自主式水下滑翔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)專利擴(kuò)展分析

王 靜，林明昆，牛 群

(1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津300304；2.中建科工集團(tuán)有限公司天津分公司，天津300383)

0 引 言

自主式水下滑翔機(jī)（Au tonom ous Underw ater Glider，AUG）是一種新型的海洋環(huán)境水下觀測平臺，在航行時(shí)通過浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制其不斷進(jìn)行浮力變化和重心調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)螺旋狀前進(jìn)，不需要額外的動力驅(qū)動裝置，持續(xù)觀測時(shí)間長達(dá)幾個(gè)月，續(xù)航能力可達(dá)上千千米[1]，且自身體積較小，難以被探測，因此AUG隱蔽性強(qiáng)，可用于水下目標(biāo)預(yù)警與探測，有效提高海洋環(huán)境的空間和時(shí)間測量密度；而且，AUG搭載水聲通信、無線通信和衛(wèi)星通信等設(shè)備，可作為通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)施中繼通信，多臺AUG組網(wǎng)后形成編隊(duì)能夠同時(shí)獲取海洋中不同位置的信息，可充分發(fā)揮優(yōu)越的高時(shí)空分辨率觀測能力、提高適應(yīng)范圍[2]，在海洋環(huán)境立體觀測網(wǎng)中發(fā)揮不可替代的作用，是當(dāng)前海洋水體自主觀測的新型裝備，多用于軍事海洋監(jiān)測，在海洋科學(xué)研究和海洋調(diào)查以及海洋安全需求方面同樣具有巨大的市場潛力[3–5]。

由于自主式水下滑翔機(jī)的軍事應(yīng)用和各國之間的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致了目前公開的專利數(shù)量十分有限，尤其是AUG導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)，這3個(gè)分支的技術(shù)發(fā)展直接制約了我國AUG技術(shù)的應(yīng)用范圍和使用效果。但依據(jù)其技術(shù)領(lǐng)域、功能效果和關(guān)鍵技術(shù)，可以將其研究范圍擴(kuò)展至通用的水下航行器中，通過對廣義的水下航行器領(lǐng)域（以下稱為擴(kuò)展領(lǐng)域）公開的導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)的專利技術(shù)研究來輔助解決AUG目前存在的技術(shù)難點(diǎn)，以便于克服目前的技術(shù)壁壘。

1 AUG導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)分支全球?qū)＠暾埇F(xiàn)狀

本文通過CNABS，VEN等專利摘要數(shù)據(jù)庫以及CNTXT，USTXT和EPTXT等專利全文數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過檢索、去噪、去重、清理、驗(yàn)證、標(biāo)引等數(shù)據(jù)處理過程，得到數(shù)據(jù)分析樣本全球?qū)＠暾?31項(xiàng)，包含中國專利申請413項(xiàng)，檢索文獻(xiàn)的公開日或公告日截止于2018年12月31日。通過對AUG技術(shù)的探討，同時(shí)兼顧行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣與專利檢索數(shù)據(jù)，最終形成了技術(shù)分解圖。如圖1所示，AUG技術(shù)分支主要包括AUG總體、能源系統(tǒng)、水聲通信、運(yùn)動控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、組網(wǎng)技術(shù)及其他。其中，運(yùn)動控制、能源系統(tǒng)、AUG總體等技術(shù)分支占比較大，而關(guān)于導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)這些研究難點(diǎn)的專利申請占比較小，其總和也僅為71項(xiàng)。因此，本文主要針對這3個(gè)分支進(jìn)行深入研究。

圖1 AUG全球?qū)＠暾堉饕夹g(shù)分支申請量占比Fig.1 The proportion of patent applications of major technical branchesof AUG in the world

如圖2所示，通過對這3個(gè)分支的專利申請趨勢進(jìn)行分析可以得知，AUG導(dǎo)航技術(shù)全球?qū)＠暾埰鸩捷^晚，2011年才開始首項(xiàng)專利申請，相對于AUG整體的技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)而言，導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展相對滯后，但整體趨勢處于增長狀態(tài)，至2018年申請量突破了新高度；水聲通信技術(shù)專利申請起步于2006年，從2015年開始通信系統(tǒng)的技術(shù)研究迅速增長，并在2018年申請量達(dá)到峰值；AUG組網(wǎng)技術(shù)于2013年才開始提出，數(shù)量較少僅為1～3項(xiàng)，但其在每年均有相關(guān)專利申請?zhí)岢?。由于專利?shù)量有限，難以得出有效的趨勢性結(jié)論，有必要對其進(jìn)行擴(kuò)展分析。

