基于專利計量的農田土壤撿石機械化技術發展態勢分析

張佳 王宏 李川江 張佳喜 杜亞坤

摘要：為明晰農田土壤撿石機械化技術發展現狀，通過PatSnap（智慧芽）專利檢索平臺，采用專利計量方法對農田土壤撿石機械化技術在1990年1月1日—2022年10月24日期間全球申請專利的整體情況、申請趨勢、申請地域情況、申請人情況以及相關典型機型進行分析，并用可視化的方法展示該技術領域的創新狀況。結果表明：全球農田土壤撿石機械化技術經歷從孕育時期、初步發展時期、調整時期到現如今的快速發展時期，全球共申請撿石機械化技術領域相關專利583件，其中中國申請撿石機械化技術領域相關專利149項，約占全世界25.6%。中國相關專利申請主要集中在安徽省、山東省、江蘇省，其中，企業申請數量占比69.8%，科研院所和高校申請占比14.8%。總結分析全球農田土壤撿石機械按結構原理分為輪齒式、鏟鏈式、鏟刀轉籠式和齒耙式；并介紹目前應用較好的代表機型及結構特點。指出我國撿石機械技術目前仍存在撿石機撿石機理研究薄弱、撿石機的穩定性和可靠性較差以及撿石機經濟效益低，不易推廣等問題。結合我國國情提出我國撿石機械需要加快開展撿石機的基礎理論研究、提高機具適應性以及可靠性、技術多元化與裝備智能化。

關鍵詞：農業耕地；撿石機械；發展態勢；專利計量

中圖分類號：S224.9

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0250-07

收稿日期：2022年11月2日

修回日期：2023年2月20日

*基金項目：新疆維吾爾自治區自然科學基金（2022D01A245）；新疆維吾爾自治區重大科技專項（2022A02007—2—3）

第一作者：張佳，男，1987年生，烏魯木齊人，碩士，副教授；研究方向為農業機械創新設計。E-mail： 304165686@qq.com

Analysis on the development trend of farmland soil stone-picking mechanization technology

based on patent bibliometrics

Zhang Jia¹， Wang Hong¹， Li Chuanjiang¹， Zhang Jiaxi²， Du Yakun²

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi， 830023， China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830000， China）

Abstract： In order to clarify the development status of mechanized technology for picking up stones in farmland soil， through the PatSnap patent retrieval platform， the patent measurement method was used to analyze the overall situation， application trend， application area， applicant situation and related typical models of the global patent application of mechanized technology for picking up stones in farmland soil during the period from January 1， 1990 to October 24， 2022， and the innovation status of this technology field was displayed by visual method. The results show that the mechanization technology of soil stone picking in the global farmland has experienced from the gestation period， the initial development period， the adjustment period to the rapid development period. A total of 583 patents in the field of stone picking mechanization technology have been applied globally， of which 149 patents in the field of stone picking mechanization technology have been applied by China， accounting for about 25.6% of the world. The relevant patent applications in China are mainly concentrated in Anhui， Shandong and Jiangsu Provinces. Among them， the number of patent applications applied by enterprises accounts for 69.8%， and the number of patent applications applied by scientific research institutes and universities accounts for 14.8%. According to the structural principle， the global farmland soil stone picking machinery can be divided into gear type， shovel chain type， shovel cage type and tooth rake type. The representative models and their structural characteristics are also introduced. It is pointed out that there are still some problems in our country， such as weak research on the mechanism of stone picking machine， poor stability and reliability of stone picking machine， low economic benefit of stone picking machine and difficult to popularize. According to the national conditions of our country， it is suggested that Chinas stone picking machinery needs to accelerate the basic theoretical research of stone picking machine， improve the adaptability and reliability of the machine， as well as the diversification of technology and intelligent equipment.

