基于專利角度的防震減災領域技術研發態勢分析

季婉婧,宋姍姍,蘇小蕓

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.中國科學院西北生態環境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;3.中國科學院大學,北京 100049)

0 引言

地震是影響人類生活的自然災害之一,全球每年發生7級以上強烈地震十余次,造成的經濟損失和人員傷亡十分嚴重。我國是一個受地震災害影響十分嚴重的國家,20世紀以來我國地震死亡總人數約占全球地震死亡人數的1/2。2018年12月,全球地震模型(Global Earthquake Model Foundation)發布了一份有關全球地震災害和風險的估算報告[1],報告指出中國是全球地震造成經濟損失第二大的國家,排在第一的是日本,美國排在第三位。實踐證明,不管是準確的地震預測、災情評估還是及時高效的應急救援,不僅需要快速的聯動反應,更需要高科技的支撐。因此,依靠科技進步成為防震減災事業發展的根本原則和必由之路。

《國家地震科學技術發展綱要(2007—2020年)》指出,我國地震科學技術工作目前依賴國外技術和產品的局面尚未完全改變,觀測技術和儀器儀表方面的原創性成果不多。因此,加快地震科學技術的發展,最大限度地提升防震減災工作中各個環節的科技含量,創造更多具有自主知識產權的科學技術及裝備,是提高我國防震減災能力的迫切需求。近年來,我國政府有關部門積極致力于推廣抗震專利技術。汶川地震后,國家知識產權局及時發出《關于繼續做好知識產權抗震救災工作的緊急通知》[2],要求各地加大工作力度,采取政策引導、開辟專利轉讓登記和專利實施許可合同備案“綠色通道”等多種有效途徑,推動抗震救災專利技術的許可或轉讓,促進有關技術快速應用到抗震救災中。因此把握防震減災領域技術的國際和國內發展態勢,既符合國家防震減災規劃(2006—2020年)[3](以下簡稱《規劃》)里提出的“‘十三五’時期,迫切需要聚焦防震減災關鍵技術、重大科技問題和基礎科學研究”的目標要求,又符合我國的長遠戰略規劃。

目前我國對防震減災領域技術進行專利分析的學者并不多,張晉輝[4]利用TDA和TI,對地震預警技術領域的專利數據展開了多角度的專利情報分析;殷媛媛[5]利用全球專利技術信息資源,分析了國內外地震預警技術的研發現狀,并將專利具體信息以列表的形式進行了展現;楊林等[6-7]從專利角度對國內外建筑隔震支座技術進行了分析研究,指出了全球發展趨勢,并指明了我國隔震支座技術今后的發展方向。從專利分析的角度深入認識防震減災領域的技術進步和發展趨勢,是推動防震減災事業可持續發展的有效途徑。因此本研究基于北京合享智慧科技有限公司開發的incoPat全球專利數據庫,對防震減災領域技術進行專利文獻分析。該數據庫目前收錄了全球120個國家/組織/地區的超過1億余件專利信息,將專利著錄信息、法律、運營、同族、引證等信息進行深度加工及整合,所有數據采購自官方和商業數據提供商[8]。根據《規劃》,防震減災分為地震監測預報、震災預防、緊急救援三大工作體系,因此構建如下檢索式:TIAB=(((earthquak* or seism*)and (monitor* or warning or predict* or forecast* or rescue* or relief* or reliev* or emergency or quakeproof or shockproof or antiknock or resistance or ‘disaster prevention’or ‘disaster reduction’or ‘disaster alleviation’or ‘disaster mitigation’))not (‘seismic method’or ‘earthquake method’or mining or mine or mineral* or log* or "well shooting" or oil or petroleum or gas or methane or hydrocarbon* or hydrogen* or hydrat* or "nature gas")),首次檢索獲得19 413條數據。經過數據篩選和清洗,最終獲得符合檢索條件的數據18 840條。檢索時間為2020年5月14日。由于專利從申請到公開具有一定的滯后性(一般發明專利在申請后3～18個月公開,實用新型專利和外觀設計專利在申請后6個月左右公開),因此2018年和2019年的數據可能不能代表這兩年的實際情況。

