面向智能船舶相關技術的專利分析研究

丁禮謙 ，張建輝，楊 萌，趙芮凱，王學瑞，劉桔森

（1.河北工業大學機械工程學院，天津 300130；2.河北工業大學國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津 300130；3.中國船舶重工集團公司第七零一研究所,湖北武漢 430061）

隨著互聯網、計算機、大數據、物聯網、信息物理系統等新技術的興起，推動了船舶向智能化方向發展，并受到世界各國的廣泛關注。船舶已經開始逐漸由單一的自動化控制系統向多功能綜合系統的轉變[1]。關于智能船舶的概念，各國研究機構和造船企業都進行了大量的研究，并給出了自己的定義[2]。雖然各國對智能船舶的定義存在不同的見解，但其本質內容都是將現代信息技術與船舶相結合，使其朝著更加智能化的方向發展。歐洲對于智能船舶研究較早，早些年前，英國著名的羅爾斯·羅伊斯公司已經開始對無人貨船投入研發，預計在不久的將來會有首艘無人駕駛貨船出現在人們的視線中[3]。與無人駕駛汽車相似，船舶無人駕駛必將成為現實。考慮到船舶無人駕駛是一個極其復雜的過程，其中一些關鍵技術還有待于突破[4]。與國外相比，國內對于智能船舶的研發與應用都處于較初級的水平，但是國內對于智能船舶的研究從未間斷[5]。2019年6月22日，由大連船舶重工集團有限公司研究設計的全球首艘大型智能郵輪“凱征”號正式交付用戶，這對于中國智能船舶的發展具有極大的意義[6]。

中國船級社于2015 年發布，2016年3月生效的《智能船舶規范》將智能船舶的功能主要分為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺[7]。為了實現以上智能船舶的功能，世界各國正在研究與之相關的通信導航、智能運動控制、自動靠泊、自動避碰、多傳感器信息融合、航線規劃等相關配套技術。

智能艦船具有很好的應用需求和發展前景，國外研究機構和企業紛紛投入了大量人力、物力、財力對智能船舶技術進行研究，特別是日本、韓國、歐洲、美國等發達國家和地區的研究機構與企業，并且對智能船舶技術進行了大量的專利布局。由于理論和技術水平、認知水平的差距，我國對智能船舶技術的研究起步比較晚，投入少，相比于這些國家和地區，我國已經處于落后位置。因此，研究全球智能船舶技術專利的發展動態以及重點船舶研發企業的專利布局態勢是非常必要的。一方面可以積極響應國家關于“加強知識產權建設”的號召,另一方面對我國船舶研究機構具有一定的借鑒意義。

1 國內外研究及評述

隨著經濟的全球化，國際間的競爭日趨激烈。研究表明，競爭的實質歸根結底是知識產權的競爭[8]。專利文獻作為知識產權最重要的一種形式，它被用來衡量一個國家知識創新的重要指標[9]。據世界知識產權組織統計，每年有大量的科技成果以專利的形式公布于世。專利是一種可以從側面反映出一個國家科學技術發展狀況的情報文獻[10]。專利情報分析就是將專利文獻中大量雜亂無章的信息加以整合，并利用一定的技術手段使這些信息變成具有預測功能的一項工作[11]。在產業發展決策層面，專利情報分析能快速從大量專利信息中獲取專利布局態勢以及判斷競爭對手的產業發展動向[12]。于企業而言，專利情報分析是保障他們在競爭中獲取勝利最有效的手段，對企業開發新技術具有指導性的意義[13]。