Keywords： agricultural cultivated land; rock picker; development trend; patent bibliometrics

0 引言

據自然資源部2021年公布顯示，中國農田耕地面積約為1.28×10⁵khm²，在世界各國中排名第三，且呈逐年增加的趨勢^[1]。而我國現有農業耕地中，幾乎都會存在不同數量、大小的石頭，在新開發的耕地中石頭的數量更多，農田中的石頭對農作物種植的影響較大，主要有三個方面的危害：一是，可直接降低農作物播種率以及出芽率；二是，影響土壤容重、孔隙率及含水量等物理性質，容易產生地表侵蝕，徑流，降低農作物的播種質量；三是，增大農機具的作業阻力，增大損壞農機具的關鍵部件的可能性。總之，農田中的石頭如不清理，則會增加農業生產成本，減少了農作物產量，從而降低經濟效益，嚴重制約農業機械化和農業經濟的發展^{[2， 3]}。我國農田土壤撿石機械化技術發展較晚，還存在基礎研究不足、可靠性不高、自動化及智能化較低的問題，然而進口的撿石機械雖然技術成熟，穩定性可靠性較好，但機型大且價格昂貴，不適合我國小面積農田使用^{[4， 5]}。因此，分析全球農田土壤撿石機械化技術發展現狀，關注撿石機械技術領域研發重點及典型機型，有利于推進我國農田土壤撿石機械化技術的高速發展。

專利計量是獲取某領域競爭情報的重要方法之一^[6]，通過專利文獻分析，可以得到相關產業的競爭與合作態勢及技術研發策略和產業發展方向；目前，采用專利計量方法研究其發展現狀及趨勢已被廣泛應用于工業、農業以及醫學等多個領域^[7-9]。在農業領域方面，孫藝偉等^[10]分析了設施水產傳感器技術專利的申請趨勢、技術分類以及專利布局等內容，揭示了設施水產傳感器技術的發展現狀；劉勤等^[11]分析了全球油菜產業的研究熱點、申請趨勢以及專利強度等，總結了全球油菜產業發展現狀及趨勢，但當前還沒有利用專利計量的方法對農田土壤撿石機械化技術進行分析研究。

本文采用專利計量方法^[12]，運用PatSnap（智慧芽）專利檢索平臺，以農田土壤撿石機械化技術為分析對象，從申請趨勢、地域情況、申請人信息以及典型機型等方面對農田土壤撿石機械化技術進行分析，以期揭示該技術領域的發展現狀及趨勢，為該領域技術研發主體及個人提供情報支撐。

1 專利數據平臺及數據統計

本文以PatSnap（智慧芽）專利數據庫作為數據源，對農田土壤撿石機械化技術領域相關的專利進行檢索。數據時間范圍選取：1990年1月1日—2022年10月24日；檢索式為：（TA_ALL：（撿石OR揀石OR撿石機OR撿石作業OR石頭撿拾OR石塊撿拾OR收集石塊OR戈壁撿石OR石頭清理OR“Stone picker” OR “rock picker“ OR “rock mover” OR “Stone collector” OR “Removing Stones” OR “Stone gathering” OR “Stone raker” OR “Stone rake” OR “Stone picking” OR “Stone collecting” OR “picking up rocks” OR “Stone digger”） AND （IPC：（A01B43） OR IPC：（A01B49） OR IPC：（A01D75） OR IPC：（E02F） OR LOC：（15-03） OR LOC：（15-99）） AND （APD：[19000101 TO 20221024]））。數據檢索后，人為對檢索結果進行分析判讀，并進行比較的過濾過濾和同族合并，最終得到農田土壤撿石機械化技術相關專利583件作為研究數據集。

采用Microsoft Excel軟件進行數據統計和分析處理，采用Microsoft Excel和Origin軟件進行輔助繪圖。

2 結果與分析

2.1 專利總體情況

農田土壤撿石機械化技術專利總體情況如表1所示。

1970年1月1日—2022年10月24日期間，全球共申請撿石機械化技術領域相關專利583件，共包含有效專利134件，失效專利421件以及審查中專利28件；中國申請撿石機械化技術領域相關專利149項，包含有效專利83件，失效專利42件以及審查中專利24件；撿石機械化技術領域，中國的專利申請量約占全世界25.6%。由于實用新型和發明專利申請周期較長，部分2021年及2022年的專利申請未被公開，故2021年和2022年的專利數量等數據僅供參考。

