磁浮軌道交通的專利技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

賀正楚 黃穎琪 黃淵基 劉鵬飛 向鑫

摘要利用專利數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)分析工具，對德溫特數(shù)據(jù)庫（DII）和WOS核心數(shù)據(jù)庫中磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)的相關(guān)專利進行檢索和系統(tǒng)分析，以了解目前全球磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、研發(fā)熱點、技術(shù)分布情況和專利權(quán)人格局，以及通過對全球磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)的論文數(shù)量、研究機構(gòu)、研究熱點等方面的計量分析，探尋中國發(fā)展磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)面臨的機會與挑戰(zhàn)，以期為中國磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供決策參考及依據(jù).

關(guān)鍵詞磁懸?。淮鸥〖夹g(shù)；磁浮軌道交通；專利技術(shù)

中圖分類號F273.1；F426.672文獻標識碼A

1引言

磁浮技術(shù)是指利用磁力克服重力使物體懸浮的一種技術(shù)，這種高新技術(shù)是典型的機電一體化技術(shù)，整合了電子技術(shù)、電磁學(xué)、機械學(xué)、動力學(xué)、控制工程和信號處理技術(shù)等.都是現(xiàn)階段主要的懸浮技術(shù)包括了磁浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、電懸浮、粒子束懸浮等，其中的懸浮技術(shù)以磁浮軌道交通技術(shù)成為比較成熟的技術(shù)，其中磁浮列車和磁浮軸承是目前磁浮軌道交通技術(shù)較大規(guī)模應(yīng)用的兩個領(lǐng)域.

磁浮列車作為一種新的軌道交通方式，是具有很大潛力的城市軌道交通方式.相對于現(xiàn)代有軌電車、單軌、輕軌、地鐵等傳統(tǒng)輕軌交通而言，磁浮列車建造成本低并且維護成本也低.這是因為磁浮軌道線路能夠靈活變動，可以在別的輪軌交通工具無法建設(shè)的地方建造磁浮軌道，這就因此能夠減少工程施工時的拆遷量，同時也提高了乘客覆蓋面積以及方便乘客就近換乘；磁浮列車運營更安全，運營中不會脫軌和翻車；磁浮列車轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強；磁浮列車噪聲低、環(huán)保性能好，中低速磁浮列車是目前噪聲最小的軌道交通方式，沒有因為輪軌磨損而產(chǎn)生粉塵，磁場輻射對人體和環(huán)境沒有危害.

磁浮技術(shù)決定著磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.本文以磁浮技術(shù)為研究對象，在科技文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合全球的專利數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)對磁浮軌道、磁浮列車等磁浮相關(guān)技術(shù)的技術(shù)分布和研究熱點進行分析，繼而對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢進行了研究和揭示，以期全面展現(xiàn)出全球磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)的整體發(fā)展態(tài)勢，為中國磁浮軌道交通產(chǎn)業(yè)今后的規(guī)劃和整體發(fā)展工作提供科學(xué)的參考和借鑒.

2磁浮軌道交通技術(shù)的發(fā)展狀況

2.1國外磁浮軌道交通技術(shù)的發(fā)展

磁浮的概念在1842年由英國物理學(xué)家Earnshow首次提出，同時指出一個鐵磁體需要比永久磁鐵更多的條件才能在所有六個自由度上都保持在自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài).磁浮技術(shù)的正式研究始于1922年，電磁浮原理由德國工程師赫爾曼·肯佩爾正式提出，并于1937年申請了磁浮軌道交通的專利，開啟了.1966年，第一個具有實用性質(zhì)的磁浮運輸系統(tǒng)由美國科學(xué)家詹姆斯·鮑威爾和戈登·丹比提出.20世紀70年代以后，德日美等國家為了適應(yīng)因為經(jīng)濟與社會發(fā)展而對提高交通運輸能力的需要，開始研發(fā)磁浮軌道交通技術(shù)，建設(shè)磁浮軌道交通，以此改善運輸系統(tǒng)和提高運輸效率.

