水資源智能調(diào)度相關(guān)專利分析

許羽冬,李兆恒

(1.廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司，廣東 廣州 510623；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

1 概述

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，一些區(qū)域特別是城市的水資源供需矛盾日益突出[1]。在水資源總體規(guī)劃與管理過程中，通過水資源的優(yōu)化配置，可以充分協(xié)調(diào)水與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等要素的關(guān)系，提高水資源與之相適應(yīng)的匹配程度，實現(xiàn)水資源合理利用，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。水資源調(diào)度，是在保證系統(tǒng)內(nèi)水利工程安全的前提下，依據(jù)水利工程規(guī)劃，以盡可能滿足用水需求為目標(biāo)，制定水利工程對各用戶的供水策略的一種控制運用技術(shù)，是水資源配置的重要手段[2]。

2019年水利部印發(fā)實施《智慧水利總體方案》，確定了基于新一代信息技術(shù)，建設(shè)透徹感知、全面互聯(lián)、智慧應(yīng)用和支撐保障的智慧水利框架體系，實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)的智能感知、智能診斷、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智能控制等功能，構(gòu)建智慧水利總體技術(shù)框架[3]。智慧水利要求以提升水安全保障能力和節(jié)約資源為目標(biāo)，對防洪調(diào)度、供水調(diào)度、生態(tài)調(diào)度進(jìn)行三位一體的資源化調(diào)度研究工作，研究具有可操作性的水資源配置系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度決策支持[4-5]。本文通過對國內(nèi)水資源智能調(diào)度相關(guān)專利進(jìn)行分析，為相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)和科研院所的研究開發(fā)和創(chuàng)新提供參考。

2 數(shù)據(jù)獲取

本文所涉及的全部數(shù)據(jù)均選自基于INCOPAT專利情報檢索數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的綜合檢索。為了檢索與水資源智能調(diào)度相關(guān)的專利，采用以下檢索表達(dá)式：tiabc=(引調(diào)水or調(diào)水工程or((水資源or水利工程)and(調(diào)度or調(diào)配or調(diào)度)))and ipc=(g06)。截止至2020年12月9日，申請?zhí)柡喜⑷ブ睾蠊?38件專利。中國專利共461件，其中，僅有5件為實用新型，456件均為發(fā)明。

3 相關(guān)專利分析

3.1 專利申請趨勢

圖1為水資源智能調(diào)度相關(guān)專利近10 a專利申請量的發(fā)展趨勢。通過申請趨勢可以從宏觀層面把握該領(lǐng)域在各時期的專利申請熱度變化。申請數(shù)量的統(tǒng)計范圍是目前已公開的專利。一般發(fā)明專利在申請后3—18個月公開，實用新型專利在申請后6個月左右公開。圖1中可以看出，水資源智能調(diào)度專利公開經(jīng)歷了2001—2015年的穩(wěn)定發(fā)展階段以及2015—2019年的爆發(fā)式增長階段，由于大量2019年和2020年的申請尚處于18個月的公開期內(nèi)，并沒有完全公開，所以2019年和2020年的專利申請數(shù)據(jù)并不完整，可以預(yù)估該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量還會持續(xù)增長。

圖1 水資源智能調(diào)度相關(guān)專利近10 a的申請趨勢示意

近幾年“互聯(lián)網(wǎng)+智慧水利”戰(zhàn)略的實施，水資源智能調(diào)度相關(guān)專利實現(xiàn)快速發(fā)展。2015年7月，國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》[6]。2015年9月，中國水利發(fā)展中心舉辦了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧水利與水利信息化建設(shè)研討會”。2015年12月，經(jīng)國務(wù)院同意，國家發(fā)改委、水利部、住建部聯(lián)合印發(fā)了《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[7]，規(guī)劃提出，“要優(yōu)化水資源調(diào)度格局，實施一批重大引調(diào)水工程項目——加快陜西引漢濟(jì)渭、甘肅引洮供水二期等在建工程進(jìn)度，深化引江濟(jì)淮、滇中引水等工程前期工作，加快南水北調(diào)東中線一期受水區(qū)配套工程建設(shè)，充分發(fā)揮工程效益”。2020年，水利部在出臺《智慧水利總體方案》和開展智慧水利優(yōu)秀應(yīng)用案例和典型解決方案評選基礎(chǔ)上，印發(fā)《關(guān)于開展智慧水利先行先試工作的通知》[8]，啟動智慧水利先行先試工作。上述政策或工作的實施，對水資源智能調(diào)度相關(guān)專利的申請均起到了促進(jìn)作用。

