波音與空客在民機航空業(yè)的專利技術(shù)發(fā)展及布局

李樺楠， 楊躍雙， 胡錦寬， 李佳豪

(1.中國商飛上海飛機設(shè)計研究院 大飛機創(chuàng)新谷， 上海 201210； 2.中國民用航空飛行學院 洛陽分院， 河南 洛陽 471000； 3.中南大學 機電工程學院， 長沙 410012)

民用飛機是一項龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及氣動、結(jié)構(gòu)、航電、環(huán)控、材料、測試等眾多高科技技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)鏈。隨著科學技術(shù)的進步，民機技術(shù)也在迅猛發(fā)展[1-9]。從民用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史來看，民機設(shè)計制造業(yè)面對的是全球市場而非區(qū)域性的市場，幾十年來不斷有國家嘗試制造飛機，但是許多老牌飛機制造商被兼并或破產(chǎn)，最終退出了民機領(lǐng)域，而波音和空客公司幾乎形成了壟斷格局[10-15]，致使后進企業(yè)進入的壁壘極高。

在民用飛機發(fā)展迅速的環(huán)境下，民機市場戰(zhàn)暗流洶涌。市場戰(zhàn)的背后是資源戰(zhàn)，而資源戰(zhàn)的強有力支撐則是專利，專利是知識產(chǎn)權(quán)成果的重要組成部分，更是在很大程度上反映了技術(shù)的發(fā)展方向及水平。近年來，專利內(nèi)容分析已逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點。通過對3D技術(shù)[16]、防熱涂層技術(shù)[17]、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)[18]、搜索引擎技術(shù)[19]等各領(lǐng)域的專利研究[20]，可以發(fā)現(xiàn)每項技術(shù)或產(chǎn)業(yè)的發(fā)展脈絡(luò)、重點方向、企業(yè)戰(zhàn)略，從而推動技術(shù)創(chuàng)新研究，有力地促進了各項技術(shù)的發(fā)展與進步。

民用飛機是典型的知識密集、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，也是一個國家工業(yè)整體能力體現(xiàn)的重要標桿。專利反映了技術(shù)的發(fā)展和方向，但是由于民機的龐大和復(fù)雜性，目前，缺乏對于民機產(chǎn)業(yè)專利技術(shù)的研究，尤其是缺乏大飛機產(chǎn)業(yè)專利布局、風險管控等方面的研究和指導。因此，面對中國民機運營以及出海問題，有必要探索競爭對手所擁有的專利，分析技術(shù)發(fā)展與專利布局，加強對民機技術(shù)領(lǐng)域及方向等的把握，從而提升自身發(fā)展，把控前沿趨勢，為中國民機設(shè)計制造業(yè)及其知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展戰(zhàn)略提供指導。

1 研究方法

國家專利分類(IPC)將所有技術(shù)知識體系進行了不同層級的分割，除了將技術(shù)領(lǐng)域分為8個部分外，又分了多個大小類、大小組。民用飛機所涉及的技術(shù)廣泛，本文基于不同層級的IPC分類號對專利進行分析，從而探索民機領(lǐng)域兩大巨頭波音和空客的發(fā)展路線及重點方向，具體方法及流程如圖1所示。首先，在IncoPat數(shù)據(jù)庫中檢索波音和空客的專利申請情況，根據(jù)年度、數(shù)量等信息劃分區(qū)間并提取不同區(qū)間大組層級IPC分類號，分析從建立之初到2021年的專利發(fā)展，探索民機“先發(fā)者”和“后進者”的成長歷程和經(jīng)驗。其次，分析波音和空客的專利在全球范圍內(nèi)不同國家的布局情況，尤其是在中國的布局狀態(tài)，結(jié)合中國民機的發(fā)展探索中國民機在當前大國博弈過程中的知識產(chǎn)權(quán)布局戰(zhàn)略。然后，提取小類層級的IPC分類號，綜合波音和空客的專利技術(shù)，分析波音和空客共同關(guān)注的重點技術(shù)領(lǐng)域，同時，提取小組層級的IPC分類號，針對性深入挖掘分析兩家公司的重點發(fā)展技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其共性及異性。最后綜合給出民機產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的知識產(chǎn)權(quán)建議。

