基于轨道车辆塞拉门的专利信息分析

李梦珂 段雅静 金 辉 于正河吕佳琪

(青岛大学a.知识产权研究院;b.政治与公共管理学院,山东 青岛 266071)

随着城市化进程的加快,大力发展轨道交通装备行业符合国家战略和社会实际需要。轨道交通装备产业作为国务院确定的战略性新兴产业,具有公益性基础设施属性,目前迎来了大规模的建设和规划,在改善城市交通拥堵、优化产业结构、助推区域化发展、提升城市竞争力等方面均具有重要作用。塞拉门紧密结合高速列车的发展,能够提高车门系统的质量和可靠性,对保障城市轨道交通安全意义重大,并在高速、准高速列车和高档城市轨道车辆上广泛使用[1--5]。塞拉门一词形象说明了车门的运动轨迹为平移与塞动(垂直于平移方向)的合成,使塞拉门在安全性和可靠性方面要求较高,解决了高侧压条件下车门的密封和锁闭安全等问题,成为轨道交通车辆的关键部件(A 级部件)[6-7]。已有研究表明,德国、日本、奥地利、法国等工业领先国家在轨道交通装备领域发展较早,具有长时间的技术研发和装备制造经验,拥有德国Bode、日本三菱、奥地利IFE等知名的车辆门系统生产厂商,其塞拉门技术已居于国际领先地位,占据国外市场的主要份额甚至形成垄断[8-10]。相较之下,国内轨道交通装备行业起步较晚且技术薄弱,早期轨道车辆多采用手动侧拉门,仅能满足列车运行安全性的基本指标,随着技术的进步和市场的开放,我国于20世纪末引进国外先进技术及产品,青岛四方股份有限公司结合引入技术,研发出国内第一套气动塞拉门控制系统[11--13]。随着列车时速的不断提升,对塞拉门系统的安全性及智能性提出了更高的要求,在此背景下,自1996年,我国开始进行国产化铁路客车电控气动塞拉门的研发,由江苏南京康尼公司带头引领,逐步打破国外专利壁垒,重点突破了轨道车辆自动门的运动、控制、锁闭三大核心技术。近年来,该技术领域以驱动传动、承载导向、锁闭解锁和密封技术作为主要研发方向和研究热点,已形成轨道装备制造优势,但在高端核心技术领域仍待发展,需进一步结合数字化、智能化技术实现高端技术自主研发,逐步建设具有中国特色的轨道交通装备行业技术标准[14-17]。此外,轨道交通装备产业作为高端装备制造业的重点发展方向之一,持续受到国家产业政策的支持,在《交通强国建设纲要》中提出,至2035年基本建成交通强国,在知识产权强国和交通强国建设中,轨道交通若要加快实现高质量发展,塞拉门作为轨道车辆关键部件之一,亟待实现全面自主研发和关键技术升级,并提高国产化率。基于此,本文首次以轨道车辆塞拉门为研究对象,全面展示塞拉门技术领域的专利态势,以期为该领域的企业在未来技术研发和专利布局中提供依据和参考。

1 轨道车辆塞拉门专利申请信息状况分析

本报告以Incopat全球专利数据作为数据采集源,采用分类号和关键词相结合的检索策略,申请数量的统计范围是目前已公开的专利,并经过人工去噪和技术标引。截至2021年9月20日,塞拉门专利数据检索共有专利申请1 171件,其中发明专利484件,实用新型434件,外观设计24件。

1.1 全球专利申请量信息总体趋势分析

轨道车辆塞拉门全球专利申请量趋势图如图1所示。由图1可以看出,塞拉门技术领域专利申请的时间跨度为1963—2021年,整体呈现增长的态势。简单同族合并后,以专利的增长量和增长率为标准,大致分为3个发展时期,即萌芽期、起步期和发展期。

