基于專利申請(qǐng)量的電力機(jī)車(chē)技術(shù)發(fā)展分析

摘要：機(jī)車(chē)是軌道車(chē)輛運(yùn)行的動(dòng)力提供者，即俗稱的火車(chē)頭。而電力機(jī)車(chē)作為當(dāng)今軌道交通運(yùn)輸?shù)闹髁鳈C(jī)車(chē)，分析其技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義。本文主要以CPRSABS和DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果為分析樣本，從專利文獻(xiàn)的角度對(duì)電力機(jī)車(chē)的發(fā)展進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了電力機(jī)車(chē)國(guó)內(nèi)外專利的申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人以及國(guó)別分布。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車(chē)；高速鐵路；動(dòng)車(chē)組；專利申請(qǐng)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

機(jī)車(chē)是牽引或推送鐵路車(chē)輛運(yùn)行，而本身不裝載營(yíng)業(yè)載荷的自推進(jìn)車(chē)輛，俗稱火車(chē)頭。電力機(jī)車(chē)憑借其功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、牽引力大、速度快、整備作用時(shí)間短、維修量少、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)牽引、能采用再生制動(dòng)以及節(jié)約能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外主流的鐵路牽引車(chē)輛[1-4]。筆者作為國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的一名審查員，主審軌道交通領(lǐng)域的發(fā)明專利申請(qǐng)，下面將從專利申請(qǐng)量的角度來(lái)分析對(duì)比國(guó)內(nèi)外電力機(jī)車(chē)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

1 國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)狀況

本節(jié)主要對(duì)中國(guó)專利申請(qǐng)狀況的趨勢(shì)以及全球?qū)＠匾暾?qǐng)人進(jìn)行分析，從中得到相關(guān)的電力機(jī)車(chē)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以及重要申請(qǐng)人的歷年專利申請(qǐng)狀況。

1.1國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

根據(jù)CPRSABS專利數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，電力機(jī)車(chē)國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)趨勢(shì)整體上大致可分為兩個(gè)階段，第一階段為1987-2003年，第二階段為2004年至今。

（1）第一階段（1987-2003年）

在第一階段內(nèi)，一方面中國(guó)專利關(guān)于電力機(jī)車(chē)領(lǐng)域的數(shù)量較少，首先是因?yàn)閲?guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)發(fā)展起步晚，技術(shù)上落后于國(guó)外，另外，我國(guó)專利制度1985年以后才開(kāi)始建立，國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研單位對(duì)申請(qǐng)專利的意識(shí)不夠；另一方面，中國(guó)專利申請(qǐng)總體比較平緩，上升趨勢(shì)不明顯，且包含有個(gè)別申請(qǐng)下降的年份，如1993，1997-1999年，并且國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)量較少。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期，中國(guó)國(guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)領(lǐng)域技術(shù)水平仍然不高，雖然生產(chǎn)量在逐年上升，但是整體生產(chǎn)數(shù)量偏低，并且這段時(shí)期內(nèi)，國(guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)技術(shù)含量不是很高。從國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)所占的比例15%可以看出，雖然國(guó)外企業(yè)開(kāi)始逐漸重視中國(guó)市場(chǎng)，但是由于1989年以后西方對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，為防止鐵路領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)被用于解放軍快速兵力部署，西方先進(jìn)的電力機(jī)車(chē)技術(shù)在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量較少。由于鐵路運(yùn)輸為關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的相關(guān)行業(yè)，且電力機(jī)車(chē)屬于技術(shù)密集型與資金密集型行業(yè)，之前一直是由鐵道部工業(yè)總局后來(lái)改組為中國(guó)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛工業(yè)總公司所壟斷，直到后來(lái)國(guó)有企業(yè)改革，中國(guó)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛工業(yè)總公司與鐵道部脫鉤，分拆為中國(guó)南車(chē)集團(tuán)和中國(guó)北車(chē)集團(tuán)，電力機(jī)車(chē)的研發(fā)才真正算是進(jìn)入市場(chǎng)化時(shí)期。根據(jù)電力機(jī)車(chē)國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)分布來(lái)看，電力機(jī)車(chē)技術(shù)主要推動(dòng)者是企業(yè)，所占比率達(dá)到73%，由于國(guó)內(nèi)早期電力機(jī)車(chē)技術(shù)復(fù)雜程度低，因此個(gè)人申請(qǐng)也占了一定比率，這其中相當(dāng)一部分是各高校科研院所的退休教授或工程師的個(gè)人申請(qǐng)。

