專利視角下全球工廠化農業技術發展態勢分析

褚農農， 閆 華， 楊信廷， 王姝言， 孫曉冬， 陳文燾

（1.北京市農林科學院信息技術研究中心，北京 100097； 2.中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081）

0 引言

隨著農業技術的不斷革新，農業科技發展逐步從傳統農業過渡到智慧農業這一新的業態模式[1]。我國農業發展大致可分為4 個階段，第1 階段是以人力和畜力為主的傳統農業；第2 階段是以廣泛應用雜交種和化肥農藥的生物化學農業；第3 階段是以農業機械為勞動工具的機械化農業；第4 階段是以互聯網、大數據、云計算、人工智能等高新技術應用為主的智慧農業[2]。當前，世界農業正在朝著智慧化的方向發展，工廠化農業正是在這一條件下產生的[3]。20 世紀70 年代工廠化農業技術開始引入我國，工廠化農業是在我國農業不斷發展的基礎上形成的，是在一定規模化生產的基礎上，以標準化、機械化、科技化的手段，輔以智慧農業相關高新技術，實現農產品從耕種管收全流程的工業化農業管理模式。目前工廠化農業的發展程度已經成為衡量一個國家農業現代化發展的重要標志，工廠化農業是我國農業高科技發展的必經之路。

專利文獻是一種了解特定領域關鍵技術的專業文獻，是技術信息最為有效的標準化載體[4-5]。技術市場素來有“產品未動、專利先行”的準則，即新技術新產品極易被競爭對手抄襲侵權，必須以一種國家乃至國際保護的形式來獲得技術創新的法律保障，以便后續實現該技術產品的市場投放與盈利[6-8]。研究以專利文獻計量的方法，統計和分析全球工廠化農業的發展情況，從專利的時間序列分布、申請人類型、國家/區域分布、申請機構、發明人和熱點技術領域6 個方面縱觀工廠化農業的發展趨勢與競爭態勢。旨在從全球視角分析工廠化農業技術的發展現狀、研究熱點、發展趨勢，以及國內外的發展異同，為我國工廠化農業技術研發提供一定參考。

1 數據來源與工具

1.1 數據來源

智慧芽數據庫是PatSnap 旗下的一款專利檢索與分析產品，數據庫收錄了116 個國家/地區，總數超過1.5 億條專利數據，集成了世界知識產權組織、中國知識產權局、美國知識產權局、歐洲知識產權局、日本知識產權局及韓國知識產權局等世界主流專利數據庫，數據涵蓋較為廣泛，能較好地為本研究進行專利分析提供數據基礎[9-10]。以智慧芽數據庫為數據源，檢索和分析工廠化農業技術在全球的專利分布情況，把握工廠化農業科技發展的研究趨勢和前沿熱點，為提出符合我國國情的工廠化農業科技發展的目標、任務和組織實施機制提供參考。

1.2 分析工具

智慧芽數據庫自帶專利分析功能，對單篇專利可實現引證和同族分析功能，多篇專利可以實現多字段、多維度的矩陣分析、聚類分析等高級分析功能。這為本研究提供了一項重要技術工具。利用Excel 強大的數據整合、發展趨勢、圖文報表和數據報表等功能，對數據集進行基本的統計分析。

2 工廠化農業技術領域分解

工廠化農業按照應用場景，具體劃分為植物工廠化農業、水產工廠化農業、畜禽工廠化農業和食用菌工廠化農業4 個技術領域，如圖1 所示。

圖1 工廠化農業技術領域分解圖Fig.1 Decomposition diagram of industrial agricultural technology field

植物工廠是目前工廠化農業應用最廣泛的技術領域，目前植物工廠是植物栽培技術發展的最高階段，通過集成化、全流程化的技術在半封閉或全封閉環境下，實現作物高質、高產的農業系統性發展。水產工廠起源于20 世紀60 年代美國的初步流水網箱養殖，隨著傳感器技術、膜技術、自動化技術和生物工程等技術的不斷發展和完善，水產工廠化技術逐步邁入了機械化、信息化和智能化的全新時代。隨著生物工程、基因工程、大數據和人工智能等技術在畜牧業中的不斷發展和應用，畜禽業逐漸由傳統的飼養方式轉變為封閉式、工廠化的大型自動化管理模式，在種苗引進、繁育、飼料配制、疫病防疫、環境控制、飼養管理及經營管理等全流程的飼養管理。食用菌產業是我國的一大特色農業產業，食用菌工廠是指在封閉的廠房內，通過對溫度、濕度、光照等菌類最適宜的生長環境進行調控，并輔以標準化、機械化、設施化和智能化等技術，實現食用菌高效生產、加工和銷售的全流程自動化管理。

