摘要：本文通过对船舶领域专利大数据进行分析，在Kleinberg突发监测算法基础上提出前沿技术/创新主体的识别指标，并将识别结果与专利网络图谱分析法相结合，清晰展现该领域的前沿技术/创新主体在整个网络中的位置和关联。结合相关资料对全球船舶领域前沿专利图谱的解读，主要有以下研究发现：目前全球船舶领域的技术创新前沿呈现多点开花的局面，LNG船舶的系列技术成为最亮眼的前沿技术群落，水上运动休闲专用船、船舶自动驾驶、海洋环境监测、海洋农业、海洋钻井、海洋环保、深海潜水等也都处于创新前沿；同时，全球船舶领域的创新主体开始出现结构性变化，处于创新网络核心的传统强企在新一轮技术竞争中的创新活力在退化，取而代之的是处于交叉新兴技术领域的中小型创新企业、研究机构和大学。根据研究结果给出相关建议，为政府部门制定发展策略提供参考。
关键词：船舶工业，专利图谱，突发监测，创新前沿
0 引言
目前，已有学者[1]对船舶工业领域中重点领域、关键技术和核心技术专利布局等方面展开了相关研究。船舶推进技术[2]和智能船舶技术[3-5]成为高技术船舶领域当下专利研究的热点。学者[6-7]对船舶柴油机企业的技术竞争力和船舶综合电力系统的发展趋势展开了专利计量研究。Cardoso等[8]从专利视角分析了大型海船电力推进系统的演进与发展前景。Li等[9]从交流电力、超导电力、燃料电池和一体化全电力四个方向对船舶推进领域的关键技术发展方向进行了分析。丁礼谦等[10]通过绘制3D专利地图探索智能船舶技术的研究热点。还有学者[11-14]借助专利情报分析方法，对海洋浮式平台和海洋工程与技术的研究热点展开研究，并基于专利创新合作网络分析了船舶产业团队间合作的动因。综上所述，已有较多学者对船舶工业领域的子技术进行了研究，但少有学者基于专利对船舶新兴技术及创新者探测进行分析。因此，本文在对全球船舶工业领域的专利信息收集、处理及深入挖掘的基础上，聚焦本领域的前沿技术探测和新兴创新者识别，为我国船舶企业准确把握技术潜在热点及识别潜在竞争者/合作者提供有益参考。
1 研究路线与研究方法
目前产业领域的前沿探索研究已引起越来越多的学者关注，其中信息可视化技术与数据统计分析方法发挥着重要的作用[12]。为了提高我国船舶工业的专利竞争力，需要把握产业领域专利的潜在技术趋势和专利技术的发展方向。专利能够更好地反映一个国家或产业的技术前沿，基于专利的产业领域前沿专利技术识别方法主要包括网络分析、回归分析、构建指标体系、语义信息挖掘和识别核心专利五类[15-17]。本研究在大数据分析的基础上，创新性地将指标分析法和专利网络图谱分析法相结合，清晰展现全球船舶领域的创新前沿动态，具体研究路线如图1所示。
与船舶相关的专利在IPC分类号中有专门的分类号，即B63。该IPC分类号覆盖了船舶或其他水上船只，以及与船有关设备的所有专利。本文借助“智慧芽”（Patsnap）专利分析检索平台，截止日期为2021年12月，以IPC=（B63）作为检索式，共检索收集到全球船舶工业668369件、400537个简单同族、389845个扩展同族的专利申请，作为本研究的数据分析基础。为了解目前全球船舶工业的专利申请趋势，本文对专利信息中所包含的专利优先权时间、优先权国家和分布国家等信息进行提取和初步统计分析。为了深入挖掘船舶工业的创新前沿趋势，本文主要从前沿技术和新兴创新者两个维度，基于技术相似性网络和企业相似性网络绘制专利网络图谱，并结合突发检测算法进行展开。为了保证分析的准确性，本文将IPC的分析级别确定在大组水平上（前7位）。首先通过数据处理，分别构建前300个IPC分类号的300×300共现网络，以及前300个IPC分类号与前300个企业的300×300共现网络，然后计算网络节点间的余弦相似度，分别构建IPC间相似性网络图谱和企业间相似性图谱。其中，基于IPC的企业间技术相似性[18]公式计算如下：
企业A和企业B之间的技术相似性指数的取值范围为0到1，0对应于两个企业之间没有重叠技术类别、1对应于技术类别的完美重叠。
本文采用Kleinberg突发监测算法[19-20]来监测技术（IPC）和企业的突发现象，对突发权重指数Wi公式化简后得到：
Wi=rln（pi/p0）+（d-r）ln[（1-pi）/（1-p0）] （2）
