基于專(zhuān)利計(jì)量的船舶動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)趨勢(shì)分析

周 航，盛永祥，吳 潔,2

（1.江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

十九大報(bào)告指出，要加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，提高海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用能力。隨著船舶海工行業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化船舶正呈現(xiàn)出大型化、快速化以及自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，而動(dòng)力系統(tǒng)作為整船的核心，其運(yùn)行不僅關(guān)系著船舶航行時(shí)的動(dòng)力性，同時(shí)還與航行的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性存在緊密聯(lián)系，在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，其重要性日益凸顯。傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)有蒸汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等，但是傳統(tǒng)大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣會(huì)造成嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染，因此，尋求功率、能耗、環(huán)保三者之間的均衡點(diǎn)是未來(lái)船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。2018年4月第72屆會(huì)議上國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)提出了IMO 海運(yùn)溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）減排初步戰(zhàn)略，明確指出國(guó)際海運(yùn)業(yè)未來(lái)的綠色發(fā)展方向、船舶低碳技術(shù)的發(fā)展方向，同時(shí)對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求[1]。因此，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深入分析，有著非常積極的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。

目前，已有較多學(xué)者對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行研究，如林輝[2]、贠廷軍，等[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外船舶動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行剖析，并預(yù)測(cè)未來(lái)船舶動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展方向；岳萬(wàn)寧，等[4]在電力推進(jìn)系統(tǒng)方面設(shè)計(jì)的AFE變頻器解決了因諧波注入造成的電網(wǎng)污染問(wèn)題；何金平，等[5]在現(xiàn)有雙燃料船舶布置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低了機(jī)艙內(nèi)氣體燃料爆炸的概率。關(guān)于專(zhuān)利分析，已有許多學(xué)者利用專(zhuān)利分析的方法探究技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，如Braun，等[6]對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究；Varcoe，等[7]對(duì)燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；丁禮謙，等[8]對(duì)智能船舶相關(guān)重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了研究；王春楊，等[9]基于地方城市專(zhuān)利數(shù)據(jù)，探討了高鐵對(duì)沿線城市創(chuàng)新能力的影響。

專(zhuān)利作為技術(shù)信息的有效載體，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)情報(bào)[10]，已有許多學(xué)者采用專(zhuān)利分析方法研究太陽(yáng)能發(fā)電[6]、微電網(wǎng)[11]等領(lǐng)域的技術(shù)演化，以此來(lái)分析各領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，目前專(zhuān)利分析技術(shù)在諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。雖然已有較多學(xué)者對(duì)具體船舶動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行研究，但尚未有學(xué)者基于專(zhuān)利的視角對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行分析。因此，本文將基于專(zhuān)利分析的方法，聚焦技術(shù)發(fā)展，對(duì)全球船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)、核心專(zhuān)利和技術(shù)演化等進(jìn)行分析，為今后船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供有益參考。

1 專(zhuān)利分析

1.1 專(zhuān)利總體發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

通過(guò)對(duì)專(zhuān)利申請(qǐng)的分析能夠及時(shí)掌握目標(biāo)技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)[12]。截至2020年12月30日，運(yùn)用Patsnap全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)檢索并進(jìn)一步通過(guò)人工篩選出船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠?90 條，共381 組。圖1 給出了全球和中國(guó)船舶動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)。由圖1可知，2000 年以前，全球和中國(guó)都僅有少量專(zhuān)利申請(qǐng)；2000 至2013 年，由于船舶海工行業(yè)發(fā)展需要，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)在動(dòng)力、穩(wěn)定等方面提出了更高的要求，專(zhuān)利申請(qǐng)開(kāi)始緩慢上升。2013年之后，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)大型運(yùn)輸船舶的需求日益增加，專(zhuān)利申請(qǐng)量進(jìn)入快速增長(zhǎng)時(shí)期。可見(jiàn)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)在未來(lái)具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＶ袊?guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)與全球申請(qǐng)趨勢(shì)相似，但是出現(xiàn)時(shí)間較晚，直到2006年之后才出現(xiàn)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)。然而，從中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)占比來(lái)看，呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，這表明我國(guó)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)新力和影響力正不斷提升，占有一席之地。

