滾裝運輸船船型結構技術演變與發展趨勢

劉振，盛永祥，吳潔,2

（1.江蘇科技大學 經濟管理學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003）

0 引言

滾裝船（Ro-Ro Ship）又稱“開上開下”船，是利用運貨車輛或牽引車牽引來載運貨物的專用運輸船舶[1]。相比于其他船型，滾裝船具有裝卸貨物效率高、水陸直達聯運方便、對碼頭設備要求更低等優點[2]。近年來，隨著我國經濟的快速發展，我國的滾裝船運輸業得到快速發展[3]。“中國制造2025”國家戰略的穩步推進，也使我國滾裝船制造業迎來了絕佳的發展機遇。而船型結構設計是船舶建造的重中之重，文獻[4]-[6]從船型尺度、設計特點、適應場景等角度對滾裝船的船型結構進行了深入研究，提出不同的運輸環境和要求需設計合適的船型。文獻[7]、[8]從多層甲板和多掛靠港的滾裝船配載等角度對滾裝船的配載優化問題進行了深入研究，提高了裝載效率和營運經濟性。隨著造船技術的發展，滾裝船建造噸位越來越大，使用設備越來越先進，規范越來越嚴格，出現和發生的問題也會越來越多，船型結構領域越來越多的關鍵技術需要不斷完善和改進突破。

由于知識產權在創新驅動發展中的重要地位，專利作為技術創新的重要載體，其受重視程度不斷提高。專利分析是實現專利信息服務的關鍵手段，在挖掘專利情報以及提升專利信息價值的過程中發揮著重要作用[9]。近年來，越來越多的學者開始關注到專利文本中蘊含的大量信息價值，專利分析方法也被廣泛應用于各個行業。李國秋，等[10]從主要技術領域專利分布圖、重點技術研發領域地形圖、技術熱點變遷圖3個維度提煉出了上汽集團的優勢技術領域；閆洪波，等[11]基于專利分析的視角研究了稀土拋光材料技術發展趨勢；諶凱，等[12]基于專利分析和文獻計量方法對我國醫藥制造業發展態勢進行研究，得出我國和國際醫藥強國的技術差距；王雅薇，等[13]基于專利分析法和技術軌跡理論，研究了我國人工智能產業，提出我國人工智能產業處于基礎型研究向應用型模式轉變階段，需要深入加強自主技術創新；丁禮謙，等[14]從專利統計層面對智能船舶技術進行研究，得出我國在智能船舶技術領域布局的特點和存在的不足，并針對不足提出了可行性建議。

對以往文獻進行梳理發現，許多學者多從專利數量和專利的空間分布著手，研究技術的演化及發展趨勢，但還欠缺對具體專利文本深層次的挖掘，忽視了專利文本對創新的作用。而以往對滾裝船船型結構的研究多停留在傳統技術層面，還沒有對滾裝船船型結構領域進行技術演化趨勢分析和專利布局研究。因此，本文將從專利數據分析和專利文本分析結合的角度，研究滾裝船船型結構領域的技術發展情況，為今后我國滾裝船船型結構技術的發展提供參考依據。

1 專利分析

1.1 專利數據獲取與處理

本文對滾裝船船型結構領域的專利來源于智慧芽數據庫（https://analytics.zhihuiya.com/）。首先對滾裝船大類進行初檢，得到截至2020年底的專利為2 923條，在此基礎上通過進一步人工篩選，分析篩選出有關滾裝船船型結構的專利共686條。

