基于專利計量的設施蔬菜傳感器技術研究態勢分析

貴淑婷，孫藝偉，郭婷，任妮

（江蘇省農業科學院農業信息研究所，江蘇 南京 210014）

蔬菜是我國種植業中僅次于糧食的第二大農作物，隨著我國城市化進程的加快，保障“菜籃子”工程壓力日增。設施蔬菜是指在固定的保護設施內進行蔬菜生產的一種生產方式，具有環境可控和集約高效的特點［1］，其產業的發展在保障蔬菜供應、促進農民增收、帶動就業、提高資源利用效率等方面發揮了巨大作用［2］。被稱為繼計算機和互聯網之后信息產業第3次浪潮的物聯網技術在設施蔬菜生產中有著十分廣闊的應用前景［3］，該技術適用于農業產前、產中、產后的全產業鏈條，可以對農業生產、加工、物流、交易、消費各環節進行有效改造和提升，具體表現為通過各種信息傳感設備將農業信息與智能化系統全面結合，實現設施內環境和水肥的智能控制，使蔬菜生產更加精準高效。實現真正智能化的設施農業，是當代推動現代農業發展的最具影響力的信息技術手段［4］。因此，作為物聯網技術數據感知層核心的傳感器研發顯得尤為重要［5］。

專利計量是競爭情報研究的重要方法之一，以專利文獻中的信息作為統計分析基礎，通過對不同指標下專利數量的對比分析，探索和挖掘行業技術的分布結構、數量關系、變化規律等內在價值，以判斷行業的競爭態勢［6］。目前，該方法已被廣泛應用于農業、醫學、生物學、工業［6-9］等多個領域。在傳感器技術方面，徐晶等［10］分析了中國MEMS傳感器技術專利的申請趨勢、產出分布和國內專利申請人，揭示了中國MEMS傳感器技術發展存在的問題；趙華等［11］對1987年以來我國壓力傳感器專利申請態勢、國外在華申請、地域分布、申請人、有效性進行了分析，提出了壓力傳感器領域的技術發展態勢。在設施蔬菜或農業傳感器技術方面，貴淑婷［12］和袁建霞［13］等利用文獻計量的方法分別對設施蔬菜智慧化管控和農業傳感器競爭態勢進行了計量分析。當前還未有利用專利計量的方法對農業領域傳感器技術發展態勢進行分析的研究。

基于此，本文采用專利計量方法，以設施蔬菜傳感器技術相關專利為分析對象，從發展趨勢、技術分類、國家/地區、申請人、發明人等方面對設施蔬菜傳感器技術進行了分析，以期全面揭示該技術領域的熱點主題、研究布局及發展態勢等，為該領域傳感器技術研發主體及個人提供情報支撐。

1 數據來源及工具

本研究以Incopat和Derwent Innovation（DI）數據庫作為數據來源。通過文獻調研結合IPC國際專利分類表，利用Incopat數據庫進行檢索調試，檢索式如下：TIAB=（設施OR溫室OR大棚）AND（種植OR農業OR plant OR agriculture OR蔬菜OR茄果OR土豆OR馬鈴薯OR豇豆OR蘿卜OR白菜OR生菜OR萵苣OR茄子OR番茄OR西紅柿OR辣椒OR青椒OR甜椒OR南瓜OR黃瓜OR甜瓜OR冬瓜OR絲瓜OR苦瓜OR四季豆OR草莓OR西瓜OR紅薯OR甘薯OR葉菜OR菜豆OR莧菜OR芹菜OR萵筍OR豆角OR甘藍OR花椰菜OR西葫蘆OR豆類OR薯類OR豆芽OR vegetable）AND傳感器AND ipc=（A01 OR A61D OR G OR B OR F OR H OR C02）NOT ipc=（F25D OR C12 OR C05 OR B60 OR B65 OR B07 OR B62 OR B63 OR C01 OR C07 OR C08 OR C21 OR C09）。對檢索結果進行人工判讀，并將最終相關專利導入DI數據庫進行檢索、合并同族專利，得到設施蔬菜領域相關專利共5 836項（6 329件）作為本研究的數據集。

本研究利用DDA、DI、Microsoft Excel、Ucinet等工具進行數據處理和統計分析，利用Microsoft Excel、Netdraw、Xmind等軟件進行輔助繪圖。

