基于專利分析的谷物聯合收割機全球技術布局

摘要 基于專利數據揭示谷物聯合收割機技術的全球布局、研究熱點以及競爭態勢，為中國聯合收割機技術挖掘、產業化發展提供參考。以谷物聯合收割機為研究對象，基于IncoPat專利數據庫，從專利整體布局、技術申請趨勢、專利申請機構、高價值專利分析等方面剖析聯合收割機技術領域的全球創新布局和競爭力態勢。近年來，全球聯合收割機技術進入新一輪創新活動活躍期，日美中德4國專利申請量占全球的86.95%。中國專利申請在數量上與美日等國差距不斷縮小，但高價值專利較少。久保田、井關農機、迪爾公司、CNH全球有限公司等國際農機巨頭是谷物聯合收割機技術創新的主要企業。中國技術研發關注聯合收割機的控制和測量裝置，而谷物分離清選還需要進一步加強研發以追趕世界先進水平。中國谷物聯合收割機面臨國際農機巨頭的專利封鎖，海外布局專利不足，高價值專利數量少，國內企業競爭力不足等問題。我國在該領域應發揮后發優勢，積極利用失效專利合理開展專利布局，加強高校和科研機構與企業合作推進技術成果轉化。

關鍵詞 聯合收割機；技術創新；專利分析；技術布局

中圖分類號 G353.12;G306 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）18-0207-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.18.044

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Global Technical Distribution of Grain Combine Harvester Based on Patent Analysis

WANG Xing1，WANG Hong-yan1，2，ZHANG Xue-fu1，2 et al

（1.Agricultural Information Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081;2.Key Laboratory of Agricultural Big Data，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Beijing 100081）

Abstract Based on patent data，we revealed the global technical distribution，research topics and competition trend of grain combine harvester technology.It provided reference for the technology mining and industrialization development of grain combine harvester in China.Based on IncoPat patent database，we analyzed the global innovation layout and competitiveness of grain combine harvester from the perspectives of patent overall layout，patent application trend，patent applicant and its research topics.The results showed that the technology of combine harvester entered a new round of innovation activities in recent years.The patents from China，the United States，Japan and Germany accounted for 86.95% of the total world.The gap between China and advanced technology countries in patent application narrowed.International agricultural machinery giants，such as Kubota，Iseki，Deere Company，CNH Industrial，were the main enterprises of grain combine harvester technology innovation.Great attention had been paid to the control and measurement devices of combine harvesters in China，and further research were needed to catch up with the world’s advanced level in grain separation and cleaning.In addition，China’s grain combine harvester innovation was facing problems like patent blockade from international agricultural machinery giants，low share of high-value patents，insufficient patents distribution overseas，and weak technological innovation competitiveness of domestic enterprises.In the future，China should take the advantage of backwardness，and carry out patent layout with invalid patents.Furthermore，cooperation among universities，research institutions and enterprises should be strengthened to promote the transformation of technological achievements.

Key words Combine harvester;Technological innovation;Patent analysis;Technical distribution

基金項目 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項“基于多源數據的農業領域技術機會實現路徑研究”（JBYW-AII-2021-31）；“科技自立自強背景下農業企業技術創新路徑研究”（JBYW-AII-2022-30）；“基于機器學習的農業技術領域專利數據集構建方法研究”（JBYW-AII-2023-30）。