2.2 申請趨勢分析

1907年，法國的Johann和Aloys^[13]共同申請了Machine to remove stones topsoil的發明專利，這也是世界上首件關于撿石機械化技術領域的專利。從圖1可以看出，1945年之前，全世界申請本領域專利數量為21件，數量較少；1945—1987年，本領域專利數量整體出現一定幅度增長，專利申請數量達234項；1988—2016年，專利申請數量出現短暫下降，2017—2022年，全球專利申請數量幅度最大，數量最多；2020年專利申請數量達到頂峰，申請數量達33件。我國關于撿石機械化技術領域相關專利誕生于2001年，由新疆生產建設兵團農業建設第十師農機局和新疆生產建設兵團第十師一八七團^[14]共同申請1件實用新型專利，專利名稱為農田撿石機，從此開啟了我國撿石機技術領域發展的先河。2001—2014年，我國申請相關專利數量為11件；2015—2022年，我國申請相關專利數量為138件，專利申請量幅度最大。從整體申請趨勢及專利內容來看，國外撿石機械技術發展較早，80年代已經具有成熟的撿石機型^[15]，我國撿石機械技術起步較晚，隨著我國現代化農業的高質量發展，近些年，對撿石機械化技術的需求大幅度增加。

2.3 申請地域分析

2.3.1 全球地域分析

如表2所示，全球專利申請地域排名前二十的申請國家中，中國的專利申請數量最多，達148件，占全球申請量25.6%，其次為前蘇聯、美國、西班牙、加拿大、芬蘭以及日本等國家，其專利申請總數量分別為36件、33件、26件、18件、16件和14件，由此可見，撿石機械化技術領域專利主要集中在中國。美國、加拿大以及芬蘭等國家雖然本領域專利申請數量不多，但卻是撿石機械技術研發的強國，其典型機型從上市以后一直沿用至今。

中國相關專利申請排名前二十的省份如表3所示，主要集中在中國東部及北部，專利申請數量排名前五的分別是安徽省、山東省、江蘇省、內蒙古以及浙江省，其專利申請數量分別為22件、21件、12件、11件和11件，其次是廣東省、甘肅省、黑龍江省，其專利申請數量分別為8件、7件和7件，其余省份申請數量不大，由數據可以看出，中國北方地區農業以大面積種植為主，撿石作業主要依靠撿石機械完成，故北方地區對撿石機械的技術需求較大。

2.4 相關專利申請人概況

申請人在本領域申請數量越多，越能代表該申請人在本領域的研發重點及研發實力。對全球撿石機械技術相關領域的主要申請人進行分析，如表4所示，全球申請數量前20名申請人中，我國申請人有4位，其中安徽特種農業裝備產業技術研究院有限公司和青島洪珠農業機械有限公司排名靠前，這兩家企業也是我國目前撿石機械技術領域的龍頭企業。芬蘭EL HO、西班牙的GARCES LAPUENTE GREGORIO、法國的TASIAS和美國GERBER也是關注于撿石機械的研發企業，專利申請主要集中在1970—1990年，所研發的機型代表性強，對全球撿石機械的發展具有很大的推動作用。

團體申請4件（占比2.6%），結合我國撿石機械發展現狀可以得出，我國早期的撿石機械的技術需求主要來源于生產實踐，申請主力主要是從事一線實際生產的科研人員，科研院所申請量不多，也說明我國撿石機械基礎理論研究不深，近幾年，青島農業大學和河北農業大學等高校的也開始了撿石機械領域的研究，可見，撿石機械的基礎研究近些年逐步展開。

3 撿石機的主要類型及特點

從上述專利信息分析可以看出，國外發達國家的農業機械化起步早，撿石機械的發展至今已有100多年的歷史，技術相對比較成熟，我國撿石機械的研究起步較晚，隨著近年來對農田土壤撿石需求的增加，近些年，國內企業及研發單位加快了對農田土壤撿石機的研究，農田撿石機也由人工撿拾發展為機械撿拾，現有撿石機按結構原理主要分為有輪齒式、鏟鏈式、篩分式、鏟刀轉籠式和齒耙式等類型。具體類型及特點如表6所示。