2.2國內(nèi)磁浮軌道交通技術(shù)的發(fā)展

西南交通大學(xué)是國內(nèi)較早開展磁浮運輸研究的科研機構(gòu).1986年，磁浮技術(shù)與磁浮列車技術(shù)研究大會在該校組織召開，并在1988年由該校的磁浮研究團隊組織完成了單自由度鐵球懸浮實驗，掌握了電磁吸力懸浮原理[1].中國第一臺磁浮試驗樣車于1989年3月由國防科技大學(xué)研制出來.1994年10月，西南交通大學(xué)研制出的中國第一輛可載人4噸的磁浮列車及其試驗線標志著我國開始擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的磁浮列車技術(shù)，該列車實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮與運行，是我國在磁浮軌道交通領(lǐng)域的首次突破.一年后，中國第一條磁浮列車試驗線在西南交通大學(xué)建成，在時速為30.0 km的條件下進行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動控制和載人運行等試驗并大獲成功，標志著中國已經(jīng)掌握制造磁浮列車的技術(shù).依托德國以及西南交通大學(xué)的磁浮列車技術(shù)支撐，上海磁懸浮列車于2003年1月開始運營.上海磁懸浮列車運營速度430 km/h，僅次于飛機的飛行時速.上海磁懸浮列車是世界上第一條投入商業(yè)運行的高速磁懸浮列車.上海磁懸浮列車技術(shù)開創(chuàng)了國內(nèi)多項技術(shù)第一，如整體電磁鐵結(jié)構(gòu)、五懸浮架結(jié)構(gòu)、DC330V懸浮電源、三選二懸浮傳感器等技術(shù)都是國內(nèi)首次采用[2].

運行時速為500公里以上的稱為高速磁浮列車，我國已經(jīng)有上海高速磁浮列車.運行時速低于120公里的稱為中低速磁懸浮列車.2015年12月，長沙中低速磁浮列車商業(yè)運營示范線（簡稱“長沙磁浮快線”）在湖南省長沙市開通運行，這是中國首條完全自主設(shè)計、自主制造、自主施工和管理的，也是世界上第三條商業(yè)運行的中低速磁浮列車線路.長沙磁浮快線全長18.55 km，為全世界最長的中低速磁浮列車線路.

目前，世界上有三種類型的磁浮，一是以德國為代表的常導(dǎo)磁浮.常導(dǎo)磁浮的軌道是一種T型臺，運行時列車下部的兩邊包住列車軌道，懸浮的實現(xiàn)是依靠安裝在位于電磁體上方的導(dǎo)磁軌道與列車車體底部的常規(guī)電磁體間產(chǎn)生的相互吸引力（如圖1）.常導(dǎo)磁浮列車的時速可達400 km～500 km之間，這種技術(shù)的優(yōu)勢是原理簡單，便于應(yīng)用和推廣，劣勢是產(chǎn)生的電磁吸引力較??；二是以日本為代表的超導(dǎo)磁浮.實現(xiàn)形式不同于常導(dǎo)磁浮的列車包軌道，超導(dǎo)磁浮是采用軌道包列車的形式，列車在一個U型槽內(nèi)運行（如圖2）.運行時車身懸浮于軌道上，這是由于軌道的感應(yīng)磁場與磁浮列車的車載超導(dǎo)磁體在運動過程中會產(chǎn)生相互的排斥力.超導(dǎo)磁浮技術(shù)可以實現(xiàn)時速400 km以上運行，懸浮力大，列車運行速度快；缺點是技術(shù)復(fù)雜，發(fā)散的電磁場對周邊容易產(chǎn)生影響；三是以中國為代表的永磁浮