（2）第二階段（2004年至今）

第二階段內(nèi)，中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且在2009-2013年之間突飛猛進(jìn)，這段時(shí)間，隨著中國(guó)加入世貿(mào)組織，中國(guó)電力機(jī)車(chē)發(fā)展迅猛，尤其是高速列車(chē)方面，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高鐵技術(shù)已趕超世界先進(jìn)水平，并能對(duì)外出口，真正實(shí)現(xiàn)了中國(guó)高鐵走出去的戰(zhàn)略，國(guó)內(nèi)先進(jìn)的高鐵技術(shù)主要掌握在中國(guó)南車(chē)集團(tuán)、中國(guó)北車(chē)集團(tuán)手中。這段時(shí)間內(nèi)，國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)量也在激增，說(shuō)明國(guó)內(nèi)市場(chǎng)越來(lái)越受?chē)?guó)外汽車(chē)的重視，但由于國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量增速遠(yuǎn)超國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)量，因此國(guó)外申請(qǐng)所占比例反倒有所下降。

1.2國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)重要申請(qǐng)人

根據(jù)CPRSABS專利數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，電力機(jī)車(chē)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量前十的申請(qǐng)人排名，分別是：

1、中國(guó)南車(chē)集團(tuán)

2、中國(guó)北車(chē)集團(tuán)

3、株式會(huì)社日立制作所

4、永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器責(zé)任有限公司

5、巨大礦業(yè)

6、西南交通大學(xué)

7、三菱電機(jī)株式會(huì)社

8、西門(mén)子公司

9、阿爾斯通運(yùn)輸股份有限公司

10、北京交通大學(xué)

同時(shí)在申請(qǐng)量前十的單位中，國(guó)內(nèi)的中國(guó)南車(chē)和北車(chē)集團(tuán)兩家申請(qǐng)量超過(guò)其余八個(gè)申請(qǐng)人的總和。由此看來(lái)，電力機(jī)車(chē)發(fā)展的第二階段，即高速列車(chē)階段，電力機(jī)車(chē)的核心技術(shù)已由國(guó)內(nèi)自己的企業(yè)所掌握，這是非常了不起的成就。

中國(guó)電力機(jī)車(chē)發(fā)展過(guò)程有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）中國(guó)鐵道部既是鐵路經(jīng)營(yíng)主體，又是鐵路修建、機(jī)車(chē)車(chē)輛制造主體，還主辦鐵路科研和國(guó)家有關(guān)鐵路的中等高等教育，中國(guó)南車(chē)、北車(chē)集團(tuán)也是鐵道部一手創(chuàng)辦后來(lái)獨(dú)立出來(lái)的電力機(jī)車(chē)行業(yè)的兩大巨頭。（2）電力機(jī)車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以工廠和研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制為主。（3）90年代以前開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)統(tǒng)化差，各型機(jī)車(chē)的主要零部件不通用，幾乎一個(gè)型號(hào)一個(gè)樣子，特別是牽引電動(dòng)機(jī)電壓不統(tǒng)一，有低壓750v，中壓1000v，高壓1500v種。使設(shè)計(jì)制造、運(yùn)用維修很不方便，經(jīng)濟(jì)效益差。1990年鐵道部開(kāi)始電力機(jī)車(chē)的簡(jiǎn)統(tǒng)化，系列化工作。諸如主電路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，整流采用兩段橋或不對(duì)稱三段橋，牽引電動(dòng)機(jī)電壓統(tǒng)一為1000v，機(jī)車(chē)車(chē)體采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。目前已研制出SS8、SS6B、SS4B等多種產(chǎn)品。（4）中國(guó)電力機(jī)車(chē)研制歷程是仿制-獨(dú)立自主設(shè)計(jì)制造-消化吸收引進(jìn)技術(shù)自主設(shè)計(jì)制造，這在中國(guó)高鐵技術(shù)中體現(xiàn)尤為突出。中國(guó)南車(chē)集團(tuán)青島四方機(jī)車(chē)受讓龐巴迪公司（BSP）為瑞典國(guó)家鐵路提供的Regina C2008型動(dòng)車(chē)組技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CRH1系列動(dòng)車(chē)組；中國(guó)南車(chē)集團(tuán)青島四方機(jī)車(chē)受讓川崎重工的新干線E2-1000型動(dòng)車(chē)組技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CRH2系列動(dòng)車(chē)組；中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山軌道客車(chē)受讓西門(mén)子技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CRH3系列動(dòng)車(chē)組；長(zhǎng)春軌道客車(chē)受讓阿爾斯通的動(dòng)車(chē)組技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CRH5系列動(dòng)車(chē)組。

