基于專利計量的船舶動力系統技術趨勢分析

周 航，盛永祥，吳 潔,2

（1.江蘇科技大學 經濟管理學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003）

0 引言

十九大報告指出，要加快建設海洋強國，提高海洋資源的開發和利用能力。隨著船舶海工行業的飛速發展，現代化船舶正呈現出大型化、快速化以及自動化的發展趨勢，而動力系統作為整船的核心，其運行不僅關系著船舶航行時的動力性，同時還與航行的可靠性、穩定性、經濟性存在緊密聯系，在科技飛速發展的當下，其重要性日益凸顯。傳統的船舶動力系統有蒸汽輪機、燃汽輪機、柴油發動機等，但是傳統大型柴油發動機排放的廢氣會造成嚴重的海洋環境污染，因此，尋求功率、能耗、環保三者之間的均衡點是未來船舶動力系統領域技術發展亟需解決的問題。2018年4月第72屆會議上國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上環境保護委員會提出了IMO 海運溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）減排初步戰略，明確指出國際海運業未來的綠色發展方向、船舶低碳技術的發展方向，同時對海洋環境保護提出了更高的要求[1]。因此，對船舶動力系統研究現狀以及發展趨勢進行深入分析，有著非常積極的現實意義與價值。

目前，已有較多學者對船舶動力系統領域進行研究，如林輝[2]、贠廷軍，等[3]對國內外船舶動力系統現狀進行剖析，并預測未來船舶動力系統發展方向；岳萬寧，等[4]在電力推進系統方面設計的AFE變頻器解決了因諧波注入造成的電網污染問題；何金平，等[5]在現有雙燃料船舶布置結構的基礎上進行優化改進，降低了機艙內氣體燃料爆炸的概率。關于專利分析，已有許多學者利用專利分析的方法探究技術發展動態，如Braun，等[6]對太陽能發電技術發展趨勢進行了研究；Varcoe，等[7]對燃料電池技術發展現狀進行了分析；丁禮謙，等[8]對智能船舶相關重點技術進行了研究；王春楊，等[9]基于地方城市專利數據，探討了高鐵對沿線城市創新能力的影響。

專利作為技術信息的有效載體，囊括了全球90%以上的最新技術情報[10]，已有許多學者采用專利分析方法研究太陽能發電[6]、微電網[11]等領域的技術演化，以此來分析各領域的技術發展趨勢。由此可見，目前專利分析技術在諸多領域得以廣泛應用。雖然已有較多學者對具體船舶動力系統技術進行研究，但尚未有學者基于專利的視角對船舶動力系統技術發展進行分析。因此，本文將基于專利分析的方法，聚焦技術發展，對全球船舶動力系統領域發展態勢、核心專利和技術演化等進行分析，為今后船舶動力系統領域的技術發展提供有益參考。

1 專利分析

1.1 專利總體發展態勢分析

通過對專利申請的分析能夠及時掌握目標技術的發展態勢[12]。截至2020年12月30日，運用Patsnap全球專利數據庫檢索并進一步通過人工篩選出船舶動力系統領域專利490 條，共381 組。圖1 給出了全球和中國船舶動力系統技術專利申請趨勢。由圖1可知，2000 年以前，全球和中國都僅有少量專利申請；2000 至2013 年，由于船舶海工行業發展需要，對船舶動力系統在動力、穩定等方面提出了更高的要求，專利申請開始緩慢上升。2013年之后，隨著經濟全球化的快速發展，世界各國對大型運輸船舶的需求日益增加，專利申請量進入快速增長時期。可見，船舶動力系統在未來具有較大的發展潛力。中國的專利申請趨勢與全球申請趨勢相似，但是出現時間較晚，直到2006年之后才出現相關專利申請。然而，從中國專利申請占比來看，呈現逐年上升趨勢，這表明我國在船舶動力系統領域的創新力和影響力正不斷提升，占有一席之地。

圖1 船舶動力系統領域專利申請趨勢

1.2 專利技術關注焦點分析

國際專利分類（International Patent Classification，IPC）是現有通用的專利技術分類方法。通過對IPC分析可以了解當前技術領域的研發重點，從而把握目標技術未來的發展方向。因此，本文通過對船舶動力系統領域專利的IPC進行統計分析，將全球排名前10的IPC技術定為技術焦點，對篩選出的381組專利進行分析，發現船舶動力系統領域的專利申請情況見表1。