圖1 基于專利的民機航空業(yè)發(fā)展研究方法及流程

2 波音和空客專利申請總體趨勢研究

根據(jù)IncoPat數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果，從1915年至2021年8月底，波音在全球范圍內(nèi)申請專利94 063件，涉及30 702項技術(shù)；空客在全球范圍內(nèi)申請專利85 682件，涉及20 333項技術(shù)。兩家專利申請趨勢如圖2和圖3所示。

圖2 1915—2021年波音申請專利趨勢

圖3 1915—2021年空客申請專利趨勢

從圖2中可以看出：波音公司的專利申請經(jīng)過了4個階段：發(fā)展初期(A1)、緩慢成長期(B1)、快速飛躍期(C1)和調(diào)整期(D1)。波音公司成立于1916年，1916—1949年(階段A1)，波音公司的專利經(jīng)歷了從無到有的過程，民機領(lǐng)域技術(shù)開始發(fā)展，該時期申請的專利所涉及的技術(shù)主要集中于起落架、操縱面及操縱、傳動系統(tǒng)、機翼、乘務(wù)員、乘客或貨艙的空氣處理裝置等方面，共布局207件專利；1950—2000年(階段B1)，民機技術(shù)緩慢成長，在原有機翼和起落架等基礎(chǔ)上，逐漸開始布局飛機結(jié)構(gòu)及整流裝置、位置、航道、高度、姿態(tài)控制系統(tǒng)、復(fù)合材料、噴管、盥洗室、廚房、座椅等領(lǐng)域，在此階段，1952年波音公司投入研發(fā)噴氣式飛機，自此不僅開創(chuàng)了噴氣式客機的時代，還成功打開了世界民航市場，1970年波音公司再次領(lǐng)先推出了世界第一款寬體客機——波音747。前兩段時期雖然發(fā)展較緩慢，但早期研發(fā)者共布局了13 893件專利；2001—2014年，隨著收購麥道后，波音以其民用航空領(lǐng)域優(yōu)先50多年的歷史進入了專利申請的快速飛躍期(階段C1)，該時期波音公司申請的專利實現(xiàn)了兩次大跨越，分別是2001—2007年和2010—2014年，進一步擴大對飛機結(jié)構(gòu)及整流裝置、復(fù)材等方面的專利申請，并大量開拓了原有領(lǐng)域以及數(shù)字計算設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備/方法、飛機設(shè)計、制造、裝配、清洗、維修或修理等新技術(shù)，同時涉及了地面設(shè)備、無線電傳輸系統(tǒng)、數(shù)字信息傳輸、通信、半導體器件等諸多民機領(lǐng)域，在快速飛躍期間波音公司共申請49 378件專利，專利技術(shù)涉獵范圍也越來越廣；自2015年之后，波音專利申請趨勢進入了調(diào)整期(階段D1)，該時期擴充并深入原有領(lǐng)域B64F5、B64C1、B29C70、B64D11中所涉及的零部件組裝或工具，同時又新開發(fā)了諸如交通控制系統(tǒng)、自動著陸、防撞、地面控制等用于民機的先進科學技術(shù)及方法。