2 國(guó)外專利申請(qǐng)狀況

本節(jié)主要對(duì)國(guó)外專利申請(qǐng)狀況的趨勢(shì)以及全球?qū)＠匾暾?qǐng)人進(jìn)行分析，從中得到相關(guān)的電力機(jī)車(chē)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以及各階段專利申請(qǐng)國(guó)家分布和主要申請(qǐng)人。其中以每個(gè)同族中最早優(yōu)先權(quán)日期視為該申請(qǐng)的申請(qǐng)日，一系列同族申請(qǐng)視為一件申請(qǐng)。

2.1國(guó)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

根據(jù)DWPI專利數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，電力機(jī)車(chē)國(guó)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)整體上大致可分為三個(gè)階段：技術(shù)發(fā)展階段（1990年以前）、技術(shù)瓶頸階段（1991-2002年）以及技術(shù)革新階段（2003至今）。

（1）技術(shù)發(fā)展階段（1990年以前）

從德國(guó)人W.西門(mén)子1879年制造第一臺(tái)真正意義上的電力機(jī)車(chē)，從此開(kāi)啟了人類(lèi)歷史上鐵路運(yùn)輸?shù)男缕?。電力機(jī)車(chē)的發(fā)展先后經(jīng)歷了直流電力機(jī)車(chē)到交流電力機(jī)車(chē)的技術(shù)轉(zhuǎn)變。直流電力機(jī)車(chē)裝有直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)車(chē)，接觸網(wǎng)電壓為1500伏或3000伏直流電壓。直流電力機(jī)車(chē)的起動(dòng)和速度調(diào)節(jié)以往是借助于調(diào)節(jié)起動(dòng)電阻和牽引電動(dòng)機(jī)的串聯(lián)-并聯(lián)轉(zhuǎn)換來(lái)完成的。但這種起動(dòng)和調(diào)速方式不能作到連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)速度，而且電能耗損大，線路轉(zhuǎn)換復(fù)雜。隨著直流斬波技術(shù)的發(fā)展，逐漸為新的脈沖調(diào)壓方式所代替。由于DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)自身特點(diǎn)，在該數(shù)據(jù)庫(kù)中最早出現(xiàn)的相關(guān)專利申請(qǐng)?jiān)?972年，但這顯然不是關(guān)于電力機(jī)車(chē)最早的專利申請(qǐng)年份。由于電力機(jī)車(chē)技術(shù)發(fā)展較早，到20世紀(jì)70年代已經(jīng)過(guò)了高速增長(zhǎng)期，此時(shí)主要出于直流電力機(jī)車(chē)逐漸被交流電力機(jī)車(chē)取代時(shí)期，世界各主要工業(yè)國(guó)都逐步建立了完善的電氣化鐵路網(wǎng)，通過(guò)采用交流電力機(jī)車(chē)，大幅提高了鐵路運(yùn)輸?shù)男省?/p>

（2）技術(shù)瓶頸階段（1991-2002年）

當(dāng)交流電力機(jī)車(chē)逐漸成為各國(guó)主要的鐵路牽引機(jī)車(chē)，電力機(jī)車(chē)的發(fā)展逐漸趨于成熟。伴隨著大功率可關(guān)斷電力半導(dǎo)體的出現(xiàn)，以及微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，交流電力機(jī)車(chē)的性能變得更加完善。這一時(shí)期生產(chǎn)的交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)，網(wǎng)側(cè)采用四象限脈寬調(diào)制整流器，使得機(jī)車(chē)不論在而定功率，還是小負(fù)載時(shí)，在牽引或再生制動(dòng)工況，機(jī)車(chē)的功率系數(shù)都在0.98以上，此時(shí)的交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)還采用了再生制動(dòng)技術(shù)，節(jié)省了能耗。另外，該階段各國(guó)申請(qǐng)量起伏很大，整體發(fā)展不平穩(wěn)，這是技術(shù)變革前的醞釀期，也是常規(guī)電力機(jī)車(chē)技術(shù)的瓶頸期。但是，隨著人類(lèi)生活的不斷發(fā)展進(jìn)步，一般的交流電力機(jī)車(chē)牽引的客運(yùn)列車(chē)速度只能達(dá)到200km/h，越來(lái)越滿足不了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于鐵路客運(yùn)速度的追求，迫切需要開(kāi)發(fā)一種能大幅提高客運(yùn)列車(chē)速度的新技術(shù)。

