周 航，盛永祥，吳 潔,2

（1.江蘇科技大學 經(jīng)濟管理學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

十九大報告指出，要加快建設(shè)海洋強國，提高海洋資源的開發(fā)和利用能力。隨著船舶海工行業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化船舶正呈現(xiàn)出大型化、快速化以及自動化的發(fā)展趨勢，而動力系統(tǒng)作為整船的核心，其運行不僅關(guān)系著船舶航行時的動力性，同時還與航行的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性存在緊密聯(lián)系，在科技飛速發(fā)展的當下，其重要性日益凸顯。傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)有蒸汽輪機、燃汽輪機、柴油發(fā)動機等，但是傳統(tǒng)大型柴油發(fā)動機排放的廢氣會造成嚴重的海洋環(huán)境污染，因此，尋求功率、能耗、環(huán)保三者之間的均衡點是未來船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展亟需解決的問題。2018年4月第72屆會議上國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上環(huán)境保護委員會提出了IMO 海運溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）減排初步戰(zhàn)略，明確指出國際海運業(yè)未來的綠色發(fā)展方向、船舶低碳技術(shù)的發(fā)展方向，同時對海洋環(huán)境保護提出了更高的要求[1]。因此，對船舶動力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進行深入分析，有著非常積極的現(xiàn)實意義與價值。

目前，已有較多學者對船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域進行研究，如林輝[2]、贠廷軍，等[3]對國內(nèi)外船舶動力系統(tǒng)現(xiàn)狀進行剖析，并預(yù)測未來船舶動力系統(tǒng)發(fā)展方向；岳萬寧，等[4]在電力推進系統(tǒng)方面設(shè)計的AFE變頻器解決了因諧波注入造成的電網(wǎng)污染問題；何金平，等[5]在現(xiàn)有雙燃料船舶布置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，降低了機艙內(nèi)氣體燃料爆炸的概率。關(guān)于專利分析，已有許多學者利用專利分析的方法探究技術(shù)發(fā)展動態(tài)，如Braun，等[6]對太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢進行了研究；Varcoe，等[7]對燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析；丁禮謙，等[8]對智能船舶相關(guān)重點技術(shù)進行了研究；王春楊，等[9]基于地方城市專利數(shù)據(jù)，探討了高鐵對沿線城市創(chuàng)新能力的影響。

專利作為技術(shù)信息的有效載體，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)情報[10]，已有許多學者采用專利分析方法研究太陽能發(fā)電[6]、微電網(wǎng)[11]等領(lǐng)域的技術(shù)演化，以此來分析各領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢。由此可見，目前專利分析技術(shù)在諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。雖然已有較多學者對具體船舶動力系統(tǒng)技術(shù)進行研究，但尚未有學者基于專利的視角對船舶動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進行分析。因此，本文將基于專利分析的方法，聚焦技術(shù)發(fā)展，對全球船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢、核心專利和技術(shù)演化等進行分析，為今后船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供有益參考。

1 專利分析

1.1 專利總體發(fā)展態(tài)勢分析

通過對專利申請的分析能夠及時掌握目標技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢[12]。截至2020年12月30日，運用Patsnap全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫檢索并進一步通過人工篩選出船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠?90 條，共381 組。圖1 給出了全球和中國船舶動力系統(tǒng)技術(shù)專利申請趨勢。由圖1可知，2000 年以前，全球和中國都僅有少量專利申請；2000 至2013 年，由于船舶海工行業(yè)發(fā)展需要，對船舶動力系統(tǒng)在動力、穩(wěn)定等方面提出了更高的要求，專利申請開始緩慢上升。2013年之后，隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，世界各國對大型運輸船舶的需求日益增加，專利申請量進入快速增長時期?？梢?，船舶動力系統(tǒng)在未來具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＶ袊膶＠暾堏厔菖c全球申請趨勢相似，但是出現(xiàn)時間較晚，直到2006年之后才出現(xiàn)相關(guān)專利申請。然而，從中國專利申請占比來看，呈現(xiàn)逐年上升趨勢，這表明我國在船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)新力和影響力正不斷提升，占有一席之地。

圖1 船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔?/p>

1.2 專利技術(shù)關(guān)注焦點分析

國際專利分類（International Patent Classification，IPC）是現(xiàn)有通用的專利技術(shù)分類方法。通過對IPC分析可以了解當前技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)重點，從而把握目標技術(shù)未來的發(fā)展方向。因此，本文通過對船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠腎PC進行統(tǒng)計分析，將全球排名前10的IPC技術(shù)定為技術(shù)焦點，對篩選出的381組專利進行分析，發(fā)現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請情況見表1。

表1 全球數(shù)量排名前10的IPC技術(shù)