式中，Wi为第i年从非突发状态到突发状态的跃迁成本，即突发权重越大，突发的可信度越高；r为该技术或企业在第i年出现的频次；d为第i年的专利量；p0为数据集内该技术或企业出现的频率；pi为数据集内该技术或企业在第i年出现的频率。本研究将某一技术或企业近十年Wi值的累加在其总的累加中的占比作为衡量其前沿性的指标。
2 全球船舶领域的专利统计分析
图2所示为近50年全球船舶技术专利的申请趋势，可见，同族专利数量与全球专利数量的发展趋势几乎一致。由于同族专利数量的多少可以反映技术的重要程度[21]，说明船舶技术一直备受关注。1972—2006年，同族专利家族数量每年在新增4000个左右浮动，全球专利数量每年在新增7000件左右浮动，发展趋势平缓。2006年后，专利申请数量有了实质性飞跃，数量急剧增长。分析其原因表明，2006年3月，船舶工业发展列入国家“十一五”规划；同年8月，国务院通过《船舶工业中长期发展规划》，再一次表明国家对船舶工业的重视和支持[22]。在此之后，国家对船舶产业加大扶持力度，在技术研发、资金支持等方面加大投入力度。总之，从趋势线可以看出全球船舶技术专利申请仍不断上升，呈现持续发展的格局，因此探测全球船舶领域新兴技术和创新者的意义重大。
图3和图4分别给出了主要专利的国别（地区）分布和专利优先权国别（地区）分布。由图3可知，中国和日本分别占据了所有专利总数的19%、16%，美国以10%排名第三。此外，由于专利申请人通常先在其所在国申请专利，然后利用优先权在国外申请专利，通过专利优先权国大体可以了解各个国家或地区在该领域的技术实力[23]。由图4可知，中国仍然以27%排名第一，说明中国作为技术原创国，技术实力雄厚。经过图3和图4的对比分析，前五名都是中国、日本、美国、韩国和德国，除了美国、德国外，其他国家优先权专利数量占比均大于专利数量占比，说明美国、德国更加注重国外市场的专利布局，以达到占领市场、限制国内企业技术发展的目的。中国的专利申请量虽然大，但是却不注重国外布局，侧面反映了其专利质量较低。
3 全球船舶领域的新兴技术识别
首先在全球船舶专利数据（38.9万个专利家族）中筛选并提取出数量排序前300的IPC分类号，通过反复试验，最终在余弦相似性大于0.32的情况下获得IPC间相似性网络。用节点圆圈大小代表该IPC所包含的专利数量，线的粗细表示IPC间的相似性，最终获得图5所示的全球船舶领域全局技术的专利网络图谱。根据各IPC申请趋势，结合突发权重指数公式，计算各IPC分类号总的和近十年的突发权重指数，并从图5中提取近十年突变占比超过总突变值50%的IPC节点，即可获得图6所示的全球船舶领域前沿技术的专利网络图谱。
图5中编号1的IPC分类号为B63B35（适合于专门用途的船舶或类似的浮动结构），与其他IPC有最多的联系，并且近十年突变占比超过总值低于50%，说明该技术是船舶工业的基础技术，且日趋成熟。编号94的IPC分类号为B63B34（水上运动休闲专用船只或身体支撑装置）的创新前沿指数最高，说明水上运动休闲正处于技术的快速发展期。编号126的IPC分类号为B65D90（大型容器的零件、部件或附件），由图6右下图可知，该技术与编号118（B65D88）、119（F17C1）、128（F25J1）、127（F17C13）、162（F17C9）、243（F17C7）、247（F17C5）、264（F02M25）、283（F17C6）交织形成局部突变网络。由图7中的词云图分析可知，该技术领域为液态天然气船（LNG船）。近几年来，我国积极推动能源消费结构向清洁化、低碳化转型。2018年，交通部门颁布了《有关进一步深化推动水上运输行业使用LNG的意见》。国家颁布的一系列政策及激励措施对LNG船的技术发展起到了重要推动作用，LNG船将成为未来的研发热点，潜力巨大。
由图5和图6的左侧图可知，编号47的IPC分类号为B63B9（船只设计、建造、保养、改装、重新装配、修理或测定性能的方法），该IPC分类号与编号27的IPC分类号（B23K37）共现的技术领域为装配建造船舶的装置，该IPC分类号与编号281的IPC分类号（B25B11）共现的技术领域为船舶部件如何精确快速安全的固定，并且编号281近十年突变占比67.15%（排名第八）。图6中编号11的IPC分类号为B63H25（操舵装置；动态锚定）与编号64的IPC分类号G05D1（水上运载工具的位置、航道、高度或姿态的控制）共现技术领域为船舶的自动驾驶。