作者簡介 王興（1996—），男，安徽淮南人，碩士，從事科技情報分析研究。*通信作者，助理研究員，博士，從事產業情報分析研究。

收稿日期 2023-10-07

農業機械化已經成為轉變農業發展方式、提高農村生產力的重要基礎，成為實施鄉村振興戰略的重要支撐［1］。谷物聯合收割機主要用于收獲水稻、小麥、玉米、谷子等糧食作物以及油菜、大豆等部分經濟作物，在田間可完成切割、脫粒、分離、清選、裝袋或隨車卸糧等若干項工序［2］。聯合收割機在解決農業機械化程度低、勞動強度大和生產成本高等問題上發揮了重要作用，其發展水平代表了世界農機行業的技術水平。國外聯合收割機的技術和產品已經較為成熟，向著系列化、大型化、智能化、高效率和高質量的方向發展，產量監測系統高度普及［2-5］。隨著中國土地流轉、規模化和標準化種植加快，對大型化、智能化、高效環保等高品質收割機需求加大。2021年中國小麥、水稻和玉米的機收水平分別達到97.49%、93.73%和78.67%［6］。中國設計生產的谷物聯合收割機依然是以完成基本收獲功能的中小型傳統機型為主，信息化、智能化技術配備較少，大型谷物聯合收割機的研制與國外的先進技術差距較大［7］。同時有研究表明，進口美國農業機械成本高的主要原因是美國農業機械的技術和質量優于中國［8］。中國連續3年（2017—2019年）在聯合收割機的每臺進口均價均超出口均價100%以上，且來自日本的久保田為我國聯合收割機市場占有率最高的品牌，可以看出我國在一些高端產品上對外界依舊存在一定依存關系。受核心技術、關鍵零部件及制造能力的制約，喂入量10 kg/s以上谷物收割機等高端產品雖然已經實現量產，但競爭優勢不足。國內聯合收割機研發存在關鍵技術缺失，產品可靠性和實用性差、故障率高等問題［9］。國外聯合收割機企業，如久保田株式會社在中國進行了大量的專利布局［10］，進一步擠占國內市場。

專利分析作為企業戰略與競爭分析的重要方法之一，可以了解競爭對手的技術發展與專利布局。專利分析方法已經在農業機械領域得到應用［11-13］，為領域科技創新、技術發展提供產業情報支撐。陳旭娟等［14］采用專利地圖分析法，對國內外玉米收割機的專利數據進行對比與分析，認為國外企業在該技術領域占壟斷地位。目前，針對聯合收割機開展的專利分析研究［15-17］側重于特定作物、特定地區的研究應用，為該研究提供了良好的研究基礎，而針對全球谷物聯合收割機的專利競爭情報研究仍較為欠缺。鑒于此，筆者以谷物聯合收割機為研究對象，通過專利分析揭示該領域技術發展態勢、重點國家專利布局、重要機構研發主題等競爭情報，以期為農機管理部門政策制定提供戰略指導，為農機企業和研究機構開展技術研發創新提供產業情報支撐。

1 數據來源與分析方法

數據來源于IncoPat專利索引數據庫，通過關鍵詞與IPC相結合的方法進行專利檢索和數據采集。綜合應用了IncoPat專利分析模塊、Microsoft Excel 2016等分析工具進行數據清洗、統計分析與可視化。

檢索時間范圍為申請年2000—2022年，檢索式為：TIAB=（"combine harvester" OR "corn harvester" OR wheat harvester OR rice harvester OR maize harvester OR 玉米收割機 OR 水稻收割機 OR 小麥收割機 OR 聯合收割機 OR 聯合收獲機 OR 收獲機 OR 收割機）） AND （ AD=［20000101 TO 20221231］ ）） AND PT=（1 OR 4），獲得全球谷物聯合收割機相關專利5.59萬條檢索結果，通過IPC分類號和關鍵詞限定以及人工標引，剔除不相關專利并進行申請號合并后剩余29 438件。從專利申請時間、技術來源與流向、公開國家與地區、申請機構、技術分析、高價值專利申請等方面展開深入分析，旨在揭示國內外谷物聯合收割機領域的研發布局及發展趨勢。

2 結果與分析

2.1 專利申請趨勢分析

由圖1可知，全球范圍內谷物聯合收割機在2000—2022年呈現波動上升的趨勢，2018年突破2 000件，達到近年來的峰值。中國在聯合收割機產業起步較晚，2000年申請量僅為13件，僅占當年全球專利申請總量的1.22%。從2007年開始，中國谷物聯合收割機技術相關專利申請開啟快速增長模式。近5年中國谷物聯合收割機專利申請數量累計占全球專利總量的42%，年均專利申請量在440件左右，處于穩定發展時期。

從申請趨勢看，德國在聯合收割機技術領域的專利申請量相對穩定，日本在該領域的專利申請呈先波動緩慢下降的趨勢，而美國則呈現先緩慢上升后波動增長的趨勢（圖2）。美國和日本的專利申請量具有絕對優勢，中國在谷物聯合收割機技術領域的研發起步晚，但是得益于國家的農業機械發展戰略和補貼政策，聯合收割機技術得到了發展，專利申請經歷了緩慢發展的階段后進入快速增長模式，專利申請量分別在2009和2013年超過德國和美國，又在2015年趕超日本。發明專利從申請到公開需要至少18個月，因此2021年以后的部分數據尚未公開，僅供參考。