1.2 專利總體發展態勢分析

由圖1全球和中國在滾裝船船型結構領域的專利申請發展趨勢可以看出，滾裝船船型結構全球專利申請總體上呈波動上升的趨勢，1980年以前處于技術萌芽期，在這個階段，專利申請量相對較少；1981年到2002年為技術緩慢發展期，這個期間較之前有所增長，但增長數量不多；2003年到2019年處于快速發展期，此階段專利的發展速度較快。相比于世界，中國在船型結構領域的研究起步較晚，在2005年以前處于技術萌芽期，這期間專利的增長趨勢緩慢，各年的申請量均在5件以下；2006年到2008年處于技術緩慢發展期，屬于技術發展和摸索階段；2009年及以后，我國在滾裝船船型結構領域開始發力，中國專利年申請量得到了穩定提升，并保持較高的增長速度，進入了快速發展期。可以看出，中國對于滾裝船的研究雖起步晚，但發展勢頭足。對比中國和全球滾裝船船型領域的發展趨勢來看，滾裝船的專利申請量在國內外都呈波動上升的趨勢，船型結構領域相關技術成為研究焦點。

圖1 滾裝船船型結構領域專利申請趨勢

1.3 專利申請人分析

對滾裝船船型結構領域的專利申請人進行分析，滾裝船船型結構領域全球專利排名前15的重點申請人情況如圖2所示。由圖2可知，排名前15名的專利申請人均來自中國、日本、韓國、北歐等國家，共申請量189件，占全部申請量的28.6%，在該領域占據了一定的優勢。在申請人中，三菱造船株式會社作為日本老牌造船公司三菱重工有限公司成立的專做船舶的子公司，專利申請量位居全球第一，為31件；緊隨其后的是中國的廣船國際有限公司和滬東中華造船（集團）有限公司，都為25件；其他的申請人如，韓國的大宇造船海洋股份公司，法國的CNIM公司（CONSTRUCTIONS INDUSTRIELLES DE LA MEDITERRANEE-CNIM），德 國 的FSG公 司（FLENSBURGER SCHIFFBAU-GESELLSCHAFT MBH）等的申請量較小。其中，中國的申請人占一半以上，可見船型結構技術領域成為國內滾裝船領域的研究熱點，且發展較快。

圖2 滾裝船船型結構領域專利全球重點申請人分析

1.4 專利關注焦點分析

《國際專利分類表》（IPC分類）是目前國際通用的專利文獻分類法。IPC的集中度體現了技術創新的關注焦點。因此，通過對滾裝船船型結構排名前10的IPC分類梳理（見表1），發現目前滾裝船的船體結構、載荷處理、內部分艙和試驗方法等方面的IPC占比最高，為該領域的技術關注焦點。

表1 占比排名前10的IPC技術

2 專利技術演化分析

對專利文本的分析有利于清晰準確抓住技術要點，通過分析發現，滾裝船船型結構領域的專利申請主要集中于船體結構和建造工藝等兩個技術層面。本文針對技術發展過程中存在的技術問題，結合核心專利進行技術分析，以期為相關企業和研發機構提供新的研究思路。

2.1 核心專利篩選

本文運用引用專利文獻數量、被引頻次、引用非專利文獻數量等10個指標[15]從686條專利篩選出27條核心專利，并根據船體結構和建造工藝2個技術層面對核心專利進行歸納分析，最后按照時間順序繪制出專利發展演化圖（如圖3所示）。

圖3 滾裝船船型結構領域技術路線圖

2.2 船體結構

滾裝船的船體結構設計一直是一個技術難點。該類船體由于具有多層數甲板，高型深，高干舷等結構特點，其在設計上相較于常規船體更難。通過專利文獻閱讀分析，船體結構領域專利主要分為船體整體設計與局部結構設計兩個分支。

2.2.1 整體設計。有關滾裝船整體設計的核心專利在20世紀80年代就已經出現，該專利（JP1982086356）提供了一種早期滾裝船的船體概念模型，提出滾裝船包括外部船體結構和形成用于滾裝貨物單元的貨艙，且設定了各個貨艙壁之間的距離。滾裝船作為一種貨物運輸船，其貨艙設計獨具一格，多甲板的設計讓滾裝船能夠承載更多的貨物，且可以提高裝卸效率，但也導致了滾裝船重心高、穩定性較差。因此，日本鋼管株式會社早在1983年就提出了一種半潛式滾裝船（JP1984142194U），在裝有壓載艙的半浸入式滾降船中，該壓載艙能夠在船體內部傾倒和排放海水，并且通過傾倒和排放壓載艙可以部分下沉或漂浮在水中，此方式在一定程度上降低了滾裝船的重心，同時提高了滾裝船的載貨能力。