從圖3中可以看出：空客公司的專利申請也經(jīng)過了4個階段：發(fā)展初期(A2)、緩慢成長期(B2)、快速飛躍期(C2)和調(diào)整期(D2)，但是間隔時間與波音有所不同。1970年，空中客車公司由法國宇航公司、聯(lián)邦德國空中客車工業(yè)公司、英國宇航公司和西班牙CASA公司聯(lián)合組建而成。1970—1979年(階段A2)，空客起步，面對落后波音50年的現(xiàn)狀，空客需要盡快發(fā)展并占據(jù)航空領(lǐng)域的一席之地，1972年空客研發(fā)出使用復(fù)合材料的寬體中程噴氣式飛機，以成本優(yōu)勢開啟新格局，該時期空客申請的專利技術(shù)主要在特種制品制造、操縱面及操縱、傳動系統(tǒng)、機翼、方向舵等方向，共有18件專利；1980—1988年，空客經(jīng)歷了短暫的成長期(階段B2)，專利涉及飛機結(jié)構(gòu)及整流裝置、盥洗室、廚房、座椅等已有技術(shù)，以及新方向電纜電線安裝保護管、用于裝卸貨物的設(shè)備，便于乘客搭載或具有類似功能的設(shè)備、導電、集電器等電學方面的設(shè)備及方法，為后期電力方面的發(fā)展打下基礎(chǔ)；自1988年第一款數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)飛機A320出現(xiàn)后，空客開啟了快速飛躍的發(fā)展時代(階段C2)，且與波音737展開正面對抗，同時在專利技術(shù)保護方面申請了35 226件專利，所涉技術(shù)領(lǐng)域包含B64C1，B64D11、B29C70、G05D1、B64D13，此外還包括無線電導航、陀螺儀、測試、電數(shù)字數(shù)據(jù)處理、數(shù)字通信傳輸?shù)确矫?；飛速發(fā)展過后仍一直保持高數(shù)量專利布局與申請，進入對已有技術(shù)(B64C1、B64D11、B29C70、B64C3、B64C27)的深入挖掘和新興技術(shù)的探索調(diào)整時期(階段D2：2009年至今)?？湛妥鳛槊駲C領(lǐng)域中的后進者，集中資源與人才，并在發(fā)展過程中融入了大量的新技術(shù)，如電傳操縱、“玻璃”駕駛艙以及現(xiàn)代化制造等，并且在專利方面同步布局，得以在波音占據(jù)全部市場的情況下迅速追趕并搶占市場。

3 波音和空客專利布局研究

3.1 波音和空客專利申請區(qū)域布局分析

專利保護具有地域性，因此，同一項技術(shù)在不同的地域申請才能達到全面保護的目的，也能為未來中國民機邁向全世界保駕護航。波音和空客申請專利在全球主要國家的分布狀態(tài)如圖4所示。

圖4 波音和空客在全球主要國家的專利申請數(shù)量

經(jīng)統(tǒng)計計算，波音和空客在本國及國外主要國家的申請專利占比見表1?？梢钥闯?，兩家公司除了在本國申請專利外，均有在其他具有較大發(fā)展?jié)摿?、需求或合作的國家布局，而中國位列前?均>5%)。波音在美國、歐洲專利局、日本、中國、加拿大等國布局比例相對較大，空客在美國、歐洲專利局、法國、德國、中國等國家布局比例相對較大。

表1 波音和空客在主要國家布局的專利占比對比%

3.2 波音和空客在中國布局專利分析

近20年，波音在中國申請專利共計6 248件，空客在中國申請專利共計6 707件，波音和空客在中國申請的專利趨勢如圖5所示。

圖5 1997—2021年波音和空客在中國申請專利的趨勢

從數(shù)據(jù)可以看出，自2002年以來，兩大巨頭在中國民機領(lǐng)域申請的專利顯著增多，持續(xù)到2019年專利申請數(shù)量在調(diào)整中不斷上升，并在2006、2008、2014、2017、2019年達到階段性高峰，并且該發(fā)展時間線和高峰期與中國民機研制立項、制造、運營等時間相當吻合，18年的時間共在中國布局申請專利12 328件。

經(jīng)過研究波音和空客的專利布局可以得出以下啟發(fā)：在專利的布局策略上，一方面針對地域布局，在具有潛在競爭力的國家或地區(qū)布局關(guān)鍵性專利，以保證自己的產(chǎn)品能正常運行，防止周圍環(huán)境的圍追堵截；另一方面要考慮專利技術(shù)上的布局，平衡大環(huán)境下的和諧發(fā)展，充分利用現(xiàn)有技術(shù)，并不斷創(chuàng)新改進，突破核心技術(shù)卡點，構(gòu)建有效的專利壁壘，同時搭建更廣泛的基礎(chǔ)專利。