3數(shù)據(jù)來源及分析工具

1951年，英國湯森路透集團（Thomson Rueters）的德溫特出版公司創(chuàng)建的專利文獻檢索系統(tǒng)——德溫特創(chuàng)新索引專利數(shù)據(jù)庫（Derwent Innovation Index，簡稱DII）[1].該專利檢索系統(tǒng)按專業(yè)提供多種載體的英文專利題錄和文摘（全技術(shù)領(lǐng)域），主要有化學(xué)專利索引（簡稱CPI）、電子專利索引（簡稱EPI）、世界專利索引（簡稱WPI）和世界專利文摘（簡稱WPA）等.數(shù)據(jù)庫主要由兩種文檔組成：WPI文檔收錄1963～1980年世界20多個國家、地區(qū)和國際組織專利局公布的專利文獻記錄，每月更新同族專利數(shù)據(jù)；WPIL文檔收錄1981年以后世界30余國專利局公布的數(shù)據(jù)，每周更新一次.兩種文檔收錄專利文獻記錄1 000萬條.通過美國、日本、英國和法國等檢索系統(tǒng)提供聯(lián)機檢索服務(wù)，可使用國別和專利號、優(yōu)先權(quán)項目、專利權(quán)人、發(fā)明人、主題詞、國際專利分類號、德溫特分類號、德溫特細分碼、德溫特登記號等多種檢索途徑.

本研究的數(shù)據(jù)來源于德溫特創(chuàng)新索引專利數(shù)據(jù)庫.磁浮軌道交通技術(shù)的檢索表達式為TS=（（ELECTROMAGNETIC* OR MAGNETIC*）AND （LEVITATION* OR SUSPENSION*） OR MAGLEV OR EML），檢索年限設(shè)定為1976～2016，IPC分類限定為E01和B61，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗后得到磁浮軌道交通技術(shù)相關(guān)專利共5 616條記錄，以此構(gòu)成本文的樣本數(shù)據(jù)（檢索時間為2017年2月8日）.其中E01在國際專利分類代碼中表示道路、鐵路或橋梁的建筑，B25代表鐵路.

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4磁浮軌道交通技術(shù)的研究態(tài)勢分析

4.1磁浮軌道交通技術(shù)的專利數(shù)量年度增長趨勢分析

磁浮軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的整體發(fā)展脈絡(luò)可以通過對每年專利數(shù)量的分析來展示.截至2017年2月8日，全球磁浮軌道交通領(lǐng)域?qū)＠?616件.圖4顯示的是德溫特專利數(shù)據(jù)庫中收錄的磁浮軌道交通領(lǐng)域每年新增專利數(shù)量的情況，2015年、2016年的數(shù)據(jù)僅供參考.這是因為專利數(shù)據(jù)從申請到公布之間有18個月的滯后期，所以近2年的數(shù)據(jù)不能完全代表此階段發(fā)展趨勢.2017年、2018年數(shù)據(jù)系根據(jù)往年數(shù)據(jù)建立模型預(yù)測得到.

磁浮軌道交通技術(shù)研究在2001年以后進入快速發(fā)展時期.2001年3月，中德兩國合作建設(shè)世界第一條磁浮商運線浦東機場線（從上海浦東國際機場開至地鐵龍陽路站，簡稱“上海磁浮列車專線”），該專線主要采用德國Transrapid公司常導(dǎo)磁浮技術(shù).上海磁浮列車專線于2003年1月投入使用，專線全長29.9 km，運營速度430 km/h.上海磁浮列車屬于高速磁浮列車.隨后，日本和韓國先后開通了中低速磁浮列車.2005年3月，日本開通第一條磁浮鐵路，該鐵路全長約9 km，由名古屋市區(qū)開至愛知世博會會場，最高時速為100 km.2014年7月，韓國開通了仁川國際機場至仁川龍游站磁浮線路，該線路全長6.1 km.列車可實現(xiàn)無人駕駛，最高時速可達110 km，且是由韓國自主研發(fā).中國是繼日本和韓國之后第三個擁有中低速磁浮技術(shù)并且開通中低速磁浮列車的國家.2008年之后，中國加快了中低速磁浮軌道交通技術(shù)的研發(fā)以及市場推廣.2008年5月，中低速磁浮列車工程化試驗示范線由河北省唐山市的唐山客車廠研制成功，該線約1.6公里.次年6月，低速磁浮列車又由該廠研制成功.時速100 km、承載600人的中低速磁浮列車也于2012年1月由中國南車集團公司株洲電力機車有限公司成功試制.2015年12月，長沙磁浮快線在湖南省長沙市開通運行，這是我國第一條完全自主研發(fā)的商業(yè)運營磁浮線[4].長沙磁浮快線連接長沙黃花國際機場和長沙火車南站，線路全長18.55 km，速度為100 km/h.

