中国丘陵山区农业机械专利技术发展态势

摘要：基于incoPat专利数据库，从专利视角对中国丘陵山区农业机械技术的成果产出、研发主题、创新主体、成果应用等现状开展分析.结果表明：中国丘陵山区农业机械专利技术在经过近30年的缓慢发展，于2015年进入快速增长期，近5年的年均申请量超700件；相比于国外注重农机智能化和精细化研究，中国更侧重山区适用小型机械和园艺机械研究，近年来逐渐重视智能农机和微地形改造探索；高校是该领域的创新主体，其专利申请量占比32.43%；在研发模式方面，合作研发模式占比7.17%，其中企业参与的研发仅占1.10%；科研成果转化应用程度较低，专利转让率为4.78%，许可率为0.58%，质押率为0.54%.针对目前技术发展现状，从深化“政企校”创新模式、聚焦智能农机领域研发、“前+终”两端共同推动专利技术转化等3个方面提出建议.

关键词：农业机械；丘陵山区；专利分析；发展态势；技术热点

中图分类号：S277.9 文献标志码：A 文章编号： 1674-8530（2024）09-0965-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.24.0015

潘颖，孔宝红，袁寿其，等. 中国丘陵山区农业机械专利技术发展态势[J]. 排灌机械工程学报，2024，42（9）：965-972.

PAN Ying， KONG Baohong， YUAN Shouqi， et al. Development trend of agricultural machinery patent technology in hilly and mountainous areas of China[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（9）： 965-972. （in Chinese）

Development trend of agricultural machinery patent technology

in hilly and mountainous areas of China

PAN Ying¹， KONG Baohong¹， YUAN Shouqi^2*， ZHU Xingye²

（1. Jiangsu University Library， Zhenjiang，Jiangsu 212013， China；2. National Research Center of Pumps，Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： Based on incoPat patent database， the current status of agricultural machinery technology in hilly and mountainous areas in China was analyzed from the perspective of patents， such as outcome output， technical topic， type of applicant， achievement transformation， etc. The results show that after nearly 30 years of slow development， China′s agricultural machinery patent technology in hilly and mountainous areas enteres a period of rapid growth in 2015， and the average annual number of applications exceeds 700 in the past five years. Compared with foreign countries which pay attention to the intelligent and refined research of agricultural machinery， China pays more attention to the research of small machinery and horticultural machinery suitable for mountain areas， and gradually attaches importance to the exploration of intelligent agricultural machinery and micro-terrain transformation in recent years. Universities are the main innovator in this field， and their patent applications account for 32.43%. In terms of research and development mode， cooperative research mode accounts for 7.17%， of which enterprise participation accounts for only 1.10%. Achievements conversion rate is low， the patent assignment rate is 4.78%， the patent licensing rate is 0.58%， and the patent pledge rate is 0.54%. According to the current technological development status， the suggestions are put forward from three aspects： deepening the innovation mode of ″government， enterprise and college″， focusing on research and development in the field of intelligent agricultural machinery， and jointly promoting the transformation of patented technology at both ends of ″front + end″.

Key words： agricultural machinery;hilly and mountainous areas;patent analysis;development trend;technical hotspot

丘陵山区是中国重要的果蔬茶和粮油生产基地，但由于地形复杂、地块碎小、坡陡路窄，以及种植作物多样性、农机农艺不匹配、经济条件等因素^[1]，其农业机械化水平远低于平原地区，农业生产方式效率低下、用工成本高.截至2021年，丘陵山区综合农业机械化水平不足50%，远低于中国农业机械化72.03%的平均水平.这不仅制约丘陵山区农业机械化进程，不利于丘陵山区农民的增产增收，也影响中国整体的农业机械化发展进程.2016年国务院《全国农业现代化规划（2016—2020年）》提出要突破丘陵山地机械化制约瓶颈^[2].从2018年中央一号文件提出“加快研发经济作物、丘陵山区农林机械装备研发制造”^[3]，到2023年中央一号文件明确“加强农机装备工程化协同攻关，加紧研发大型智能农机装备、丘陵山区和设施园艺小型机械、高端智能机械，并纳入国家重点研发计划予以长期稳定支持^[4]，国家连续多次对推进丘陵山区机械化作出部署.积极鼓励将物联网、大数据、云计算等现代科学技术运用到农业生产中，实现智慧农机”^[5].丘陵山区机械化是中国新农村建设的重要环节，是实现农业强国的重要支撑.从情报研究视角分析中国丘陵山区农业机械化技术现状，发现问题和差距对进一步深化该领域研发创新具有重要参考价值.

