船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)態(tài)勢專利分析與對策研究

胡神松　劉林勇

摘 要：船舶自主航行技術(shù)是我國智能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)發(fā)展方向，從專利統(tǒng)計(jì)層面分析該技術(shù)領(lǐng)域的全球研發(fā)態(tài)勢，包括申請趨勢、主要技術(shù)類別技術(shù)來源國及其價(jià)值度、技術(shù)發(fā)展路線;并且利用3D專利地圖實(shí)現(xiàn)技術(shù)熱點(diǎn)可視化分析。總體來看，該技術(shù)領(lǐng)域正處于快速發(fā)展期，技術(shù)有向著與算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)融合發(fā)展趨勢，技術(shù)熱點(diǎn)集中在航跡追蹤、碰撞決策、船舶姿態(tài)感知等。在專利分析基礎(chǔ)上，為我國該技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出相應(yīng)對策和建議。

關(guān)鍵詞：專利分析;自主航行;技術(shù)發(fā)展路線;專利布局

中圖分類號：D92? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0031-03

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，帶動和引領(lǐng)了航運(yùn)業(yè)一系列的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與變革[1]。由于航運(yùn)業(yè)隨著船舶數(shù)量的增加和船舶大型化的發(fā)展，在人力成本、環(huán)境保護(hù)等方面面臨重大挑戰(zhàn)[2]，船舶自主化智能化便應(yīng)運(yùn)而生，成為航運(yùn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級關(guān)注熱點(diǎn)。從產(chǎn)業(yè)政策上看，2018年12月，工信部、交通運(yùn)輸部和國防科工局聯(lián)合印發(fā)《智能船舶發(fā)展行動計(jì)劃（2019-2021年）》為加快智能船舶產(chǎn)業(yè)布局，促進(jìn)我國船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了政策指引。其中，船舶自主航行相關(guān)技術(shù)正在成為許多國家重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，從政策和產(chǎn)業(yè)上給予較大的扶持和發(fā)展。而專利作為體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢最直接的數(shù)據(jù)資源之一，對全球船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠季趾透偁帒B(tài)勢的分析有助于把握該技術(shù)的整體發(fā)展脈絡(luò)，為技術(shù)研發(fā)布局和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1數(shù)據(jù)來源及分析方法

本次研究的專利數(shù)據(jù)通過全球性專利數(shù)據(jù)庫智慧芽（Patsnap）采集。在檢索策略上，梳理船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)，確定技術(shù)關(guān)鍵詞，通過查表法和歸納法確定技術(shù)分支的IPC分類號，為減少噪音專利文獻(xiàn)以“關(guān)鍵詞+分類號”的檢索方法采集專利數(shù)據(jù)集，之后通過數(shù)據(jù)清洗和去重降噪，得到本次專利數(shù)據(jù)分析樣本，并通過excel等分析工具進(jìn)行深度標(biāo)引與統(tǒng)計(jì)分析，檢索日期為2021年7月21日。

2 全球船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)布局態(tài)勢

2.1專利申請趨勢分析

如圖1所示，態(tài)勢感知、自動避撞和航行控制三大分支技術(shù)領(lǐng)域整體呈上升趨勢，而態(tài)勢感知技術(shù)自2016年專利申請量開始遠(yuǎn)超其他技術(shù)領(lǐng)域，始終保持高速增長狀態(tài)。從全球船舶自主航行的總體申請趨勢來看，該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展大致可以劃分為兩個階段：

技術(shù)萌芽階段：2000年到2008年，在該時期專利年申請量不足20件，相對處于初步探索階段。在這一時期，伴隨著智能傳感器在各行業(yè)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，船舶航行感知和探測識別技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

（2）技術(shù)發(fā)展階段：從2009年至今，該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩吭鲩L迅速，尤其是自2016年起，進(jìn)入高速發(fā)展階段。這一階段的快速增長，不僅得益于“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、大數(shù)據(jù)算法等技術(shù)的興起，同時也離不開各國產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)與扶持。以我國為例，2015年發(fā)布的《中國制造2025》明確指出要發(fā)展高技術(shù)船舶，2018年《智能船舶發(fā)展行動計(jì)劃〈2019～2021年〉》具體指出我國高技術(shù)船舶發(fā)展的方向，其中船舶自主航行技術(shù)是智能船舶發(fā)展的重要方向之一。因此，在新興技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)政策促進(jìn)下，船舶自主航行技術(shù)正處于高速發(fā)展階段。