圖1 船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

1.2 專(zhuān)利技術(shù)關(guān)注焦點(diǎn)分析

國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)（International Patent Classification，IPC）是現(xiàn)有通用的專(zhuān)利技術(shù)分類(lèi)方法。通過(guò)對(duì)IPC分析可以了解當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)，從而把握目標(biāo)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。因此，本文通過(guò)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠腎PC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將全球排名前10的IPC技術(shù)定為技術(shù)焦點(diǎn)，對(duì)篩選出的381組專(zhuān)利進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)情況見(jiàn)表1。

表1 全球數(shù)量排名前10的IPC技術(shù)

1.3 重點(diǎn)專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

針對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)人進(jìn)行分析。由圖2 可知，全球排名前15 的申請(qǐng)人共申請(qǐng)專(zhuān)利141件，占據(jù)全部申請(qǐng)量的36.06%，而排名前列的中國(guó)的哈爾濱工程大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)量是36 件，占全球申請(qǐng)量的9.21%，屬于第一梯隊(duì)，遙遙領(lǐng)先于其他公司，可以看出由于其雄厚的科研實(shí)力和分布較廣的技術(shù)領(lǐng)域，在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中掌握著主動(dòng)權(quán)；GENERAL ELECTRIC COMPANY（通用電氣公司）和上海海事大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)量分別為24件、10件，分別占比6.14%、2.56%，屬于第二梯度，研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)力相對(duì)較強(qiáng)；其他申請(qǐng)人西門(mén)子股份公司、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司、三菱重工有限公司、中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心等專(zhuān)利申請(qǐng)量的差異不大，屬于第三梯隊(duì)。

圖2 船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠蛑攸c(diǎn)申請(qǐng)人分析

全球主要申請(qǐng)人中，屬于中國(guó)的有10家，分別是哈爾濱工程大學(xué)、上海海事大學(xué)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)、江蘇科技大學(xué)等，總申請(qǐng)量占全球主要申請(qǐng)人的66.7%，位居第一。

1.4 核心專(zhuān)利識(shí)別

核心專(zhuān)利是指在某個(gè)領(lǐng)域具有高度影響力和創(chuàng)新性的且具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的專(zhuān)利[13]。因此，識(shí)別核心專(zhuān)利是進(jìn)行技術(shù)演化分析的基礎(chǔ)，對(duì)于分析目標(biāo)技術(shù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展方向起到重要作用。一般情況下，專(zhuān)利被引頻次是識(shí)別核心專(zhuān)利的重要指標(biāo)，若目標(biāo)專(zhuān)利被引頻次越高，表明此專(zhuān)利在該技術(shù)領(lǐng)域具有較高的創(chuàng)新性和價(jià)值。

依據(jù)普萊斯定律，本文以專(zhuān)利被引頻次界定專(zhuān)利是否為核心專(zhuān)利[14-15]。定義專(zhuān)利被引頻次在M～Nmax內(nèi)則為核心專(zhuān)利。其中M=0.749，Nmax為目標(biāo)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠凶罡弑灰l次。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)單件專(zhuān)利被引頻次最高達(dá)到140次，即Nmax=140，M=0.749≈8.86（次），所以被引頻次達(dá)到9 的專(zhuān)利方可認(rèn)定為核心專(zhuān)利。為了保證核心專(zhuān)利的有效性，本文還結(jié)合專(zhuān)利的法律狀態(tài)對(duì)專(zhuān)利進(jìn)行識(shí)別，對(duì)有關(guān)駁回、撤銷(xiāo)等法律狀態(tài)的專(zhuān)利予以排除，最終統(tǒng)計(jì)獲得51件核心專(zhuān)利，見(jiàn)表2。

