列車通信網絡技術專利發展研究

賀德強，劉旗揚，邱 福，雷 昊，李冀暉

（廣西大學，a.機械工程學院；b.科技處，廣西 南寧 530004）

列車通信網絡，是一種面向控制及信息系統、連接車載設備的數據通信系統，是分布式列車控制系統的核心。其集列車控制系統、故障檢測與診斷系統和旅客信息服務系統于一體，以車載嵌入式系統為主要技術手段，并通過網絡實現列車各個系統之間的信息交換，最終達到對車載設備的分布式監視、控制和管理等目的，實現列車控制系統的智能化、網絡化與信息化[1～3]，是高速列車、機車車輛、城市軌道交通車輛和高速磁懸浮列車的“心臟”。

然而迄今為止，國內運營的高速動車組、和諧型電力機車、內燃機車和城市軌道交通地鐵車輛的列車通信網絡的標準和核心專利，主要由國外機構和企業掌握，從而嚴重影響了我們軌道交通機車車輛的進一步發展和對外合作。為突破國外跨國公司在軌道交通裝備關鍵技術上的專利壁壘，縮短與國際先進機車車輛制造業的差距，中國軌道交通裝備行業迫切需要在某些關鍵技術方面，實施積極的專利戰略，并將其作為行業創新力和競爭力的重要戰略，予以深入研究和運用。

本文通過分析國內外企業新型列車通信網絡知識產權保護的現狀及發展趨勢，為國內相關企業實施自身的知識產權發展戰略，以提高企業核心技術創新能力和知識產權保護能力，正確定位競爭策略，增強企業的技術和市場競爭力提供有益的參考。

1 列車通信網絡的發展趨勢

現有軌道交通列車車載機械、電氣和輔助設備眾多，且車內安裝有大量的分布式傳感器和復雜耦合的智能節點，聯網控制越來越復雜，以及各種安全檢測和信息系統對列車網絡系統性能要求的提高，迫切需要列車通信網絡具有更高的實時性、可靠性、較好的可維護性、擴展性、高的帶寬和良好的互操作性等，并能進行分布式任務處理和數據融合[4～6]。然而現有各機車車輛、高速動車組和城軌列車上應用的列車通信網絡由于傳輸速率較低，導致列車牽引、制動、輔助等設備的很多關聯狀態信息和故障隱患不能有效傳輸，也不能及時發現全列車可能的故障，致使大量的事故難以追溯根源。

以太網(Ethernet)基于IEEE802.3標準，作為具備大容量數據傳輸能力的現場總線已經大規模應用于工 業 現 場 中 ， 如 Ethernet/IP、PROFINET、Ethernet PowerLink、EtherCAT、MODBUS-IDA、以及我國負責制定的EPA實時以太網等。但列車車載環境惡劣，車輛之間經常需要解編和重聯，常用的100 Mbps和1000 Mbps民用和工業級以太網，在可靠性、實時性和穩定性等方面與列車通信網絡需求并不相適應，需要針對機車車輛特有的運營環境進行改良。

國際上，目前國際電工委員會IEC/TC9 WG43工作組正著手起草實時列車車載以太網 (Real Time Ethernet，RTE)標準，旨在推動以太網技術在列車通信網絡領域中的全面應用。計劃于2012年完成IEC 61375-3-4和IEC 61375-2-5標準的發布，分別作為鐵路應用的“以太網編組網絡”標準和“以太網列車網絡”標準。

加拿大龐巴迪已開啟了列車以太網的商業化應用，于2010年在德國和荷蘭的區域型列車上配備了列車以太網設備，列車上同時存在車載環型以太網和TCN系統，該公司希望在3～5年內用以太網完全取代TCN，即所有車載智能設備集成到一個以太網系統。

德國西門子正在研究把工業以太網PROFINET作為列車通信網；

日本鐵路聯合體正在研究基于以太網的INTEROS列車通信網絡，并計劃在MUE-Train多功能試驗列車上進行測試；

法國阿爾斯通正在研究列車級和編組級以太網，并已開始與法國鐵路運營商SNCF合作在全部TGV高速鐵路列車內測試車載以太網性能；

2011年12月，中國南車四方股份公司以380A高速列車為基礎開發的時速500公里試驗列車就采用以太網環網作為車載控制和信息網絡[7～10]。

2 列車通信網絡專利的定量分析

列車通信網絡是列車通信的核心部分。其負責對整輛列車進行控制、檢測，以及各種信息的采集和傳輸。隨著現代列車朝著高速和重載方向發展，列車通信網絡系統受到越來越多的關注和重視，尤其是基于以太網的車載網絡，是列車通信網絡的發展方向。

