萬(wàn) 瑩，王金鋒，孫連英，張 赫，涂 帥，趙 平

（1. 北京聯(lián)合大學(xué)智慧城市學(xué)院，北京 100101；2. 北京聯(lián)合大學(xué)城市軌道交通與物流學(xué)院，北京 100101；3. 北京聯(lián)合大學(xué)黨校辦，北京 100101）

1 研究背景

截至2019 年12 月31 日，我國(guó)內(nèi)地40 座城市累計(jì)建成投運(yùn)城市軌道交通線路6 736.2 km，技術(shù)制式包括地鐵、輕軌、市域快軌、單軌、現(xiàn)代有軌電車、磁浮交通、自動(dòng)旅客運(yùn)輸共7 類[1]。在龐大的城市公共交通運(yùn)營(yíng)客流量壓力下，城市軌道交通在減緩交通擁堵、保障城市交通日常運(yùn)營(yíng)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在此基礎(chǔ)上，城市軌道交通將向何處發(fā)展就顯得格外重要。因此，本文基于國(guó)內(nèi)城市軌道交通專利信息，從專利方向，綜合運(yùn)用專利計(jì)量、文本挖掘等多種方法，研究城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)。

對(duì)特定領(lǐng)域的專利信息進(jìn)行分析，可以揭示該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，為特定領(lǐng)域的發(fā)展提供情報(bào)支撐。王哲等[2]采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)高速鐵路產(chǎn)業(yè)專利信息進(jìn)行分析。趙卿等[3]聚焦于高速鐵路牽引供電領(lǐng)域進(jìn)行專利分析。阮文等[4]從高速鐵路列車控制技術(shù)方向進(jìn)行專利分析。楊曉娟等[5]對(duì)軌道交通中列車控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，初步給出列車運(yùn)行控制系統(tǒng)重要技術(shù)分支的創(chuàng)新建議。江新等[6]利用統(tǒng)計(jì)方法分析常州市軌道交通企業(yè)的專利數(shù)量及類型、專利申請(qǐng)趨勢(shì)等。邱洪華等[7]從專利的多個(gè)角度，對(duì)整個(gè)中國(guó)軌道交通產(chǎn)業(yè)的專利活動(dòng)進(jìn)行分析。Yang W J 等[8]使用關(guān)鍵詞檢索技術(shù)從專利數(shù)量、申請(qǐng)人、主要專利技術(shù)等方面介紹中國(guó)軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)。2016 年《城市軌道交通》期刊刊登軌道交通產(chǎn)業(yè)全球?qū)＠麪顩r分析報(bào)告，該文對(duì)全球軌道交通專利從申請(qǐng)人、區(qū)域分布以及五大設(shè)備等方面進(jìn)行分析與報(bào)告[9]。田麗[10]運(yùn)用專利地圖的方法，對(duì)我國(guó)城市軌道交通裝備制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展路徑進(jìn)行分析。劉新旭等[11]對(duì)國(guó)內(nèi)外軌道交通防碰撞安全技術(shù)領(lǐng)域的專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。羅先盛等[12]采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)國(guó)外軌道交通齒輪箱專利進(jìn)行分析。郭亮等[13]基于全球?qū)＠暾?qǐng)信息，對(duì)軌道交通轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行專利分析和技術(shù)判斷。Gou J[14]從5 個(gè)角度挖掘與磁懸浮運(yùn)輸技術(shù)有關(guān)的專利數(shù)據(jù)，研究了磁懸浮運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和全球競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)。蘇博等[15]針對(duì)軌道車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲問題對(duì)城市軌道交通輪胎的開發(fā)應(yīng)用及專利技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。胡連軍等[16]通過(guò)研究鋼軌扣件的衍化過(guò)程，結(jié)合專利技術(shù)分析，提出我國(guó)扣件發(fā)展的思路與建議。