國內外關于智能船舶技術的研究從未間斷。在智能船舶產業發展方面，柳晨光等[4]從智能化特征方面介紹了智能船舶，并從智能航行和智能化管理兩方面分析了船舶智能化發展現狀。劉徽等[5]將國內外智能船舶發展狀況進行了對比分析，并對我國智能船舶的發展提出了建議。梁云芳等人[1]不僅研究了國內外智能船廠的發展現狀，而且總結了智能船舶相關技術。在相關技術領域范新剛等[14]運用船舶多源信息融合技術，提高了船舶在海上航行時的精準度與可靠度。周劍敏等人[15]基于船舶自動識別系統而開發出智能船舶動態視頻監測系統。Mingkui Feng等[16]提出了一種船舶智能防撞方案。劉勇等[17]將數字信號處理器、信號處理電路、FPGA傳感器相結合，最終成功的設計了智能船舶隔振系統。王宏智等[18]將智能監控技術應用到智能機艙領域中，研究出智能機艙系統。楊令省[19]對船舶航線規劃中精確算法進行了深入的研究。國外關于智能船舶的研究主要集中在日本、韓國、歐洲。其中日本在智能船舶方面比較注重通信導航技術的研究。韓國研究的重點主要是智能船舶系統的應用[20]。歐洲則集多技術領域開發出了內河航運綜合信息系統（RIS）[20]。早在 20 世紀 80 年代，挪威船級社（DNV）就提出了船體結構監測的需求并進行研究[21]。在智能靠泊技術層面,日本Ahmed等[22-23]和韓國Park等[24]分別提出了泊位外鎮定、直接靠攏的靠泊理論。而Mizuno N等人[25-27]解決了船舶在靠泊路徑方面的問題。

以上研究僅僅在智能船舶具體技術領域。但是，目前對于全球智能船舶技術進行專利研究和分析的文章少之甚少。我國在智能船舶領域起步較晚，和國外相比有一定的差距，在未來的專利戰爭中已經處于不利的地位。綜上，本文對于國內外智能船舶技術的專利分析與研究對于我國在智能船舶技術領域的發展極其重要，這將對后續我國在智能船舶技術方面的專利布局有一定的參考意義。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文研究的數據來源于智慧芽專利數據庫，其數據庫涵蓋了歐專、世界知識產權組織、美國、中國、德國、日本、臺灣等7個地區或組織的全文以及90多個國家地區的摘要數據，專利數達到9 000萬條，且數據庫更新頻率為每周一次，這就為專利檢索的全面性、準確性提供了保障。

具體檢索策略如下：

第一步：通過閱讀文獻和查閱資料確定智能船舶的關鍵技術。

第二步：首先通過相關技術確定每個技術分支的技術關鍵詞以及該技術在該領域內的英文詞。

第三步：確定該技術分支關鍵詞的IPC分類號，分類號是代表技術主題所對應的專利類別。

第四步：根據上述三個步驟制定檢索要素表。

第五步：構建智能船舶相關技術的檢索式。并不斷通過去重、去噪得到最終的結果。

檢索時間跨度為2000年1月1日—2018年12月1日；檢索字段為：標題/摘要/權利要（見表1、表2）。

表1 智能船舶技術檢索要素表

表2 檢索式與檢索結果

2.2 研究方法

本文研究方法主要從以下幾個方面進行。針對全球智能船舶技術專利申請趨勢、智能船舶技術領先國家專利技術類別構成、智能船舶技術專利申請來源地分析研判未來智能船舶技術的發展方向、找出熱點技術分支以及專利申請的密集點；國內外主要專利權人分析、國內外專利權人重點技術領域分布分析、國內外專利申請IPC技術分布可以了解在該技術領域內的競爭對手、競爭對手主要技術布局策略；核心專利分析（被引頻次分析）、專利價值分析能從一定程度上獲取核心技術分布情況、專利質量的高低；最后通過專利聚類（3D專利地圖）分析提取出智能船舶技術空白點，并且可以捕捉研發的熱點技術。具體研究方法流程如圖1所示。

圖1 智能船舶技術專利分析方法流程

該分析方法流程圖主要包含以下部分：

（1）技術整體發展現狀分析包括全球智能船舶技術專利申請趨勢、智能船舶技術領先國家專利技術類別構成、智能船舶技術專利申請來源地分析。該分析具有“識大局”的功能，并能從整體上了解智能船舶技術的發展歷程，以及技術的分布狀況。其中智能船舶技術領先國家專利技術類別構成分析可以研判智能船舶發展的熱點技術。