本文以現行列車通信網絡IEC61375國際標準的發布時間1999年為檢索起始日期，對各專利數據庫檢索出符合要求的專利文獻，經過人工逐條反復斟酌和比較，最后確認可以用于進行專利分析的專利件數為324件，其中，中國（CN）申請列車通信網絡相關專利218件，歐洲專利局（EP）申請19件，世界知識產權組織申請（WO）15件，德國（DE）申請 7件，英國（GB）申請 1件，日本（JP）申請 11件，美國(US)申請17件，法國(FR)申請 4件，韓國（KR）申請 24件，新加波(SG)申請 2件，俄羅斯(RU)申請 4件，南非（ZA）和墨西哥（MX）各申請1件，其分布情況如圖1所示。

圖1 列車通信網絡專利申請國家分布情況

可見，中國在列車通信網絡的專利申請數量，已領先于其他國家和組織，一定程度上反應了中國近10年在該領域已處于世界先進水平。

2.1 不同年度專利申請分布情況

不同國家和專利組織不同年度的專利申請情況如圖2所示。

圖2 不同年度的專利申請分布

自從列車通信網絡IEC 61375國際標準于1999年正式發布后，有關國家和組織就開始申請該方面的專利。1999～2010年，該方面的專利申請數總體處于上升狀態，由1999年的5件上升到2010年的77件，而之后的2011年該專利申請數量有所下降，為38件(注：以18個月的專利公開日期作為參考，這些專利申請日實際截止到2012年初，因為未到年底，造成2012年申請的數量圖形失真)。其中，1999～2007年申請數量處于緩慢上升狀態，且略有波動，2008年突然增加到69件，之后的3年申請數量略有波動，維持在較高水平，總的來看，世界列車通信網絡專利申請數量穩步上升。

引起列車通信網絡專利申請數量變化的原因在于，2003年以前，中國還未開始申請該專利，從2004年開始申請了4件、2005年1件、2006年9件、2007年3件，數量都比較少；而在同一時期內，世界上其他國家的申請數量增長也不大，2005年國內外申請數量只有6件，比前兩年有所減少，從而出現了一個低谷。

2008年申請數量突然增加，原因是在這一年國內外的申請數量都比前一年增加，國外由11件上升到22件，國內由3件上升到47件。

在2009開始，情況出現了新的變化，國外的申請數量大幅減少的同時中國的申請數量反而處于一個上升的狀態，總體數量保持在較高的水平。

到2011年時，國外的申請數量變為2件，而中國的申請數量上升到36件，占了絕大部分。這也正好印證了國內鐵路和城市軌道交通在該段時期內處于飛速發展期。

中國列車通信網絡專利申請起步較晚，但后來居上，到現在已經占據世界專利申請數量的大部分，緊跟列車通信網絡核心技術及世界專利總體趨勢的發展。

2.2 不同年度專利申請國別情況分析

不同年度專利申請國別情況如圖3所示。

圖3 不同年度專利申請國別情況

歐洲及美國是世界上最早研究列車通信網絡的國家，歐洲在1999年就申請了1件專利，而在同一年美國申請了3件專利。2000年歐洲申請數為3件，2008年達到8件，為歷年最多，其他年份申請量都在0～2件范圍內波動。美國在2007年的專利申請量為4件，其他年份申請量在0～3件之間。

世界知識產權組織在2000年開始有2件專利申請，在同一年德國也提交了2份專利申請。而2008年，世界知識產權組織的申請量為3件，其他年份申請量在0到2件之間徘徊，申請量較少。德國在2001年、2002年、2004年、2006年和2008年的申請量都是1件。

韓國和日本在2002年都開始申請了1件專利，隨后，在2003年韓國申請量為9件，2006年為4件，2008年為5件，其余年份申請量在0到2件不等；日本在2007年申請量為3件，其余年份都低于這個水平。

中國在2004年開始加入列車通信網絡專利申請，在2004～2007這四年的申請量都在10件以下，到 2008年突然猛增到 47件，2009年為 46件，2010年為70件，2011年為36件。2008年往后的幾年申請量都維持在較高水平，其中2010年申請量比2006年增長了8.75倍，為歷年最多。專利申請量的增加，與中國鐵路2004年開始的引進消化吸收再創新是密切一致的。

3 基于以太網的列車通信網絡技術類別的定量分析

基于新型以太網的列車通信網絡其技術分類包括列車級總線、車輛級總線、車地無線通信網絡和車載網關。

從圖4可以看出，基于以太網的列車通信網絡專利的研究與開發始于1999年，1999年至2004年期間，每年專利申請量在3至9件之間徘徊。從2005年開始穩步上長，直到2008年達到25件高峰，2011年以來下降幅度較大。2012年以后專利申請量數據則由于實際收集到的數據未能統計到年底，故不能說明該年度真實的申請量。據目前統計，2007～2010年是基于以太網的列車通信網絡專利申請的階段性高峰期。

