基于專利申請量的電力機車技術發展分析

摘要：機車是軌道車輛運行的動力提供者，即俗稱的火車頭。而電力機車作為當今軌道交通運輸的主流機車，分析其技術的發展歷史、現狀以及發展趨勢具有重要意義。本文主要以CPRSABS和DWPI數據庫中的檢索結果為分析樣本，從專利文獻的角度對電力機車的發展進行了全面的統計分析，總結了電力機車國內外專利的申請趨勢、主要申請人以及國別分布。

關鍵詞：電力機車；高速鐵路；動車組；專利申請；發展趨勢

中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

機車是牽引或推送鐵路車輛運行，而本身不裝載營業載荷的自推進車輛，俗稱火車頭。電力機車憑借其功率大、過載能力強、牽引力大、速度快、整備作用時間短、維修量少、運營費用低、便于實現多機牽引、能采用再生制動以及節約能量等諸多優點，已成為國內外主流的鐵路牽引車輛[1-4]。筆者作為國家知識產權局的一名審查員，主審軌道交通領域的發明專利申請，下面將從專利申請量的角度來分析對比國內外電力機車技術的發展狀況。

1 國內專利申請狀況

本節主要對中國專利申請狀況的趨勢以及全球專利重要申請人進行分析，從中得到相關的電力機車技術發展趨勢，以及重要申請人的歷年專利申請狀況。

1.1國內專利申請趨勢

根據CPRSABS專利數據庫的數據統計分析，電力機車國內專利申請趨勢整體上大致可分為兩個階段，第一階段為1987-2003年，第二階段為2004年至今。

（1）第一階段（1987-2003年）

在第一階段內，一方面中國專利關于電力機車領域的數量較少，首先是因為國內電力機車發展起步晚，技術上落后于國外，另外，我國專利制度1985年以后才開始建立，國內企業、科研單位對申請專利的意識不夠；另一方面，中國專利申請總體比較平緩，上升趨勢不明顯，且包含有個別申請下降的年份，如1993，1997-1999年，并且國外來華申請量較少。因為這個時期，中國國內電力機車領域技術水平仍然不高，雖然生產量在逐年上升，但是整體生產數量偏低，并且這段時期內，國內電力機車技術含量不是很高。從國外來華申請所占的比例15%可以看出，雖然國外企業開始逐漸重視中國市場，但是由于1989年以后西方對中國實行技術封鎖，為防止鐵路領域的關鍵技術被用于解放軍快速兵力部署，西方先進的電力機車技術在國內申請量較少。由于鐵路運輸為關系國民經濟命脈的相關行業，且電力機車屬于技術密集型與資金密集型行業，之前一直是由鐵道部工業總局后來改組為中國鐵路機車車輛工業總公司所壟斷，直到后來國有企業改革，中國鐵路機車車輛工業總公司與鐵道部脫鉤，分拆為中國南車集團和中國北車集團，電力機車的研發才真正算是進入市場化時期。根據電力機車國內專利申請分布來看，電力機車技術主要推動者是企業，所占比率達到73%，由于國內早期電力機車技術復雜程度低，因此個人申請也占了一定比率，這其中相當一部分是各高校科研院所的退休教授或工程師的個人申請。

（2）第二階段（2004年至今）

第二階段內，中國專利申請趨勢總體呈現上升趨勢，并且在2009-2013年之間突飛猛進，這段時間，隨著中國加入世貿組織，中國電力機車發展迅猛，尤其是高速列車方面，擁有自主知識產權的高鐵技術已趕超世界先進水平，并能對外出口，真正實現了中國高鐵走出去的戰略，國內先進的高鐵技術主要掌握在中國南車集團、中國北車集團手中。這段時間內，國外來華申請量也在激增，說明國內市場越來越受國外汽車的重視，但由于國內申請量增速遠超國外來華申請量，因此國外申請所占比例反倒有所下降。