2009年后，依托我國得天獨厚的內河航運資源，滾裝船的專利申請也轉向內河，大量涉及內河的滾裝船專利涌現。2011年由宜昌東江造船有限公司提出一種內河滾裝船（CN201120222150.9），采用寬吃水比、不對稱雙尾鰭、內旋螺旋槳和大外漂橫剖面的設計使內河客滾船適用于內河航道，填補了我國內河無客滾船的空白。在此基礎上，內河航道的滾裝船開始從主航道向支流及人工水庫擴展（CN202703861U），通過設計減少滾裝船船身長度使其適用于各種航道流域。此外，為了滿足內河支流和人工水庫重型汽車和旅客運輸的要求和大量水庫礦產資源需要外運的現狀，滾裝船開始向重型車輛、旅客混合運輸發展，通過設計大方形系數U型首、雙球尾、全縱通型甲板（CN203681831U）；S型大外漂橫剖面、至少二個大浸深球尾（CN105882899A）在保證適用于內河航道的船體長度的情況下，同時提高了載貨能力和結構剛度。

近年來，航運的污染問題逐漸成為人們關注的重點，滾裝船的船體結構研究也向綠色化發展。船體結構的綠色化技術涉及船體型線、艙室結構、節能結構等方面。無壓艙系統的應用和水滴下凸型三尾的船型型線（CN206750072U）使滾裝船在非滿載的情況下，無需使用壓載水的同時減少了2%-3%的船舶阻力，可以達到2%-3%的節能效果。此外，宜昌東江造船有限公司提出尾部W形流線型剖面與高效螺旋槳相配合、螺旋槳加裝節能效渦鰭、舵葉加裝節能艙球、舵桿，舵套管凸出船體部分加裝導流罩（CN207120845U）使綜合節能效果達到12%。

2.2.2 局部結構設計。局部結構設計指滾裝船船體內部構件如上部結構、貨艙結構、船首結構等的設計。滾裝船的結構強度一直是滾裝船船體結構中亟需提升的技術點，早在20世紀90年代，三菱重工業株式會社提出通過改善發動機殼體、煙囪與橋之間的布置關系解決了由于煙囪舉升不充分，可能會導致煙霧損壞的問題（JP1986200095A），提升了船體的結構強度；2010年以后，雙艏結構的滾裝船船首結構（CN202944536U）、雙殼體貨艙區的貨艙結構（CN204250305U）都不同程度上提高了滾裝船船體結構強度和破艙穩性。此外，開設隔斷孔的船舶甲板的分隔裝置（CN109911102A）能防止危化品的污染和危害，在保證船體結構強度的同時也保證了人員及環境的安全。總的來看，滾裝船船體的局部結構多用于提高船體的結構強度和穩定性。

2.3 建造工藝

2.3.1 整體建造工藝。滾裝船的整體建造工藝興起較早，但早期的建造工藝只是粗略地對滾裝船的各部分結構進行建造，因此早期的建造工藝比較粗糙。滾裝船船體建造技術的核心專利出現在20世紀90年代，由瓦特西拉股份公司提出，該專利（NO19821701A）提出了外殼結構建造方法和內部艙室的建造長度。2000年后，由于航運經濟的大量發展，滾裝船的需求也越來越多，這對滾裝船的質量要求也越來越高。滾裝船在航行過程中需要克服船體重心高和穩定性差的缺陷，因此南通中遠川崎船舶工程有限公司提出一種雙殼式舷側結構（CN104443258B），并提出用分段加工分段拼接的方式施工，能有效地控制車輛滾裝船在橫搖時由于左右舷受力不對稱而產生的扭轉變形，提高車輛滾裝船的結構強度。此外，南通中遠川崎船舶工程有限公司依然采用分段加工分段拼接的方式建造可注水的底部和舷側空艙（CN104443259B），在船舶航行中對底部和舷側空艙注水壓載，降低船舶重心，提高穩性。