2 結果與分析

2.1 發展概況分析

2.1.1 發展趨勢分析 從全球設施蔬菜傳感器技術的時間發展趨勢看，該技術最早出現于1917年，至今大體可以分為四個發展階段，如圖1所示。

圖1 全球設施蔬菜傳感器領域專利申請的時間發展趨勢

在1995年之前，全球設施蔬菜傳感器技術的專利總量為343項，平均每年申請4項，可見，該階段專利申請數量非常少且發展呈現小幅波動增長狀態，處于技術萌芽期。

1996—2008 年之間，全球設施蔬菜傳感器技術的專利總量為731項，平均每年申請56項，平均年增長量為2項，該階段專利申請量時高時低，總體呈現明顯的波動式增長狀態，處于波動發展期。

2009—2014 年之間，隨著中國農業進入現代化發展階段，全球設施蔬菜傳感器技術的專利總量為1 522項，平均每年申請254項，平均年增長量為68項，該階段專利申請量增長速度明顯加快且保持穩定勁頭，處于平穩發展期。

2015—2017 年，全球設施蔬菜傳感器技術的專利總量為3 173項，平均每年申請1 058項，平均年增長量為123項，該階段專利申請量增長速度迅猛，處于快速發展期。

2.1.2 技術分類 按照IPC分類號對全部專利進行分類，主要分為溫室/大棚及其裝置、種植過程、水肥管理、病蟲草害管理、環境監測與控制、其他機械裝備、監測測量技術、控制技術、數據計算與處理技術、通信技術、其它技術等11個大類、51個小類，具體分類如圖2所示。

圖2 設施蔬菜傳感器領域技術分類

2.2 國家/地區分析

2.2.1 國家/地區申請量及影響力分析 全球設施蔬菜傳感器領域的技術原創國共有48個，其專利申請量如圖3所示?？梢娫摷夹g領域得到了很多國家的重視。排在前五位的國家分別是中國、美國、韓國、日本和德國。

圖3 全球設施蔬菜傳感器領域技術原創國的專利申請量對比（單位：項）

其中，位于榜首的中國擁有4 070項專利，占全球總申請量的69.7%，說明中國是全球設施蔬菜傳感器技術的最大輸出國，這一方面與中國近年來專利申請量的大幅提高相關，另一方面也說明我國在該領域的技術投入和創新能力非常高；美國和韓國的申請量相近，分別以356和350項居第二、第三位，兩者的申請量分別占全球總申請量的6.1%和6.0%；日本和德國的申請量分別為305和157項，這些國家也是較為主要的技術輸出國，技術創新水平和活躍程度較高。

選擇總被引頻次大于200次的11個技術原創國，從總被引頻次和項均被引頻次兩方面進行具體的對比分析，結果如圖4所示。

圖4 全球設施蔬菜傳感器領域影響力Top11的技術原創國情況對比

從總被引頻次來看，各專利原創國的差距非常大，表明設施蔬菜傳感器領域在各地區輸出的技術影響力之間差距懸殊。其中，美國總被引頻次為7 482次，遠遠高于其他原創國/地區，表明該領域在美國輸出的技術影響力非常高，處于絕對領先的地位；排名第二和第三位的分別是中國和德國，其輸出的技術影響力也較高。

從項均被引頻次來看，各專利原創國的差距同樣非常大，表明設施蔬菜傳感器領域在各地區輸出的技術質量和價值差距懸殊。其中，排名前三位的分別是荷蘭（21.82次）、美國（21.02次）和澳大利亞（14.87次），表明三個國家/地區輸出的專利質量非常高；德國（13.43次）和世界知識產權組織（10.52次）的項均被引頻次分別排在第四和第五位，其輸出的專利質量也相對較高；而我國的專利平均被引頻次僅為1.09次，與上述國家差距懸殊，說明我國輸出的專利價值相對較低。

2.2.2 重點國家/地區的技術構成分析 本文依據技術原創國的專利申請量及被引頻次篩選出6個重點國家，并對其技術布局進行了分析，如圖5所示。

圖5 全球設施蔬菜傳感器領域重點國家技術構成

從橫向來看，申請數量較多的技術類別包含“種植過程”“溫室/大棚及其裝置”“控制技術”“水肥管理”和“監測/測量技術”等。我國在11個技術分類的專利申請量都高于其他國家/地區，尤其是“溫室/大棚及其裝置”“控制技術”和 “水肥管理”三個分類，這與我國相關專利申請量占全球總量的比重是相對應的。“種植過程”技術類別申請量較多的國家還有美國、日本和韓國；“溫室/大棚及其裝置”申請量較多的國家還有韓國和日本；“控制技術”申請量較多的國家還有美國和日本；“水肥管理”申請量較多的國家還有美國、日本和韓國；“監測/測量技術”申請量較多的國家還有美國、日本和世界知識產權組織。