表2 核心專(zhuān)利被引頻次排序表

2 專(zhuān)利技術(shù)演化分析

進(jìn)行專(zhuān)利文本分析有利于精確把握目標(biāo)技術(shù)的核心要點(diǎn)。通過(guò)專(zhuān)利文本發(fā)現(xiàn)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中于電力推進(jìn)系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)兩個(gè)技術(shù)層面。本文結(jié)合核心專(zhuān)利技術(shù)分析，針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究，為相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)提供新的研究方向和思路。

2.1 核心專(zhuān)利篩選

本文引用專(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)量和非專(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)量、被引頻次等10個(gè)指標(biāo)[16]從381組專(zhuān)利中篩選出28條核心專(zhuān)利，并根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)兩個(gè)技術(shù)層面對(duì)核心專(zhuān)利進(jìn)行歸納分析，最后按照時(shí)間順序繪制專(zhuān)利發(fā)展演化圖，如圖3所示。

圖3 船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)路線圖

2.2 電力推進(jìn)系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)大型柴油發(fā)電機(jī)會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染，各大船舶動(dòng)力系統(tǒng)生產(chǎn)商開(kāi)始努力設(shè)計(jì)更加節(jié)能環(huán)保的推進(jìn)方式。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般與柴油發(fā)電機(jī)、變頻器、變壓器等電氣設(shè)備進(jìn)行組合使用，以傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方式進(jìn)行推進(jìn)。電力推進(jìn)系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，三菱重工株式會(huì)社應(yīng)急電動(dòng)推進(jìn)裝置（JP1985018495A）和（JP3576528B2）的研發(fā)為之后船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；之后國(guó)外企業(yè)開(kāi)始嘗試使用電力作為船舶動(dòng)力源，例如西門(mén)子公司的（WO2000047464A1）正式將電力推進(jìn)引入到船舶的推進(jìn)系統(tǒng)中，此后電力推進(jìn)系統(tǒng)得到大力發(fā)展，直到2006 年株式會(huì)社日立制造所（JP4857442B2）公開(kāi)了一種簡(jiǎn)化船體螺旋槳結(jié)構(gòu)和舵結(jié)構(gòu)的新型吊艙式螺旋槳，吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)。

2007-2016年間，隨著內(nèi)燃機(jī)類(lèi)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的廢氣排放對(duì)環(huán)境造成的污染愈加嚴(yán)重，而現(xiàn)有電動(dòng)船舶電能利用率低，提高船舶電能利用率成為需要迫切解決的問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展，2010年上海海事大學(xué)提出了基于動(dòng)力電池的船舶電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)（CN201842250U），為了簡(jiǎn)化船舶動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布局，上海海事大學(xué)的（CN202320761U）和江蘇科技大學(xué)的（CN104229113B）在現(xiàn)有吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度探索，并取得了一定的成果。

2017-2020年間，隨著國(guó)家對(duì)船舶污染物排放進(jìn)行大力度的控制，混合電力推進(jìn)的供能方式逐漸替代了以往單一的柴電電力推進(jìn)方式，例如，2017年中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心的抱軸式電力推進(jìn)（CN107745793B）、2018 年中船重工的電池電力推進(jìn)方式（CN209321219U）、2020 年中船郵輪科技發(fā)展有限公司的雙繞組電力推進(jìn)方式（CN111717358A）；而在電力推進(jìn)控制方面，2020 年江蘇科技大學(xué)采用的鋰電池、燃料發(fā)電以及超級(jí)電容三種能量供給技術(shù)（CN111634404A），為船舶不同的動(dòng)力需求提供了貼切的供能組合。