以上基于軌道交通專利數(shù)據(jù)的分析多集中在鐵路領(lǐng)域，并且大多是針對(duì)軌道交通特定技術(shù)或區(qū)域。值得注意的是，在軌道交通領(lǐng)域中，已有的專利分析方法多基于統(tǒng)計(jì)，或與專利地圖相結(jié)合，而未涉及到專利文本內(nèi)容。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，將專利分析聚焦于城市軌道交通技術(shù)發(fā)展，綜合應(yīng)用專利計(jì)量、文本挖掘、專利地圖方法對(duì)全國(guó)技術(shù)專利信息進(jìn)行全方位分析，從多方面研究我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)獲取與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文選擇世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）專利庫(kù)為數(shù)據(jù)源，以“城市軌道交通”為專利檢索項(xiàng)，檢索日期為1996 年12 月6 日—2019 年12 月31 日，使用python3.7爬取并解析，再進(jìn)行篩選，最后獲得共3 491 條專利數(shù)據(jù)，包括2 154 條發(fā)明專利與1 337 條實(shí)用新型專利。其中每條專利內(nèi)容包括專利公開號(hào)、專利名、優(yōu)先權(quán)號(hào)、分類、申請(qǐng)?zhí)?、申?qǐng)人、發(fā)明人、專利摘要。

2.2 分析方法

產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖是在產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)預(yù)測(cè)和技術(shù)規(guī)劃方法[17]，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)區(qū)域和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。本文結(jié)合產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖規(guī)劃方法，對(duì)城市軌道交通的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展需求、產(chǎn)業(yè)目標(biāo)、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

專利申請(qǐng)量及趨勢(shì)、專利分類、專利技術(shù)生命周期能夠在一定程度上反映城市軌道交通的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀；專利原創(chuàng)地區(qū)分布，主要申請(qǐng)人分布及數(shù)量可以反映城市軌道交通的發(fā)展需求；專利關(guān)鍵詞抽取及其共現(xiàn)關(guān)系能夠展示城市軌道交通技術(shù)的側(cè)重與關(guān)聯(lián)，從而揭示產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)；在關(guān)鍵詞的抽取可反映技術(shù)側(cè)重的同時(shí)，關(guān)鍵詞的演化在一定程度上可以分析行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。將城市軌道交通專利分析與產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖規(guī)劃方法相結(jié)合，可以讓專利分析路線更清晰。城市軌道交通專利分析路線如圖1 所示。

3 城市軌道交通技術(shù)專利分析

3.1 城市軌道交通技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

3.1.1 專利申請(qǐng)數(shù)量及趨勢(shì)分析

截至2019 年12 月31 日，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織專利庫(kù)中，以2.1 節(jié)所示方式獲取城市軌道交通專利數(shù)據(jù)共3 491 件，其中發(fā)明專利2 154 件，實(shí)用新型1 337 件。對(duì)以上專利數(shù)據(jù)，以年份為時(shí)序軸，時(shí)間由1996 年—2019 年。統(tǒng)計(jì)專利總量與不同類型專利數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖2 所示。

圖1 城市軌道交通技術(shù)專利分析路線

圖2 專利數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)

從圖2 中可以看出，自1996 年開始，城市軌道交通專利申請(qǐng)量整體呈上升趨勢(shì)；1996 年—2005 年城市軌道交通專利申請(qǐng)量較少，變化趨勢(shì)不明顯；2006 年—2010 年專利申請(qǐng)量呈明顯波動(dòng)上升趨勢(shì)；2011 年—2015 年增長(zhǎng)趨勢(shì)平穩(wěn)，呈穩(wěn)步上升狀態(tài)；2015 年之后，專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)速度迅猛，尤其在2017 年—2018 年專增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯，2018 年后，每年專利申請(qǐng)總量達(dá)到600 件以上。