由图6的中间图可知，编号131的IPC分类号为G01C13（专门用于露天水源勘测，如海洋、湖泊、江河或运河），涉及的专利有《一种遥感水文传感器保护装置》《一种基于传感器的内河航道水文地质测绘系统》等。由此说明，传感器技术的进步极大推进了水文监测信息采集的速度与精度；《一种基于超短波通信的一体化水文监测终端》《一种具有频段调配的无线通信系统实现水文监测方法》等相似专利增多，说明通信技术的进步加快了水文监测信息的传输与发布。正是由于技术的互补性，水文监测技术才能快速发展，成为近十年突变占比为67.19%的潜力技术。同时，该IPC分类号与编号19的IPC分类号B63B22（浮标）连接，其研究方向也涉及环境监测，另外，编号19的技术领域还侧重于浮标耐用性灵活性、太阳能供电等。编号232、241、242主要涉及的IPC分类号与海洋农业的收获、养殖和鲜活运输有关。图6中编号141的IPC分类号为E21B19（在井眼外，如在井架内搬运钻杆、套管、管子或类似物，用于给进钻杆或者钢丝绳的装置）与编号68的IPC分类号E21B15（钻机的支承装置，如井架或者桅杆式井架）之间的连线较粗，这说明两者技术相似，分析专利可知，技术涉及钻杆、钻管、钻井井架等设备。图6中编号36的IPC分类号为（露天水面的清理或保持其清洁）涉及与海洋环保有关的专利技术。2013年，我国加入国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program，IODP），从大洋钻探的参与成员升级为全额成员。美国NSF又推出了CPP的新政策，建议国可以通过增加经费投入使得申请航次优先安排。我国及时抓住国际机遇，快速发展钻探技术，已经成为大洋钻探活力增加最快的国家[24]。
本文按近十年突发权重指数占比由高到低列出存在突发现象的IPC，见表1。从表1可知，排在前十位的潜力技术编号依次为126、47、109、141、250、195、131、281、19、240。
4 全球船舶领域的新兴创新主体识别
首先在全球船舶专利数据（38.9w个专利家族）中筛选并提取出数量排序前300的创新主体，通过反复试验，最终在技术相似性大于0.83的情况下提取包含大于两个节点子团，获得创新主体间技术相似性网络。与图5和图6的方法相似，还是在图中用节点圆圈大小代表该创新主体所拥有的专利家族数量，线的粗细表示创新主体间的相似性，最终获得如图8所示的全球船舶领域全局创新主体的专利网络图谱。然后根据各创新主体的申请趋势，结合突发权重指数公式，计算各创新主体总的和近十年的突发权重指数。从图8中提取近十年突变占比超过总突变值50%的创新主体节点，可进一步获得图9所示的全球船舶领域前沿创新主体的专利网络图谱。
由图8和图9可知，船舶行业的传统创新主体可以分为三个团组：中间部位的第一团组，由编号1（三星重工株式会社）、2（大宇造船海洋工程有限公司）、4（三菱重工业株式会社）、5（日立造船株式会社）、7（石川岛播磨重工业株式会社）和8（三井造船株式会社）构成；左上部位的第二团组，由编号11（铃木汽车公司）、13（本田汽车工业股份公司）和20（三信工业株式会社）等构成；右下部位的第三团组，由编号61（中国海洋石油集团有限公司）、114（中国海洋石油总公司）和157（中集海洋工程研究院有限公司）等构成。然而这三个团组并未继续成为近十年船舶领域技术创新前沿的引领者。
表2中编号72的中国船舶科学研究中心（702所）拥有专利数量238项，近十年突变占比为70.78%，排名第一。通过分析该公司的专利，发现公司自2016年起专利数量急剧增长，技术主要涉及推进器、潜水器、载人潜水器、螺旋桨、耐压壳体及结构等方面。其中，推进器是船舶的能量变化器，能把船舶发动机输出的动力转化为船舶前进的推力，开发新型推进器一直是702所重要的研究方向，2016年由702所参研的“大功率船用齿轮箱传动与推进系统关键技术研究及应用”荣获国家科技进步二等奖，充分体现了我国在大型船用推进技术方面的自主创新能力。同年11月，702所承担“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项“全海深载人潜水器总体设计、集成与海试”项目，全面启动了全海深载人潜水器的研制。可见，702所是名副其实具有创新潜力的创新主体。