1.2國內專利申請重要申請人

根據CPRSABS專利數據庫的數據統計分析，電力機車領域國內申請量前十的申請人排名，分別是：

1、中國南車集團

2、中國北車集團

3、株式會社日立制作所

4、永濟新時速電機電器責任有限公司

5、巨大礦業

6、西南交通大學

7、三菱電機株式會社

8、西門子公司

9、阿爾斯通運輸股份有限公司

10、北京交通大學

同時在申請量前十的單位中，國內的中國南車和北車集團兩家申請量超過其余八個申請人的總和。由此看來，電力機車發展的第二階段，即高速列車階段，電力機車的核心技術已由國內自己的企業所掌握，這是非常了不起的成就。

中國電力機車發展過程有以下幾個特點：（1）中國鐵道部既是鐵路經營主體，又是鐵路修建、機車車輛制造主體，還主辦鐵路科研和國家有關鐵路的中等高等教育，中國南車、北車集團也是鐵道部一手創辦后來獨立出來的電力機車行業的兩大巨頭。（2）電力機車產品開發，以工廠和研究所聯合開發研制為主。（3）90年代以前開發的產品，系列化、標準化、簡統化差，各型機車的主要零部件不通用，幾乎一個型號一個樣子，特別是牽引電動機電壓不統一，有低壓750v，中壓1000v，高壓1500v種。使設計制造、運用維修很不方便，經濟效益差。1990年鐵道部開始電力機車的簡統化，系列化工作。諸如主電路標準化設計，整流采用兩段橋或不對稱三段橋，牽引電動機電壓統一為1000v，機車車體采用統一結構。目前已研制出SS8、SS6B、SS4B等多種產品。（4）中國電力機車研制歷程是仿制-獨立自主設計制造-消化吸收引進技術自主設計制造，這在中國高鐵技術中體現尤為突出。中國南車集團青島四方機車受讓龐巴迪公司（BSP）為瑞典國家鐵路提供的Regina C2008型動車組技術，開發了CRH1系列動車組；中國南車集團青島四方機車受讓川崎重工的新干線E2-1000型動車組技術，開發了CRH2系列動車組；中國北車集團唐山軌道客車受讓西門子技術，開發了CRH3系列動車組；長春軌道客車受讓阿爾斯通的動車組技術，開發了CRH5系列動車組。

2 國外專利申請狀況

本節主要對國外專利申請狀況的趨勢以及全球專利重要申請人進行分析，從中得到相關的電力機車技術發展趨勢，以及各階段專利申請國家分布和主要申請人。其中以每個同族中最早優先權日期視為該申請的申請日，一系列同族申請視為一件申請。

2.1國外專利申請趨勢

根據DWPI專利數據庫的數據統計分析，電力機車國外專利申請趨勢整體上大致可分為三個階段：技術發展階段（1990年以前）、技術瓶頸階段（1991-2002年）以及技術革新階段（2003至今）。

（1）技術發展階段（1990年以前）

從德國人W.西門子1879年制造第一臺真正意義上的電力機車，從此開啟了人類歷史上鐵路運輸的新篇章。電力機車的發展先后經歷了直流電力機車到交流電力機車的技術轉變。直流電力機車裝有直流串勵牽引電動機的機車，接觸網電壓為1500伏或3000伏直流電壓。直流電力機車的起動和速度調節以往是借助于調節起動電阻和牽引電動機的串聯-并聯轉換來完成的。但這種起動和調速方式不能作到連續平滑地調節速度，而且電能耗損大，線路轉換復雜。隨著直流斬波技術的發展，逐漸為新的脈沖調壓方式所代替。由于DWPI數據庫自身特點，在該數據庫中最早出現的相關專利申請在1972年，但這顯然不是關于電力機車最早的專利申請年份。由于電力機車技術發展較早，到20世紀70年代已經過了高速增長期，此時主要出于直流電力機車逐漸被交流電力機車取代時期，世界各主要工業國都逐步建立了完善的電氣化鐵路網，通過采用交流電力機車，大幅提高了鐵路運輸的效率。