3.1.2 技術(shù)生命周期分析

技術(shù)生命周期分析是專利分析中常用的方法之一，專家學(xué)者常用專利數(shù)量測(cè)量法計(jì)算專利的技術(shù)生命周期。該方法包括技術(shù)生長(zhǎng)率（v）、技術(shù)成熟系數(shù)（α）、技術(shù)衰老系數(shù)（β）。由于本文所用專利數(shù)據(jù)不包含外觀設(shè)計(jì)類型專利，因此本文僅對(duì)技術(shù)生長(zhǎng)率以及技術(shù)成長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行分析。技術(shù)生長(zhǎng)率反映技術(shù)的生長(zhǎng)趨勢(shì)，如果連續(xù)多年技術(shù)生長(zhǎng)率持續(xù)增大，則說(shuō)明該技術(shù)處于萌芽或生長(zhǎng)階段：

技術(shù)成熟系數(shù)反映技術(shù)的成熟度，如果連續(xù)多年技術(shù)成熟系數(shù)持續(xù)變小，說(shuō)明該技術(shù)處于成熟期：

式（1）、（2）中，m 為當(dāng)年該技術(shù)的發(fā)明專利數(shù)量；n為當(dāng)年該技術(shù)的實(shí)用新型專利數(shù)量；M 為追溯5 年內(nèi)該技術(shù)的發(fā)明專利累計(jì)數(shù)量。根據(jù)技術(shù)生命周期相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法，對(duì)城市軌道交通專利數(shù)據(jù)計(jì)算分析，得到圖 3 專利發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 城市軌道交通技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)技術(shù)生長(zhǎng)率計(jì)算公式，需統(tǒng)計(jì)5 年內(nèi)該技術(shù)發(fā)明專利的累計(jì)數(shù)量，因此技術(shù)生長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)有限期限為2000 年—2019 年。結(jié)合圖2，由圖3 可知，2000 年以前累計(jì)專利量較小，到2000 年開始，技術(shù)生長(zhǎng)率較高。2001 年—2003 年技術(shù)生長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，城市軌道交通技術(shù)處于萌芽階段。2001 年以后，技術(shù)成熟系數(shù)不斷波動(dòng)下降，說(shuō)明該技術(shù)發(fā)展形勢(shì)較好。到2016 年以后，城市軌道交通迎來(lái)一個(gè)新的生長(zhǎng)階段。

3.2 城市軌道交通專利分類

專利領(lǐng)域分類是技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)必不可少的表現(xiàn)方式，通過(guò)對(duì)城市軌道交通專利的國(guó)際專利分類法（International Patent Clsassification，IPC）分類號(hào)進(jìn)行分析，制作如圖4 所示專利分類圖，圖中僅顯示分類數(shù)量前10 的IPC 分類。

據(jù)圖4 可知，城市軌道交通技術(shù)主研發(fā)要集中在B61B（作業(yè)、運(yùn)輸、鐵路、鐵路系統(tǒng)）、E01B（固定建筑物）、G06Q（計(jì)算、推算、計(jì)數(shù)）的技術(shù)領(lǐng)域。其次，B61L（作業(yè)、運(yùn)輸、鐵路、鐵路交通管理）、B60M（作業(yè)、運(yùn)輸、一般車輛）、G06F（計(jì)算、推算、計(jì)數(shù)、電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理）等也是城市軌道交通技術(shù)研發(fā)的重要領(lǐng)域。

圖4 城市軌道交通專利IPC 分類

3.3 城市軌道交通技術(shù)發(fā)展需求分析

3.3.1 城市軌道交通專利地區(qū)分布

當(dāng)某地區(qū)技術(shù)需求越大，該地區(qū)對(duì)該技術(shù)的關(guān)注程度會(huì)越高，不同地區(qū)的專利數(shù)量可反映不同地區(qū)對(duì)城市軌道交通技術(shù)的需求程度。本文根據(jù)不同地區(qū)專利數(shù)量，使用python 編程工具構(gòu)建專利地區(qū)熱力地圖，如圖 5 所示。

圖5 專利地區(qū)熱力地圖

由圖5 可知，城市軌道交通專利申請(qǐng)主要分布在北京以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)，可知該地區(qū)城市軌道交通技術(shù)市場(chǎng)需求廣泛。