圖2 AUG導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信、組網(wǎng)技術(shù)全球?qū)＠暾堏厔軫ig.2 The global patent application trend of the three branchesof AUG in the world

2 擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)的全球?qū)＠夹g(shù)分析

基于AUG的自身特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)AUG導(dǎo)航系統(tǒng)中通過專利和非專利的文獻(xiàn)技術(shù)關(guān)聯(lián)，使用相同技術(shù)的領(lǐng)域還包括水下航行器，將AUG的導(dǎo)航技術(shù)擴(kuò)展至水下航行器，通過相鄰領(lǐng)域能夠提供解決相應(yīng)問題的啟示；根據(jù)AUG水聲通信所必須的低功耗和小型化的功能效果的特點(diǎn)，將研究范圍可擴(kuò)展到能夠?qū)崿F(xiàn)水下低功耗和小型化的通用水聲通信技術(shù)中；目前AUG的組網(wǎng)編隊(duì)主要通過領(lǐng)隊(duì)跟隨式實(shí)現(xiàn)，通過對領(lǐng)隊(duì)跟隨式編隊(duì)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展檢索，尋找領(lǐng)隊(duì)跟隨式的具體算法，可有助于實(shí)現(xiàn)AUG的組網(wǎng)編隊(duì)。本文針對深入研究的導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信、組網(wǎng)技術(shù)在廣義的水下航行器領(lǐng)域進(jìn)行上述“擴(kuò)展”，檢索得到全球?qū)＠? 581項(xiàng)，包括中國專利967項(xiàng)，檢索文獻(xiàn)的公開日或公告日截止于2018年12月31日。

1）擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)專利申請占比分析

如圖3所示，在全球?qū)＠暾埩恐袑?dǎo)航技術(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)總量為1581項(xiàng)，其中通信系統(tǒng)專利申請數(shù)量占比最大，為849項(xiàng)，導(dǎo)航技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)專利申請量分別為325和488項(xiàng)。就這三方面的專利申請量而言，擴(kuò)展領(lǐng)域的專利申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于專用于AUG的專利申請量。

圖3 擴(kuò)展領(lǐng)域三分支全球?qū)＠暾埩縁ig.3 The global patent application volume of the three branches in the expanded field

2）擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)專利申請趨勢分析

導(dǎo)航技術(shù)專利申請發(fā)展態(tài)勢呈前期探索、中期平穩(wěn)、后期快速增長有回落。如圖4所示，水下導(dǎo)航技術(shù)技術(shù)起步于1991年，至2002年后進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，于2008年進(jìn)入快速發(fā)展期，并于2016年全球?qū)＠暾埩窟_(dá)到巔峰，申請數(shù)量為44項(xiàng)；而隨著水下導(dǎo)航技術(shù)的逐漸成熟，在2016年之后，專利申請量明顯下降。擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)的申請量下降也導(dǎo)致了AUG技術(shù)自有導(dǎo)航技術(shù)的申請量較少，目前全球關(guān)于水下導(dǎo)航技術(shù)的專利申請總量達(dá)到325項(xiàng)，通過對比可知在AUG導(dǎo)航技術(shù)首次專利申請時(shí)（2011年），擴(kuò)展領(lǐng)域的專利申請趨勢已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，對AUG的導(dǎo)航技術(shù)的研究具有相當(dāng)大的參考性。

圖4 導(dǎo)航技術(shù)擴(kuò)展領(lǐng)域全球?qū)＠暾堏厔軫ig.4 The global patent application trend of navigation technology in theexpanded field

水聲通信技術(shù)在全球范圍的專利申請量自始至終趨于增長態(tài)勢。如圖5所示，水聲通信技術(shù)早在1954年就已有首項(xiàng)專利申請，經(jīng)歷1954-1983年近30年的技術(shù)萌芽后，開始平穩(wěn)增長，并于2003年后進(jìn)入迅速發(fā)展階段，水聲通信技術(shù)的研究熱度持續(xù)升溫，技術(shù)水平也在不斷提高。目前全球關(guān)于水聲通信技術(shù)的專利申請總量達(dá)到849項(xiàng)，其發(fā)展時(shí)長也遠(yuǎn)超AUG自有的水聲通信技術(shù)，對AUG水聲通信技術(shù)的研究可提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

圖5 水聲通信技術(shù)擴(kuò)展領(lǐng)域全球?qū)＠暾堏厔軫ig.5 The global patent application trend of underwater acoustic communication technology in the expanded field