2.3 燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)作為大型運(yùn)輸船舶常用的動(dòng)力源，主要分為傳統(tǒng)的柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。較于電力推進(jìn)系統(tǒng)，燃料系統(tǒng)興起較早，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，是由通用電氣公司推出的雙燃料控制系統(tǒng)技術(shù)（US3766734）。1972-2000 年間，由于航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，三菱重工業(yè)株式會(huì)社開(kāi)始大力發(fā)展燃料系統(tǒng)，從最初的雙燃料噴射系統(tǒng)（EP0282819A2），轉(zhuǎn)向雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（JP3064222B2）、（JP2008202545A）、（JP6297363B2）的改進(jìn)和雙燃料控 制 系 統(tǒng)（JP1990207153A）、（JP2008202545A）、（CN104769261B）的優(yōu)化，不斷完善油、氣燃料模式的切換，以保障燃料系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。2014年，南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司在國(guó)際現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化升級(jí)了原有燃料的加注管路（CN204200402U）；與此同時(shí)，三菱重工業(yè)株式會(huì)社針對(duì)氣體燃料和液體燃料的供應(yīng)問(wèn)題（WO2015122325A1），進(jìn)一步深入研究，并取得了一定的成果。

隨著LNG 作為清潔能源越來(lái)越受到青睞，船運(yùn)等相關(guān)行業(yè)將LNG列為可代替常規(guī)船用燃油的首選燃料，2016-2018 年間，國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)在現(xiàn)有技術(shù)的條件下開(kāi)始發(fā)展雙燃料動(dòng)力船舶，其中，江蘇科技大學(xué)（CN206107530U）、南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司（CN107719614A）實(shí)現(xiàn)了柴油-LNG 雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)在滾裝船上的運(yùn)用；隨著節(jié)能減排成為研究熱點(diǎn)，混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)。

2019-2020年間，混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為國(guó)內(nèi)各企業(yè)和科研院所的研發(fā)重點(diǎn)，中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心的脹套式聯(lián)合推進(jìn)（CN110155289A）、哈爾濱工程大學(xué)的氨電混合動(dòng)力系統(tǒng)（CN111332446A）、廣船國(guó)際有限公司的低硫油和甲醇雙燃料驅(qū)動(dòng)方式（CN111469979A）和山西汾西重工有限責(zé)任公司的直流組網(wǎng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)（CN111907679A）豐富了船舶動(dòng)力源，設(shè)計(jì)出一種控制系統(tǒng)，以根據(jù)工況切換不同的運(yùn)行推進(jìn)模式，極大地發(fā)展了船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

從專(zhuān)利統(tǒng)計(jì)來(lái)看，船舶動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的全球和中國(guó)技術(shù)發(fā)展總體呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)。從全球?qū)＠暾?qǐng)態(tài)勢(shì)的角度分析，2001 年之前為技術(shù)空窗期；2001-2013年間開(kāi)始步入緩慢增長(zhǎng)期；2013年之后進(jìn)入快速發(fā)展階段。我國(guó)的船舶動(dòng)力領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展稍有滯后，但2014 年之后，我國(guó)無(wú)論是在專(zhuān)利數(shù)量方面，還是在專(zhuān)利質(zhì)量方面，都有很大突破，成長(zhǎng)為全球船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域申請(qǐng)專(zhuān)利最多的國(guó)家。

由技術(shù)演化路徑分析可知，船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展主要集中在電力推進(jìn)系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)兩個(gè)方面。其中，電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)主要集中在使用燃料電池、超級(jí)電容等多種電力源發(fā)電；燃料系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)主要集中在LNG 雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)、船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)。節(jié)能、環(huán)保是未來(lái)船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的主流發(fā)展方向。

船舶動(dòng)力系統(tǒng)在傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、電力推進(jìn)系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)等方面已有了一定的技術(shù)突破，但隨著船舶海工行業(yè)發(fā)展需求和趨勢(shì)的變化，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求以適應(yīng)市場(chǎng)需求。智能化、節(jié)能環(huán)保、功能集成是未來(lái)國(guó)內(nèi)外船舶動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，也為世界各國(guó)船舶廠商提供不竭動(dòng)力，促進(jìn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)不斷成熟。