（2）競爭對手及技術分析包括國內外主要專利權人分析、國內外專利權人重點技術領域分布分析、國內外專利申請IPC技術分布、核心專利分析。該些分析能進一步具體了解競爭對手在智能船舶產業中發展的態勢，為進一步專利布局奠定了基礎。

（3）熱點、空白技術可通過3D專利地圖分析。該分析能呈現出專利中的高頻詞，進一步與智能船舶技術領先國家專利技術類別構成分析相耦合，明確智能船舶技術領域中具體熱點技術。而專利質量的高低判斷是通過專利價值的分析，最后達到“知己知彼”的目的。

3 專利統計分析

3.1 全球智能船舶相關技術態勢分析

如圖2所示，可以清晰地看出全球智能船舶各技術分支專利申請量呈現出逐年遞增趨勢，其中通信導航技術的專利年度申請量相比其他技術分支一直處于遙遙領先的地位，并且呈現出年增長率為正的情況。較次之的為智能運動控制技術，其專利申請量從2004—2017年度之間出現穩步遞增的情況，其中在2016—2017年度增長率達到該技術領域的最高水平為82.5%，但在2017—2018年度期間，出現 了年均增長率為負的情況。對于其他四個技術分支專利申請量均保持著穩步遞增的趨勢。從所有技術分支專利申請數量來看，其中多傳感器信息融合技術專利申請數量最低，平均年申請數量為個位數，則可以說明該技術領域集中度大，技術門檻較高，推斷出該技術分支的申請量低可能與核心技術掌握者的專利策略有關系。從圖中也可以看出在2015年后自動避碰技術、智能運動控制技術、通信導航技術專利申請數量呈現快速增長的趨勢，仔細分析其原因2014年10月中國和德國共同簽署了《中德合作行動綱要》，綱要中指明了德國與中國未來會在“工業4.0”方面加強合作，其目的為了促進中國制造業的快速轉型，具體表現在高端技術領域，如智能船舶領域[28]。正因為如此智能船舶相關技術專利申請量才得以快速發展。

圖2 全球智能船舶技術申請趨勢

3.2 智能船舶相關技術領先國家專利技術類別構成

由圖3可得這幾個主要國家智能船舶技術專利布局如下：

（1）中國：其專利申請數量綜合居于其他各個國家之上，其中通信導航、航線規劃、智能運動控制技術分支更是遙遙領先于其他國家，但是在靠泊技術分支專利申請數量較次于在其他技術的專利申請數量。

（2）日本：其專利申請數量在所有國家專利申請中排名第二，與中國申請狀況很相似，也比較注重在通信導航、航線規劃、智能運動控制技術方面。

（3）美國、韓國：在總體申請側重度方面，美國和韓國大致相同，值得注意的是韓國在智能運動控制技術方面申請了大量的專利，可見韓國在該技術領域處于領導者的地位。

（4）英國：在智能船舶技術分支專利申請數量較少，但是在航線規劃技術專利申請數量遠遠多于在其他技術分支專利申請數量，其申請數量達到139項。在航線規劃技術領域中排名靠前，可見英國比較注重航線規劃技術。

（5）俄羅斯、德國：對于這兩國而言，在智能船舶領域其專利申請數量與其他國家相比較次之，表明在智能船舶領域剛剛起步，或者不太重視。

圖3 智能船舶技術領先國家專利技術類別構成

3.3 專利價值研究

要準確的研究各個國家在智能船舶技術領域所申請專利質量的高低，專利價值評判是必不可少的。謝智敏等人[29]在專利價值評估工具的有效性一文中，詳盡的對比了Innography、Inco Pat、Pat Snap 這三種價值評估工具，從而得出了結論：Pat Snap評估的專利價值具有較高的可信度，并且通過數學模型驗證了這一結論。Pat Snap 的專利價值評估是基于25個不同的維度[29]。其中Pat Snap估值體系的5個主要維度具體如下圖4所示；利用Pat Snap Insight和統計學知識，作出圖5所示的專利價值曲線圖。