按照當(dāng)前的趨勢，磁浮軌道交通技術(shù)研究在未來一段時間內(nèi)依然會保持國際上重點關(guān)注的態(tài)勢，以期列車運行過程中的阻力、能耗等技術(shù)問題能得以突破，提高高鐵效能，同時降低建設(shè)成本，使磁浮列車在多個國家和地區(qū)普及.

4.2磁浮軌道交通技術(shù)的專利分布分析

專利發(fā)明人的國家可以體現(xiàn)專利技術(shù)的熱點發(fā)展區(qū)域和未來可能申請技術(shù)保護，進而實施和普及該項技術(shù)的國家或地區(qū).圖5是磁浮軌道交通技術(shù)全球?qū)＠暾埩烤忧暗膰业膶＠麛?shù)量和專利申請數(shù)量情況，圖5中的圓圈越大，表明該國家專利申請量越多.從圖5來看，中國磁浮軌道交通技術(shù)專利的總專利數(shù)量處于世界領(lǐng)先水平，遠高于位列第二、三位的美國和日本，但專利申請數(shù)量與上中國、美國、日本、韓國差距不明顯.

4.5.1數(shù)據(jù)來源

目前，我國磁浮軌道交通技術(shù)主要應(yīng)用于高速列車和軌道的研究建設(shè)，因此，本研究以MAGNETIC LEVITATION OR MAGNETIC SUSPENSION為主題檢索詞，在Web of Science Core Collection （WOS核心數(shù)據(jù)庫）中進行檢索，設(shè)定篩選的文獻類型為Article，Proceeding Paper，Letter，Review 4種文獻類型，檢索年限為1976～2017年.WOS核心合集包括SCIEXPANDED，SSCI，A&HCI，CPCIS，CPCISSH，BKCIS，BKCISSH和ESCI這些子數(shù)據(jù)庫.將篩選檢索出的關(guān)于磁浮軌道交通技術(shù)研究的論文2 994篇以時間序列的形式統(tǒng)計出主要國家的論文發(fā)表數(shù)量和全球的年論文發(fā)表數(shù)量，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示.3.5.2論文數(shù)量分析

從圖6可以看出，2007年以來，我國超過美日韓等發(fā)達國家，成為發(fā)表磁浮軌道交通技術(shù)論文年數(shù)量最多的國家，論文總數(shù)量達到729篇，超過美國的662篇，日本的373篇和韓國的343篇.從發(fā)表論文的時間可以看出，我國關(guān)于磁浮軌道交通技術(shù)的研究不但與國際先進技術(shù)國家同步，2007年以后幾乎每年都處于國際領(lǐng)先地位.

4.8分析結(jié)果

4.8.1我國發(fā)展磁浮軌道交通技術(shù)的優(yōu)勢

一是相關(guān)的論文成果.我國在近十年來的每年相關(guān)SCI論文數(shù)量，都已經(jīng)超過美日韓等磁浮軌道交通技術(shù)研究發(fā)達的幾個國家；2015年和2016年，我國關(guān)于磁浮軌道交通技術(shù)的研究成果處于國際領(lǐng)先水平，論文數(shù)量明顯多于其他國家.二是相關(guān)研究機構(gòu).我國的中國科學(xué)院已成為全球關(guān)于研究磁浮軌道交通技術(shù)發(fā)表相關(guān)論文最多的研究機構(gòu)，在開展關(guān)于磁浮軌道交通技術(shù)的研究活動上研究時間也幾乎與國際同步.三是研究熱點.我國與國際一致，現(xiàn)階段我國特別是在磁浮列車、磁浮軌道和相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)如導(dǎo)軌、道岔等方面，研究水平已處于世界領(lǐng)先水平.

