自主式水下滑翔機關鍵技術專利擴展分析

王 靜，林明昆，牛 群

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津300304；2.中建科工集團有限公司天津分公司，天津300383)

0 引 言

自主式水下滑翔機（Au tonom ous Underw ater Glider，AUG）是一種新型的海洋環境水下觀測平臺，在航行時通過浮力調節系統控制其不斷進行浮力變化和重心調節來實現螺旋狀前進，不需要額外的動力驅動裝置，持續觀測時間長達幾個月，續航能力可達上千千米[1]，且自身體積較小，難以被探測，因此AUG隱蔽性強，可用于水下目標預警與探測，有效提高海洋環境的空間和時間測量密度；而且，AUG搭載水聲通信、無線通信和衛星通信等設備，可作為通信網絡節點實施中繼通信，多臺AUG組網后形成編隊能夠同時獲取海洋中不同位置的信息，可充分發揮優越的高時空分辨率觀測能力、提高適應范圍[2]，在海洋環境立體觀測網中發揮不可替代的作用，是當前海洋水體自主觀測的新型裝備，多用于軍事海洋監測，在海洋科學研究和海洋調查以及海洋安全需求方面同樣具有巨大的市場潛力[3–5]。

由于自主式水下滑翔機的軍事應用和各國之間的技術封鎖，導致了目前公開的專利數量十分有限，尤其是AUG導航技術、水聲通信和組網技術，這3個分支的技術發展直接制約了我國AUG技術的應用范圍和使用效果。但依據其技術領域、功能效果和關鍵技術，可以將其研究范圍擴展至通用的水下航行器中，通過對廣義的水下航行器領域（以下稱為擴展領域）公開的導航技術、水聲通信和組網技術的專利技術研究來輔助解決AUG目前存在的技術難點，以便于克服目前的技術壁壘。

1 AUG導航技術、水聲通信和組網技術分支全球專利申請現狀

本文通過CNABS，VEN等專利摘要數據庫以及CNTXT，USTXT和EPTXT等專利全文數據庫，經過檢索、去噪、去重、清理、驗證、標引等數據處理過程，得到數據分析樣本全球專利申請531項，包含中國專利申請413項，檢索文獻的公開日或公告日截止于2018年12月31日。通過對AUG技術的探討，同時兼顧行業標準、習慣與專利檢索數據，最終形成了技術分解圖。如圖1所示，AUG技術分支主要包括AUG總體、能源系統、水聲通信、運動控制系統、導航系統、組網技術及其他。其中，運動控制、能源系統、AUG總體等技術分支占比較大，而關于導航技術、水聲通信技術以及組網技術這些研究難點的專利申請占比較小，其總和也僅為71項。因此，本文主要針對這3個分支進行深入研究。

圖1 AUG全球專利申請主要技術分支申請量占比Fig.1 The proportion of patent applications of major technical branchesof AUG in the world

如圖2所示，通過對這3個分支的專利申請趨勢進行分析可以得知，AUG導航技術全球專利申請起步較晚，2011年才開始首項專利申請，相對于AUG整體的技術發展狀態而言，導航技術發展相對滯后，但整體趨勢處于增長狀態，至2018年申請量突破了新高度；水聲通信技術專利申請起步于2006年，從2015年開始通信系統的技術研究迅速增長，并在2018年申請量達到峰值；AUG組網技術于2013年才開始提出，數量較少僅為1～3項，但其在每年均有相關專利申請提出。由于專利數量有限，難以得出有效的趨勢性結論，有必要對其進行擴展分析。

圖2 AUG導航技術、水聲通信、組網技術全球專利申請趨勢Fig.2 The global patent application trend of the three branchesof AUG in the world

2 擴展領域導航技術、水聲通信技術以及組網技術的全球專利技術分析

基于AUG的自身特點，發現AUG導航系統中通過專利和非專利的文獻技術關聯，使用相同技術的領域還包括水下航行器，將AUG的導航技術擴展至水下航行器，通過相鄰領域能夠提供解決相應問題的啟示；根據AUG水聲通信所必須的低功耗和小型化的功能效果的特點，將研究范圍可擴展到能夠實現水下低功耗和小型化的通用水聲通信技術中；目前AUG的組網編隊主要通過領隊跟隨式實現，通過對領隊跟隨式編隊技術進行擴展檢索，尋找領隊跟隨式的具體算法，可有助于實現AUG的組網編隊。本文針對深入研究的導航技術、水聲通信、組網技術在廣義的水下航行器領域進行上述“擴展”，檢索得到全球專利1 581項，包括中國專利967項，檢索文獻的公開日或公告日截止于2018年12月31日。