专利是对技术方案的保护，包含技术创新重要情报.通过对技术领域的专利分析，可以全面了解该技术的研究历史、主要机构、研究热点，预测前沿趋势、开展技术布局和规划.这一方法已被广泛应用于人工智能、汽车、材料和医学等多个行业^[6-9].在农业机械领域已运用专利分析方法开展农业机器人、蔬菜传感器的关键技术及预测研究^[10-11]，对精准农业 ^[12]、智能机器人^[13]、节水灌溉^[14]等技术发展态势进行分析，分析玉米收获机^[15]、移栽机^[16]、割草机^[17]等各类农业机械机型，与王佳等^[18]相关理论结合对专利技术信息进行深入挖掘，预测技术发展趋势.但目前少有文献从专利角度研究丘陵山区农业机械技术发展态势.

文中基于专利数据，运用文献计量、数据可视化等方法，对中国丘陵山区农业机械领域专利的申请趋势、研发机构、申请人、研发模式、技术主题、专利运营、专利质量等方面进行分析，以期为中国丘陵山区农业机械化技术研发布局、合作模式深化、转让应用创新等提供对策建议.

1 数据来源及检索策略

文中数据来源为incoPat全球专利数据库，检索时间截至2023年8月29日，检索策略采用地形、技术关键词、IPC分类号等相结合方法，如表1所示.对初步获得的14 006件专利数据进行2轮筛选，最终获得中国丘陵山区农业机械专利数据8 325件.

2 丘陵山区农业机械专利分析

2.1 申请量趋势

中国丘陵山区农业机械专利申请数量共8 325件，其中发明专利3 211件（授权959件、申请2 252件），占申请总量38.57%；实用新型专利5 114件，占比61.43%.从申请趋势（见图1）看，该领域专利技术起步于1985年，1985—2007年为缓慢发展阶段，年均申请量低于100件.2008—2014年为稳步发展阶段，年均申请量超过100件，并稳步上升.2015年进入快速发展阶段，这是因为2015年中央一号文件强调突破和转变农业发展方式，强化农业科技创新驱动作用.同年，《中共中央 国务院关于深化体制机制改革 加快实施创新驱动发展战略的若干意见》（中发〔2015〕8号）中提出让知识产权制度成为激励创新的基本保障，政策指导推动科技创新快速发展.2017—2023年阶段虽有振荡，但是专利申请量还是处于高位，年均申请量超700件（由于专利从申请到公开最长有18个月迟滞，截至检索日，2022年和2023年的相关专利申请尚未全部公开，图中数据仅供参考）.因此，从专利申请量看，中国丘陵山区农业机械化研发趋势较好，对从事丘陵山区农业机械研发的机构和团队来说既是机遇又是挑战，机遇在于大环境的优化和行业内部的重视给了研发更多的信息参考和技术借鉴，同时也给同类产品的快速升级换代以及提高整体研发水平增强了动力.挑战则体现为产品的创新和技术更替，给行业内部增加了竞争压力.

2.2 法律状态

从最新的法律状态（见图2）看，目前授权且依旧有效的专利2 616件，占比31.42%，这构成了未来进行专利转让、许可、应用的技术蓄池.未缴纳年费的专利3 285件，占比39.46%.中国丘陵山区农业机械专利“寿命”偏低，未缴年费中低于2 a维持率的占比近43%，维持5 a以上只有419件，仅占12.18%.

