段和独立的外板分段（CN109850067A），可以使甲板分段和外板分段分别在薄板平面分段流水线上自动制造成型，利用自动化设备提升了生产效率和质量。

2.3.2 局部建造工艺。滚装船的局部结构包括甲板、C型柱、车库与上层建筑等。随着滚装运输的快速发展，缩短滚装船的施工工期和建造美观性成为局部建造工艺的研究热点。活动甲板水下安装工艺（CN103057663B）、船舶用C型支柱制备与安装（CN109911103A）能够有效地控制重心以提高稳定性，降低生产建造成本，提高生产建造效率；通过安装预制支撑件再进行切割的方法建造船舶车库及上层建筑（CN110550146A），在提高船舶车库或上层建筑搭载精确度的同时又避免在施工过程中上层甲板发生下塌的现象，减少后续的修改工作量，提高了船舶的美观性。

局部建造工艺除了局部结构的设计与安装之外，还有特殊部件的实验方法。船舶试验是造船过程中一个重要环节,也是最后一个重要环节，检查船体、机械设备、电器设备及动力装置的制造、安装的完整性和可靠性，以便对不符合要求的地方重新调整，使船舶具备适航条件。目前，滚装船的试验专利还不多，倾斜实验（CN101508327A）和载荷试验（CN111776166A）的改进使得滚装船的船舶试验过程更加简捷，可操作性更强。

3 结语

从专利统计来看，滚装船船型结构技术领域的全球技术发展呈现出明显的阶段化特征。从全球专利申请态势的角度分析，2003年之前为技术缓慢发展期，2003年之后开始步入技术快速发展期，其中我国的滚装船船型结构领域技术发展稍有滞后，但2010年之后，我国无论是在专利数量方面，还是在专利质量方面，都有很大突破，成长为全球滚装船船型结构领域申请专利最多的国家。

由技术演化路径分析可知，滚装船船型结构领域的技术发展主要集中在船体结构和建造工艺两个方面。其中：船体结构的技术关注点主要集中在船体整体型线设计、内部构件设计和空间货舱设计上；建造工艺的技术关注点主要集中在总体与局部建造施工工艺、试验工装和实验方法上。绿色化、简便化及智能化是未来滚装船船型结构领域的主流发展方向。

对滚装船建造企业而言，一方面随着水运经济的快速发展，滚装船将要面对海洋、内河、水库等各种水况及航道；另一方面，随着舰船绿色制造观念的推广，滚装船的水域适应能力、船舶建造效率和船舶节能领域还需要进一步提升。因此，今后的技术研发可聚焦于以下三点：（1）船体结构领域应更关注绿色化船舶的设计，通过船体型线的设计进行节能减排是滚装船船体结构领域发展的趋势；（2）建造工艺领域应更关注薄板分段加工的效率、结构强度以及美观设计问题；（3）重心高而稳定性低是滚装船的通病，因此通过总体船体设计、局部结构改进、施工工艺优化降低滚装船重心并提高其稳性是滚装船建造企业在今后的船型研发中需要重点关注的领域。