2018年廣船國際有限公司提出多分段的總段劃分方法（CN109263794B），通過將含有多個甲板的多分段分別施工制作，有效提高了分段的結構強度和改善了總段的保型效果；同時，將上建總段劃分為獨立的甲板分段和獨立的外板分段（CN109850067A），可以使甲板分段和外板分段分別在薄板平面分段流水線上自動制造成型，利用自動化設備提升了生產效率和質量。

2.3.2 局部建造工藝。滾裝船的局部結構包括甲板、C型柱、車庫與上層建筑等。隨著滾裝運輸的快速發展，縮短滾裝船的施工工期和建造美觀性成為局部建造工藝的研究熱點。活動甲板水下安裝工藝（CN103057663B）、船舶用C型支柱制備與安裝（CN109911103A）能夠有效地控制重心以提高穩定性，降低生產建造成本，提高生產建造效率；通過安裝預制支撐件再進行切割的方法建造船舶車庫及上層建筑（CN110550146A），在提高船舶車庫或上層建筑搭載精確度的同時又避免在施工過程中上層甲板發生下塌的現象，減少后續的修改工作量，提高了船舶的美觀性。

局部建造工藝除了局部結構的設計與安裝之外，還有特殊部件的實驗方法。船舶試驗是造船過程中一個重要環節,也是最后一個重要環節，檢查船體、機械設備、電器設備及動力裝置的制造、安裝的完整性和可靠性，以便對不符合要求的地方重新調整，使船舶具備適航條件。目前，滾裝船的試驗專利還不多，傾斜實驗（CN101508327A）和載荷試驗（CN111776166A）的改進使得滾裝船的船舶試驗過程更加簡捷，可操作性更強。

3 結語

從專利統計來看，滾裝船船型結構技術領域的全球技術發展呈現出明顯的階段化特征。從全球專利申請態勢的角度分析，2003年之前為技術緩慢發展期，2003年之后開始步入技術快速發展期，其中我國的滾裝船船型結構領域技術發展稍有滯后，但2010年之后，我國無論是在專利數量方面，還是在專利質量方面，都有很大突破，成長為全球滾裝船船型結構領域申請專利最多的國家。

由技術演化路徑分析可知，滾裝船船型結構領域的技術發展主要集中在船體結構和建造工藝兩個方面。其中：船體結構的技術關注點主要集中在船體整體型線設計、內部構件設計和空間貨艙設計上；建造工藝的技術關注點主要集中在總體與局部建造施工工藝、試驗工裝和實驗方法上。綠色化、簡便化及智能化是未來滾裝船船型結構領域的主流發展方向。

對滾裝船建造企業而言，一方面隨著水運經濟的快速發展，滾裝船將要面對海洋、內河、水庫等各種水況及航道；另一方面，隨著艦船綠色制造觀念的推廣，滾裝船的水域適應能力、船舶建造效率和船舶節能領域還需要進一步提升。因此，今后的技術研發可聚焦于以下三點：（1）船體結構領域應更關注綠色化船舶的設計，通過船體型線的設計進行節能減排是滾裝船船體結構領域發展的趨勢；（2）建造工藝領域應更關注薄板分段加工的效率、結構強度以及美觀設計問題；（3）重心高而穩定性低是滾裝船的通病，因此通過總體船體設計、局部結構改進、施工工藝優化降低滾裝船重心并提高其穩性是滾裝船建造企業在今后的船型研發中需要重點關注的領域。