從縱向來看，“種植過程”的相關技術是其他國家專利布局數量最多的技術，其次，美國在“監測/測量技術”和“水肥管理”方面有較多專利；韓國在“溫室/大棚及其裝置”和“數據計算與處理技術”方面有較多專利；日本在“溫室/大棚及其裝置”和“水肥管理”方面有較多專利；德國在“其他機械設備”和“病蟲草害管理”方面有較多專利；世界知識產權組織在“監測/測量技術”和“水肥管理”方面有較多專利。

2.3 申請人分析

申請人擁有的專利數量可以反映其技術創新能力，該領域涉及的申請人數量共有3 765位，其中Top 100專利申請人中，企業占比47%，高校占比34%，科研機構占比19%。

2.3.1 申請人申請量及影響力分析 圖6為設施蔬菜傳感器技術領域專利申請量Top 16的申請人對比情況。16個申請人中共有10個來自我國，表明我國設施蔬菜傳感器領域高申請量申請人數量較多，推動著全球設施蔬菜傳感器技術的發展。

圖6 全球設施蔬菜傳感器領域高申請量申請人情況對比

高申請量申請人中，專利申請數量排在前三位的分別是UNIV JIANGSU（51項）、DEERE&CO（49項）和UNIV CHINA AGRIC（42項），ISEKI AGRIC MACH MFG CO LTD、UNIV ZHEJIANG和CLAASKGaA GMBH分別以40項、37項和33項的申請量排名第四、第五和第六位，以上申請人的申請量都達到了30項以上，表明六個申請人在該領域的技術投入和創新成果較多。對比表格可知排名前六的申請人中我國的三個都是大學，國外的三個均是公司，說明在設施蔬菜傳感器技術領域國外申請人多為公司，而我國則主要集中在大學。此外，UNIV SICHUAN AGRIC（29項）、UNIV NORTHWEST A&F（29項）、BEIJING RES CENT AGRIC INFORMATION TECHN（29項）和AMAZONEN-WERKE DREYER GMBH&CO KG H（29項）等申請人也有較多的專利產出。綜合來看，全球設施蔬菜傳感器技術領域16個專利申請量最多的申請人之間差距較大，其中我國專利申請人的產出數量占優勢。

我國設施蔬菜傳感器領域相關申請人雖然專利申請數量占優，但是專利產生的影響力有限。圖7展示了全球設施蔬菜傳感器領域影響力排名前7的申請人對比情況。

圖7 全球設施蔬菜傳感器領域影響力Top8的申請人情況對比

高影響力申請人中，CLAAS KGaA GMBH（1 111次）、CASE CORP（999次）和DEERE&CO（937次）的總被引頻次排名前三位，影響力非常高；CNH IND（410次）、SIMPLOT CO JR（405次）總被引頻次均在400次以上，在該技術領域也有較高的影響力。從項被引頻次來看，SIMPLOT CO JR（135.00次）、CASE CORP（76.85次）和UNIV CALIFORNIA（71.50次）三個申請人的平均被引頻次排名前三位，表明其專利質量非常高；CLAAS KGaA GMBH（33.67次）、CASIO COMPUTER CO LTD（24.36次）等申請人專利質量也較高；專利平均被引頻次最低的是UNIV JIANGSU，為4.45次。

綜合來看，全球設施蔬菜傳感器技術領域8個高影響力申請人之間的影響力及專利質量差距非常大，我國的相關申請人還需提升專利的技術水平。

2.3.2 重點申請人技術構成分析 圖8展示了全球設施蔬菜傳感器領域重點申請人技術構成。總體來看，各重點申請人的設施蔬菜傳感器技術布局至少覆蓋5個主要的技術類別，表明6個重點申請人在設施蔬菜傳感器技術領域的研究覆蓋面總體比較廣泛。

從橫向來看，申請數量較多的技術類別包含“種植過程”“其他機械裝備”“監測/測量技術”“數據計算與處理技術”和“控制技術”等。“種植過程”“其他機械裝備”技術類別申請量較多的申請人有DEERE&CO、CLAAS KGaA GMBH、CNH IND等；“數據計算與處理技術”類別申請量較多的申請人有CASIO COMPUTER CO LTD、DEERE&CO和CNH IND等；“控制技術”類別申請量較多的申請人有UNIV JIANGSU、DEERE&CO、CLAASKGaA GMBH和CASE CORP等。

從縱向來看，UNIV JIANGSU在11個技術分類都有專利申請，并且在“溫室/大棚及其裝置”方面擁有獨占技術，表明其設施蔬菜傳感器技術研究方向最多，覆蓋面最廣；除了CASIO COMPUTER CO LTD外，其余5個申請人專利布局數量最多的技術均是“種植過程”；此外，DEERE&CO和CLAASKGaA GMBH在“其他機械裝備”和“監測/測量技術”方面有較多專利申請；CASIO COMPUTER CO LTD在“數據計算與處理技術”類別有較多專利申請。