由以上分析可以看出，齒耙式撿石機作業幅寬最多可達7.0 m，作業效率最高，但存在土壤不平整時漏撿的情況；鏟鏈式撿石機作業深度最深可達40 cm，作業深度最深，消耗功率最大；輪齒式撿石機消耗功率小，但只能清理土壤表面的石頭，通常需要與挖掘石頭的機械配合使用，總體上來看，國外對于撿石機的研究起步早，機具發展成熟，撿石機體積大、配套動力大、造價高，并且針對該機械設計創新多、機具豐富，其主要用于大型農場、工程領域等大塊石頭的清理。

4 存在問題與發展趨勢

4.1 撿石機械技術領域知識產權發展

農田土壤撿石機械化技術的發展，經歷了從孕育時期、初步發展時期、調整時期到現如今的快速發展時期，文中數據分析結果表明，自2016年至今，全球共申請撿石機械相關專利171件，可見我國目前對撿石機械化技術需求量較大。目前，我國農田土壤撿石機械化生產技術已經取得長足的進步，并處于快速發展時期，但申報的專利總體數量仍較少，且相關專利申請人、發明人的技術分類特點過于集中，導致很多專利存在于少數申請人之中。此外，農田土壤撿石機械化生產技術領域的高合享價值度專利占比不高，申請人聯合申報的專利數量和轉讓專利的數量均不多；同時，專利申請人類型大都為企業，占比達69.8%，高校及科研院所申請量不多，高校及科研院所與企業的合作不多，也說明了撿石機械理論研究基礎不深的問題，隨著我國高質量農業的深化改革，對高質量農田的需求增加，今后高校及科研院所必定會投入農田土壤撿石機械化技術之中。

4.2 我國撿石機械技術存在問題

縱觀國內外農田土壤撿石機械化技術領域現狀，經對比分析可知，我國的農田撿石機相比于發達國家還存在一定差距，我國農田撿石機主要借鑒國外農田土壤撿石機械化技術為主，撿石機的可靠性以及穩定性有待提高，主要存在的問題有以下幾個方面。

4.2.1 撿石機撿石機理研究薄弱，撿石機的研究缺乏深入性和系統性

我國申請的撿石機械技術領域專利文獻當中，高校及科研院所申請量占比14.8%，可見高校及科研院所參與度不夠，也反映出對撿石機械的撿石機理論基礎研究比較薄弱，大多數企業依靠經驗設計撿石機的關鍵部件，因此，很難滿足復雜農田以及新開墾農田土壤中石頭的高效撿拾。

4.2.2 撿石機的穩定性和可靠性較差

我國撿石機械的研發缺乏原始創新，缺乏對撿石機械關鍵部件的設計研發，加工制造粗糙導致精度低，并且制造后缺少機具疲勞測試以及可靠性試驗，農民在使用過程中存在諸多問題，如撿拾部件容易因石頭碰撞導致變形損壞，輸送部件容易卡石頭等情況，功耗較大，故障率較高。

4.2.3 撿石機自動化和智能化程度較低

現有的專利文獻中，未發現提高撿石機自動化和智能化相關的專利申請，農田土壤高低起伏變化，作業環境復雜，撿石機自動化和智能化程度較低，導致撿石機作業時，撿石部件動態調整能力差，不能很好適應復雜土壤的作業需求。

4.2.4 撿石機經濟效益低，不易推廣，限制撿石機的發展

在歐美國家，農業種植均是大農場模式，農業機械均以大型為主，制造成本高，價格昂貴，但作業效率高，機具使用率高，故經濟效益較高；國內農業種植均以小塊地為主，對于個體農民來說，購買撿石機使用率不高，投資回收期較長，并且目前撿石機的作業成本較高，導致撿石機很難推廣使用，這也是制約我國撿石機快速發展的主要原因。

4.3 我國撿石機械技術的發展趨勢

從以上分析結果可以看出：我國農田土壤撿石機械技術正處于快速發展期，短期發展前景毋庸置疑。隨著我國糧食等經濟作物產量需求的增加，我國對于農田耕地的要求也在逐步提高，針對現有農田土壤撿石機存在的問題，結合我國農田生產模式，借鑒發達國家的經驗，我國撿石機將向提高撿拾部件可靠性以及撿拾率、提高撿石機的作業效率、降低作業功耗，提高撿石機自動化、智能化控制方向發展，具體體現在以下幾個方面。