2.2 主要國家專利技術(shù)類別及價(jià)值度分析

如圖2所示，氣泡大小代表專利數(shù)量，直觀反映關(guān)鍵技術(shù)來源國的IPC技術(shù)類別布局狀況，同時基于智慧芽數(shù)據(jù)庫對專利價(jià)值的估值分析，選取價(jià)值度大于$5000定義為“高價(jià)值專利”，通過氣泡餅圖進(jìn)一步反應(yīng)相應(yīng)國家在相應(yīng)技術(shù)類別的“高價(jià)值專利”分布情況。從專利類別來看，中國在G05D1（陸地、水上、空中或太空中的運(yùn)載工具的位置、航道、高度或姿態(tài)的控制，例如自動駕駛儀）、G08G3（海上航行器的交通控制系統(tǒng)）、G06K9（用于閱讀或識別印刷或書寫字符或者用于識別圖形，例如，指紋的方法或裝置）、G01C21（導(dǎo)航;不包含在G01C1/00至G01C19/00組中的導(dǎo)航儀器）等技術(shù)領(lǐng)域均處于領(lǐng)先地位，且在G05D1布局最廣。從專利價(jià)值度分布來看，中國雖然專利數(shù)量多，但是在各技術(shù)類別專利價(jià)值度大于$5000的專利比例均未超過20%，韓、美兩國在G05D1和G08G3技術(shù)領(lǐng)域的“高價(jià)值專利”比例接近60%。這反映出我國在該技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量大，技術(shù)活躍度最高，但專利整體質(zhì)量尚存在不足。

2.3專利技術(shù)路線發(fā)展分析

如圖3所示，反映了船舶自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)發(fā)展情況。在船舶態(tài)勢感知技術(shù)方面，從單純通過傳感器對于船舶行駛參數(shù)的測量裝置，逐步向態(tài)勢感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)和方法發(fā)展，引入D-S證據(jù)理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，增強(qiáng)船舶對于自身狀況和周圍環(huán)境的感知。在自動避撞技術(shù)方面，前期主要集中在對于障礙物的識別，通過視覺、紅外、雷達(dá)等傳感系統(tǒng)識別障礙物予以規(guī)避，之后在障礙物探測方面向多源傳感信息融合方面發(fā)展，同時面對復(fù)雜多變的碰撞問題，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)、證據(jù)理論、前景理論等避撞決策分析及優(yōu)化方法是技術(shù)發(fā)展路線的關(guān)鍵點(diǎn)之一。在航行控制技術(shù)方面，船舶的航向控制和航跡控制是船舶自主航行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以RU2155142C1專利為代表的船舶自動控制裝置實(shí)現(xiàn)了初步的航向和航跡控制，之后引入伺服控制系統(tǒng)提高船舶控制的精度，進(jìn)一步地基于模糊算法、深度學(xué)習(xí)等控制方法的引入使船舶航行控制技術(shù)快速發(fā)展。技術(shù)路線的演進(jìn)反映了多源傳感信息融合以及基于深度學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的引入逐漸成為自主航行技術(shù)的研發(fā)趨勢。

2.4熱點(diǎn)技術(shù)專利地圖分析

如圖4所示，其中，專利地圖山峰代表技術(shù)集聚區(qū)，波谷代表技術(shù)空白區(qū)，圖中每個圓點(diǎn)代表一件專利。其反映出船舶自主航行技術(shù)熱點(diǎn)主要集中在“預(yù)警系統(tǒng)、輔助決策、船舶姿態(tài)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、深度學(xué)習(xí)、卷尺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、航跡跟蹤、環(huán)境感知等”，這些高頻關(guān)鍵詞提示研究機(jī)構(gòu)可以重點(diǎn)關(guān)注的研發(fā)方向。

結(jié)合專利熱點(diǎn)地圖波峰關(guān)鍵詞及其上專利的深度閱讀，可以得到以下熱點(diǎn)研發(fā)方向：

深度學(xué)習(xí)與避碰決策：基于深度學(xué)習(xí)的避碰決策系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記憶經(jīng)過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練后的樣本形成的經(jīng)驗(yàn)和模型，并在避碰過程中使用這些經(jīng)驗(yàn)和模型[3]。以專利CN112180950A、CN112185171A等為例，二者通過分別通過建立融合LSTM和強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理的智能船避碰模型，以及構(gòu)建將船員在駕駛航行數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，優(yōu)化機(jī)器避碰、路徑規(guī)劃策略。深度學(xué)習(xí)技術(shù)的引入使避碰決策的推理能力和求解能力更強(qiáng)。