組網(wǎng)技術(shù)在全球范圍的專利申請量自2008年后趨于快速增長態(tài)勢。如圖6所示，組網(wǎng)技術(shù)在2008年以前年均申請量不足10項(xiàng)，而2008—2018年的10年間年均申請量由個(gè)位數(shù)已快速增長至90余項(xiàng)，在此期間AUG自有的組網(wǎng)技術(shù)才剛剛起步。目前組網(wǎng)技術(shù)申請量漲幅最大、增長速度最快，是全球研發(fā)機(jī)構(gòu)的新晉研究方向，其組網(wǎng)技術(shù)的全球?qū)＠暾埧偭窟_(dá)到488項(xiàng)，遠(yuǎn)超AUG組網(wǎng)技術(shù)的14項(xiàng)，同樣引導(dǎo)著AUG組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

圖6 組網(wǎng)技術(shù)擴(kuò)展領(lǐng)域全球?qū)＠暾堏厔軫ig.6 The global patent application trend of networking technology in theexpanded field

3）擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)來源地的協(xié)同創(chuàng)新申請量占比分析

主要申請國創(chuàng)新申請量占比最大的分支在水聲通信技術(shù)，其次為組網(wǎng)使用，最后為導(dǎo)航技術(shù)。如表1所示，各分支申請量最多的中、美、日均在水聲通信領(lǐng)域創(chuàng)新申請量占比最高，分別達(dá)43%，75.50%，58.43%，說明水聲通信領(lǐng)域在各國的普遍關(guān)注度最高，研究更廣泛。中國對組網(wǎng)技術(shù)的研究較美、日兩國更為重視，占比達(dá)到37.93%，數(shù)量為382項(xiàng)，遠(yuǎn)超美、日兩國。其中，值得關(guān)注的是，韓國專利申請總量雖不大，但其對新晉組網(wǎng)技術(shù)的關(guān)注度最高、創(chuàng)新申請量占比最大，為81.82%，韓國在組網(wǎng)技術(shù)的專利申請量雖與中國相差甚遠(yuǎn)，但也僅次于中國，相對于其他國家占有一定優(yōu)勢。此外，俄羅斯僅在導(dǎo)航技術(shù)分支具有12項(xiàng)專利成果，未對水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行專利申請，導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新申請量占比為100%。

表1 協(xié)同創(chuàng)新申請量占比Tab.1 The proportion of collaborative innovation applications

4）擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)的專利活躍度分析

水聲通信為近些年的技術(shù)研究重點(diǎn)，組網(wǎng)技術(shù)關(guān)注度逐漸增加，導(dǎo)航技術(shù)相對成熟。由表2可知，在擴(kuò)展領(lǐng)域?qū)Ш郊夹g(shù)、水聲通信技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)這3個(gè)分支中，水聲通信占比最大，近5年中專利活躍度最高，為2.40，但在近3年的活躍度略低于組網(wǎng)技術(shù)；組網(wǎng)技術(shù)占比次于水聲通信，活躍度由近5年的2.28上升至近3年的2.84，在3個(gè)分支中近3年的活躍度最高；導(dǎo)航技術(shù)占比最低，活躍度也最低，而且近5年與近3年的活躍度也相對穩(wěn)定。由此可知，水聲通信作為近些年的技術(shù)研究重點(diǎn)，專利申請量占比最大，研究熱度逐漸上升；組網(wǎng)技術(shù)的申請量漲幅相對更大，近幾年活躍度趨于增長，關(guān)注度逐漸增加；導(dǎo)航技術(shù)相對成熟，活躍度最低。

表2 各分支專利活躍度Tab.2 The Patent activity of each branch

5）主要國家專利增長率分析

組網(wǎng)技術(shù)較其他2個(gè)分支而言研究前景更為廣闊，導(dǎo)航技術(shù)和水聲通信的專利增長率趨于下降。如表3所示，總體來看，各國在水聲通信技術(shù)的專利申請量大部分趨于降低，中、美、韓近幾年更加注重組網(wǎng)技術(shù)的研究，中、美、歐、英對導(dǎo)航技術(shù)的研究熱度有所下降。具體而言，中國在這3個(gè)分支不同年份間的專利申請量增長率全部為正值，即可知其各分支的專利申請數(shù)量全部趨于增長，其中組網(wǎng)技術(shù)增長率最大且增長速度最快，導(dǎo)航技術(shù)在2016?2018年增長率有所下降；美國在這3個(gè)分支的專利申請量增長率全部由2013?2015年的正值（分別為6%，64%，10%）降低為2016?2018年的負(fù)值（?79%，?83%，?9%），導(dǎo)航技術(shù)和水聲通信的專利申請量急劇下降，組網(wǎng)技術(shù)分支專利申請量變化幅度最小，相對而言，美國的研究重點(diǎn)向組網(wǎng)技術(shù)有所轉(zhuǎn)移。