4.3.1 應加快開展撿石機的基礎理論研究，推動撿石機的快速發展

從我國農田土壤及石塊的物理參數分析入手，分析適合我國農田土壤條件的撿拾機理，明確不同撿石機結構參數以及運動參數對撿石機作業效率以及作業功耗的影響因素，形成全面的撿石機理論研究基礎，為撿石機的結構設計及改進提供指導。

4.3.2 撿石機應向提高機具適應性以及可靠性方向發展

我國不同地區農田地形地勢差異較大，尤其新開墾土地中，土壤條件惡劣，要求撿石機必須具有良好的適應能力和可靠性，目前，我國撿石機械在實際生產中，挖掘部件及傳動部件在受到較大沖擊時，容易損壞，再考慮改進撿石機的核心部件的結構以及運動參數時，還應該考慮核心部件的材料性能，同時，開展撿石機作業效率、作業功耗以及關鍵部件可靠性試驗研究，從而提高撿石機的適應性及可靠性。

4.3.3 撿石機應向技術多元化與裝備智能化方向發展

近年來，撿石機的研制應由傳統機械式逐漸向集成機、電、液以及智能控制于一體的綜合度高的裝備方向發展，通過監測土壤的平整度以及石頭位置等信息，進一步控制撿石機械調整結構姿態以及運動參數，實現不同作業環境中挖掘部件角度調節以及挖掘部件避讓調節等控制功能，撿石機的適應性和智能化水平不斷提高，從而提高作業效率及可靠性。此外，撿石機可以嘗試增加石頭粉碎還田功能，完成石頭撿拾、收集以及粉碎還田一體化作業。

5 結論

1） 從農田土壤撿石機械化技術研究的發展態勢看，全球最早的專利申請始于1907年，1980年國外已經出現了較為成熟的撿石機械，我國撿石機械化技術專利申請始于2001年，與發達國家相比還存在一定差距，2016年開始，我國撿石機械相關專利申請量大幅度增大，目前發展勢頭較好。

2） 從國家和地區層面來看，我國是全球專利申請量最大的國家，占全球25.6%，我國相關專利申請主要集中在安徽省、山東省、江蘇省、內蒙古以及浙江省，我國專利申請人類型中，企業申請數量為104件（占比69.8%），表明我國雖然近些年申請的相關專利數量較多，但目前的撿石機械還不能滿足實際生產需求，高校及科研院所關注度不夠，撿石機械基礎理論較為薄弱。

3） 縱觀國內外農田土壤撿石機械化技術的研究現狀，我國的撿石機械化技術還不成熟，還存在適應性、可靠性不高等諸多問題，我國撿石機的發展是影響耕地質量以及現代農業高質量發展的關鍵因素之一，面向我國農業產業結構調整日益加快的積極態勢，促進我國撿石機的基礎研究以及應用研究勢在必行。鑒于國內撿石機的發展滯后，其適用裝備不能滿足現實需求，因此，盡快研究開發適合我國國情的撿石機械不僅具有重要的戰略意義，而且具有重要的現實價值。

參 考 文 獻

[1]國家統計局. 第三次全國國土調查主要數據公報[EB/OL].http：//www.mnr.gov.cn/dt/ywbb/202108/t20210826_2678340.html， 2021-8-25.

[2]孫春蕾， 楊紅， 韓棟， 等. 全國高標準農田建設情況與發展策略[J]. 中國農業科技導報， 2022， 24（7）： 15-22.

Sun Chunlei， Yang Hong， Han Dong， et al. Situation and countermeasures of well-facilitated farmland in China [J]. Journal of Agricultural Science and Technology， 2022， 24（7）： 15-22.

[3]馬方， 陳中玉. 關于土壤撿石機推廣的必要性探討[J]. 湖南農機， 2010， 37（11）： 121-122， 131.

Ma Fang， Chen Zhongyu. Picking up on the soil to promote the necessity of machine [J]. Hunan Agricultural Machinery， 2010， 37（11）： 121-122， 131.