专利体现了技术的新颖性、创造性，“寿命”短的原因是多方面的，但高技术含量是提升“寿命”的重要因素.相关研发机构和团队在丘陵山区农业机械化开发方面，应高度重视新材料、新工艺、新技术的应用，特别应重视原始创新、颠覆性技术的研究.

2.3 申请省份

中国丘陵山区农业机械专利申请省份主要集中在丘陵区域较多的山东省（767件）、江苏省（562件）和浙江省（451件）以及四川省（462件），其次是湖南省（427件）、广西壮族自治区（420件）、安徽省（366件）、广东省（356件）和甘肃省（313件）.申请省份分布情况反映了丘陵山区农业机械产品开发与本区域的经济发达程度、制造业能力密切相关，中国中东部主要省区是丘陵山区农业机械产品开发的中坚力量.山东省的丘陵山地约占总面积的1/3，丘陵山区全程全面、高质高效机械化是农机化建设重点.2019年山东省丘陵山区主要农作物生产机械化率达到65%.在葱姜蒜机收、大蒜机播、中药材生产、茶叶机采和加工等开展技术创新，申请了如研究收获机的割台自适应控制系统可以基于地面仿形（CN113966667B）等专利.江浙两省是东南丘陵农机专利研发主体.2021年浙江省41个丘陵山区县（市、区）农作物耕种收综合机械化率达69.2%.在18.4 kW丘陵山区小型拖拉机、“爬山虎”履带搬运机、纯电动履带式旋耕机、轻便自走式大宗茶采摘修剪机、杂交稻精量机插秧等机型和农作环节开展研究，形成了果园快速组装采摘智能系统（CN108858129B）、收割机纵轴流式脱粒装置（CN102282978B）等一批优秀专利成果.2023年浙江省成立了农业农村部东南丘陵山地农业装备重点实验室（部省共建）.江苏省对进入大棚作业农机的起垄、覆膜、施肥、播种、移苗、栽种等机械化环节、大豆玉米带状复合种植等开展研究.在句容、金坛等地开展了“中小微”新型农机的应用，实现“机器换人”.同时江苏大学牵头编制了“丘陵山区农田宜机化改造技术规范”和“农业机械化水平评价（丘陵山）”两项与丘陵山区农业机械化相关的行业标准.四川省根据山区地形复杂、机耕道缺乏、间种套种等现实因素，开展提升播种精度、稳定播种深度、提高机播效率的研究，在农用动力机械、稻麦收获、农副产品加工等农机装备上形成创新成果，申请了履带式大豆玉米高地隙收获机（CN115868313A）、玉米割台装置及玉米籽粒收割系统及玉米籽粒收获机（CN111615918B）等系列专利.各省份根据自身丘陵山地地形特征开展面向经济作物、粮食作物的耕种管收机械化研究.上述省份的经验说明，针对本地区丘陵山区地形特点、作物特点开发适宜地方的农业机械产品，是各地区研发机构和团队的立足点.只有因地制宜，有方向有目的研发，才能保证产品开发的生存力，才有深度开发普适性、通用性更强的有生命力的高端产品.