（3）技術(shù)革新階段（2003至今）

伴隨著人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)，電力機(jī)車(chē)發(fā)展進(jìn)入了技術(shù)革新的全新時(shí)代，各國(guó)都大力發(fā)展高速鐵路，高速列車(chē)技術(shù)發(fā)展迅速。該階段申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅速，特別是日本、德國(guó)和法國(guó)，其申請(qǐng)量更是增長(zhǎng)迅速。日本新干線也成為世界上首條成功商業(yè)化運(yùn)行的高速鐵路，其所帶來(lái)的巨大商業(yè)利益反過(guò)來(lái)推動(dòng)了企業(yè)對(duì)高鐵的研發(fā)，由此帶來(lái)了日本高鐵技術(shù)的高速發(fā)展，也奠定了其作為為世界高鐵強(qiáng)國(guó)的地位。同樣，法國(guó)和德國(guó)也成功地將其高鐵技術(shù)推廣至歐洲以外的地區(qū)，中國(guó)就是其中的受益者。

2.2國(guó)外技術(shù)分布格局

國(guó)外電力機(jī)車(chē)專利申請(qǐng)主要分布于日本、德國(guó)、美國(guó)、俄國(guó)（前蘇聯(lián)的專利申請(qǐng)也計(jì)入俄國(guó)）、法國(guó)、加拿大和韓國(guó)；而作為電力機(jī)車(chē)技術(shù)的發(fā)源地——?dú)W洲，其專利申請(qǐng)量占據(jù)了國(guó)外申請(qǐng)量的半壁江山。上述主要工業(yè)國(guó)是電力機(jī)車(chē)技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新國(guó)，也是電力機(jī)車(chē)核心專利的壟斷國(guó)，國(guó)外申請(qǐng)量的92%由上述七國(guó)掌握。

目前世界主流的的高鐵技術(shù)包括：日本新干線、法國(guó)TGV、德國(guó)ICE、西班牙AVE（法國(guó)TGV衍生）、意大利ETR、韓國(guó)KTX等，當(dāng)然還包括中國(guó)的CRH。

2.3國(guó)外專利申請(qǐng)重要申請(qǐng)人

根據(jù)DWPI專利數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，電力機(jī)車(chē)領(lǐng)域國(guó)外申請(qǐng)量前十的申請(qǐng)人排名，分別是：

1、日立（HITACHI）

2、西門(mén)子（SIEMENS）

3、龐巴迪（BOMBARDIER）

4、東芝（TOSHIBA）

5、三菱（MITSUBISHI）

6、阿爾斯通（ALSTOM）

7、通用電氣（GENERAL ELECTRIC）

8、東洋電機(jī)（TOYO DENKI SEIKO）

9、ZH鐵道客運(yùn)（ZH TETSUDO SOGO GIJUTSU KENKYOSHO）

10、川崎重工（KWASAKI HEAVY IND）

從上述排名可以看出，日本作為高鐵技術(shù)大國(guó)，前十的公司中占據(jù)了6席，而其余4席被德國(guó)、法國(guó)、加拿大和美國(guó)瓜分。由此看來(lái)，在高科技領(lǐng)域，傳統(tǒng)科技大國(guó)仍然處于領(lǐng)先地位。

3 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外電力機(jī)車(chē)的專利技術(shù)發(fā)展來(lái)看，西方先進(jìn)國(guó)家一直引領(lǐng)者電力機(jī)車(chē)的技術(shù)發(fā)展，中國(guó)作為后來(lái)者，不斷通過(guò)學(xué)習(xí)、引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新，一步步追趕著世界先進(jìn)水平。尤其是到了高速列車(chē)蓬勃發(fā)展階段，中國(guó)已經(jīng)漸漸躋身于高鐵技術(shù)大國(guó)的行列。對(duì)于國(guó)外公司設(shè)置的專利壁壘，國(guó)內(nèi)企業(yè)沒(méi)有投機(jī)取巧，而是踏踏實(shí)實(shí)，虛心學(xué)習(xí)，同時(shí)合理利用中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的巨大成功。

雖然國(guó)內(nèi)高鐵技術(shù)發(fā)展迅速，但新建高鐵線路投資巨大，導(dǎo)致鐵道部和地方政府債務(wù)負(fù)擔(dān)沉重。如何對(duì)現(xiàn)有線路進(jìn)行合理改進(jìn)以提高鐵路高速化的經(jīng)濟(jì)性，這應(yīng)該是未來(lái)軌道交通中重點(diǎn)研究的課題，由此必然需要開(kāi)發(fā)配套的動(dòng)力機(jī)車(chē)如何開(kāi)發(fā)出在既有線路不大改的基礎(chǔ)上大幅提高運(yùn)營(yíng)速度的電力機(jī)車(chē)，這是值得研究的課題。

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