表1 全球數量排名前10的IPC技術

1.3 重點專利申請人分析

針對船舶動力系統領域的專利申請人進行分析。由圖2 可知，全球排名前15 的申請人共申請專利141件，占據全部申請量的36.06%，而排名前列的中國的哈爾濱工程大學的專利申請量是36 件，占全球申請量的9.21%，屬于第一梯隊，遙遙領先于其他公司，可以看出由于其雄厚的科研實力和分布較廣的技術領域，在全球市場競爭中掌握著主動權；GENERAL ELECTRIC COMPANY（通用電氣公司）和上海海事大學的專利申請量分別為24件、10件，分別占比6.14%、2.56%，屬于第二梯度，研發團隊實力相對較強；其他申請人西門子股份公司、中國船舶重工集團公司、三菱重工有限公司、中國艦船研究設計中心等專利申請量的差異不大，屬于第三梯隊。

圖2 船舶動力系統領域專利全球重點申請人分析

全球主要申請人中，屬于中國的有10家，分別是哈爾濱工程大學、上海海事大學、中國船舶重工集團、江蘇科技大學等，總申請量占全球主要申請人的66.7%，位居第一。

1.4 核心專利識別

核心專利是指在某個領域具有高度影響力和創新性的且具有重要經濟價值的專利[13]。因此，識別核心專利是進行技術演化分析的基礎，對于分析目標技術當前發展現狀和預測未來發展方向起到重要作用。一般情況下，專利被引頻次是識別核心專利的重要指標，若目標專利被引頻次越高，表明此專利在該技術領域具有較高的創新性和價值。

依據普萊斯定律，本文以專利被引頻次界定專利是否為核心專利[14-15]。定義專利被引頻次在M～Nmax內則為核心專利。其中M=0.749，Nmax為目標技術領域專利中最高被引頻次。經統計，船舶動力系統領域內單件專利被引頻次最高達到140次，即Nmax=140，M=0.749≈8.86（次），所以被引頻次達到9 的專利方可認定為核心專利。為了保證核心專利的有效性，本文還結合專利的法律狀態對專利進行識別，對有關駁回、撤銷等法律狀態的專利予以排除，最終統計獲得51件核心專利，見表2。

表2 核心專利被引頻次排序表

2 專利技術演化分析

進行專利文本分析有利于精確把握目標技術的核心要點。通過專利文本發現，船舶動力系統領域的專利申請主要集中于電力推進系統和燃料系統兩個技術層面。本文結合核心專利技術分析，針對動力系統發展過程中存在的技術問題進行研究，為相關研發機構和企業提供新的研究方向和思路。

2.1 核心專利篩選

本文引用專利文獻數量和非專利文獻數量、被引頻次等10個指標[16]從381組專利中篩選出28條核心專利，并根據電力推進系統和燃料系統兩個技術層面對核心專利進行歸納分析，最后按照時間順序繪制專利發展演化圖，如圖3所示。

圖3 船舶動力系統領域技術路線圖

2.2 電力推進系統

由于傳統大型柴油發電機會造成嚴重環境污染，各大船舶動力系統生產商開始努力設計更加節能環保的推進方式。船舶電力推進系統一般與柴油發電機、變頻器、變壓器等電氣設備進行組合使用，以傳統的驅動螺旋槳的方式進行推進。電力推進系統最早出現在20世紀80年代，三菱重工株式會社應急電動推進裝置（JP1985018495A）和（JP3576528B2）的研發為之后船舶電力推進領域的發展奠定了基礎；之后國外企業開始嘗試使用電力作為船舶動力源，例如西門子公司的（WO2000047464A1）正式將電力推進引入到船舶的推進系統中，此后電力推進系統得到大力發展，直到2006 年株式會社日立制造所（JP4857442B2）公開了一種簡化船體螺旋槳結構和舵結構的新型吊艙式螺旋槳，吊艙式推進系統開始出現。

2007-2016年間，隨著內燃機類船舶推進系統的廢氣排放對環境造成的污染愈加嚴重，而現有電動船舶電能利用率低，提高船舶電能利用率成為需要迫切解決的問題。近年來國內船舶電力推進領域穩步發展，2010年上海海事大學提出了基于動力電池的船舶電動推進系統（CN201842250U），為了簡化船舶動力系統結構和布局，上海海事大學的（CN202320761U）和江蘇科技大學的（CN104229113B）在現有吊艙式電力推進系統技術的基礎上進行深度探索，并取得了一定的成果。