图1 轨道车辆塞拉门全球专利申请量趋势图

1) 1963—1996年萌芽期。塞拉门技术的萌芽期相对较长,历经33年,年均申请量约3件。萌芽期的专利申请出现了两个明显的马鞍形曲线,分别是1976年16件和1981年16件,1990年10件和1993年8件。详览这4个年份的申请人发现,英国西屋(WESTINGHOUSE BRAKE SIGNAL)自1974年申请第一项专利(ZA8105668A(南非))进军塞拉门技术领域后,开始大量申请专利,是近10年的主要申请人,分别于1976年申请9件(占当年申请总量的56%),于1981年申请13件(占当年申请总量的81%)。1990年和1993年的专利申请人全部来自日本,主要申请人是纳博特斯克(NIPPON AIR BRAKE CO,2004年重组后改名为Nabtesco,简称NABCO),1990年申请4件(占当年申请总量的40%),1993年申请6件(占当年申请总量的75%)。马鞍形曲线的出现主要得益于英国、日本的研发投入,专利申请量明显增多。此后,各工业发达国家都开始重视研制和应用塞拉门,但在萌芽期并未有我国身影,塞拉门技术全部由国外申请人掌握。

2) 1997—2007年起步期。进入20世纪90年代,塞拉门技术逐渐起步,专利申请量明显增多,年均申请量达到7件,主要得益于美国、日本的研发投入。起步期间,2001年专利申请量为14件,2002年专利申请量为15件,形成了明显的山峰型曲线;2001年的14件专利申请人国别由美国(64%)、德国(29%)和日本(7%)构成,主要申请人是西屋(7件,50%)和博得(4件,29%)。2002年的15件专利申请人国别由美国(53%)、日本(7%)和中国(40%)构成,主要申请人是西屋(7件,50%)。值得注意的是,起步期间我国开始出现在塞拉门领域中,1997年江苏康尼机电新技术公司申请了3件涉及电控气动塞拉门的驱动传动技术的实用新型专利(CN2322856Y、CN2320760Y 和CN2323102Y)。2002年,我国的6件申请全部为实用新型专利,分别是南京康尼4件、蔡亦文和陈丙玉各1件。

3) 2008—至今发展期。2008年之后,科学技术迅速发展,塞拉门进入产业化阶段,塞拉门技术开始呈现快速发展的态势,期间又分为2008—2015年的稳步发展阶段(年均申请量30件)和2016年之后的激增发展阶段(2016—2020年均申请量101件),2018年129件,达历史峰值。其中,中国作为塞拉门领域的新秀迅速崛起,其专利申请活动拉动全球专利申请量的高速增长,全球专利申请进入新一轮的快速增长期。

1.2 全球专利信息及其技术生命周期分析

为精准推测塞拉门技术未来研发方向,本文采用专利生命周期分析方法,以2000—2020年间的申请人和专利数量绘制塞拉门技术生命周期图。2000—2020年,全球塞拉门专利信息及其技术生命周期分析如图2所示。

图2 全球塞拉门专利信息及其技术生命周期分析

由图2可以看出,2008年之前塞拉门技术发展非常缓慢,申请人和专利申请量均较少,且基本没有增长。2008—2015年进入缓慢增长期,进入该领域的申请人数量与专利申请数量较均衡,表明该期间的专利技术分布较为分散,还没有形成系统的技术研究和保护。2015年之后,塞拉门技术快速发展,申请量迅速增加,申请量数量增长快于申请人数量的增长,表明该期间塞拉门领域的研究开始成体系,在申请人增加的同时,技术研究较为集中,产业开始规模化发展。2018年至今,该领域专利申请有所放缓,出现轻微下滑趋势,但申请人数量有所增加。其原因有以下几点,面临市场更高的需求下,塞拉门技术难题正在攻关,还没有打破技术瓶颈,在塞拉门领域的经济发展放缓,影响了该领域技术的发展速度,另外也不能忽略部分新申请专利未公开的因素,使专利数量上优势不足。但随着科学技术的发展,逐一实现技术点突破,伴随着市场化能力的优化提升,全球市场容量需求进一步提高,该技术的发展活跃程度仍能持续提升。

以当年申请专利的数量中授权所占的比例为累计授权率,统计2008—2020年专利增长时期的累计授权率,全球塞拉门专利累计授权率如图3所示。

图3 全球塞拉门专利累计授权率

由图3可以看出,塞拉门技术领域的专利授权率维持在较高水平,平均值为75.07%,即在所申请的专利中,约1/4没有被授权,其中包括主撤和驳回两种情形。在塞拉门领域授权的727件专利中,维持有效的为482件,期限届满122件,未缴年费104件,避重放弃19件。通常情况下,专利权人会为技术水平和经济价值较高的专利长久支付年费而维持其有效,塞拉门领域中,专利维持有效率较高,说明该领域具有高度的知识产权集成属性,间接反映出塞拉门技术的科技创新力和市场竞争力较强。