圖4 基于以太網的列車通信網絡專利申請年度變化趨勢

在基于以太網的列車通信網絡相關專利所涉及到的諸多技術要素領域中，1999～2006年，是該項車載現場技術的探索階段，獲得專利所涉及的技術要素比較少。而從1997～2010年，是該項技術經歷了階段性發展，部分技術逐步不斷成熟，這一階段專利所涉及到的技術要素大約是早期階段的5～10倍。隨著2012年底以太網技術進入列車通信網絡國際標準，涉及到以太網技術要素的專利申請，必將會迎來新的高峰期。

3.1 基于以太網的列車通信網絡技術組成分析

基于以太網的列車通信網絡專利，國內外共申請104件，占列車通信網絡專利總數324件的32.1%。其中基于以太網的列車通信網絡專利技術組成中列車級總線的專利件數為31件，占基于以太網的列車通信網絡專利總數的29.81%。其技術要素包括：WTB總線網關，網絡控制，網絡拓撲，數據交換，故障診斷，狀態檢測，車輛跨接，以太網連接，網絡互連和網絡通信等方面。

車輛級總線的專利申請量為22件，占基于以太網的列車通信網絡專利總數的21.15%。其技術要素包括：以太網接口，MVB總線網絡，接入網技術，數據采集，數據融合，以太網通信和網絡互連等方面。

車地無線通信網絡的專利申請量為14件，占基于以太網的列車通信網絡專利總數的13.46%。其技術要素包括：車地網絡通信，無線通信，TCP/IP協議，智能維護等方面。

車載網關，共計37件專利，占基于以太網的列車通信網絡專利總數的35.58%。車載網關的技術要素包括：通信協議，網關管理，以太網網關，以太網接口，網絡互連和網絡通信等方面。

3.2 基于以太網的列車通信網絡的年度變化趨勢分析

基于以太網的列車通信網絡核心技術，包括列車級總線、車輛級總線、車地無線通信網絡和車載網關，如圖5所示。

圖5 新型列車通信網絡專利年度分布變化趨勢

其中，

涉及列車級總線的專利31件，主要集中在2003年、2004年、2006年、2007年、2008年、2009年和2010年；

涉及車輛級總線的專利22件，主要集中在2000年、2002年、2003年、2008年和2010年；

涉及車地無線通信網絡的專利14件，主要集中在2002年、2004年、2007年和2008年；

涉及車載網關的專利37件，主要集中在2001年、2003年、2006年、2007年、2008年、2009年和2010年。

3.3 基于以太網的列車通信網絡核心技術專利申請國別動態

中國在列車通信網絡的核心技術方面，在列車級總線、車輛級總線、車地無線通信網絡和車載網關上分別申請和擁有4件、6件、1件和21件專利。

中國主要的研究方向，是列車通信網絡車載網關。美國在列車通信網絡核心技術4個方面都申請有專利，在列車級總線、車輛級總線、車地無線通信網絡和車載網關上分別申請和擁有3件、1件、3件和2件專利。歐洲專利局同樣在列車通信網絡核心技術4個方面，都申請和擁有專利，分別為4件、4件、2件和6件專利。

在世界知識產權組織申請專利保護，是一國的專利同時受到其他國家專利法保護的必經之路，該組織是專利申請PCT國際階段的國際專利申請機構。因此，各國都非常重視在世界知識產權組織申請專利保護。對于某項專利的核心技術更是如此，在世界知識產權組織申請列車通信網絡核心技術總量為7件，其中，在列車級總線通信網絡上擁有4件專利，在車輛級總線通信網絡上擁有1件專利，在車地無線通信網絡上申請了1件專利，在車載網關上申請了2件專利。

在擁有核心技術專利的數量上，中國北車股份有限公司大連電力牽引研發中心擁有專利18件，高居榜首，韓國鐵道科學研究院和日本三菱電氣分別以10件和8件專利位于第二和第三位。

4 結束語

根據上述文獻檢索分析知，由于起步較晚等諸多原因，我國列車通信網絡的早期技術水平與國外相比存在一定的差距，但在基于以太網的新型列車通信網絡知識產權保護方面，國內企業與國外企業處于同一競爭水平。隨著2012年底基于以太網的列車通信網絡標準（IEC 61375）第三版的發布，涉及該要素的專利申請將迎來高峰。為此，國內相關研究機構和企業需基于自身優勢技術，在提高知識產權意識的基礎上，從專利技術開發和保護等方面，構建軌道交通列車通信網絡專利戰略，積極響應協同創新國家戰略，通過建設南北車、各研究院和高校協同開發、儲備創新人才、完善專利管理機構與管理制度、創建軌道交通專利協會，來保證我國機車車輛專利戰略的有效實施，從整體上提升軌道交通制造業經營發展活力和核心競爭力。

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