2.4 技术主题

2.4.1 中国专利技术主题

国际专利分类号（IPC）包含了专利的技术信息，分析专利号可以了解主要技术领域和技术重点.国内丘陵山地农业机械技术主要集中在A01C，A01B，A01D，A01M等领域，其中A01C领域主要研究气吸式和机械式微型播种机，精量播种技术涉及排种器的设计、传感器的使用等，播种机器人主要是机器视觉、信息采集传感器、遥感控制技术在信息决策方面的应用；A01B领域主要研究多功能联合作业机、微耕机、作业平台和智能控制技术，其中联合作业机包括开沟、施肥、播种、除草、覆土、覆膜等多种功能一体机，作业平台的调平机构涉及倾角传感器、横纵液压缸调平、三点悬架、剪叉式机构技术，智能控制技术涉及信息决策、无线通信技术；A01D领域主要研究联合收割机、割草机、采摘机，其中联合收割机涉及脱粒装置设计、收割台及智能控制研究，脱粒装置主要研究喂入式、纵向双流、多切流，收割台研究仿形控制、质量流量控制、高度控制及柔性切割器，智能控制涉及自动驾驶、路径规划、地面仿形技术，割草机主要研究地面仿形及自主识别避让技术，采摘机主要研究振动式、气吸式和齿梳式，智能控制技术包括全地形、深度学习、视觉识别、YOLOv4深度网络模型、机械手、路径规划技术；A01M领域主要研究喷雾机，包括自走式、风送式、履带式，涉及的技术包括喷杆姿态控制、无人机技术，而喷雾机底盘研究主要涉及空气悬架、全液压驱动和液压转向系统的研究.

目前国内研究的机械注重小型化、简易化、高效化、低成本等，以符合中国丘陵山区地理条件和经济环境.

2.4.2 国外专利技术主题

国外丘陵山地农业机械技术研究领域和国内相似，但研究内容有所差异.A01D领域主要研究割草机和联合收割机，割草机研究热点是割草机器人及刀片，联合收割机研究热点是割台柔韧性和高度控制研究、机械的调平系统和智能控制研究，其中智能控制主要研究预测映射图谱（如EP4223101A1环境预测）在农机控制领域的应用；A01B领域主要研究农机具的地形控制技术、农机具连接、智能控制技术，其中自主控制、机器视觉系统、机器学习、路径规划、预测地图生成和控制系统、农机具深度控制等是智能控制技术研究热点；A01C领域主要研究播种机、插秧育秧机和施肥机，播种机研究热点是气力式播种机、精量播种装置和农业种植控制系统，农业种植控制系统利用多指标预测映射图谱技术，建立预测地面接合地图的农业种植系统（如EP4256935A1），实现对机械速度、机械的下压力、种植深度、悬挂系统控制.施肥机研究热点是精量施肥和施肥机器人，精量施肥主要研究肥料分配器和肥料计量器；A01M领域主要研究喷雾机，研究热点包括有喷杆的高度调节传感器、无人机、机器人、路线生成和土壤检测.

国外专利技术体现了作业效率高、成本低、安全可靠等功能，强调低损坏率，并且国外专利技术研究更注重耕种管收的精细化、智能化，体现对农机作业的高度控制性和预测性.

2.4.3 中外专利技术主题对比

对国内外专利运用3D沙盘模型进行主题聚类分析（见图3，4）.总体上，国外农业机械研究侧重农机作业的精细化和智能化，其中精细化研究主要集中在收割台的柔性控制、播种精度、变量喷施技术等，智能化研究主要集中在自动驾驶、自适应系统、路径规划、远程控制、致动器等技术.国内研究主要侧重轻量、适用丘陵山地的小型机械研究，比如联合收割机、微耕机、采摘机、播种机、喷雾机等，并在智能控制领域逐步开展专利申请，比如区域地形检测、控制系统、感应系统等.

2.5 主要申请人

高校是本领域技术研发主体，其专利申请量占比32.43%.在TOP10专利申请人中，高校占比90%，西北农林科技大学、农业农村部南京农业机械研究所、中国农业大学位列前三.