4 專利技術(shù)領(lǐng)域研究

專利反映技術(shù)，能體現(xiàn)一個企業(yè)的發(fā)展方向和競爭策略。根據(jù)《國際專利分類表》(IPC分類)對專利方向進行劃分，通過對專利數(shù)量及重點方向的分析，可以把握近年來民機領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展方向。經(jīng)過檢索統(tǒng)計，波音和空客在近20年來申請專利所屬技術(shù)領(lǐng)域排名前13的有36 697件，其涉及技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成見表2。從表2中可以看出，目前民機領(lǐng)域在飛機，包括機身結(jié)構(gòu)框架、蒙皮、機身、機翼、機窗等(B64C)與飛機配置成套使用或安裝在飛機上的設(shè)備，如餐飲車、儀表、座椅、應(yīng)急降落裝置、飛機上動力或傳動裝置等(B64D)、機上復(fù)合材料的成型及方法、設(shè)備，后期磨削等處理措施(B29C)、電數(shù)字處理或數(shù)據(jù)處理(G06F)等方面發(fā)展廣泛且深入。

表2 排名前13的專利技術(shù)小類領(lǐng)域

經(jīng)統(tǒng)計并研究發(fā)現(xiàn)，波音公司申請的專利排名前15的技術(shù)及占比如圖6所示。在這前15的技術(shù)方向中，B部的IPC分類占據(jù)了11個：包含機身、機翼、穩(wěn)定面、動力學外形(B64C1/00)，涉及部分飛行器設(shè)計、制造、裝配、洗滌、維修或修復(fù)，如移動飛機的車輛、自動化裝配、虛擬訓練機器、測試方法(B64F5/00)，乘客或乘務(wù)員設(shè)備，如航空餐飲車、電子儲物柜控制(B64D11/00)，機身框架、桁條及支撐件、大梁(B64C1/06)，零件、部件或附件，如復(fù)合件壓緊、復(fù)合材料成型及方法、工具、隔音面板(B29C70/54)，其他IPC分類不包括的飛機指示裝置或防護裝置，如發(fā)動機熱指示器、失速保護系統(tǒng)、健康監(jiān)測等(B64D45/00)，如壓力差、真空袋、熱壓罐或膨脹橡膠成型(B29C70/44)，飛機的制造或裝配，如其夾具(B64F5/10)，蒙皮板的結(jié)構(gòu)或附件(B64C1/12)，飛機窗戶、機上的門及門組件、艙蓋或通道壁板、外層框架結(jié)、座艙蓋、風擋、飛機雨刷(B64C1/14)，成型復(fù)合材料：自動疊鋪，如使用機器人，根據(jù)預(yù)定的形式鋪設(shè)長絲(B29C70/38)等；另外，不可忽視的還包含G部和H部的技術(shù)：飛機飛行過程中的高度、位置、速度、航道或姿態(tài)的控制，如自動駕駛儀(G05D1/00)，空間站或機載站，如天線、應(yīng)答器、衛(wèi)星系統(tǒng)(H04B7/185)，交通控制系統(tǒng)(G08G5/00)，以協(xié)議為特征的電通信技術(shù)(H04L29/06)等都是波音在民用飛機領(lǐng)域的重點研究方向。