1.3 全球专利信息地域分布分析

按照incopat专利数据库中的全球地域排名,统计轨道车辆塞拉门专利技术申请人国别排名情况(排名前10位),轨道车辆塞拉门全球专利地域分布如图4所示。对于世界专利数据,其中涉及世界知识产权组织(world intellectual property organization,WIPO)的专利暂不进行国别、地区分布统计分析。

图4 轨道车辆塞拉门全球专利地域分布

由图4可以看出,轨道车辆塞拉门专利数量排名前3位的国家(地区)依次是中国(676件)、日本(52件)和美国(42件)。其中,中国轨道车辆塞拉门领域的专利数量遥遥领先,占据世界范围内轨道车辆塞拉门专利申请总量(1 171项)的57.73%,说明中国有越来越多的创新主体参与塞拉门技术的研发和保护,中国市场已成为主要技术创新国家的布局重点。

1.4 中国塞拉门技术专利申请信息状况

在全球专利地域分布图分析中,中国的专利申请总量遥遥领先,因此随着时间的发展,有必要对塞拉门技术进行详细分析。中国共有676件专利申请,其中实用新型423件,发明229件,外观设计24件。从专利类型来看,我国自1997年开始申请塞拉门专利以来,一直到2006年申请的专利类型全部为实用新型,共22件。2007年申请了第一项发明专利(CN101117876A,轨道列车电动双开塞拉门系统,南京康尼),再次证实了塞拉门的技术门槛较高,核心技术掌握在美国、日本、英国和德国等发达国家,我国作为新进入者,研发实力相对薄弱,创新程度不高,经过10年的技术积累和研发沉淀才有所突破[18]。

轨道车辆塞拉门中国专利申请量信息趋势如图5所示。由图5可以看出,轨道车辆塞拉门的中国专利申请趋势与全球专利申请趋势基本一致。

图5 轨道车辆塞拉门中国专利申请量信息趋势

中国塞拉门技术起步于20世纪90年代末,产业起步较晚。在全球塞拉门技术发展的萌芽期(1965—1996年),中国并未涉足该技术领域。1997—2007年处于摸索阶段,发展缓慢,进入2007年后专利申请量逐步增长,尤其2015年后持续大幅度增长。2015年至2021年9月20日的专利申请总量(514件)占中国申请总量(676件)的76%,即2015年前中国塞拉门的专利技术(162件)占据全球(1 171件)的份额不足14%,塞拉门的关键核心技术仍然掌握在先进国家手中,中国与国外发达国家还有较大差距。

2 轨道车辆塞拉门专利信息及其技术构成分析

2.1 全球专利信息及其技术构成分析

2.1.1 从分类号解析技术构成

轨道车辆塞拉门技术的研发布局采用国际专利分类号(international patent classification,IPC)进行分析,国际专利分类是目前世界范围内唯一通用的专利分类,是针对发明创造所涉及的技术类别进行的划分。全球轨道车辆塞拉门专利的技术构成(前10个IPC 大组)主要包括:锁闭解锁(B61D19、E05B83、E05B81)、驱动传动(E05F15、E05F17)、承载导向(E05D15、E06B3、E05D13)、其他(B60J5、E06B7)。轨道车辆塞拉门全球专利技术IPC分类号如图6所示。

图6 轨道车辆塞拉门全球专利技术IPC分类号

主要技术分支IPC 分类号(大组)、技术分支含义及专利申请量如下:

1) B61D19(422 件)。铁路车辆特有的门装置。

2) E05F15(412件)。翼扇动力操纵机构。

3) E05D15(255件)。翼扇悬挂装置。

4) E06B3(128件)。用于闭合开口的窗扇、门扇或类似构件;固定或活动式闭合器件的布置,例如窗户;用来安装翼扇框的刚性配置外框。

5) B60J5(126件)。门(B60J10/00:密封装置优先)。

6) E05B83(110件)。专门适用于特殊类型翼扇或车辆的车辆锁。

7) E05B81(75件)。动力驱动的车辆锁。

8) E05D13(63件)。用于滑动或提升翼扇的附件,例如滑轮和安全挚子。

9) E06B7(60件)。与门窗有关的特殊设备或措施。

10) E05F17(52件)。用于同时操纵多个翼扇使其移动的特殊器件。

2.1.2 从技术标引解析技术构成

经过文献调研和专家咨询,通过对检索命中结果的人工判读,本报告对1 171项轨道车辆塞拉门相关专利基于技术内容进行了技术分类标引,并进一步分析活跃技术分支,发现当前或未来技术研发的热点或核心环节,使分析结果更趋客观可信。

轨道车辆塞拉门全球专利技术分类标引主题(TOP10)如图7 所示。由图7 可以看出,轨道车辆塞拉门全球专利技术构成(TOP10)主要集中于驱动传动、承载导向、锁闭解锁和密封4个方面,另包括其他辅助、控制系统、门扇装置、基础部件、测试维护和安装结构[19]。

图7 轨道车辆塞拉门全球专利技术分类标引主题(TOP10)

与分类号解析技术构成的结果相比,人工标引主题的技术构成与分类号解析的TOP10分类号内容存在高度重合。由于一项专利具有多个分类号,本文的统计并非基于主分类号,因此分类号解析的有关驱动传动、承载导向、锁闭解锁技术的专利数量明显偏高。此外,本领域的分类号偏向于按功能分类,概括较大,准确性相对有些欠缺。而人工判读的技术标引是逐篇阅读说明书内容后得出,数量结果可信度更高。但从排名前3位的技术构成来看,分类号和人工标引的结果都是驱动传动、承载导向和锁闭解锁,二者高度接近,结果相互印证,充分说明了轨道车辆塞拉门的研发热点是驱动传动、承载导向和锁闭解锁三大技术分支。

2.2 全球热点技术专利信息分析

从分类号的角度,在不同技术方向,轨道车辆塞拉门技术分支全球专利申请趋势如图8所示。重点分析2000年以来,锁闭解锁(B61D19、E05B83、E05B81)、驱动传动(E05F15、E05F17)和承载导向(E05D15、E06B3、E05D13)在特定时期重要的技术分布情况,挖掘近期热门技术及其未来发展动向,有助于对行业的整体认识。轨道车辆塞拉门技术分支全球专利申请趋势(分类号)如图8所示。由图8可以看出,近20年来,B61D19和E05F15是研发的热点,大量的专利申请属于这两个分类号,其次是E05D15、E06B3、E05B83和E05B81。

图8 轨道车辆塞拉门技术分支全球专利申请趋势(分类号)

从技术标引的角度,在不同技术方向上,轨道车辆塞拉门技术分支全球专利申请趋势如图9所示。由图9可以看出,近20年来,驱动传动、承载导向、锁闭解锁和密封技术成为研发趋势,尤其是近10年来,大部分专利申请集中于以上4个技术方向,而且在测试维护和安装结构上出现了专利布局,发现安装结构专利主要为外观设计,测试维护技术值得引起重视。

图9 轨道车辆塞拉门技术分支全球专利申请趋势

调研塞拉门的市场环境及需求,中国高铁运行10余年逐步进入大修期,为维保市场带来了新的发展机遇。近年来,随着全国范围内高铁项目的大量开工建设以及“八纵八横”高速铁路网的基本建成,我国动车组保有量亦呈现快速增长。伴随着各类车辆行车里程的积累,前期上线运营的列车逐渐进入维修期,预示着对轨道交通车辆相关配件的检修或替换需求的激增[20]。特别是随着“复兴号”中国标准动车组的应用与自主配套能力的增强,国产零配件厂商更为受益,行业内将迎来新的发展契机。从测试维护的申请趋势来看,自2010年才出现相关申请,且专利数量极少,2019年仅有6项维修检测专利,故障预测2014年才出现,至今专利总数不超过10项,可见测试维护技术是新兴领域,专利保护力度薄弱,还有大量空白技术点有待研发。