图5反映了中国丘陵山区农机生产和开发的创新力主体分布及其技术类别特征，可以看出，前10位专利申请人技术领域布局各不相同，即使在同一领域研究的重点也有差异.农业农村部南京农业机械研究所、甘肃农业大学、华南农业大学、江苏大学研究方向广泛且重点突出，在喷雾设备、采摘装置、联合作业机械等领域均有专利产出.喷雾设备（A01M7）是高校研发重点领域，前10位申请人均有成果产出，其中江苏大学、西北农林科技大学、中国农业大学、山东农业大学表现突出.江苏大学重点关注轮式喷雾机（喷杆式和静电式）、履带喷雾机（风送式、仿形喷杆）、智能喷雾机和喷施精准性（变量对靶、喷头角度调节），在智能喷雾机领域已开始研究无人驾驶、自转向智能控制.西北农林科技大学主要研究喷杆式喷药机、弥雾机，包括姿态调整机构、悬架系统底盘、喷杆调平、高度控制以及利用机器视觉/无线遥感/信息采集图像处理技术研究无人机及机器人.中国农业大学重点研究自走式喷杆喷雾机的喷杆悬架控制系统、蟹行转向液压系统和姿态调整自适应系统，利用靶标探测传感器、角度传感器、测距传感器和控制系统对喷雾姿态进行调整，在智能立体植保系统中则利用喷雾机、植保无人机和地面管理平台实现果树全冠层喷雾作业.山东农业大学主要针对棉花作物开展喷雾装置、喷杆喷雾机的回水管路系统、单轨式喷杆喷药机、风送式喷雾机喷头、轨道式遥控弥雾机等装置研究.

采摘装置（A01D46）也是申请人研究热点领域，西北农林科技大学、昆明理工大学成果较多.西北农林科技大学研究不同方法的机构调平和全向姿态调整，关注机器视觉、超声波避障、定位和导航系统、传感器等控制技术在履带式采摘机器人上的应用.昆明理工大学研究咖啡采摘机（空间连杆式、气力式、齿梳式、振动式）和珠梨采摘器.

此外，农业农村部南京农业机械研究所在联合作业机械（A01B49）领域的研究遥遥领先，对耕地、施肥、播种多功能机（履带式、牵引式）、移栽联合作业机、碎土收膜作业机及施肥机开沟刀高度的控制算法开展了深度研究.甘肃农业大学在悬挂式、卧式输送和自动仿形装置的割草机领域优势突出.四川农业大学在播种领域（A01C7）开展（免耕式、离心式）播种机、气动式播种器等研究，特别是利用视觉导航、远程遥控、地面仿形机构研究智能播种机器人.

2.6 专利质量

基于incoPat数据库提供的合享价值度指标分析专利质量，该指标综合考虑了技术稳定性、先进性、保护范围等因素，数值为1—10，数字越高表示价值越大.中国丘陵山区农业机械领域一般专利为3 233件（1—4），较重要专利3 999件（5—8）， 重要专利1 093件（9—10），分别占比38.83%，48.04%，13.13%.重要专利的技术以实现机型轻量、多功能一体、智能化、精准化为特点，研究风送式变量喷施方法、多地隙自转向智能系统、无人驾驶技术等智能控制技术.研究气力式排种器、谷物单粒均分精密控制方法以实现精量播种，并且体现了具体的应用场景，比如针对马铃薯、花生、甜菜、大蒜、甘蔗、玉米等具体作物研究收获机、收割机，研究成果更具转化性.表2为部分合享价值度为10的专利，如江苏大学的《山地果园仿形自主避障割草机及其控制方法》在英国、美国进行同族专利申请.

日照市立盈机械制造有限公司的“具有安全可靠性的微耕机”在2016年进行了专利的实施许可，许可给重庆全景机械制造有限公司，在2022年进行了专利权质押，质权人为山东莒县农村商业银行股份有限公司.

2.7 研发模式

研发模式对技术创新的效率、创新的多样性、技术的转化应用具有重要意义.全国8 325件专利中，不同单位联合研发申请的有597件，仅占7.17%.图6为有合作关系的网络图，可以看出，在联合研发中，呈现以“高校+”的合作模式，以“高校+高校”、“高校+研究所”合作模式居多.高校与企业合作较少，仅占合作的1.10%，主要是贵州大学与广西中烟工业有限公司、山东农业大学与临沂凤林农机制造有限公司、四川农业大学与四川省烟草公司泸州市公司、青岛农业大学与青岛万世丰农业科技有限公司、广西大学与广西钦州力顺机械有限公司、河北农业大学与石家庄天同神农机械有限公司有合作关系.统计显示校企合作申请专利中重要专利占比25%，高于全国重要专利占比.