圖8 全球設施蔬菜傳感器領域重點申請人技術構成

2.4 發明人分析

2.4.1 發明人研發量及影響力分析 經過統計，該領域涉及的發明人數量共有11 510位。本文選取了專利申請量不少于10項的15個發明人作為分析對象，結果如圖9所示。

圖9 全球設施蔬菜傳感器領域高研發力發明人情況

15個發明人中共有14個來自我國，表明我國設施蔬菜傳感器領域高研發量發明人數量非常多，推動著全球設施蔬菜傳感器技術的發展。排名前兩位的分別是ZHAO Chun-jiang（北京農業信息技術研究中心，20項）、QIAO Xiao-jun（北京農業信息技術研究中心，19項）；此外，MA Ting-yan（哈爾濱派騰農業科技有限公司，15項）、LIN Zhen-hua（蘇州創必成電子科技有限公司，15項）和FU Xiao-jiang（蘇州創必成電子科技有限公司，15項）等人的專利申請量也較多?？梢园l現該領域發明人之間的專利數量差距不大。

本文選取了專利總被引頻次不少于300次的10個發明人作為分析對象，結果如圖10所示。我國僅有1個發明人進入高影響力申請人行列，表明我國設施蔬菜傳感器領域相關發明人雖然專利申請數量占優，但是專利并未能產生相當的影響力，一方面可能是因為我國發明人申請的專利都集中在最近幾年，另一個可能的原因是我國相關專利的技術含量較低，未能引起其他發明人的 重視。

圖10 設施蔬菜傳感器領域影響力Top10的發明人情況對比

從總被引頻次來看，Diekhans Norbert（CLAAS KGaA GMBH，580次）和Huster Jochen（CLAAS KGaA GMBH，510次）兩人是第一階梯，總被引頻次均在500次以上，且發明數量也較多，表明這兩人是設施蔬菜傳感器技術領域綜合實力最強的發明人；Behnke Willi（CLAAS KGaA GMBH，464次）、MC Nabb Gerald J.（SIMPLOT CO J R，391次）、Haack PaulW.（CASE CORP，378次）等人的總被引頻次也較高，均處于第二階梯，在該領域有較高的影響力。從項均被引頻次來看，ZHANG Qin、Dickson Monte A.、Noguchi Noboru、Reid John F.和Will Jeffrey D.五人的平均被引頻次最高，核實數據發現該五人均來自CASE CORP，是專利“Sensor-fusion navigator for automated guidance of off road vehicles”的共同發明人，表明該專利技術含量較高，引起了較多的關注。

總體來看，全球設施蔬菜傳感器領域高影響力發明人之間的差距較大，我國發明人還需重視專利申請技術含量的提升。

2.4.2 重點發明人技術構成分析 本文根據發明人研發量和總被引頻次選取了7個重點發明人，并對其技術分布情況進行了統計，具體分布如圖11所示。總體來看，各重點發明人的設施蔬菜傳感器技術布局不盡相同，表明7個重點發明人在設施蔬菜傳感器技術領域的研究各有所側重。

圖11 全球設施蔬菜傳感器領域重點發明人技術構成

從橫向來看，研發數量較多的技術類別包含“種植過程”“其他機械裝備”“監測/測量技術”等?！胺N植過程”是7個發明人共有的技術類別，研發量較多的發明人有Diekhans Norbert、Behnke Willi和MAO Han-ping等；“其他機械裝備”技術類別研發量較多的發明人有Diekhans Norbert、Huster Jochen和Homburg Helmut等；“監測/測量技術”研發量較多的發明人有MAO Han-ping、Anderson NoelWayne和Diekhans Norbert等。

從縱向來看，MAO Han-ping研發專利的技術類別覆蓋面較廣，專利主要集中在“種植過程”“監測/測量技術”和“控制技術”；Diekhans Norbert、Huster Jochen和Homburg Helmut的專利主要集中在“種植過程”和“其他機械裝備”技術類別；Anderson Noel Wayne的專利主要集中在“種植過程”和“監測/測量技術”類別；Sato Shinichiro的專利主要集中在“數據計算與處理技術”類別。

2.4.3 發明人合作分析 本文以設施蔬菜傳感器技術領域相關專利量排名前100的發明人為研究對象，以發明人之間的共現頻次為指標構建了申請人之間的合作網絡，結果如圖12所示。