1 防震減災專利時序分布

從全球專利申請數量的變化可以看出(圖1),自1948年防震減災領域第一件專利誕生以來,經歷了大約30年的緩慢發展期。20世紀90年代后,經過十幾年的調整,從2004年開始呈現快速增長趨勢。

圖1 防震減災領域專利申請數量年度分布Fig.1 Annual distribution of the number of patent applications in the field of earthquake disaster reduction

2 防震減災專利國家/地區分布

2.1 國家/地區專利申請數量分布及趨勢

全球防震減災領域技術專利申請主要分布在中國(49.0%)和日本(28.4%)這兩個受地震災害影響較大的國家,專利申請總和占全球申請量77.4%。此外,專利受理量排名前10位的國家和地區還包括韓國、美國、俄羅斯、世界知識產權組織、中國臺灣、歐洲專利局、英國和加拿大(圖2)。中國專利申請量迅速增長出現在2008年汶川地震以后;且2013年雅安地震后再次激增。2013年1月,美國阿拉斯加州克雷格以西海域發生里氏7.7級強烈地震,并引發海嘯,美國專利申請數量在2013年也出現了一次峰值。日本地震頻發,在防震減災領域技術專利一直有所產出,2007年達到峰值;2011年3月11日日本東北部海域發生9級強烈地震,引發舉世矚目的福島核電站事故,次年日本、中國的專利申請量均出現上升趨勢。近五年來,韓國地震增多,同時受日本地震影響,韓國在防震減災領域技術研發方面增長十分迅速,相關專利申請量緊隨中國之后。而俄羅斯、世界知識產權組織、中國臺灣等一直保持平穩狀態。2015—2017年,中國、韓國和世界知識產權組織專利申請量占比較高,中國臺灣、歐洲專利局、俄羅斯和美國活躍情況比較接近(表1)。

圖2 防震減災領域技術主要申請國家/地區分布Fig.2 Distribution of major countries and regions applying technologies in the field of earthquake disaster reduction

表1 防震減災領域技術主要申請國家/地區專利申請量(排名前10位)Table 1 Number of patent applications of major countries/regions in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

2.2 主要國家/地區專利價值度

采用incoPat的專利價值度指標(1)incoPat專利價值度是北京合享智慧科技有限公司自主研發的一個綜合專利分析領域內20多個重要技術指標的專利價值模型,通過指標權重設定等將專利劃分為1～10分,分數越高代表專利價值越高。分析了已申請防震減災領域專利的價值情況。結果見圖3,價值度為10的專利數量最多的國家是日本,數量為349件,占比為6.5%,主要集中在地震報警、抗震等方向;其次是美國,價值度為10的專利數量為276件,在其所有專利中占比最高,為41.8%,遠超其他國家和地區,專利主要集中在地震監測、粒子輻射等領域;然后是加拿大、世界知識產權組織和歐洲專利局,價值度為10的專利數量占比分別為23.6%、16.8%和16.4%。中國專利價值度為10的專利數量是97件,占比較低,僅為1.1%。專利價值度為9的專利數量最多的國家是中國,專利數量1 140件,其次是日本,專利數量為591件。統計各個國家或地區專利數量隨專利價值度的變化情況,只有美國的專利是專利價值度越高,專利數量越多,說明美國防震減災專利整體價值度較高;世界知識產權組織、歐洲專利局和加拿大的專利價值度整體情況良好,專利數量基本能達到隨著專利價值度的升高而增加。

圖3 防震減災領域技術主要申請國家/地區專利價值度分布(排名前10位)Fig.3 The patent value distribution of major countries and regions applying for technologies in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

3 防震減災專利申請人分析

3.1 專利申請人分布

防震減災領域技術排名前十位的專利申請人主要來自中國和日本(表2),排名第一的是北京工業大學,專利申請數量為177件。從近3年專利申請活躍度可以看出,最活躍的是來自挪威的PGS地球物理公司,這是一家國際領先的海洋地球物理公司,主要業務是在技術驅動下提供廣泛的地震和油藏服務,同時擁有目前業內規模最大的現代化數據庫。其次是同濟大學、西安建筑科技大學和北京工業大學。日本機構近三年來整體活躍度不高。