在当前学科交叉、技术融合、行业联动的创新环境中，合作，尤其是跨界合作无疑是行业高质量、高效率、创新发展的重要推动力.3 总结与建议

3.1 总 结

通过上述分析，表明中国丘陵山区农业机械专利技术发展势头强劲，在国家政策引导激励下申请量逐年上升.山东、浙江、江苏是丘陵山地农机专利申请的主要省份，各省结合本省地貌特征、土地土质、种植模式开展耕种管收农机设备及部件的研究.在喷洒、灌溉、采摘、联合收割等领域开展专利申请，同时加强控制系统、现场传感等技术的研发.高校和科研院所是研发主体.

该领域的专利也存在一些问题，比如专利寿命较低，失效的发明专利平均寿命为6 a，失效的实用新型专利平均寿命为3 a.专利创新度不高，专利类型以实用新型为主.该领域领军企业、龙头企业较少，校企联合研发程度不深.在精准作业、无人驾驶、自由移动、路线规划等农机智慧化作业的研究还需要更深入.高质量专利占比较低，合享价值度9—10的专利占比仅13.13%.专利转化应用程度更弱，转让率4.78%，许可率0.58%，质押率0.54%.

3.2 建 议

3.2.1 深化“政企校”创新模式

积极发挥政府政策引导作用，在农机短板联合攻关、科技合作、技术服务等研发制造环节开展激励机制，在农机鉴定、产品推介、推广活动等推广应用环节开展政策支持和服务保障.深化校企联合，企业和高校精准对接.建立校企创新联合体，开展不同形式的创新合作，推动高校和企业双向发力，增强产学协同创新内生动力，形成“应用研究-技术开发-产业化应用-企业孵化”全链条.建立“企业+高校+科研院所”联合实验室，勇担行业难题，面向丘陵山地农业生产开展全程机械化、数字化、智能化、绿色化的应用基础研究，协同多方创新主体攻关丘陵山地农业装备全产业链的重大科学问题与关键技术难题.

3.2.2 聚焦智能农机领域研发

目前中国智能农机装备技术研发还处于初级阶段，农机智能技术应用还不普遍.加强物联网、大数据、移动互联网、智能控制、卫星定位等先进技术在农机装备上的应用研究.开展智能化精准作业装备、山区节水自动灌溉、复杂地形信息感知、作物高精度识别、作物表型监测、农副产品自动分级、无人机械、多体机器人等丘陵山区智能农业技术与装备研究.聚焦农业高精度专用传感器、高端智能农机装备、农业产业大数据云平台等关键核心技术.将农情与农机大数据互联互通，建立丘陵山区作物生产智慧管控系统，开展农业生产全流程智能作业和管理.将数智技术与机械技术相结合，实现丘陵山地农业生产数字化感知、智能化决策、精准化作业、智慧化管理.

3.2.3 “前+终”两端共同推动专利技术转化

2023年国务院办公厅印发《专利转化运用专项行动方案（2023—2025年）》（国办发〔2023〕37号），提出“大力推动专利产业化，加快创新成果向现实生产力转化”.专利技术产业化是专利价值实现的重要路径.一方面将专利研发前移，以问题、需求、应用场景为导向开展定向研发.高校和科研机构在技术创新、项目申报中精准对接市场需求，与企业联合攻关，缩短从“科学”到“技术”到“市场”演进周期，加速专利成果转化落地.另一方面对存量专利科学评估、识别筛选，基于产业化潜力分层构建“可转化专利资源库”，借助大数据、人工智能等新技术，按产业细分领域向企业匹配推送，促成供需对接.通过前端有导向的研发和终端分级分类智能推送，共同推动丘陵山地农业装备专利技术转化应用.

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（责任编辑 陈建华）