3.2 專利分布情況

圖2為水資源智能調(diào)度相關(guān)專利在中國省級行政區(qū)域的分布情況。通過圖2可知，各省市該領(lǐng)域的申請活躍程度由高到低依次是北京(133件)、江蘇省(88件)、湖北省(36件)、廣東省(25件)、河南省(23件)、四川省(22件)、山東省(17件)、浙江省(14件)、上海(12件)、天津(10件)。

3.3 申請人排名情況

圖3為水資源智能調(diào)度相關(guān)專利按照所屬申請人的專利數(shù)量統(tǒng)計的申請人排名情況。在水資源智能調(diào)度領(lǐng)域申請專利最多的是中國水利水電科學(xué)研究院(75件)，其次為河海大學(xué)(39件)，第三為北京師范大學(xué)(16件)。從前10名的申請人排名情況可知，以高等院校的申請居多。

圖2 水資源智能調(diào)度相關(guān)專利在中國省級

圖3 水資源智能調(diào)度相關(guān)專利申請前10名的申請人排名情況

3.4 主要申請人專利布局情況

中國水利水電科學(xué)研究院是在水資源智能調(diào)度領(lǐng)域申請專利最多的申請人，表1是其已公開專利的專利布局情況。

表1 中國水利水電科學(xué)研究院在水資源智能調(diào)度領(lǐng)域的專利布局情況

由表1可知，中國水利水電科學(xué)研究院在水資源智能調(diào)度領(lǐng)域的專利申請主要在數(shù)據(jù)采集與分析、模型的構(gòu)建或優(yōu)化、水資源優(yōu)化配置的方法或規(guī)則、智能管能4個層次上進(jìn)行專利布局。

數(shù)據(jù)采集與分析，是指對水資源調(diào)度前期所需的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的采集與計算分析，為水資源智能調(diào)度的系統(tǒng)化、精準(zhǔn)化提供支撐依據(jù)。如專利CN106651054B[9]公開了一種基于遺傳算法的長距離調(diào)水工程輸水渠道糙率辨識方法，方法包括：確定目標(biāo)函數(shù)和問題的解；進(jìn)行初始化，得初始種群；采用一維水力學(xué)仿真模型計算初始種群中每個糙率值對應(yīng)的多組工況下的上節(jié)制閘閘后水位，然后計算適應(yīng)度；進(jìn)行終止條件判別，如果符合終止條件，則該糙率值為最優(yōu)解。該發(fā)明將水力學(xué)模型與遺傳算法相結(jié)合，從而辨識各渠池糙率的最優(yōu)值。

模型的構(gòu)建或優(yōu)化，是指通過準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的水力調(diào)控過程，反映系統(tǒng)的真實特性。如專利CN111783369A[10]構(gòu)建了一維非恒定流水動力模型，實現(xiàn)長距離輸水系統(tǒng)的水力銜接和聯(lián)系，從而模擬整個調(diào)度期內(nèi)各時刻的水位、流量情況；構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，采用NSGA-Ⅱ算法，滿足實際多個調(diào)度目標(biāo)的需求，通過優(yōu)化各時刻閘門的調(diào)控過程，生成了多組直接作用于閘門的調(diào)控方案，保證輸水系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運行；構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化算法(NSGA-Ⅱ)與一維非恒定流水動力模型的耦合優(yōu)化調(diào)度模型，對優(yōu)化過程中涉及的水動力過程進(jìn)行仿真模擬，更加貼合實際情況，從而實現(xiàn)復(fù)雜明渠調(diào)水工程的模擬優(yōu)化調(diào)度工作。