3 專利發展趨勢分析

工廠化農業在植物、水產、畜禽和食用菌領域各有不同的適用對象和技術概念，以對象+技術概念對工廠化農業在不同領域的表現形式進行專利檢索，是情報檢索中產權率和查準率的重要手段。在植物工廠領域，是以葉類蔬菜、瓜類蔬菜、茄果類蔬菜、豆類蔬菜、蔥蒜類蔬菜和芽類蔬菜等設施蔬菜為對象，以LED 人工光為主要手段，輔以傳感器技術、環境調控技術對植物光合作用進行需求調控等技術概念的應用；在水產工廠領域，是以蝦類、螯蟹類、魚類、參類、水產植物及水產藻帶類等為對象，以養殖水態控制、科學飼料配比、輔以藥物添加劑，促使養殖周期科學化，以此為技術概念的應用；在畜禽工廠領域，是以兔、牛、羊和豬等哺乳類，以及雞、鴨、鵝和鴿子等禽類動物為對象，以雜交技術、科學飼料配比、各類疫病防治為手段，以縮短生長發育期，促進肉蛋奶品質等技術概念的應用；在食用菌工廠領域，是以木腐食用菌、草腐食用菌、秸稈食用菌、糞生食用菌和土生食用菌等為對象，以優化配比培養料、選取最優栽培方式，在菌類生長過程中進行實時生長環境控制等技術概念的應用。

在工廠化農業技術應用領域進一步劃分的前提下，分別對4 類技術領域進行專利檢索，檢索數據庫為PatSnap，檢索時間范圍為2012—2021 年間共10 年的數據。對檢索結果進行去重、去除同族專利、過濾無關專利等數據清洗工作后，共得到113 494 項專利。采用Excel 和智慧芽分析工具對檢索結果進一步統計分析。

3.1 時間序列分析

工廠化農業技術可以追溯到20 世紀70 年代，1972—1999 年，專利數量較少，均在1 萬項以下。2000 年開始，專利申請開始穩步提升，到2011 年專利數量達到1 萬余項。從全球工廠化農業專利申請趨勢來看（圖2），2012 年以后，專利數量整體處于上升態勢，其中2017 年達到頂峰，為12 462 項，部分年份穩中有降，其中2018、2019 和2021 年3 年均出現下降趨勢，尤其是2019 年較2018 年降幅11.8%，2021 年較2020 年降幅20.6%，這可能與全球爆發的新冠疫情有較大關聯。

圖2 工廠化農業技術專利申請時間演化Fig.2 Time evolution of patent application for industrialized agricultural technology

中國從1989 年開始出現了第1 項關于食用菌的生產技術，為福建省漳州制糖工業研究所的鄭淵鳴等申請的全濾泥生產蘑菇菌種的方法。近10 年，中國工廠化農業技術專利申請數量為39 679 項，約占全球的35.0%，2012—2017 年專利數量逐年穩步提升，2017年申請專利達到頂峰，為5 927 項，2018—2021 年專利申請數量又開始下降，2021 年僅為3 692 項。

3.2 申請人類型分析

專利申請人包括公司、院校/科研院所、個人、政府機構及其他（包括醫院、銀行等）5 類，對申請人類型進行分析，結果如圖3 所示。公司和院校/科研院所是工廠化農業專利最主要的申請人類型，兩者總計100 269項，占比85.1%，其中公司申請量（83 317 項）為院校/科研院所（16 952 項）的近5 倍。

圖3 專利申請人類型分布Fig.3 Distribution of patent applicant types

公司是進行農業工廠化技術專利布局數量最大的群體，院校和科研院所是進行基礎研究的主要群體，是專利申請的第2 大主體，其次個人和政府機構、其他社會組織申請專利數量為17 505 項，占比14.9%。

3.3 國家/區域分布情況

對專利技術分布的國家/區域進行統計分析，申請人的國家/區域分布情況如圖4 所示，與專利受理國家/地區的分布情況，或者稱為專利目標市場國家/地區的分布情況（圖5）不同。在產品流通之前，技術人員根據技術和市場需求在不同的國家/地區申請專利并獲得法律保護，這是技術市場的專利部署策略。