[4]馬方， 陳中玉. 國外土壤撿石機工作原理及特點分析[J]. 農業技術與裝備， 2010（12）： 9-10.

[5]于玉真， 高連興， 馬秀麗， 等. 土壤撿石機的研究進展[J]. 農業工程學報， 2007（11）： 274-279.

Yu Yuzhen， Gao Lianxing， Ma Xiuli， et al. Research advance in the development of soil rock picker [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2007（11）： 274-279.

[6]宋昊陽， 侯劍華， 張洋. 基于專利計量的技術創新催化能力的多維度測量[J]. 情報學報， 2022， 41（3）： 300-313.

Song Haoyang， Hou Jianhua， Zhang Yang. Multidimensional measurement of the catalytic capacity of technology innovation based on patentometrics [J]. Journal of the China Society for Scientific and Technical Information， 2022， 41（3）： 300-313.

[7]王琰， 胥美美， 單連慧， 等. 基于文獻專利計量的重大植物疫情領域態勢分析[J]. 中國農學通報， 2022， 38（34）： 144-154.

Wang Yan， Xu Meimei， Shan Lianhui， et al. Current status of research on major plant epidemic based on bibliometrics and patentometrics [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2022， 38（34）： 144-154.

[8]上官晨虹， 全毅恒， 陳琛. 基于專利計量的天麻藥品研發態勢分析[J]. 中草藥， 2022， 53（15）： 4915-4924.

Shangguan Chenhong， Quan Yiheng， Chen Chen. Situation analysis of Gastrodia elata drug research and development based on patent metrology [J]. Chinese Traditional and Herbal Drugs， 2022， 53（15）： 4915-4924.

[9]段珺， 高振. 基于文獻專利計量的食品科技發展態勢分析[J]. 中國農業科技導報， 2021， 23（8）： 114-126.

Duan Jun， Gao Zhen. Development status of food science and technology based on bibliometrics and patent metrology [J]. Journal of Agricultural Science and Technology， 2021， 23（8）： 114-126.

[10]孫藝偉， 戴紅君， 羅瑞， 等. 基于專利計量的設施水產傳感器技術研究態勢分析[J]. 安徽農業科學， 2021， 49（14）： 228-234， 238.

Sun Yiwei， Dai Hongjun， Luo Rui， et al. Research situation analysis of the sensor technology of facility aquaculture based on patentometrics [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2021， 49（14）： 228-234， 238.

[11]劉勤， 張熠， 楊玉明， 等. 基于專利大數據的油菜產業發展研究[J]. 中國農業科技導報， 2018， 20（10）： 1-8.

Liu Qin， Zhang Yi， Yang Yuming， et al. Study on development of rape industry based on patent large data [J]. Journal of Agricultural Science and Technology， 2018， 20（10）： 1-8.

[12]李乾瑞， 郭俊芳， 黃穎， 等. 基于專利計量的顛覆性技術識別方法研究[J]. 科學學研究， 2021， 39（7）： 1166-1175.

Li Qianrui， Guo Junfang， Huang Ying， et al. Research on the method of disruptive technology identification based on patent bibliometrics [J]. Studies in Science of Science， 2021， 39（7）： 1166-1175.

[13]Johann N L， Aloys H. Machine to remove stones topsoil [P]. FR382381DA， 1907-09-28.

[14]周年松， 張經常， 廖大鵬， 等. 農田撿石機[P]. 中國專利： CN01203596.3， 2002-05-15.

[15]于玉真. 1SJ-1型柵齒式農田撿石機撿石機理及整機試驗研究[D]. 沈陽： 沈陽農業大學， 2007.

Yu Yuzhen. Study on rock picking mechanism and complete machine test of 1SJ-1 grating tooth type farmland stone picker [D]. Shenyang： Shenyang Agricultural University， 2007.

DOI： 10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2024.06.038

戴浩， 李傲波， 魏君英. 高標準農田建設政策和農機服務對農戶收入的影響[J]. 中國農機化學報， 2024， 45（6）： 257-263， 302

Dai Hao， Li Aobo， Wei Junying. Impact of high standard farmland construction policy and farm machinery services on farm household income [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2024， 45（6）： 257-263， 302