表2 防震減災領域主要專利申請人(排名前10位)Table 2 The main patent applicants in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

3.2 主要專利申請人專利申請年度數量分布

防震減災領域主要專利申請人中,中國機構和日本機構呈現出截然不同的變化趨勢。中國各機構在2008年前專利產出較少,從2008年開始專利申請數量呈現飛速增長的變化趨勢,其中北京工業大學在2009—2014年的專利數量變化幅度最大,沈陽建筑大學在2013—2018年間變化幅度較大,并在2018年達到了所有機構年專利產出最高值,為37件,同比其他機構,專利市場占有份額大幅度增加。同濟大學則比較穩定,自2008年開始每年都有一定數量的產出。相比而言,日本機構專利研發相對具有比較長的歷史,在2001—2013年間產出較多(圖4)。

3.3 主要專利申請人專利價值度

在排名前10位的專利申請人中,國外機構申請的專利都具有較高的價值度,在價值度為10的專利中,PGS地球物理公司有25件,占到該機構全部申請專利數量的32.5%,主要集中在信息的采集、成像、解釋和現場評估等;日本的三菱電機株式會社和株式會社日立製作所各有11件,主要為地震報警方向;而幾個中國機構的專利價值整體表現不高,專利價值度為10的專利數量較少,專利價值度為9的專利數量較多,其中北京工業大學專利價值度為9的專利數量49件,占比為27.7%,其次是同濟大學和西安建筑科技大學,分別為29和23件,占比分別為31.9%和29.1(圖5)。

圖5 防震減災領域主要專利申請人專利價值度分布(排名前10位)Fig.5 Distribution of patent value of main patent applicants in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

3.4 主要專利申請人技術研發布局

從具體技術分類角度分析(表3),各機構專利主要集中在E04H9/02、E04B1/98和G08B21/103個方向。在E04H9/02技術方向,清水建設株式會社具有較高的申請量;在E04B1/98技術方向,北京工業大學具有較高申請量。中國機構主要集中在E04H9/02和E04B1/98;日本機構則主要集中在E04H9/02和B66B5/02。各機構的優勢技術方向列于表4。

表3 防震減災領域技術專利申請核心機構主要技術類型Table 3 Main technical types of core organizations applying for technical patents in the field of earthquake disaster reduction

表4 防震減災領域主要專利申請人技術研發布局Table 4 Technical R &D layout of main patent applicants in the field of earthquake disaster reduction

4 防震減災專利技術方向分析

4.1 不同時間段技術研發布局

根據incoPat提供的聚類功能,可以分析不同時期防震減災領域技術的研發熱點,根據研發熱點可以總結不同時期的技術演進方向(表5)。由圖1可知,20世紀90年代前防震減災技術專利一直處于比較平穩的申請狀態,而絕大多數專利主要集中在2000年以后,因此根據專利申請趨勢和專利申請數量將其劃分為5個時間段,分別是:1999年以前、2000—2009年、2010—2013年、2014—2016年、2017—2019年。

表5 防震減災領域技術演進Table 5 Technology evolution in the field of earthquake disaster reduction

(1)1999年以前,防震減災領域技術研發熱點主要集中于地震監測勘測(包括地震預測裝置、地震臺站建設、地震監測裝置,如地震傳感器、地震儀等)和建筑防震抗震系統(包括電梯減震系統、避震箱、抗震防護艙等),對于地震應急操作(包括地震報警系統、應急照明等)和地震救災(包括救災機器人、避難所、救援信號發射器等)開始有所關注。

(2)2000—2009年,研發熱點更加集中于地震監測預報(包括地震勘探數據采集、神經網絡預測、地震前兆信息等)和建筑結構抗震(包括建筑支撐系統、鋼板剪力墻、鋼筋砼空心樓板等),對于地震應急救援(包括地震報警器、應急門、地震模擬器、緊急切斷閥等)也愈加重視,各主要技術方向之間開始緊密關聯。