圖4 專利技術來源國家/地區分布Fig.4 Distribution of patent technology source countries/regions

圖5 專利技術受理國家/地區分布Fig.5 Distribution of patent technology acceptance countries/regions

從專利來源國/地區來看（圖4），共有20 個國家/地區申請專利數量超過1 000 項，其中美國申請量為世界第1，為39 679 項，占比35.0%，為全球總量的1/3；美國、中國、日本和德國4 個國家均超過10 000 項，總和占比71.0%；其次瑞士、英國、俄羅斯、法國和韓國5 個國家均超過5 000 項；其余11 個國家均超過1 000 項。

從專利的受理國家/地區來看（圖5），專利技術市場主要分布于美國、印度、世界知識產權組織、中國、歐洲和以色列等國家/組織，美國既是最主要的專利申請國，也是專利技術最大的布局市場；印度和以色列申請專利數量分別位列13 和16 位，而技術市場分別位列2 和6 位，可見其市場價值之高，應用之廣；中國專利申請量僅次于美國，位列世界第2，但市場布局占到第4 位，市場占有量僅為美國的17.4%，可見我國工廠化農業應用范圍還較小、市場占有率還不高；得益于知識產權申請的國際化發展趨勢，世界知識產權組織和歐洲專利局受理專利數量分別位列第3 和5 位。

3.4 申請機構分析

進行專利技術戰略性布局是全世界各工廠化農業技術研發和產品生產機構的首要任務，除了商業秘密，選擇申請專利權尋求法律保護是進行研發和生產的主要任務和重要前提。從申請人的所屬機構來看，農用公司、農業大學和科研機構是專利申請最主要的機構，對申請專利數量超過1 000 項的機構共16 家，分析結果如表1 所示。

表1 專利申請機構TOP 16Tab.1 Patent application agency TOP 16

前16 個機構中美國共10 家，瑞士3 家，俄羅斯、德國和法國各1 家。俄羅斯KVASENKOV OLEG IVANOVICH 專利申請量最大，達5 810 項，排名全球第1。其次美國孟山都科技公司（3 612 項）、美國先鋒國際良種公司（2 917 項）、美國加利福尼亞大學（2 704 項）和瑞士商諾華公司（2 005 項）4 家機構申請量均超過2 000 項。

從中國專利權人近10 年的統計數據來看，中國專利權人申請專利數量超過50 項的共24 家（表2），中國工廠化農業技術的科研力量主要集中在高校和科研院所，其中高校/科研院所共19 家，企業5 家。浙江大學、廣東東陽光藥業有限公司和南京農業大學表現最為突出，均超過100 項。其余21 家機構均超過50 項。

表2 中國專利申請機構TOP 24Tab.2 Chinese patent application institutions TOP 24

3.5 發明人分析

對工廠化農業技術專利的發明人進行統計分析，選取申請專利數量超過200 項的發明人，共計10 人，統計結果如表3 所示。明顯看出，排名前10 的發明人中，美國公司技術人員8 人，德國公司技術人員2 人。其中美國孟都山科技公司4 人，美國巴斯夫歐洲公司2 人，美國希樂克公司、美國MS 技術有限責任公司、德國拜爾農作物科學股份公司和德國羅氏生物制藥有限公司各1 人。美國農業類企業發明人占到了絕大多數，其中美國MS 技術有限責任公司的MASON, JUSTIN申請量最高，為425 項。

表3 專利發明人TOP 10Tab.3 Patent inventor TOP 10

3.6 研究熱點分析

專利地圖通過聚類算法將專利集合投射到地圖上不同的網格（Grid）中，特征相似的專利會落在相同或者相鄰的格子內，在此基礎上將相近的格子劃歸成一個聚類（Cluster）。每個聚類提取專利中的關鍵詞作為標簽，根據各網格中專利數量的多少將其可視化成高低不同的山峰，最終形成專利地圖。以智慧芽數據庫自帶的3D 專利地圖分析工具對工廠化農業的4 個技術領域專利研究熱點進行分析，結果如圖6、圖7、圖8和圖9 所示。

圖6 植物工廠專利技術研究熱點Fig.6 Research hotspots of patent technology in plant factories

圖7 水產工廠專利技術研究熱點Fig.7 Research hotspots on patent technology in aquatic factories

圖8 畜禽工廠專利技術研究熱點Fig.8 Research hotspots on patent technology in livestock and poultry factories