对驱动传动、承载导向、锁闭解锁和密封四个重点技术分支的专利申请趋势进行分析,轨道车辆塞拉门4个重点技术分支全球专利申请趋势(标引主题)如图10所示。由图10可以看出,早期技术发展较为缓慢,且研究主要集中在驱动传动和承载导向技术分支,锁闭解锁和密封技术自2000年之后开始投入研发,且呈现出研发热度,这4个技术分支目前仍然是主要研发方向和研发热点。

图10 轨道车辆塞拉门4个重点技术分支全球专利申请趋势(标引主题)

2.3 全球专利信息及其技术功效趋势分析

塞拉门与普通折页门和平移门相比,具有空间利用率高、密封性好、隔热隔音性能好、运行安全性高和美观的优点[21]。国外塞拉门的发展已有60多年历史,国内塞拉门的发展也有20余年。中国铁路经过6次大提速,干线轨道客车有了很大的发展,轨道车辆的关键部件塞拉门发展较快[6]。近20 年来,轨道车辆塞拉门全球专利技术功效趋势如图11所示。由图11可以看出,技术方案一直致力于解决复杂性、稳定性、安全性、便利性和可靠性的问题,密封性逐渐引起重视。如何降低塞拉门的复杂性,同时保证安全和稳定是研发的趋势,而且随着速度的提高,对塞拉门的密封性提出更高要求。

图11 轨道车辆塞拉门全球专利技术功效趋势

3 轨道车辆塞拉门专利申请人信息状况分析

3.1 全球塞拉门专利信息主要申请人排名

选取申请人信息并人工标准化后,统计排名前10位申请人的专利数量,总和为518件,占全球专利库中专利总量(1 171件)的44.2%。进一步汇总排名前20位申请人的专利数量,总和为622件,占全球专利库中专利总量的53.1%,因此排名在11～20位的申请人的专利拥有总量是104件,每家单位平均专利数量为10.4件,相对排名前10位的申请人,每家单位平均专利数量51.8件,排名11～20位的申请人不管是在专利拥有量和所占比例上,都远远低于排名前10位的申请人。因此,在塞拉门领域申请人的集中度较高,轨道车辆塞拉门全球专利申请人排名如图12所示。

图12 轨道车辆塞拉门全球专利申请人排名

由图12可以看出,在前10位塞拉门技术全球专利申请人排名中,来自中国的申请人7家,其中高校1家,说明在塞拉门技术领域,中国申请人技术优势较为明显。

为了研究轨道车辆塞拉门申请人的活跃度,统计2010—2020年主要申请人的申请量与该申请人在该领域专利申请总量的比值,反映轨道车辆塞拉门领域申请人的活跃度。轨道车辆塞拉门专利主要申请人活跃度如表1所示。

表1 轨道车辆塞拉门专利主要申请人活跃度

由表1可以看出,除西屋之外,另外9位申请人近10年的活跃度达90%以上,其中江苏惠民、比亚迪、北京天乐泰力科技发展有限公司、爱威机电(南京)有限公司和南京工程学院是近10年新进的活跃申请人,中车、博得、纳博特斯克和康尼一直保持着较高的研发活跃度。

3.2 全球塞拉门专利信息主要申请人研发方向分析

轨道车辆塞拉门是多种技术的集合体,主要包括驱动传动、承载导向、控制系统、锁闭、密封、门扇、安装结构及测试维护、基础部件和其他辅助技术。通过人工解读标引主要技术分支,对主要申请人的研发方向进行分析,轨道车辆塞拉门主要申请人的研发方向如图13所示。

图13 轨道车辆塞拉门主要申请人的研发方向

由图13可以看出,康尼在驱动传动、承载导向和锁闭解锁3个技术分支上具有绝对优势;西屋和纳博特斯克的研发布局热点方向在于承载导向和驱动传动;博得的研发热点在于承载导向和锁闭解锁技术分支;江苏惠民的研发布局热点方向在于驱动传动和承载导向;南京工程学院的研发布局热点方向在于驱动传动、承载导向和密封;爱威机电的研发布局热点方向在于驱动传动;中车的研发布局热点在于辅助部件以及密封,并不涉及塞拉门的核心技术。以上申请人的专利活跃度很高,专利申请量较多。由此可见,康尼、西屋、纳博特斯克、博得和江苏惠民在塞拉门核心技术上大量布局专利,是塞拉门技术领域的龙头企业。南京工程学院是主要的高校研发机构,其他竞争者的专利数量不多,但涉及多个技术分支。