1）擴展領域導航技術、水聲通信技術以及組網技術專利申請占比分析

如圖3所示，在全球專利申請量中導航技術、水聲通信技術以及組網技術總量為1581項，其中通信系統專利申請數量占比最大，為849項，導航技術以及組網技術專利申請量分別為325和488項。就這三方面的專利申請量而言，擴展領域的專利申請量遠遠大于專用于AUG的專利申請量。

圖3 擴展領域三分支全球專利申請量Fig.3 The global patent application volume of the three branches in the expanded field

2）擴展領域導航技術、水聲通信技術以及組網技術專利申請趨勢分析

導航技術專利申請發展態勢呈前期探索、中期平穩、后期快速增長有回落。如圖4所示，水下導航技術技術起步于1991年，至2002年后進入平穩發展階段，于2008年進入快速發展期，并于2016年全球專利申請量達到巔峰，申請數量為44項；而隨著水下導航技術的逐漸成熟，在2016年之后，專利申請量明顯下降。擴展領域導航技術的申請量下降也導致了AUG技術自有導航技術的申請量較少，目前全球關于水下導航技術的專利申請總量達到325項，通過對比可知在AUG導航技術首次專利申請時（2011年），擴展領域的專利申請趨勢已經進入快速發展期，對AUG的導航技術的研究具有相當大的參考性。

圖4 導航技術擴展領域全球專利申請趨勢Fig.4 The global patent application trend of navigation technology in theexpanded field

水聲通信技術在全球范圍的專利申請量自始至終趨于增長態勢。如圖5所示，水聲通信技術早在1954年就已有首項專利申請，經歷1954-1983年近30年的技術萌芽后，開始平穩增長，并于2003年后進入迅速發展階段，水聲通信技術的研究熱度持續升溫，技術水平也在不斷提高。目前全球關于水聲通信技術的專利申請總量達到849項，其發展時長也遠超AUG自有的水聲通信技術，對AUG水聲通信技術的研究可提供強有力的技術支撐。

圖5 水聲通信技術擴展領域全球專利申請趨勢Fig.5 The global patent application trend of underwater acoustic communication technology in the expanded field

組網技術在全球范圍的專利申請量自2008年后趨于快速增長態勢。如圖6所示，組網技術在2008年以前年均申請量不足10項，而2008—2018年的10年間年均申請量由個位數已快速增長至90余項，在此期間AUG自有的組網技術才剛剛起步。目前組網技術申請量漲幅最大、增長速度最快，是全球研發機構的新晉研究方向，其組網技術的全球專利申請總量達到488項，遠超AUG組網技術的14項，同樣引導著AUG組網技術的發展。

圖6 組網技術擴展領域全球專利申請趨勢Fig.6 The global patent application trend of networking technology in theexpanded field

3）擴展領域導航技術、水聲通信技術以及組網技術來源地的協同創新申請量占比分析

主要申請國創新申請量占比最大的分支在水聲通信技術，其次為組網使用，最后為導航技術。如表1所示，各分支申請量最多的中、美、日均在水聲通信領域創新申請量占比最高，分別達43%，75.50%，58.43%，說明水聲通信領域在各國的普遍關注度最高，研究更廣泛。中國對組網技術的研究較美、日兩國更為重視，占比達到37.93%，數量為382項，遠超美、日兩國。其中，值得關注的是，韓國專利申請總量雖不大，但其對新晉組網技術的關注度最高、創新申請量占比最大，為81.82%，韓國在組網技術的專利申請量雖與中國相差甚遠，但也僅次于中國，相對于其他國家占有一定優勢。此外，俄羅斯僅在導航技術分支具有12項專利成果，未對水聲通信和組網技術進行專利申請，導航技術創新申請量占比為100%。

表1 協同創新申請量占比Tab.1 The proportion of collaborative innovation applications

4）擴展領域導航技術、水聲通信技術以及組網技術的專利活躍度分析

水聲通信為近些年的技術研究重點，組網技術關注度逐漸增加，導航技術相對成熟。由表2可知，在擴展領域導航技術、水聲通信技術以及組網技術這3個分支中，水聲通信占比最大，近5年中專利活躍度最高，為2.40，但在近3年的活躍度略低于組網技術；組網技術占比次于水聲通信，活躍度由近5年的2.28上升至近3年的2.84，在3個分支中近3年的活躍度最高；導航技術占比最低，活躍度也最低，而且近5年與近3年的活躍度也相對穩定。由此可知，水聲通信作為近些年的技術研究重點，專利申請量占比最大，研究熱度逐漸上升；組網技術的申請量漲幅相對更大，近幾年活躍度趨于增長，關注度逐漸增加；導航技術相對成熟，活躍度最低。