（2）證據(jù)理論與數(shù)據(jù)融合：以專利CN112101558A、CN112394726A等為例，前者基于D?S證據(jù)理論將空間碰撞危險(xiǎn)度和時間碰撞危險(xiǎn)度合成得到碰撞危險(xiǎn)度來完成態(tài)勢感知;后者基于證據(jù)理論借助傳感器的多源異構(gòu)檢測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無人船障礙物的融合檢測。證據(jù)理論對于船舶態(tài)勢傳感器數(shù)據(jù)的分析處理收斂速度快、融合結(jié)果好，在船舶傳感器數(shù)據(jù)融合中正在被深入運(yùn)用。

（3）數(shù)字孿生與態(tài)勢感知：數(shù)字孿生是對物理實(shí)體對象的特征、行為、形成過程和性能等進(jìn)行描述和建模的過程和方法[4]。專利CN111881515A提出了物理空間不同布置位置和不同量程范圍的實(shí)體無人艇傳感器時間序列數(shù)據(jù)與信息空間虛擬孿生體三維模型空間數(shù)據(jù)的實(shí)時、跨域、時空融合方法，實(shí)現(xiàn)無人艇任意測點(diǎn)位姿觀測和可靠估計(jì)。數(shù)字孿生模型的實(shí)時仿真、推演、預(yù)測、決策，作為認(rèn)知計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一，有廣泛的應(yīng)用前景。

3 我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策建議

3.1重視核心專利布局，塑造國際化標(biāo)準(zhǔn)體系

2019年工信部裝備工業(yè)司組織編制《智能船舶標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（征求意見稿）》，從產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向上看，是要把我國智能船舶業(yè)發(fā)展成國際化標(biāo)準(zhǔn)體系的領(lǐng)導(dǎo)者，而掌握國際化標(biāo)準(zhǔn)體系首先要掌握核心技術(shù)的話語權(quán)，這離不開在核心關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的專利布局。目前我國的在各技術(shù)類別的研發(fā)活躍度均處于領(lǐng)先地位，但是在“高價(jià)值專利”占比中遠(yuǎn)低于美、韓兩國，因此研發(fā)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)更聚焦于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題，提高專利質(zhì)量。只有牢牢掌握產(chǎn)業(yè)鏈核心專利，才能掌握產(chǎn)業(yè)鏈的話語權(quán)。

3.2強(qiáng)化PCT國際專利布局，拓寬海外市場

從技術(shù)來源國的專利布局來看，中國、美國和韓國既是船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)的重要國際市場地，也是重要的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)來源地。這說明各國在船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的國際市場競爭十分激烈，這更體現(xiàn)出國際專利布局的重要性?；趯＠Ｗo(hù)的地域性以及智能船舶發(fā)展的廣闊前景，強(qiáng)化PCT國際專利布局，將能夠幫助企業(yè)搶占市場先機(jī)和拓寬海外市場。

3.3加大政策扶持和引導(dǎo)，打造智能航運(yùn)業(yè)

從航運(yùn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展來看，在人力成本、環(huán)境保護(hù)等各方面的壓力下，也在倒逼該產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與進(jìn)步，而且《中國制造2025》和工業(yè)4.0也啟示傳統(tǒng)工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是大勢所趨。航運(yùn)業(yè)作為世界經(jīng)濟(jì)的“血液”通道，掌握智能化航運(yùn)技術(shù)能夠在航運(yùn)產(chǎn)業(yè)取得顯著優(yōu)勢，因此在《中國制造2025》提出的發(fā)展高技術(shù)船舶的基礎(chǔ)上，加大并細(xì)化諸如自主航行技術(shù)的政策支持和引導(dǎo)，能夠進(jìn)一步促進(jìn)我國智能航運(yùn)業(yè)的發(fā)展。

3.4加快技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，培育優(yōu)勢企業(yè)

總體來看，船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)還處于產(chǎn)業(yè)化初級階段，該技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢企業(yè)并不十分突出。而具體到在該技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭中，最終落腳點(diǎn)還在于企業(yè)之間的競爭，因此加快船舶自主航行技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，將技術(shù)與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐緊密聯(lián)系起來，形成規(guī)模化效應(yīng)，既能夠促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也是催生和培育發(fā)展智能航運(yùn)優(yōu)勢企業(yè)的重要途徑之一。

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