（2）技術瓶頸階段（1991-2002年）

當交流電力機車逐漸成為各國主要的鐵路牽引機車，電力機車的發展逐漸趨于成熟。伴隨著大功率可關斷電力半導體的出現，以及微機技術的應用，交流電力機車的性能變得更加完善。這一時期生產的交流傳動電力機車，網側采用四象限脈寬調制整流器，使得機車不論在而定功率，還是小負載時，在牽引或再生制動工況，機車的功率系數都在0.98以上，此時的交流傳動機車還采用了再生制動技術，節省了能耗。另外，該階段各國申請量起伏很大，整體發展不平穩，這是技術變革前的醞釀期，也是常規電力機車技術的瓶頸期。但是，隨著人類生活的不斷發展進步，一般的交流電力機車牽引的客運列車速度只能達到200km/h，越來越滿足不了現代社會對于鐵路客運速度的追求，迫切需要開發一種能大幅提高客運列車速度的新技術。

（3）技術革新階段（2003至今）

伴隨著人類進入21世紀，電力機車發展進入了技術革新的全新時代，各國都大力發展高速鐵路，高速列車技術發展迅速。該階段申請量增長迅速，特別是日本、德國和法國，其申請量更是增長迅速。日本新干線也成為世界上首條成功商業化運行的高速鐵路，其所帶來的巨大商業利益反過來推動了企業對高鐵的研發，由此帶來了日本高鐵技術的高速發展，也奠定了其作為為世界高鐵強國的地位。同樣，法國和德國也成功地將其高鐵技術推廣至歐洲以外的地區，中國就是其中的受益者。

2.2國外技術分布格局

國外電力機車專利申請主要分布于日本、德國、美國、俄國（前蘇聯的專利申請也計入俄國）、法國、加拿大和韓國；而作為電力機車技術的發源地——歐洲，其專利申請量占據了國外申請量的半壁江山。上述主要工業國是電力機車技術的主要創新國，也是電力機車核心專利的壟斷國，國外申請量的92%由上述七國掌握。

目前世界主流的的高鐵技術包括：日本新干線、法國TGV、德國ICE、西班牙AVE（法國TGV衍生）、意大利ETR、韓國KTX等，當然還包括中國的CRH。

2.3國外專利申請重要申請人

根據DWPI專利數據庫的數據統計分析，電力機車領域國外申請量前十的申請人排名，分別是：

1、日立（HITACHI）

2、西門子（SIEMENS）

3、龐巴迪（BOMBARDIER）

4、東芝（TOSHIBA）

5、三菱（MITSUBISHI）

6、阿爾斯通（ALSTOM）

7、通用電氣（GENERAL ELECTRIC）

8、東洋電機（TOYO DENKI SEIKO）

9、ZH鐵道客運（ZH TETSUDO SOGO GIJUTSU KENKYOSHO）

10、川崎重工（KWASAKI HEAVY IND）

從上述排名可以看出，日本作為高鐵技術大國，前十的公司中占據了6席，而其余4席被德國、法國、加拿大和美國瓜分。由此看來，在高科技領域，傳統科技大國仍然處于領先地位。

3 結語

從國內外電力機車的專利技術發展來看，西方先進國家一直引領者電力機車的技術發展，中國作為后來者，不斷通過學習、引進、消化、再創新，一步步追趕著世界先進水平。尤其是到了高速列車蓬勃發展階段，中國已經漸漸躋身于高鐵技術大國的行列。對于國外公司設置的專利壁壘，國內企業沒有投機取巧，而是踏踏實實，虛心學習，同時合理利用中國這個巨大的市場，最終實現了創新和產業化的巨大成功。

雖然國內高鐵技術發展迅速，但新建高鐵線路投資巨大，導致鐵道部和地方政府債務負擔沉重。如何對現有線路進行合理改進以提高鐵路高速化的經濟性，這應該是未來軌道交通中重點研究的課題，由此必然需要開發配套的動力機車如何開發出在既有線路不大改的基礎上大幅提高運營速度的電力機車，這是值得研究的課題。

參考文獻：

[1] 姚永康.我國鐵路機車車輛工業的現狀和發展[J].電力機車技術，1997（1）：6～9.

[2] 熊紅康.客運電力機車的現狀和發展[J].電力機車與城軌車輛，2012， 35（6）：67～69.

[3] 劉立.淺談交流電力機車是機車發展的必然趨勢[J].科技創新導報，2012（21）：46.

[4] 葉家金.國外高速鐵路移動設備發展特點及我國發展模式的選擇[J].大連鐵道學院學報，1993， 14（4）：51～58.