圖12 全球設施蔬菜傳感器領域主要發明人合作網絡

可以看出該領域發明人合作網絡中有兩個規模較大的網絡，分別是以ZHAO Chun-jiang和QIAO Xiao-jun等人為主的北京農業信息技術研究中心團隊、以ZHANG Rui-hong和MIU Hong等人為主的揚州大學團隊，兩個研發團隊不僅專利數量較多，而且團隊內部合作較為充分。此外，該合作網絡中還存在幾個3～4人的研發團隊，分別來自江蘇大學、江蘇省農業科學院、陜西旭田光電農業科技有限公司和CLAAS KGaA GMBH等機構?？傮w來看，該領域發明人之間的合作關系網絡與對應的機構/申請人實力相關。

2.5 主題演化分析

本文利用Derwent Innovation平臺的ThemeS-cape工具對該領域的專利進行了聚類。全球在該領域的專利研究大致包含11個主題，分別為溫室/大棚綜合、監測/通信/控制技術、灌溉、作物生長狀況、農業機械、施肥、病蟲草害管理、CO2監測、太陽能、育苗、蔬果自動采摘等。其中，溫室/大棚綜合、監測/通信/控制技術、灌溉是該領域專利研發的重點方向。另外，作物生長狀況也是該領域專利研發比較重要的方向。

在總體技術主題分析的基礎上，分別按照全球設施種植傳感器專利申請的四個發展階段進行時間切片，構建主題地圖，以研究各項技術在不同發展階段的主題演進情況。為了清晰地區分各時間段的專利分布情況，各階段的專利文獻分別用不同顏色表示，其中，紅色代表萌芽期（1917—1995）、黃色代表波動發展期（1996—2008）、藍色代表平穩發展期（2009—2014）、綠色代表快速發展期（2015—至今），如圖13所示。

可以看出，萌芽期全球設施種植傳感器領域專利申請數量不多，主要集中分布在土壤濕度監測、溫室/大棚的溫度控制方面，零星分布于農業機械、作物生長狀況方面。波動發展期專利數量有了一定量的增加，主要的技術分布范圍擴大，集中分布在土壤濕度監測、灌溉系統、蔬果自動采摘、溫度控制等方面，零星分布在農業機械、自動供水、LED燈、作物生長狀況等方面。平穩發展期專利數量有了更為明顯的提升，同時太陽能、種植箱、病蟲草害管理、監測/通信/控制技術等相關的專利開始出現并占據較大比例，其中單片機和無線網絡兩個方面更為集中；此外，CO2監測、空氣濕度、電源電路等方面也有所涉及?？焖侔l展期專利數量增長迅速，專利覆蓋范圍更加廣泛，幾乎包含了所有研究主題，其中專利數量增長明顯的有灌溉、監測/通信/控制技術、溫室/大棚綜合、育苗、施肥等方面，但是具體側重的方向有所變化。

總體來說，隨著時間發展，設施種植傳感器領域的專利呈現出由數量少、集中度高向數量多、集中度低發展的趨勢。

圖13 全球設施蔬菜傳感器領域不同發展階段的技術主題分布

3 結論

本文利用專利計量方法對設施蔬菜傳感器技術的研究態勢進行了分析，主要結論如下：

①全球設施蔬菜傳感器技術的發展可以分為萌芽期（1917—1995年）、波動發展期（1996—2008年）、平穩發展期（2009—2014年）、快速發展期（2015—至今）四個階段。②中國是全球設施蔬菜傳感器領域最大的技術輸出國，其次是美國、韓國。③設施蔬菜傳感器領域重點國家的技術布局覆蓋面都較廣，但是各有所側重。④設施蔬菜傳感器領域專利申請最活躍的群體是公司，其次是大學。我國高申請量的申請人很多，但是僅有江蘇大學進入該領域高影響力排行榜；重點申請人之間既存在技術交叉，又各自有獨特之處。⑤全球設施蔬菜傳感器專利發明之間的專利數量及影響力差距較大；我國設施蔬菜傳感器領域高研發量發明人數量較多，但影響力較差；重點發明人之間既存在技術交叉，又各自有獨特之處；該領域發明人之間的合作主要是研發團隊內部的合作，跨團隊合作行為很少。⑥全球在該領域的專利研究大致包含11個主題，分別為溫室/大棚綜合、監測/通信/控制技術、灌溉、作物生長狀況、農業機械、施肥、病蟲草害管理、CO2監測、太陽能、育苗、蔬果自動采摘等。不同發展階段設施蔬菜傳感器領域的重點研發方向具有差異性，整體呈現出由數量少、集中度高向數量多、集中度低發展的趨勢。