圖4 Pat Snap 估值體系的5個主要維度

圖5 各國智能船舶技術專利價值對比

為了更加客觀地對比中國與其他國家專利申請質量高低，本文采用Pat Snap專利分析系統的專利價值概念評判專利質量。其中價值評級$、$$、$$$、$$$$、$$$$$分別表示價值區間在$0～$25K、$25～$100K、$100～$500K、$500～$2.5M、＞$2.5M之間。從圖3可知，中國、美國、日本、韓國、英國、德國、俄羅斯在智能船舶技術領域申請專利總數分別為1 010、262、575、529、219、77、173項。由圖5得知，隨著價值評級的增加中國所申請的專利數呈直線下降，并且價值評級$的專利數量高達900項左右，$$評級的專利數量大約為80項，而$$$、$$$$、$$$$$評級的專利數量幾乎為零，對于日本而言價值評級為$的專利數為80項左右，而價值評級為$$$的專利數量高達200多項，$$$$和$$$$$價值評級的專利數都保持在100項左右，雖然日本在智能船舶技術領域所申請的專利數為575項，但是其專利質量如此之高，可見日本在智能船舶技術領域具有較強的實力。對于韓國而言其高強度專利僅僅弱于日本，但是價值評級為$$$$$的專利數卻反超日本，總體而言二者實力旗鼓相當，具有較強的競爭勢頭。對于美國而言，其專利申請總量為262項，處于較低的申請量，價值評級為$$的專利申請占絕對優勢，而$$$、$$$$、$$$$$評級的專利數平均保持在20項左右，可見美國也具有一定的發展潛力。對于英國、德國、俄羅斯而言，其勢力總體差不多，都具有一定的發展潛力。綜上可以得出結論，中國與日本、韓國、美國在智能船舶領域有一定的差距。總體來看，中國專利申請總量居于全球第一，但是質量普遍較低，僅從專利數量的多少并不能客觀反映出我國在該領域的真實情況。

3.4 重點專利權人分析

通過對國內外主要專利申請（專利權）人重點技術領域分布進行統計分析，得到表3。總體來看國外主要研究機構及企業主要涉及在通信導航技術領域和智能運動控制技術領域（如船舶優化導航系統和方法、船舶導航記錄裝置、船舶的優化導航系統有關的發明的監視器及其與固定信息系統的方法、船舶系泊裝置、導航輔助設備綜合導航裝置、導航安全預警裝置、船舶位置控制方法、導航控制裝置）；而國內高校主要集中在控制系統方面，其中包括船舶遠程監測系統、船舶監管系統的監控方法、遠程監控方法等，且不同高校間稍許有點不同。哈爾濱工程大學還涉及傳感器信息融合方法、航線、路徑優化方法和船舶自動避碰方法。而中國船舶重工集團公司稍微側重船舶目標態勢模擬方法與船舶信息交互系統技術領域。因此國家應該統籌規劃，讓其發展自己的優勢技術，早日攻破智能船舶的各個技術。

表3 主要專利權人重點技術領域分布

3.5 國內外智能船舶技術IPC對比

為了進一步了解中國和國外專利權人的專利技術構成情況，取IPC的TOP10頻次排序，得到表4、表5。從表4可以看出IPC分類號主要分布在G部、H部、B部，其中物理部專利數量占總的專利數量的85.4%，而H部和B部總的專利數量占比14.6%。具體IPC為G08G3/00、G05D1/02、G08G3/02的分類號，其專利數量分別為100、21、16項，涉及的技術領域為海上航行器的控制系統、二維的位置或航道控制、防撞系統，G部還涉及的技術領域有G01C21/20、G06F17/30、G06Q10/04，其技術包含的有執行導航的計算儀器、信息檢索及其數據庫結構、預測或優化。H部包含有H04L29/08、H04W84/18，涉及的領域分別是傳輸控制規程、自組網絡技術。由表5可知國外專利申請前10位的IPC技術分布：與中國專利權人專利申請狀況幾乎相同，G部專利數量占總的專利數量的68.8%，B部和E部專利數量總和占到比31.2 %，其中排名比較靠前的技術領域IPC分別為G08G3/00、B63B49/00、G01C21/00、G08G3/02，與中國專利權人所申請的情況幾乎相同，唯一有所差別的是國外專利權人還涉及的技術領域有B63H25/04、E02B3/20、G09B29/10、G01S5/14、G01C；具體分別為用于操舵的啟動裝置，海岸、海港或其他固定海洋結構物的航運設備，地圖定點或坐標位置指示器，由多個已知位置的分散點確定絕對距離，測量距離、水準或者方位。