通过查询企业资料,南京康尼机电股份有限公司是一家专注机电核心技术研究和应用的创新型企业,2003年,康尼逐步打破国外专利壁垒,重点突破轨道车辆自动门的运动、控制、锁闭三大核心技术,在技术上已形成变导程螺旋传动及锁闭、数字闭环无刷直流电机驱动技术和微动塞拉三大具有完全自主知识产权的原创核心技术。目前,康尼机电连续10年占国内城轨市场份额的50%以上,并跻身于欧美发达国家市场。

3.3 合作发明人网络信息分析

塞拉门技术领域具有市场集中度高的特点,投资巨大,且具有显著的规模经济效应[1]。发明人是专利技术最根本的来源,因而对发明人进行统计分析的目的是了解市场主体对其所拥有智力资源的管理和组织方式,或者发掘可使用的合适的智力资源。

通过排名和研发周期,圈定所研究的领域或特定申请人中专利技术产出量较高的发明人,针对以上主要发明人(前20位),绘制发明人合作可视化网络,能够清晰的看出发明人之间的合作关系,以及申请人研发团队的组织模式等。轨道车辆塞拉门主要发明人合作网络如图14所示,图14中,每个气泡代表一个发明人,气泡的大小代表发明人的专利数量,气泡之间的连线代表发明人之间的合作关系。

由图14可以看出,南京康尼的主要发明人数量最多,且大多数发明人组成了一个大型的协作网络,该网络包含各种类型的发明人,包括拥有很多专利的主要发明人(较大的节点有戴祖信、俎文凯、史翔、史旭东、葛汉青、陈乃龙)、属于多个研发团队的发明人(有许多连线关系,即贡智兵、王宏、郭丽娜、李美霞、刘落明、徐松南、左丽飞、丁瑞权、何秀全、黄东盛)以及仅偶尔与他人协作的发明人(较少连线关系,即孙静国、徐海市、郭显鹏、吴翔)。除南京康尼外,零散分布着许多小团队或个人申请,表明其他公司的研发团队还有待壮大。同时,发现各公司之间没有任何连线,表明塞拉门技术领域不同公司之间没有合作申请,其原因可能是塞拉门属于技术密集型产品,各公司之间通常拥有自己的技术优势和核心竞争力。

图14 轨道车辆塞拉门主要发明人合作网络

4 结束语

据研究结果表明,轨道车辆塞拉门的研发始于20世纪60年代,美国和日本保持了明显的超前发展优势,我国自1997年开始进入塞拉门技术领域,已实现了多项技术突破。目前,轨道车辆塞拉门的研发整体态势进入快速发展期,我国已成为轨道车辆塞拉门最主要和最活跃的国家,塞拉门技术的研发主要集中在江苏地区,研发主体涉及多所企业及高等院校。驱动传动、承载导向、锁闭解锁和密封四大技术分支是当前主要研究方向和研发热点,随着轨道车辆装备检修或替换需求的激增,测试维护技术成为新兴技术领域。此外,该领域的技术方案一直致力于解决复杂性、稳定性、安全性、便利性和可靠性等问题,随着科学技术的发展,如何实现塞拉门复杂性的降低,同时保证安全和稳定,是塞拉门技术功效未来研发的方向。虽然中国的专利申请量和申请人数量已在全球处于领先地位,但基本依靠国内轨道交通迅猛发展的结果,参与国际竞争仍处于起步阶段,在一些细分领域上,有待从高质量专利的角度与国际同行进一步比较分析。本研究为轨道车辆塞拉门技术领域的企业在未来的技术研发和专利布局中提供依据和参考,实现专利高质量保护,提高核心技术的国际竞争力。同时,亟需国家政策引领以提高轨道交通装备国产化率,顶层制度设计以加强核心技术知识产权保护,产学研一体化以突破高端技术领域壁垒,多方协作以实现交通强国及知识产权强国建设目标,助推中国轨道交通装备行业向自主化、智能化、标准化发展。