2.2 專利布局分析

2.2.1 專利申請國分析。

按照專利申請人所屬的國家標引專利技術來源國，將大型跨國公司在全球的子公司的專利歸并，從而更加清晰地反映出國家的技術實力。日本、美國、中國、德國共申請專利2.56萬件，占全球聯合收割機專利申請量的86.95%，是全球聯合收割機技術專利的主要申請國家，也是該領域技術創新主力軍。日本聯合收割機專利數量接近萬件，居第1，占全球的31.27%，美國為7 955件，占全球的27.02%，中國和德國分別為第3和第4位（圖3）。

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2.2.2 專利申請機構分析。

專利申請人分析可以揭示技術來源與競爭者，預測未來的競爭格局。從Top 10的專利權機構（表1）的國別看，日本的專利數最多，包括井關、久保田、洋馬、三菱4家公司，申請專利量共計8 622件，占全球聯合收割機Top 10專利總量的49.8%，日本企業在全球谷物聯合收割機技術領域擁有明顯的集團優勢，主要集中在傳感器、高度檢測、螺旋傳送器等技術方向。美國有4家企業入選，分別是迪爾公司、CNH全球有限公司、愛科集團。美日兩國占據專利權人擁有專利數量前10名中的8個席位，足以說明兩國的實力。德國的克拉斯農機公司排名第6。中國僅江蘇大學1家機構進入Top 10，以317件排名第10。從申請人的技術熱點看，國外大型跨國公司的技術熱點多涉及高度檢測、谷物損失傳感器、監測裝置、遠程用戶、驅動裝置等主題。Top 10 機構中，除日本的洋馬、井關農機和三菱在谷物聯合

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收割機領域專利呈現波動下降趨勢，其他機構專利申請量均在2022年達到新的峰值。

在華專利申請量排名前5的外國機構分別是久保田株式會社、洋馬株式會社、CNH全球有限公司、迪爾公司、井關農機株式會社。研究普遍認為域外申請人在華專利布局是為了占領中國市場和限制競爭對手。日本久保田在華聯合收割機專利申請量超過國內排名第1的江蘇大學（317件），中國聯合收割機在專利布局方面受到全球跨國公司的圍堵，在知識產權保護將面臨更嚴峻的挑戰和復雜的專利糾紛。

2.2.3 創新主體類型分析

專利申請人作為創新主體一般可分為企業、科研機構、高校、個人等。對比主要國家專利申請機構類型可以看出，美國、日本和德國專利申請機構類型中企業專利申請量均超過90%。美國84.93%的谷物聯合收割機專利集中在迪爾公司、CNH全球有限公司和愛科集團這3個大型國際農機公司（圖4b）。相比之下，中國聯合收割機技術領域的創新主體類型特點也較顯著，高校、科研機構以及個人專利申請數量占50%以上（圖4d），與發達國家企業為主的創新主體構成特征形成鮮明對比。

同時，中國在谷物聯合收割機技術領域的專利集中度較低。中國谷物聯合收割機Top 10專利申請機構的平均專利申請量僅為118.70件。而日本、美國和德國Top 10機構平均專利申請量分別為886.80、665.10和233.80件。日本的洋馬、久保田、井關農機的專利申請量均超過2 200件，單個公司的專利申請量與同時期中國所有企業的專利申請總量相當。中國在該領域的技術創新主體，除了江蘇大學外，還有濰柴集團化、農業部南京農業機械化研究所、江蘇沃得農業機械股份有限公司和中聯重科集團專利數量在100件以上。可見國際農機巨頭在技術研發實力方面占據絕對競爭優勢，中國缺乏與國際跨國公司抗衡的領軍型創新企業，且專利分散不利于技術保護。

2.2.4 專利技術來源與流向分析。

在競爭對手的市場和生產國進行專利布局，是遏制競爭對手的手段。一般情況下企業重視技術研發較為密集或市場開發潛力大的地域，并進行專利布局。美國和德國聯合收割機技術域外專利布局比例都在2/3以上。相比之下，中國的域外專利占比僅3.91%，專利布局主要在本土，未能“走出去”，與發達國家專利保護水平有較大差距（圖5）。