(3)2010—2013年,研發熱點開始重點關注地震緊急救援(包括緊急避難、救援人員等)和地震報警系統(包括地震海嘯預警系統、數據處理工作站等),對于地震監測預報(包括遠程數據監測、地震源、地震傳感器、地震預報儀等)和建筑抗震(包括建筑結構整體性、摩擦阻尼器、鋼結構立柱等)也在持續關注,各主要技術方向之間的關聯明顯更加緊密。

(4)2014—2016年,研發熱點重點關注建筑抗震隔震(如隔震層、建筑結構體系、建筑材料等)、地震監測勘測(包括地震數據采集、地震檢測傳感器、氡監測等)和地震救援(包括報警裝置、救援車、救援人員等)三個領域。

(5)2017—2019年,地震監測預報(包括納米機電傳感器、海底地震勘測等)、建筑物防震抗震(包括抗震結構和材料、橋梁抗震、隔震技術等)及地震應急救援(包括地震應急信息系統、地震救援裝置、地震預警系統等)共同形成當前防震減災領域技術研發的3大分支,不同技術研發方向的關系更加密切。

4.2 高價值專利分析

通過incoPat的合享價值度和被引證次數兩個指標綜合分析,篩選出防震減災領域技術的高價值專利。研究顯示,防震減災高價值專利主要分布在美國、日本和中國,其中美國和日本在同族專利數量方面遠遠高于其他國家和地區,同時美國專利的綜合指標排名都比較靠前,前100個高價值專利中有84%來自美國。中國同族專利數量排在第五位,位于歐洲專利局和世界知識產權組織之后。高價值專利的申請人主要包括三菱電機株式會社、北京工業大學、西方奇科公司、株式會社日立製作所、同濟大學、清水建設株式會社等。根據防震減災領域技術分類,這里按照監測預報、震災預防、緊急救援三大類具體分析各自的技術走向。

(1)監測預報

雖然目前全球都無法做到準確的地震預測,但地震預警被證明是可以實現的。地震預警技術作為地震監測的新技術,已經取得了部分成功預警的實例,如墨西哥的SAS系統成功地對1995年7.3級地震進行了預警,日本的預警系統成功地對2005年宮城7.2級地震進行預警[9]。經分析,監測預報高價值專利主要包括振動傳感器和加速度計、地震監測勘測、地震預警系統和報警器、地震信號采集與傳輸、神經網絡預測等方面的技術。振動傳感器和加速度計方面,英國電信公共有限公司[10]通過振動傳感器電耦合的發射器單元發射的聲波來感測海底地震事件。地震監測勘測方面,華中科技大學[11]提供一種適應性強、多參數和高精度的地震監測裝置,該裝置由中央控制終端和地下傳感探頭組成,可以實現深地振動、應變和溫度參量的實時監測和報警;西方奇科公司[12]在給定時間內通過測量從貯存庫和圍巖體獲取相關的地震數據以完成地震勘測。地震預警系統和報警器方面,鹿島建設株式會社和応用地震計測株式會社[13]提供一種地震早期報警系統,即在地震發生時,在S波到達之前預測其搖晃的大小并發出警報;松下集團[14]提供一種便攜式無線電通信終端和緊急廣播收發系統,能夠在地震等災害發生情況下發送和接受通過數字電視廣播發送的緊急廣播,并減少在不發送緊急廣播待機狀態下所消耗的電力。地震信號采集與傳輸方面,QUAKEFINDER有限責任公司[15]提供了一種基于空間的極低頻(ELF)磁場檢測器和基于地面網絡的極低頻磁場檢測器相結合,其中基于空間的極低頻磁場監測系統可用于在已知和未知地震區域中執行廣域搜索并尋找前兆地震信號,而基于地面網絡的極低頻磁場檢測器可用于驗證這些信號確實是地震產生的信號。