4.8.2我國發(fā)展磁浮軌道交通技術(shù)的挑戰(zhàn)

最近十年來，關(guān)于磁浮軌道交通技術(shù)研究的SCI論文，我國雖然在論文總數(shù)量以及年度論文數(shù)量都排名世界第一，但論文在總被引頻次、每項平均引用次數(shù)上與美國、日本還有一定差距.這說明我國專利數(shù)量雖然已占主導(dǎo)地位，但專利質(zhì)量還有待提升.

5結(jié)論與建議

雖然我國研發(fā)磁浮軌道交通技術(shù)的時間不長，但技術(shù)專利數(shù)增長較快，論文數(shù)量和近年的研究活躍度均遠超其他國家，研究熱點基本與國際保持一致，技術(shù)研發(fā)的發(fā)展勢頭很好.從參與研發(fā)的機構(gòu)來說，中國本土專利申請人呈現(xiàn)出企業(yè)與高校并存的狀態(tài).我國磁浮軌道交通技術(shù)專利的來源機構(gòu)主要有4個，分別是：西南交通大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、同濟大學(xué)的國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心（該研究中心籌建于2001年12月，依托上海磁浮交通發(fā)展有限公司，2012年7月，因上海磁浮交通發(fā)展有限公司重組，中心依托單位變更為同濟大學(xué)）以及上海磁浮交通發(fā)展有限公司.現(xiàn)結(jié)合本文的研究結(jié)果，對磁浮軌道交通技術(shù)相關(guān)行業(yè)的進一步發(fā)展提出建議如下：

一是加強國際合作.由于國外磁浮軌道交通技術(shù)的研發(fā)是以大型跨國企業(yè)為主，我國要充分利用這個有利條件，與國外的跨國企業(yè)開展國際交流和合作，運用專利轉(zhuǎn)移或交叉許可的方式，取得技術(shù)的使用權(quán)[7].同時關(guān)注相關(guān)專利的海外布局，及時了解研究結(jié)構(gòu)和熱點的變化，增強國際競爭力.將國外的先進成果本土化，促進國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展.

二是政策扶持引導(dǎo).實施財政補貼和稅收優(yōu)惠政策，對磁浮列車、軌道及相關(guān)技術(shù)的技術(shù)推廣和工程應(yīng)用給予政策支持[8-9]，促使相關(guān)的技術(shù)難題早日突破.同時鼓勵更多的相關(guān)企業(yè)（材料、交通、機械制造等領(lǐng)域的企業(yè)）研發(fā)、應(yīng)用先進的磁浮技術(shù)，促進該項技術(shù)發(fā)展的同時提高企業(yè)生產(chǎn)效率.

三是專利結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有所變化.從對專利權(quán)人的分析來看，我國雖然在磁浮領(lǐng)域貢獻專利的機構(gòu)較多，但各項專利比較分散，導(dǎo)致各專利權(quán)人的專利數(shù)量受到影響.反觀日本、德國，雖然這2個國家專利數(shù)量排在前20位的專利權(quán)人數(shù)量都少于中國，但各單個機構(gòu)的專利數(shù)量都很可觀，甚至專利數(shù)量排名前四位的專利權(quán)人全都來自日本.專利權(quán)過于分散一方面是由于各專利權(quán)人的研究方向有別，但另一方面不利于技術(shù)的整合和突破、發(fā)展，因此，專利結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)?shù)玫胶侠淼膬?yōu)化.

四是應(yīng)當(dāng)鼓勵產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合.引導(dǎo)對相關(guān)產(chǎn)品有需求的企業(yè)和高校、各研究機構(gòu)與團隊合作，鼓勵研究機構(gòu)將技術(shù)研究成果與實際相結(jié)合，考慮現(xiàn)實需求，同時利用相關(guān)企業(yè)對磁浮技術(shù)進行應(yīng)用、推廣.這樣可以提高企業(yè)對磁浮技術(shù)的接受度，有利于磁浮技術(shù)的發(fā)展，對難以實現(xiàn)磁浮技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品自主研發(fā)的企業(yè)也是個好的選擇.

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