圖9 食用菌工廠專利技術研究熱點Fig.9 Research hotspots on patent technology in edible mushroom factories

植物工廠領域的專利研究熱點主要集中在6 個方面：一是種子催芽技術；二是LED 植物光源技術；三是栽培裝置；四是傳感器；五是物聯網；六是智能系統。

水產工廠領域的專利研究熱點主要集中在5 個方面：一是智能飼養、精準投喂、遠程控制管理系統；二是水質凈化生物反應器；三是封閉式養殖設備；四是增氧裝置；五是養殖水理化處理。

畜禽工廠領域的專利研究熱點主要集中在5 個方面：一是養殖污水處理；二是自動飲水裝置；三是精準自動投料、移動式采食槽；四是物聯網智能個體健康管理系統；五是畜舍自動清潔裝置。

食用菌工廠領域的專利研究熱點主要集中在5 個方面：一是培養基、營養基、栽培料；二是菌種培養與制備；三是栽培架、栽培床；四是藥用或功能性菌及其制備；五是發酵技術。

4 建議

目前，我國在工廠化農業專利技術申請數量方面僅次于美國，但在專利市場布局方面排名還有一定距離，在產業化方面又存在較大差距，如我國設施蔬菜平均單產只有荷蘭的1/3，人均管理溫室的面積只有日本的1/5、西歐的1/8。我國工廠化農業的總面積和總產量均位居世界第1，發展成效顯著。但是與美國、荷蘭、以色列和日本等發達國家的工廠化農業相比，我國工廠化農業產出效能整體不高，比較優勢不強，競爭優勢弱。

（1）將工廠化農業技術作為未來設施農業發展的重點方向。進一步提升工廠化農業技術的重要地位，優先設立工廠化農業科技支撐重點任務，力爭在工廠化農業領域率先實現農業現代化。

（2）加快突破技術瓶頸。加快突破農業傳感器、動植物知識模型、智能控制和精準作業設備等核心關鍵技術。特別是中美貿易斗爭、非洲豬瘟等，對發展無人值守豬場、智慧牧場、智能植物工廠等新業態的需求更加迫切。

（3）加快培育工廠化農業高新技術企業和產業集群。加快布局以工廠智慧農業為主題的技術創新中心、農高區、農業科技園區、星創天地等創新創業基地平臺，通過政府引導基金、農機補貼、后補助等方式，重點培育一批具有國際競爭優勢的工廠化農業高新技術企業，壯大產業集群。

5 結束語

工廠化農業是在設施農業的基礎上發展起來的，是設施農業的更高形式。工廠化農業是在一定規模化生產的基礎上，融入智慧農業新技術，實現標準化、機械化和科技化的農業新的生產方式。為掌握全球工廠化農業專利技術的發展趨勢和研究熱點，檢索和分析工廠化農業專利在全球的分布情況。

（1）工廠化農業專利申請最早起源于20 世紀70年代，并于2000 年專利申請量開始穩步提升，到2019 年達到頂峰，受自然因素影響，近幾年申請數量有所下降。中國工廠化農業技術專利申請較晚，1989年開始申請第1 項專利，其后申請量緩步提升，尤其近10 年來申請總量約占全球的10.7%。

（2）公司/企業是進行工廠化農業專利布局的最大群體，其次是院校和科研院所，其中公司申請量（180 787項）為院校/科研院所（1 054 項）的近3 倍，企業是承擔技術研發與成果轉化落地的最大責任主體。

（3）美國是工廠化農業技術專利申請量和市場布局量最高的國家，遠超其他國家。中國專利申請量僅次于美國，排名第2，但市場布局不及申請量，排名第4。

（4）全球專利申請人排名前16 的機構中，基本均為企業和院校/研究院所，其中美國機構最多，占到10 家。中國專利權人機構中排名前24 位的大部分為高校和科研院所，表現最為突出的是浙江大學、廣東東陽光藥業有限公司和南京農業大學。

（5）全球排名前10 的專利發明人均為企業技術人員，其中美國企業人員8 人、德國企業人員2 人，并且均為農業科技、機械和生物制藥公司技術人員。

（6）在植物、水產、畜禽和食用菌4 個領域的工廠化農業的研究熱點各有所側重。