3.3.2 城市軌道交通專利申請(qǐng)人分析

對(duì)城市軌道交通專利申請(qǐng)人進(jìn)行分析，可反映當(dāng)前領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)以及競(jìng)爭(zhēng)力分布。本文對(duì)專利申請(qǐng)人進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)人分為2 類：①以單位機(jī)構(gòu)為申請(qǐng)人；②個(gè)人申請(qǐng)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)以機(jī)構(gòu)為申請(qǐng)人的城市軌道交通專利有2 897 件，個(gè)人申請(qǐng)的專利為594件。下面以機(jī)構(gòu)為單位，進(jìn)行主要專利申請(qǐng)人分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 主要專利申請(qǐng)人

由表1 可知，城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展與北京交通大學(xué)等高校以及中鐵集團(tuán)密切相關(guān)，高校促進(jìn)城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展。

3.4 城市軌道交通產(chǎn)業(yè)目標(biāo)分析

3.4.1 城市軌道交通專利關(guān)鍵詞分析

本文對(duì)城市軌道交通專利摘要文本進(jìn)行文本挖掘，將單個(gè)專利摘要作為一個(gè)文檔，使用Jieba 分詞對(duì)文本切詞，對(duì)專利關(guān)鍵詞使用Term Frequency Inverse Document Frequency（TF_IDF）進(jìn)行抽取。TF_IDF 是信息檢索領(lǐng)域搜索詞重要性的度量之一，用于衡量一個(gè)詞在文檔中的重要性。TF_IDF 包含詞頻與逆文檔頻率2 個(gè)概念。詞頻（Term Frequency， TF）表示關(guān)鍵詞w 在文檔Ti中出現(xiàn)的頻率：

式（3）中， count（w）表示關(guān)鍵詞w 在文檔Ti中出現(xiàn)的次數(shù)；| Ti|表示文檔Ti中所有詞的數(shù)量。逆文檔頻率（Inverse Document Frequency， IDF）反映關(guān)鍵詞的普遍程度：

式（4）中， N 表示文檔總數(shù)；N（w）表示出現(xiàn)關(guān)鍵詞w的文檔數(shù)量。根據(jù)IDF 定義，關(guān)鍵詞越普遍，IDF 越高，反之依然。TF_IDF 定義如下：

由于Jieba 分詞對(duì)特定領(lǐng)域的切詞存在一定的局限性，為提高切詞的準(zhǔn)確性，以城市軌道交通為關(guān)鍵詞搜索知網(wǎng)成果庫(kù)，對(duì)檢索結(jié)果中關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，添加專業(yè)詞典。為驗(yàn)證關(guān)鍵詞抽取的準(zhǔn)確性，本文使用2 種方法進(jìn)行分析：①在TF_IDF 抽取結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用詞云分析關(guān)鍵詞熱點(diǎn)；②在TF_IDF 抽取結(jié)果的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)知網(wǎng)成果庫(kù)中關(guān)鍵詞詞頻以及共現(xiàn)關(guān)系，其中將關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)低于5 及共現(xiàn)關(guān)系低于3 的內(nèi)容擯棄，最終生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。詞云分析結(jié)果如圖6 所示，關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)如圖7 所示。

圖6 城市軌道交通專利詞云

由圖6、圖7 可知，以上2 種方法結(jié)果大體一致。城市軌道交通技術(shù)產(chǎn)業(yè)目標(biāo)聚焦于線路、施工、站臺(tái)、檢測(cè)、列車運(yùn)行、控制器、供電、客流、智能等多個(gè)方面。關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)邊顏色由黃色到藍(lán)色再到紅色，節(jié)點(diǎn)越大，節(jié)點(diǎn)邊越粗，表示節(jié)點(diǎn)越重要，節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系越密切。由圖7 可知，鋼軌鋪設(shè)線路、列車運(yùn)行線路、線路施工、車站客流量是城市軌道交通研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，施工與隧道、盾構(gòu)息息相關(guān)。