6）中國專利申請來源分析

中國在擴(kuò)展領(lǐng)域的這3個(gè)分支中，專利申請絕大部分來自國內(nèi)申請人，國外來華的申請總量占比極少，與歐美等國家或地區(qū)對中國進(jìn)行技術(shù)封鎖的實(shí)際情況相符。由表4所示，中國申請人的專利申請量達(dá)1 035項(xiàng)，占絕大多數(shù)。只有美國、日本、韓國、芬蘭、意大利等少量國家在中國進(jìn)行布局，申請量最大的美國也僅為18項(xiàng)。其中，國外來華的專利申請主要分布于水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)的國外來華申請數(shù)量最少。美國在水聲通信、導(dǎo)航技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)的專利申請量并不?。ǚ謩e為265，61，25項(xiàng)），而在我國進(jìn)行專利申請的數(shù)量卻僅為11，5，2項(xiàng)，也進(jìn)一步說明了美國在與軍事應(yīng)用方面密切相關(guān)的領(lǐng)域?qū)ξ覈┘恿思夹g(shù)封鎖。

7）中國主要申請人專利分布分析

哈爾濱工程大學(xué)在各分支中申請量均最多，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、天津大學(xué)和東南大學(xué)分別在導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)這3個(gè)技術(shù)分支的擴(kuò)展領(lǐng)域具有較高的研究水平。如表5所示，在國內(nèi)申請人中，哈爾濱工程大學(xué)、東南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等科研院校在導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信、組網(wǎng)技術(shù)3個(gè)擴(kuò)展領(lǐng)域均有布局，天津大學(xué)、廈門大學(xué)、華南理工大學(xué)等院校僅在水聲通信、組網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展領(lǐng)域有相關(guān)專利申請。其中，哈爾濱工程大學(xué)在各分支的擴(kuò)展領(lǐng)域的申請量均處于領(lǐng)先地位，顯示出其深厚的研發(fā)實(shí)力，天津大學(xué)在組網(wǎng)技術(shù)方面的申請量僅次于哈爾濱工程大學(xué)，其在組網(wǎng)使用方面具有一定的優(yōu)勢；中國科學(xué)院聲學(xué)研究所在水聲通信領(lǐng)域最有建樹，東南大學(xué)更注重導(dǎo)航技術(shù)的研究。

表3 各國專利申請?jiān)鲩L率Tab.3 The grow th rate of patent applications in various countries

表4 中國專利申請主要來源地Tab.4 The main sourcesof Chinese patent applications

表5 中國主要申請人專利分布Tab.5 The patent distribution of main applicants in China

3 結(jié) 語

對比分析AUG自有與擴(kuò)展領(lǐng)域技術(shù)的專利申請趨勢，3個(gè)分支的自有專利申請均在擴(kuò)展領(lǐng)域的快速發(fā)展期才開始起步，且專利數(shù)量差距甚遠(yuǎn)，AUG技術(shù)在這3個(gè)分支的研發(fā)狀態(tài)還具有廣闊的發(fā)展空間。

通過在AUG擴(kuò)展領(lǐng)域的導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)專利分析可以看出，專利申請量占比最大的分支在水聲通信技術(shù)，其次為組網(wǎng)使用，最后為導(dǎo)航技術(shù)。隨著水下導(dǎo)航技術(shù)的逐漸成熟，其專利申請?zhí)幱谙陆第厔?，而各國對水聲通信技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)的研究熱度持續(xù)升溫，尤其是組網(wǎng)技術(shù)，在近3年的活躍度最高，較其他2個(gè)分支而言研究前景更為廣闊。

中國、美國、日本、韓國等依舊是導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)在擴(kuò)展領(lǐng)域的主要申請國。中國在擴(kuò)展領(lǐng)域3個(gè)分支的專利申請幾乎全部來自國內(nèi)申請人，國外來華的申請總量占比極少。哈爾濱工程大學(xué)在各分支中申請量最多，均處于領(lǐng)先地位。

針對目前存在的技術(shù)難題，可以主要對美、日、韓的公開技術(shù)進(jìn)行分析研究，尤其是哈爾濱工程大學(xué)、天津大學(xué)等研發(fā)主體更有望早日突破技術(shù)瓶頸。關(guān)于我國專利布局而言，在國外布局的專利數(shù)量十分稀少，建議對可公開的技術(shù)加大國外布局力度，盡早占領(lǐng)市場，更有利于今后的AUG技術(shù)發(fā)展和市場應(yīng)用。