表4 中國專利申請前10位的IPC技術分布

表5 國外專利申請前10位的IPC技術分布

表5（續）

3.6 核心專利分析

通常來說，如果一項專利在某技術領域內被施引的次數越多，表明該項專利具有較強的先進性和創新性，則可以說明該專利在該技術領域內是核心專利[30]。通過對智能船舶技術領域專利引證分析，得到 top10 專利引證情況，如表6。從中可以看出核心專利具體信息。從被引次數來看，美國在這些技術領域占有大量的核心專利。

表6 智能船舶技術專利被引證次數排名前10位 單位：次

3.7 3D專利地圖分析

為了能更加清晰地看出智能船舶技術具體的研究熱點，智慧芽3D專利地圖是結合專利文獻中高頻詞和IPC自動生成可視化分析圖，如圖6所示。通過此圖可以快速了解到智能船舶熱點技術的分布情況。其中波峰代表此技術方向的專利密集區，波峰越高表示該技術越熱門，波谷代表該技術空白點，是智能船舶技術需要加大研發的領域。圖中不同的點表示專利權人的不同，點越密集表明申請人在該技術點申請的專利數越多。整體來看，智能船舶技術包含了監控、導航、通信、監測控制、航道控制、自動識別、航線規劃等，表明在這些領域是智能船舶技術研究的熱點。值得注意的是導航、通信、航線、控制系統這些關鍵詞出現的頻率較高，表明涉及該關鍵詞的技術是更加值得關注的熱門。與此同時，也可以進一步地了解到處于波谷的技術領域，從圖中可以看見防撞、避碰、顯示、傳感器、靠泊等關鍵詞處于波谷的位置，表明該關鍵詞的技術領域為技術較弱的領域。同時還可以了解到監控、導航定位、通信導航、通信、顯示等處，所集中的點數比較密集，得知在該技術領域申請人比較多。

圖6 智能船舶技術熱點技術分布

結合圖2、圖3智能船舶技術的研究熱點，可針對圖6中的關鍵詞從以下幾個方面進行闡述：

（1）智能運動控制技術的研究，包括交通控制系統、航道控制、監控的研究、各種自動識別系統的研究等。

（2）通信導航技術的研究，包括導航線路的識別裝置，航海儀器或導航設備的布置、航道控制系統、數據采集、驅動模塊、收發模塊等。

（3）航線規劃技術的研究，包括船舶的航線規劃算法，航線規劃自動控制系統、路徑規劃、無線數據、航線網絡布局方案等。

（4）避碰技術、多傳感器信息融合、靠泊技術分別包括防撞系統、傳感器、自動識別、融合、系泊設備、Moooring system等。

4 主要結論及建議

4.1 主要結論

由上述分析可得：

（1）從產業的發展過程來看，全球智能船舶技術專利數量從2015年后得到了快速的增長，究其原因，中國的專利數量快速增加促進了全球專利數量的增長，并且可以清楚地了解到日本、韓國、美國、英國、德國、俄羅斯在該領域投入了研發。其中，日本、韓國是智能船舶技術領域的領頭羊，并且智能運動控制技術、通信導航技術、航線規劃技術是專利申請數量最多的技術領域。

（2）從專利價值層面來看，中國雖然擁有較多的專利數量，但高價值的專利卻寥寥無幾，韓國、日本雖然專利數量相對于中國來說較少，但是高價值專利卻是中國所不能比擬的。此外，智能船舶技術高被引專利主要分布在美國，并且沒有中國的專利，表明美國在該技術領域擁有較多的核心專利。也可以發現韓國、日本是智能船舶技術領域發展比較靠前的國家，中國應該密切關注這些在智能船舶技術中處于引領的國家，深入分析并且追蹤其技術發展的方向，這將會為自身的技術發展提供一定的依據。