圖6 波音申請專利排名前15的技術(shù)及占比

同樣對空客公司的專利技術(shù)進行分析(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，排名靠前的IPC分類集中在飛機(B64C)和與飛機配置成套使用或安裝到飛機上的設(shè)備(B64D)兩類，且空客的專利數(shù)量更大，除了與波音高度重合的乘客或乘務(wù)員設(shè)備(B64D11/00)，機身、機翼、穩(wěn)定面、動力學外形(B64C1/00)，機身框架，桁條及支撐件、大梁(B64C1/06)，飛機上夾具的制造或裝配(B64F5/00)等重點研究方向外，空客的其他重點研究方向如飛機窗戶、機上的門及門組件、艙蓋或通道壁板、外層框架結(jié)、座艙蓋、風擋、飛機雨刷(B64C1/14)，座椅的布置或配備(B64D11/06)，以動力裝置如連桿軸、連接件等安裝結(jié)構(gòu)為特點的飛機(B64D27/26)，用于飛機上諸如環(huán)控沖壓空氣通道、熱交換、氧氣面罩、空調(diào)系統(tǒng)等的空氣處理設(shè)備的布置或配置(B64D13/00)等，相對于波音來說具有更大的專利申請量，表明空客在設(shè)備、動力裝置等零部件以及乘務(wù)和客戶舒適度方向研究更深入；此外，在儀表的布置或配置，如座艙顯示裝置或組件、側(cè)滑導引、電子電氣設(shè)備艙(B64D43/00)和指示多于一個導航數(shù)值的組合儀表，如飛機用的兩個或兩個以上運動變量的組合測量裝置，如距離、速度、加速度、輔助駕駛飛機的方法和裝置(G01C23/00)等技術(shù)方向出現(xiàn)的頻次也相當高，表明空客在導航、測試、數(shù)據(jù)鏈、電子設(shè)備儀表等方向也展開了深入研究并布局了大量專利。

圖7 空客申請專利排名前15的技術(shù)及占比

綜上分析，民機領(lǐng)域的兩大巨頭在重點技術(shù)方向中有相同之處也存在差異(圖8)。波音所申請的專利涉及技術(shù)范圍廣泛，不僅包括飛機的結(jié)構(gòu)、機身、機翼、操縱系統(tǒng)、起落架、動力裝置、環(huán)控等多項技術(shù)，還涉及了材料及制造工藝、通信技術(shù)等多個方向，且隨著技術(shù)與時間的累積，在調(diào)整期(D1)波音申請的各項專利技術(shù)更深入底層的方法和架構(gòu)；而空客的專利技術(shù)方向中除了機身、機翼、結(jié)構(gòu)、材料等大方向與波音相同之外，更側(cè)重于機內(nèi)電子設(shè)備、零部件、測量等方向的研究，并且空客更偏向于飛行員及乘務(wù)操作方便等人機工效方面和客戶體驗舒適度方向的研究。

綜合兩家專利技術(shù)方向研究，從飛機外形結(jié)構(gòu)、機身機翼，到所用材料、工藝，以及飛機內(nèi)部各個系統(tǒng)、設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸，在搭建了飛機“骨架”的設(shè)計制造技術(shù)后，擴充了飛機的“神經(jīng)”與“血肉”，即其內(nèi)部電子儀器、配電等各零部件和場外支持設(shè)備也面面俱到，其中蘊藏的巨大技術(shù)信息是民機行業(yè)的寶貴財富。根據(jù)專利技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展狀態(tài)，可以總結(jié)出如下重點發(fā)展方向：

1)氣動外形結(jié)構(gòu)：常規(guī)的外形布局一直穩(wěn)定而持久地占據(jù)民機市場，相關(guān)技術(shù)也在不斷深入、改進并成熟。但同時通過采用先進的氣動設(shè)計技術(shù)，可以減小飛機飛行時的阻力，提高升阻比和巡航效率，降低油耗[21]，加大內(nèi)部空間，從而大大提升飛機的經(jīng)濟性，當滿足適航需求、提升性能的先進布局成功后也將會快速占據(jù)一席之地。

圖8 波音和空客專利技術(shù)范圍

2)新型材料與制造工藝：復(fù)合材料使飛機輕量化，降低燃油消耗；且設(shè)計靈活，不易腐蝕，從而降低使用成本；并且飛機設(shè)計過程中包含的多種成型工藝、制造設(shè)備及方法也是探索布局的重要領(lǐng)域。