水資源優(yōu)化配置的方法或規(guī)則，是指通過設(shè)計合理的配置方法或規(guī)則，最大限度地合理化使用水資源，并實現(xiàn)配置的信息化和智能化。如CN106097163A[11]公開了一種面向時空均衡的水資源優(yōu)化配置的方法，包括：確定水資源優(yōu)化配置荷載均衡目標(biāo)、空間均衡目標(biāo)和時間均衡目標(biāo)函數(shù)，確定各目標(biāo)函數(shù)的行業(yè)權(quán)重系數(shù)及行業(yè)供水保障率的閾值；利用各目標(biāo)函數(shù)建立外層為時間均衡目標(biāo)函數(shù)、內(nèi)層為空間均衡目標(biāo)和荷載均衡目標(biāo)函數(shù)的雙層水資源優(yōu)化模型；利用函數(shù)的行業(yè)權(quán)重系數(shù)及行業(yè)供水保障率的閾值，采用遺傳NSGA-IIS算法解模型，不斷交叉變異進(jìn)化生成全時段時間均衡目標(biāo)解，直到收斂得到全局各時段協(xié)調(diào)的水資源優(yōu)化配置解。該發(fā)明采用雙層優(yōu)化算法進(jìn)行求解，使4種尺度融合與統(tǒng)一，實現(xiàn)面向時空均衡的水資源優(yōu)化配置，達(dá)到水資源的可持續(xù)科學(xué)利用的目的。

智能管理，是指通過智能預(yù)警或評估，實現(xiàn)水資源調(diào)度運行過程中的跟蹤優(yōu)化或應(yīng)急處置。如CN111178712A[12]公開了一種用于引調(diào)水工程事故后援救預(yù)警方法及系統(tǒng)，在充分權(quán)衡災(zāi)害嚴(yán)重程度和救援力量匹配的基礎(chǔ)上，智能確定事故級別，實現(xiàn)了救援責(zé)任機構(gòu)職能與救援任務(wù)的精準(zhǔn)適配，能夠根據(jù)工程自身特點及相關(guān)管理機構(gòu)預(yù)警決策，為工程管理機構(gòu)制定與工程救援實際相符的應(yīng)急響應(yīng)方案。

3.5 中國專利法律信息

圖4a為水資源智能調(diào)度相關(guān)專利在中國的法律狀態(tài)。其中已結(jié)案的專利中，授權(quán)且有效加上授權(quán)但未繳年費的授權(quán)專利共111件，駁回專利49件，撤回專利33件，該領(lǐng)域中國專利的授權(quán)率為54.7%。圖4b為水資源智能調(diào)度相關(guān)專利的專利權(quán)在中國審中、有效、失效3種狀態(tài)的占比情況，可知目前授權(quán)且有效的專利為94件、失效專利99件，其余專利還在審查狀態(tài)中。專利失效的原因主要在于未繳年費終止。超過一半的專利還在實質(zhì)審查狀態(tài)中，說明該領(lǐng)域大多數(shù)專利為近年所申請。

a 水資源智能調(diào)度相關(guān)專利在中國的法律狀態(tài)

b 水資源智能調(diào)度相關(guān)專利在中國的有效性信息

4 結(jié)語

1)水資源智能調(diào)度專利經(jīng)歷了2001年至2015年的穩(wěn)定發(fā)展階段以及2015年至2019年的爆發(fā)式增長階段，技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)保持較高的活躍度，預(yù)計未來幾年專利申請量還會持續(xù)增長。

2)水資源智能調(diào)度領(lǐng)域中，各省市的專利申請前5名依次是：北京、江蘇省、湖北省、廣東省、河南省；申請人排名前3名依次是：中國水利水電科學(xué)研究院、河海大學(xué)、北京師范大學(xué)。

3)中國水利水電科學(xué)研究院在水資源智能調(diào)度領(lǐng)域的專利申請主要在數(shù)據(jù)采集與分析、模型的構(gòu)建或優(yōu)化、水資源優(yōu)化配置的方法或規(guī)則、智能管能4個層次上進(jìn)行專利布局。