(2)震災預防

在對公共建筑進行結構設計時,應注重抗震設計,提高結構的抗震性能,從而減輕地震災害影響。經分析,震災預防高價值專利主要包括抗震墻和抗震結構、隔震支座、電梯控制裝置、抗震用低屈服點鋼、聚四氟乙烯防震板等。抗震墻和抗震結構方面,WPFY股份有限公司等[16]提供的建筑框架由矩形鋼管構成,端壁模塊沿著相鄰邊緣螺栓連接在一起并連接到側壁模塊的端部,形成周邊框架壁;北京工業大學[17]提供了一種新型震后易修復鋼異形柱-中心支撐架,雙槽鋼梁通過梁端封板,與異形柱連接,形成無焊縫全螺栓的連接形式,中心支撐使結構具有更好的抗側能力;株式會社竹中工務店[18]提供了一種由波紋鋼板組成的抗震建筑墻體,該墻壁具有足夠的剛性和強度,克服了以往混凝土墻很難控制強度和剛性的問題。隔震支座方面,中南大學[19]提供了一種多維減隔震支座,解決了傳統支座不能有效進行三維減隔震的問題,并實現在不同強度地震作用下的多重減隔震目的,同時具有抗拔、抗扭功能。電梯控制方面,鹿島建設株式會社[20]提供的電梯控制運轉裝置能夠使電梯在地震或強風發生過程中暫停運行,可避免電梯繩索過大搖晃時繩索掛鉤事故的發生。

(3)緊急救援

傳統救援方式耗時耗力,且救援率極低,而機器人、遠程醫療、遙感技術、生命探測儀等現代信息技術的應用可以使受災群眾在黃金時間里得到救助,與傳統救援方式相比極大地降低了傷亡率。經分析,緊急救援高價值專利主要包括地震應急指揮系統、地震應急處置和逃生裝置、救災機器人、生命探測儀等。地震應急處置和逃生裝置方面,中國鐵路總公司等[21]提供一種高速鐵路地震緊急處置裝置,在地震監測預警系統發布警報時,該裝置可通過鐵路無線通信系統接收地震警報信息,并根據地震警報級別采取相應的緊急處置措施。救災機器人方面,Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho[22]提供了一種能夠防止在陡坡上墜落、可以在遭受大面積災難的越野地點行走的救災機器人,同時在救災設備、物資等的野外運輸過程中,能確保操作人員的安全,還涉及一種用于機器人的操作控制器;哈爾濱工業大學[23]提供了一種移動式頂撐機器人,可以進入震后廢墟狹窄空間,代替救援人員執行救援通道的打通任務,還可以在機器人上配置多種傳感器,實現對廢墟狹窄空間中復雜環境的特征探測和危險性評估。

5 結論

本文利用incoPat全球專利數據庫對國際防震減災領域技術專利文獻進行分析。分析過程中,按照監測預報、震災預防、緊急救援三大類從宏觀層面對國家/地區進行了總體分析,從中觀層面對主要專利申請人進行了全面分析,最后對不同時間段技術研發布局、高價值專利等微觀層面進行了詳細分析。分析結果顯示:

(1)全球范圍內對于防震減災領域技術研發一直在持續增加,我國在專利總量和增長率方面遠超其他國家,但是我國的專利價值度整體不高,專利質量有待進一步提升。相比而言,美國在防震減災領域技術專利質量最高。

(2)專利申請人方面,專利申請數量最多的是北京工業大學,其次是日本的三菱電機株式會社和株式會社日立製作所。

(3)目前防震減災領域技術高價值專利主要集中分布在美國、日本和中國。監測預報高價值專利主要包括振動傳感器和加速度計、地震監測勘測、地震預警系統和報警器等,震災預防高價值專利主要包括抗震墻和抗震結構、隔震支座、電梯控制裝置等,緊急救援高價值專利主要包括地震應急指揮系統、地震應急處置和逃生裝置、救災機器人、生命探測儀等。

(4)綜合分析結果,未來全球防震減災專利技術將繼續圍繞地震監測預警、房屋設施抗震加固、減隔震、地震應急救援等領域重點開展;我國防震減災工作將緊緊圍繞《新時代防震減災事業現代化綱要(2019—2035年)》的要求,在繼續推進“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉”“智慧服務”四大科學計劃的同時,更多地利用現代化科學技術,加強國際合作,全面提升我國防震減災領域技術水平和創新能力,為推進防震減災事業現代化建設奠定更加堅實的基礎。