3)電子設(shè)備系統(tǒng)：從空客和波音的專利技術(shù)申請趨勢以及發(fā)展經(jīng)驗來看，電子設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)越來越成為關(guān)注和探索的渠道，也蘊含著多項“彎道超車”的技術(shù)，比如先進的航電系統(tǒng)及動力傳動系統(tǒng)越來越成為飛機運行和客戶滿意的關(guān)鍵考量。

5 結(jié)論與建議

本文通過對波音、空客的專利進行檢索和研究，得出以下結(jié)論：民機發(fā)展的歷程都經(jīng)歷了起步、緩慢成長、快速飛躍及調(diào)整期。波音以噴氣式飛機成功打開世界民航市場，空客作為后起之秀則通過策略上抱團發(fā)展，技術(shù)上以復(fù)材、電傳飛控等新技術(shù)快速打開市場，占領(lǐng)一席之地；另外，波音和空客除了在本國申請專利之外，還在其他潛在競爭國家布局了大量專利，尤其在中國布局專利的時間和國內(nèi)民機行業(yè)發(fā)展時間相當吻合；最后綜合分析了民機領(lǐng)域目前的重點發(fā)展方向，波音和空客在建立了有效的專利組合外，不斷開拓布局材料、氣動、高端設(shè)備制造等新技術(shù)和新領(lǐng)域。

針對上述專利技術(shù)發(fā)展與布局分析，為有效提升中國在民機領(lǐng)域的競爭力，促進中國民航專利技術(shù)水平的提升，總結(jié)如下對策建議為中國民機設(shè)計制造業(yè)及其知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略提供參考。

1)加強專利技術(shù)規(guī)劃布局。當前中國民機處于快速成長的關(guān)鍵時期，應(yīng)充分研究行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，以市場為導向，結(jié)合自身情況，以民機結(jié)構(gòu)、機身、機翼等基本方向為基礎(chǔ)，針對新興領(lǐng)域抓住機會彎道超車，爭取占領(lǐng)專利制高點，同時啟動相關(guān)標準的研發(fā)；另外，綜合布局技術(shù)方向，地域上，除國內(nèi)以外，在具有潛在競爭力的國家或地區(qū)布局關(guān)鍵性專利，技術(shù)上，平衡大環(huán)境下的和諧發(fā)展，構(gòu)建有效的技術(shù)組合專利，形成攻守兼?zhèn)涞膶＠趬?，同時搭建更廣泛的基礎(chǔ)專利，做到知識產(chǎn)權(quán)方面的進可攻退可守。

2)催化高價值專利產(chǎn)生。短期內(nèi)，可以技術(shù)引進的方式，以市場換技術(shù)，但同時需要開展基礎(chǔ)知識的研究，獨立自主是根本更是關(guān)鍵。針對復(fù)雜的民機領(lǐng)域，劃分系統(tǒng)及其分支，識別關(guān)鍵技術(shù)點，充分利用公開可用的專利文獻，開展技術(shù)可行性分析，并深度挖掘高價值專利，開拓新方向，以點概面，從而構(gòu)建民機領(lǐng)域的專利技術(shù)地圖。在該過程中，一方面實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，另一方面形成自己的高價值高水平專利，提升中國民機的專利技術(shù)水平，建立主動方的攻守局勢。

3)推動科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。借鑒優(yōu)秀的成長經(jīng)驗，推動合作發(fā)展。形式上，積極展開多方合作，凝聚現(xiàn)有力量和資源，充分發(fā)揮政府與企業(yè)、企業(yè)與高校、企業(yè)與企業(yè)的強強聯(lián)合，協(xié)同發(fā)展；機制上，深化知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)，優(yōu)化專利價值評估，建立高價值專利保護、成果轉(zhuǎn)化及激勵制度；技術(shù)上，實現(xiàn)通用技術(shù)的軍民融合或基礎(chǔ)問題的跨界融合，依靠成熟的已有技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)化民機技術(shù)，并積極溝通建立人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與民機的結(jié)合，促進各方產(chǎn)業(yè)和技術(shù)成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，帶動民機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。