專利來源與流向分析可以揭示技術創新發源地的創新能力和活躍程度，以及專利主要布局區域分布，可以為區域間的技術合作與競爭提供有效的知識產權信息。通過域外專利布局市場可以看出美日德3國的專利重點保護區域。美國的域外專利主要布局在歐專局、巴西、德國、世界知識產權組織和中國，上述國家和地區占美國域外專利總量的67.64%；日本域外專利主要布局在中國和韓國。德國域外專利主要布局在歐專局、美國和俄羅斯，合計占其域外專利總量的72.44%（圖6）。

2.2.5 高價值專利分析。

高價值專利占比可以在一定程度

上反映各國的技術創新水平。合享IncoPat專利數據庫的專利價值評估體系包括技術穩定性、技術先進性和保護范圍3個維度，有專利類型、同族個數、被引證次數、權利要求個數、同族國家的數量、涉及IPC大組個數、發明人個數、專利剩余有效期等20多個指標，用于價值度10級排序，分數越高專利價值越高。一般認為，價值度為10分的專利為高價值專利。谷物聯合收割機技術高價值專利共6 191件，占該領域全球專利總量的21.00%，主要分布在美國、日本、德國和加拿大等國。其中，美國高價值專利數量高達3 409件，占據絕對優勢（圖7）。中國在該領域的高價值專利僅123件，僅占本國專利申請量的2.24%，與全球平均水平有較大的差距。

聚類結果顯示，聯合收割機高價值專利主要包括產量檢測器、飼料收割機、脫離滾筒、螺旋推運器和清潔系統5個一級主題。其中，收割頭、轉子軸線、脫粒系統、柔性切割器、脫離滾動、發動機室、驅動系統、清潔系統等是重要的二級主題，側面反映了谷物聯合收割機核心關鍵技術方向（圖8），有助于了解核心關鍵技術的研發方向。

2.3 全球及重點國家研發重點分析 通過國際專利分類（IPC）分析可以了解當前谷物聯合收割機領域的技術研究重點和發展方向。

2.3.1 全球技術研發重點分析。

通過IPC分析可以看出全球谷物聯合收割機專利重點技術領域分布情況。由IPC大組統計結果看，全球谷物聯合收割機的專利申請集中在整機（A01D41）、脫粒設備的部件或零部件（A01F12）、特定作物的收獲（A01D45）、驅動機構（A01D69）、輸送裝置、底盤或機架（A01D57與A01D67）。其中，脫粒設備的部件或零件（A01F12）是聯合收割機的特有結構，用于實現收割和脫粒等功能，專利申請量占第2位，在該部分發明專利對應的技術主要集中在谷物的清選與分離裝置、谷物輸送和存儲裝置、非滾筒式脫粒裝置、禾稈分離和切碎裝置、釘齒式脫粒滾筒。

2.3.2 重要國家技術研發重點。由圖9可知，A01D41（與脫粒裝置聯合的收割機）是各國共同關注的技術領域之一，涉

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及研發重點為零部件、割臺以及自走式聯合收割機整機。日本在聯合收割機脫粒設備的部件或零件（A01F12）布局專利數量最為集中，涉及技術重點包括谷物清選、谷物輸送器以及糧箱。中國的研發重點在A01D45（作物的收獲）方面，涉及作物以玉米為主，水稻聯合收割機專利較少。

整體看，美國、日本和德國在聯合收割機各技術方向的專利布局各有側重且涉及技術范圍較廣，除整機外，涵蓋收割機的底盤或機架（A01D67）、收割機的驅動機構或其部件（A01D69）、收割機的輸送裝置（A01D57）、聯合收獲機的升運器或輸送器（A01D61）。美國在聯合收割機脫離裝置（A01F7）的專利研發優勢較為突出。國外聯合收割機脫粒裝置在脫凈率和低破碎方面競爭優勢顯著，并向智能化方向發展R4lwf7490aa+2gwLCIZC/21mlBicnckn8RSqUh7UZic=［2］。相比之下，我國在聯合收割機的控制和測量裝置受到較大的關注，而在谷物的分離、清選與運輸方面還需要進一步加強研發以追趕世界先進水平。