2017-2020年間，隨著國家對船舶污染物排放進行大力度的控制，混合電力推進的供能方式逐漸替代了以往單一的柴電電力推進方式，例如，2017年中國艦船研究設計中心的抱軸式電力推進（CN107745793B）、2018 年中船重工的電池電力推進方式（CN209321219U）、2020 年中船郵輪科技發展有限公司的雙繞組電力推進方式（CN111717358A）；而在電力推進控制方面，2020 年江蘇科技大學采用的鋰電池、燃料發電以及超級電容三種能量供給技術（CN111634404A），為船舶不同的動力需求提供了貼切的供能組合。

2.3 燃料系統

燃料系統作為大型運輸船舶常用的動力源，主要分為傳統的柴油機動力系統和燃氣輪機動力系統。較于電力推進系統，燃料系統興起較早，最早出現在20世紀70年代，是由通用電氣公司推出的雙燃料控制系統技術（US3766734）。1972-2000 年間，由于航運經濟發展需要，三菱重工業株式會社開始大力發展燃料系統，從最初的雙燃料噴射系統（EP0282819A2），轉向雙燃料發動機（JP3064222B2）、（JP2008202545A）、（JP6297363B2）的改進和雙燃料控 制 系 統（JP1990207153A）、（JP2008202545A）、（CN104769261B）的優化，不斷完善油、氣燃料模式的切換，以保障燃料系統的安全性和穩定性。2014年，南通中遠川崎船舶工程有限公司在國際現有技術的基礎上，優化升級了原有燃料的加注管路（CN204200402U）；與此同時，三菱重工業株式會社針對氣體燃料和液體燃料的供應問題（WO2015122325A1），進一步深入研究，并取得了一定的成果。

隨著LNG 作為清潔能源越來越受到青睞，船運等相關行業將LNG列為可代替常規船用燃油的首選燃料，2016-2018 年間，國內科研院所和企業在現有技術的條件下開始發展雙燃料動力船舶，其中，江蘇科技大學（CN206107530U）、南通中遠川崎船舶工程有限公司（CN107719614A）實現了柴油-LNG 雙燃料動力系統在滾裝船上的運用；隨著節能減排成為研究熱點，混合動力系統開始出現。

2019-2020年間，混合動力系統逐漸成為國內各企業和科研院所的研發重點，中國艦船研究設計中心的脹套式聯合推進（CN110155289A）、哈爾濱工程大學的氨電混合動力系統（CN111332446A）、廣船國際有限公司的低硫油和甲醇雙燃料驅動方式（CN111469979A）和山西汾西重工有限責任公司的直流組網的混合動力系統（CN111907679A）豐富了船舶動力源，設計出一種控制系統，以根據工況切換不同的運行推進模式，極大地發展了船舶混合動力系統。

3 結語

從專利統計來看，船舶動力系統技術領域的全球和中國技術發展總體呈現上漲趨勢。從全球專利申請態勢的角度分析，2001 年之前為技術空窗期；2001-2013年間開始步入緩慢增長期；2013年之后進入快速發展階段。我國的船舶動力領域技術發展稍有滯后，但2014 年之后，我國無論是在專利數量方面，還是在專利質量方面，都有很大突破，成長為全球船舶動力系統領域申請專利最多的國家。

由技術演化路徑分析可知，船舶動力系統領域的技術發展主要集中在電力推進系統和燃料系統兩個方面。其中，電力推進系統的技術重點主要集中在使用燃料電池、超級電容等多種電力源發電；燃料系統的技術重點主要集中在LNG 雙燃料動力系統、船舶混合動力系統。節能、環保是未來船舶動力系統領域的主流發展方向。

船舶動力系統在傳統柴油發動機、電力推進系統和混合動力系統等方面已有了一定的技術突破，但隨著船舶海工行業發展需求和趨勢的變化，對船舶動力系統提出了更高的要求以適應市場需求。智能化、節能環保、功能集成是未來國內外船舶動力系統發展的主流方向，也為世界各國船舶廠商提供不竭動力，促進船舶動力系統不斷成熟。