表2中编号280的大连中远海运重工有限公司近十年突变占比70.10%，排名第二，该公司技术主要涉及钻井船、浮式生产储油、卸货装置、支撑结构。2020年8月，该公司交付Super116E型自升式钻井平台“SMS ESSA”（N596）；2021年3月，交付了Super116E型自升式钻井平台“国裕”（N610）；2021年5月，交付了Super116E型自升式钻井平台“国海国胜”（N611）。目前，该公司累计交付六艘Super116E型自升式钻井平台，充分展现了在钻井平台的实力。
表2中编号67的上海船舶研究设计院从2014年起开展了智能船舶的相关研究，经过多年持续积累，于2017年12月交付全球首艘智能船舶——iDolphin 38800吨散货船“大智”号、2019年8月底成功交付智能船舶1.0研发专项中的两型四艘智能示范船——40万吨超大型智能矿砂船和30.8万吨超大型智能原油船，标志着中国智能船舶全面进入1.0阶段，并于2018年初开展智能船舶2.0的研发工作。另外，上海船舶研究院还设计研发了基于船岸一体化的数字化营运支持系统（DOSS：Digital Operation Support System），未来将持续开展智能船舶相关的研发工作[25]。
由于受到海风、海浪及船舶自身运动的影响，海上作业的船舶会产生横摇、升沉等无规律的运动[26]，为了消减波浪摇摆给船舶带来的安全风险，需要对船舶进行波浪补偿。表2中编号190的江苏科技大学海洋装备研究院自2017年起，开始申请关于波浪补偿的专利，发明人主要为卢道华和王佳，卢道华教授侧重研究海上波浪补偿机器人，王佳教授侧重研究高海况小艇收放装置被动波浪补偿控制技术。因此，不断引进和培养科技创新人才对于企业技术发展意义重大。
博雅工道（北京）机器人科技有限公司（表2中编号142）以研发水下机器人为主，产品覆盖企业级、教育级、消费级三条赛道，其核心技术有仿生动力、水声通信、水声定位等。2018年，博雅工道及时调整水下机器人的消费级市场占比，重点开拓海洋智能装备行业应用市场，在水下工业设施检修、海洋监测方面积极探索，并提前布局国内水下机器人重要部件供应链，更加注重专利和技术研发。2018年博雅工道收入超过4000万元，全面实现盈利，成为公司转折之年，为公司后期发展奠定了坚实基础。同时，深之蓝海洋科技股份有限公司（表2中编号266）、杭州电子科技大学（表2中编号241）也与博雅工道联系密切，都侧重研发水下机器人。
韩国的现代重工（表2中编号3）近十年突变占比63.26%，专利数量高达5687项，与其紧密联系的是27号STX海洋造船有限公司。分析两个公司的专利发现，两者的研发重点在液化气船。现代重工集团是全球领先的造船集团，但也曾出现巨额亏损，集团自2014年开始改革，2016年在未来船型、核心系统、关键设备、新材料等方面大力开展自主研发与合作研发，抢占未来产业科技制高点[27]。而STX造船海洋历经8年的债务重组，在2021年7月出售事宜完成所有程序，公司名称正式变更为“K Shipbuilding（K造船）”，未来可关注该公司的发展。
5 结论与建议
通过对前沿技术进行分析，本文发现，目前全球船舶领域的技术创新前沿呈现多点开花的局面，LNG船舶的一系列技术成为最亮眼的前沿技术群落，同时，水上运动休闲专用船、船舶自动驾驶、海洋环境监测、海洋农业、海洋钻井、海洋环保、深海潜水等技术也都处于创新前沿。建议动态调整船舶领域的创新资助政策，适时向船舶领域前沿技术动态倾斜，促进我国海洋经济和海洋产业的大力发展。
通过对前沿创新主体进行分析，本文发现，目前全球船舶领域的创新主体开始出现结构性变化，处于创新网络核心的传统强企在新一轮技术竞争中的创新活力在退化，取而代之的是处于交叉新兴技术领域的中小型创新企业、研究机构和大学。随着全球技术竞争格局的变化，前沿创新主体即使规模较小，但通过技术创新与专利申请布局一样可以获得市场的竞争优势。为此，建议进一步加强船舶领域“专精特新”中小企业的扶持力度，将我国在船舶领域的技术竞争优势进一步做大做强。
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作者简介：孙明汉（1991—），男，山东临沂人，讲师，研究方向为技术创新与知识产权管理。通信作者：朱秀珠