表2 各分支專利活躍度Tab.2 The Patent activity of each branch

5）主要國家專利增長率分析

組網技術較其他2個分支而言研究前景更為廣闊，導航技術和水聲通信的專利增長率趨于下降。如表3所示，總體來看，各國在水聲通信技術的專利申請量大部分趨于降低，中、美、韓近幾年更加注重組網技術的研究，中、美、歐、英對導航技術的研究熱度有所下降。具體而言，中國在這3個分支不同年份間的專利申請量增長率全部為正值，即可知其各分支的專利申請數量全部趨于增長，其中組網技術增長率最大且增長速度最快，導航技術在2016?2018年增長率有所下降；美國在這3個分支的專利申請量增長率全部由2013?2015年的正值（分別為6%，64%，10%）降低為2016?2018年的負值（?79%，?83%，?9%），導航技術和水聲通信的專利申請量急劇下降，組網技術分支專利申請量變化幅度最小，相對而言，美國的研究重點向組網技術有所轉移。

6）中國專利申請來源分析

中國在擴展領域的這3個分支中，專利申請絕大部分來自國內申請人，國外來華的申請總量占比極少，與歐美等國家或地區對中國進行技術封鎖的實際情況相符。由表4所示，中國申請人的專利申請量達1 035項，占絕大多數。只有美國、日本、韓國、芬蘭、意大利等少量國家在中國進行布局，申請量最大的美國也僅為18項。其中，國外來華的專利申請主要分布于水聲通信和組網技術，導航技術的國外來華申請數量最少。美國在水聲通信、導航技術和組網技術的專利申請量并不?。ǚ謩e為265，61，25項），而在我國進行專利申請的數量卻僅為11，5，2項，也進一步說明了美國在與軍事應用方面密切相關的領域對我國施加了技術封鎖。

7）中國主要申請人專利分布分析

哈爾濱工程大學在各分支中申請量均最多，中國科學院聲學研究所、天津大學和東南大學分別在導航技術、水聲通信和組網技術這3個技術分支的擴展領域具有較高的研究水平。如表5所示，在國內申請人中，哈爾濱工程大學、東南大學、西北工業大學、中國科學院聲學研究所等科研院校在導航技術、水聲通信、組網技術3個擴展領域均有布局，天津大學、廈門大學、華南理工大學等院校僅在水聲通信、組網技術的擴展領域有相關專利申請。其中，哈爾濱工程大學在各分支的擴展領域的申請量均處于領先地位，顯示出其深厚的研發實力，天津大學在組網技術方面的申請量僅次于哈爾濱工程大學，其在組網使用方面具有一定的優勢；中國科學院聲學研究所在水聲通信領域最有建樹，東南大學更注重導航技術的研究。

表3 各國專利申請增長率Tab.3 The grow th rate of patent applications in various countries

表4 中國專利申請主要來源地Tab.4 The main sourcesof Chinese patent applications

表5 中國主要申請人專利分布Tab.5 The patent distribution of main applicants in China

3 結 語

對比分析AUG自有與擴展領域技術的專利申請趨勢，3個分支的自有專利申請均在擴展領域的快速發展期才開始起步，且專利數量差距甚遠，AUG技術在這3個分支的研發狀態還具有廣闊的發展空間。

通過在AUG擴展領域的導航技術、水聲通信技術、組網技術專利分析可以看出，專利申請量占比最大的分支在水聲通信技術，其次為組網使用，最后為導航技術。隨著水下導航技術的逐漸成熟，其專利申請處于下降趨勢，而各國對水聲通信技術和組網技術的研究熱度持續升溫，尤其是組網技術，在近3年的活躍度最高，較其他2個分支而言研究前景更為廣闊。

中國、美國、日本、韓國等依舊是導航技術、水聲通信技術、組網技術在擴展領域的主要申請國。中國在擴展領域3個分支的專利申請幾乎全部來自國內申請人，國外來華的申請總量占比極少。哈爾濱工程大學在各分支中申請量最多，均處于領先地位。

針對目前存在的技術難題，可以主要對美、日、韓的公開技術進行分析研究，尤其是哈爾濱工程大學、天津大學等研發主體更有望早日突破技術瓶頸。關于我國專利布局而言，在國外布局的專利數量十分稀少，建議對可公開的技術加大國外布局力度，盡早占領市場，更有利于今后的AUG技術發展和市場應用。