3.4.2 城市軌道交通專利關(guān)鍵詞演化分析

對(duì)城市軌道交通專利年份進(jìn)行整理，將5 年作為一個(gè)周期，分析關(guān)鍵詞演化。對(duì)不同年份分別Jieba 切詞，使用TF_IDF 抽取關(guān)鍵詞，統(tǒng)計(jì)所抽取關(guān)鍵詞的詞頻與共現(xiàn)關(guān)系，生成關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)。需要注意，當(dāng)周期內(nèi)專利數(shù)量過(guò)多時(shí)，關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，因此針對(duì)此問題，限制關(guān)鍵詞詞性為（"ns"， "n"， "vn"），分別表示地名、名詞、名動(dòng)詞。

由圖8 ～圖12 可知，我國(guó)城市軌道交通研究熱點(diǎn)主要集中在多方位線路規(guī)劃上。2010 年以前，我國(guó)城市軌道交通技術(shù)多集中在硬件研究；到2010 年以后，隨著大數(shù)據(jù)與人工智能的發(fā)展，城市軌道交通逐漸由具體走向系統(tǒng)，不斷的將智能與城市軌道交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)相結(jié)合。隨著城市軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，智能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)系統(tǒng)的研究不斷深入。通過(guò)分析城市軌道交通專利，發(fā)現(xiàn)城市軌道交通安全應(yīng)急管理與應(yīng)急決策方面技術(shù)有所空缺。因此，城市軌道交通在應(yīng)急管理與應(yīng)急決策方面還有很大的研究空間。

圖7 城市軌道交通關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

圖8 1996 年—2000 年關(guān)鍵詞

圖9 2001 年—2005 年關(guān)鍵詞

圖10 2006 年—2010 年關(guān)鍵詞

3.5 城市軌道交通技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部2018 年發(fā)布《城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理規(guī)定》[18]中表示城市軌道交通運(yùn)營(yíng)應(yīng)綜合考慮與城市規(guī)劃的銜接、城市軌道交通客流需求、運(yùn)營(yíng)安全保障等因素，做好運(yùn)營(yíng)服務(wù)工作。結(jié)合以上對(duì)城市軌道交通專利的分析，可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)城市軌道交通技術(shù)研發(fā)進(jìn)入穩(wěn)定且快速的成長(zhǎng)期，城市軌道交通的研究需求將逐漸與人工智能相結(jié)合，注重系統(tǒng)化發(fā)展。完善對(duì)客流的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)，以及城市軌道交通領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集工作，逐步做到資源共享，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)管理智能化，將會(huì)是城市軌道交通技術(shù)新的發(fā)展趨勢(shì)。在城市軌道交通系統(tǒng)智能化的不斷推進(jìn)中，完善應(yīng)急管理與決策技術(shù)也將會(huì)是熱點(diǎn)研究方向。

圖11 2011 年—2015 年關(guān)鍵詞

圖12 2016 年—2020 年關(guān)鍵詞

4 結(jié)論

專利分析是衡量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)的重要方法，本文將專利分析與技術(shù)產(chǎn)業(yè)路線圖結(jié)合，綜合利用專利地圖、文本挖掘、專利計(jì)量的方法對(duì)城市軌道交通專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，國(guó)內(nèi)城市軌道交通市場(chǎng)需求較大。根據(jù)專利分析結(jié)果可知，城市軌道交通技術(shù)呈穩(wěn)定且迅速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。該技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)集中在線路規(guī)劃、檢測(cè)系統(tǒng)、列車運(yùn)行、客流監(jiān)控與預(yù)測(cè)等多個(gè)方面。國(guó)內(nèi)城市軌道交通重點(diǎn)研發(fā)區(qū)域主要集中在北京以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)。在國(guó)家政策的支持下，我國(guó)城市軌道交通技術(shù)研發(fā)將不斷由具體化向系統(tǒng)化發(fā)展，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)資源共享，不斷加強(qiáng)城市軌道交通智能化管理，為城市公共交通提供更多便利與服務(wù)，與此同時(shí)，在應(yīng)急管理與決策方面還需要大量的研究，使得乘客出行更安全更安心，提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)的質(zhì)量。