（3）從技術創新主體來看，中國研發的主體多數是高校，而相應的科研機構和企業幾乎很少，就連中國船舶重工集團公司所申請的專利數目也不多。形成鮮明對比的是國外的專利權人，其中韓國、日本研發的主體大多數是企業和科研機構，分別是實力較為雄厚的大宇造船海洋工程有限公司、現代重工、三菱重工等，其實力不容小覷。

（4）從技術研發層面來看，全球智能船舶研發的熱點技術領域為智能運動控制技術、通信導航技術、航線規劃技術，具體為：交通控制系統、航道控制、監控的研究、各種自動識別系統的研究等；導航線路的識別裝置，航海儀器或導航設備的布置、航道控制系統、數據采集、驅動模塊、收發模塊等；船舶的航線規劃算法、航線規劃自動控制系統、路徑規劃、無線數據、航線網絡布局方案等。這些技術在智能船舶技術網絡中的位置越重要，則說明發展的技術機會越多，相應的智能船舶創新主體應該關注這些技術的發展方向。

4.2 建議

（1）調整研發主體，深化產學研合作。根據對全球智能船舶技術分析可知，我國在該技術領域研究的主體主要為高校，而科研機構及企業幾乎很少，目前我國企業在該技術領域資金投入不夠，專業人才儲備不足，且專利質量較低，掌握的核心專利幾乎沒有，這就導致不能形成完整的技術體系，因此技術研發還需加大投入。而我國高校擁有較多的專業人才，況且申請的專利數較多，如今正是智能船舶快速發展的關鍵時期，中國要想讓智能船舶在未來的發展中處于引領的位置，目前最重要也是最必要的方法是中國企業和研究機構根據高校的專業特長有選擇性地進行技術合作，加強基礎研究和關鍵技術的研究。除此以外，我國還應該建立協同創新發展機制，積極地促進雙方的合作與交流，不斷去深化產學研合作，從而大大提高專利成果的生成。

（2）加強智能船舶的國際合作。在實際的合作中，除了國內企業與科研院所的合作，我國經濟實力較強的科研機構還可以考慮與國外技術較強的企業進行交流合作，吸收先進的技術，如大宇造船海洋工程有限公司、現代重工有限公司、三菱重工有限公司等實力雄厚的造船公司。

（3）重視核心專利的技術研發與布局。核心專利一般包含著該技術領域發展的核心技術，對技術產業的發展具有重要的作用。通過全球智能船舶技術領域專利價值的分析，得出中國雖然擁有較多數量的專利，但是專利價值與國外相比，遠遠不及國外專利質量，導致了核心專利不足，進而影響高質量專利的產出。故此，國家應該重點去扶持研究機構，提供濃厚的科研氛圍，讓其在核心技術領域攻堅克難，成為智能船舶專利產出的重要來源。中國還應該密切關注那些在智能船舶技術中處于引領的國家，深入分析并且追蹤其技術發展的方向，對于一些對智能船舶技術發展將產生重大影響的專利及時進行評估。若的確具有很好應用前景和發展空間，中國智能船舶相關研究機構應該搶占先機，沿其產業鏈進行專利布局，阻礙對手在該技術領域發展。

（4）重視智能船舶領域內核心人才的培養。國際間的競爭，歸根到底是科學技術的競爭；而科學技術的競爭，關鍵是人才的競爭。因此，中國要想在船舶技術領域追趕世界先進水平，該技術內人才的培養必不可少。建議中國從高校抓起，合理地去設置專業課，重視理論與實踐的結合。一方面，學校可以給學生提供與船舶有關的企業去實習，另一方面可以開展與船舶有關的學術活動，以此來激發學生的學習興趣和熱情。除此之外，社會可以廣泛宣傳智能船舶文化，國家應該深入挖掘那些在船舶技術領域具有發展潛力的人才。通過共同的努力，高素質的專業性人才定會出現。