3 結論與展望

中國聯合收割機行業從改革開放初期至今經歷了仿制、技術引進、自主研發和技術升級等階段，聯合收割機技術和產品都取得了巨大的進步，為糧食生產全程機械化提供了必要的、重要的裝備保障。科技自立自強背景下，我國聯合收割機技術面臨新的形勢，機遇和挑戰并存。隨著農業新型經營主體的發展以及經營規模的擴大，對聯合收割機在作業適應性、順暢性、可靠性、智能化、節能等方面提出了更高的要求，今后會面對較大的技術實力差距和愈演愈烈的市場競爭。綜上得出以下結論與展望：

3.1 發揮后發優勢，爭取實現彎道超車 美國、日本和德國的專利產出優勢突出且技術相對成熟。中國在谷物聯合收割機領域專利研發起步較晚，但通過鼓勵技術研發和創新，專利產出與美國、德國和日本等先進國家的差距不斷縮小。隨著我國農業發展對機械化需求不斷加大，我國應結合國情，在聯合收割機動力裝置、無人駕駛、在線測產等前沿技術領域盡早布局，實時關注美日德等國的聯合收割機技術發展情況。要有效利用專利信息，如深入挖掘分析國外農機巨頭已失效的專利，加強專利布局，實現彎道超車目標，研發出更多符合國情的聯合收割機技術和產品。

3.2 合理開展專利布局，提升企業科技競爭能力 從專利申請機構的主要創新主體及其技術布局重點看，全球谷物聯合收割機技術創新優勢機構主要有日本的井關、久保田、洋馬、三菱等，聚焦傳感器、高度檢測、螺旋傳送器等技術方向；美國的迪爾、凱斯紐荷蘭、愛科和德國的克拉斯在技術研發實力方面占據絕對競爭優勢。中國僅江蘇大學入選專利產出Top 10，且與國際大型跨國公司相比技術創新競爭力優勢不足。此外，日本的久保田、洋馬和美國的愛科等國際農機巨頭在中國布局了相當數量的專利，中國缺乏與國際跨國公司抗衡的領軍型創新企業，中國聯合收割機企業在專利布局和知識產權保護將面臨更嚴峻的挑戰和復雜的專利糾紛。國內相關企業應合理制定技術研發戰略，在專利申請過程中要分析國際農機巨頭在華專利布局并進行防備，充分利用無效專利掃除專利壁壘，加強專利保護意識，避免出現侵權或重復性研究等問題。

3.3 加強產學研合作，推進技術成果轉化 專利申請機構類型特征的分析表明，美國、日本和德國技術創新主體以企業為主，且專利集中度高。相比之下，中國高校與科研機構貢獻了50%的專利產出，且中國在該領域的專利集中度遠遠低于先進國家。相關企業應當與高校和科研院所之間圍繞核心技術開展深入合作，通過合作研發、許可或轉讓等多種方式，將高校與科研機構的研究成果快速轉化到生產應用中，推動我國谷物聯合收割機的發展。聯合收割機企業應加強技術儲備，在技術難度加大的背景下嘗試通過公司并購等手段，提升企業技術創新競爭優勢，并積極拓展海外市場。

3.4 及時調整研發戰略，積極開展海外專利布局 美國的域外專利主要布局在歐盟、巴西、德國和中國，日本域外專利主要布局在中國和韓國，德國則更看重歐盟和美國市場。從全球及重點國家研發重點分析可以發現，美國、日本和德國在聯合收割機技術領域的專利布局包括整機、底盤或機架、驅動裝置、輸送裝置、升運器或輸送器，專利布局涉及技術范圍較廣。美國在聯合收割機脫離裝置的專利研發優勢較為突出。中國的研發重點以玉米收獲機械為主，水稻聯合收割機專利較少。全球谷物聯合收割機技術高價值專利技術主題集中在飼料收割機、脫粒分離裝置、驅動裝置、控制和測量裝置以及運輸車輛等。美國高價值專利以2 686件占據絕對優勢，中國高價值專利數量僅74件。因此，國內企業在專利申請的同時要注重提高專利質量，重視核心技術的研發，尤其是傳感器、驅動裝置、割臺、混合動力等技術方向，增強自我核心競爭力。

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