1.3 重點專利申請人分析

針對船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請人進行分析。由圖2 可知，全球排名前15 的申請人共申請專利141件，占據(jù)全部申請量的36.06%，而排名前列的中國的哈爾濱工程大學的專利申請量是36 件，占全球申請量的9.21%，屬于第一梯隊，遙遙領(lǐng)先于其他公司，可以看出由于其雄厚的科研實力和分布較廣的技術(shù)領(lǐng)域，在全球市場競爭中掌握著主動權(quán)；GENERAL ELECTRIC COMPANY（通用電氣公司）和上海海事大學的專利申請量分別為24件、10件，分別占比6.14%、2.56%，屬于第二梯度，研發(fā)團隊實力相對較強；其他申請人西門子股份公司、中國船舶重工集團公司、三菱重工有限公司、中國艦船研究設(shè)計中心等專利申請量的差異不大，屬于第三梯隊。

圖2 船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠蛑攸c申請人分析

全球主要申請人中，屬于中國的有10家，分別是哈爾濱工程大學、上海海事大學、中國船舶重工集團、江蘇科技大學等，總申請量占全球主要申請人的66.7%，位居第一。

1.4 核心專利識別

核心專利是指在某個領(lǐng)域具有高度影響力和創(chuàng)新性的且具有重要經(jīng)濟價值的專利[13]。因此，識別核心專利是進行技術(shù)演化分析的基礎(chǔ)，對于分析目標技術(shù)當前發(fā)展現(xiàn)狀和預(yù)測未來發(fā)展方向起到重要作用。一般情況下，專利被引頻次是識別核心專利的重要指標，若目標專利被引頻次越高，表明此專利在該技術(shù)領(lǐng)域具有較高的創(chuàng)新性和價值。

依據(jù)普萊斯定律，本文以專利被引頻次界定專利是否為核心專利[14-15]。定義專利被引頻次在M～Nmax內(nèi)則為核心專利。其中M=0.749，Nmax為目標技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠凶罡弑灰l次。經(jīng)統(tǒng)計，船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)單件專利被引頻次最高達到140次，即Nmax=140，M=0.749≈8.86（次），所以被引頻次達到9 的專利方可認定為核心專利。為了保證核心專利的有效性，本文還結(jié)合專利的法律狀態(tài)對專利進行識別，對有關(guān)駁回、撤銷等法律狀態(tài)的專利予以排除，最終統(tǒng)計獲得51件核心專利，見表2。

表2 核心專利被引頻次排序表

2 專利技術(shù)演化分析

進行專利文本分析有利于精確把握目標技術(shù)的核心要點。通過專利文本發(fā)現(xiàn)，船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請主要集中于電力推進系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)兩個技術(shù)層面。本文結(jié)合核心專利技術(shù)分析，針對動力系統(tǒng)發(fā)展過程中存在的技術(shù)問題進行研究，為相關(guān)研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)提供新的研究方向和思路。

2.1 核心專利篩選

本文引用專利文獻數(shù)量和非專利文獻數(shù)量、被引頻次等10個指標[16]從381組專利中篩選出28條核心專利，并根據(jù)電力推進系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)兩個技術(shù)層面對核心專利進行歸納分析，最后按照時間順序繪制專利發(fā)展演化圖，如圖3所示。

圖3 船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)路線圖

2.2 電力推進系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)大型柴油發(fā)電機會造成嚴重環(huán)境污染，各大船舶動力系統(tǒng)生產(chǎn)商開始努力設(shè)計更加節(jié)能環(huán)保的推進方式。船舶電力推進系統(tǒng)一般與柴油發(fā)電機、變頻器、變壓器等電氣設(shè)備進行組合使用，以傳統(tǒng)的驅(qū)動螺旋槳的方式進行推進。電力推進系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20世紀80年代，三菱重工株式會社應(yīng)急電動推進裝置（JP1985018495A）和（JP3576528B2）的研發(fā)為之后船舶電力推進領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；之后國外企業(yè)開始嘗試使用電力作為船舶動力源，例如西門子公司的（WO2000047464A1）正式將電力推進引入到船舶的推進系統(tǒng)中，此后電力推進系統(tǒng)得到大力發(fā)展，直到2006 年株式會社日立制造所（JP4857442B2）公開了一種簡化船體螺旋槳結(jié)構(gòu)和舵結(jié)構(gòu)的新型吊艙式螺旋槳，吊艙式推進系統(tǒng)開始出現(xiàn)。

2007-2016年間，隨著內(nèi)燃機類船舶推進系統(tǒng)的廢氣排放對環(huán)境造成的污染愈加嚴重，而現(xiàn)有電動船舶電能利用率低，提高船舶電能利用率成為需要迫切解決的問題。近年來國內(nèi)船舶電力推進領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展，2010年上海海事大學提出了基于動力電池的船舶電動推進系統(tǒng)（CN201842250U），為了簡化船舶動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布局，上海海事大學的（CN202320761U）和江蘇科技大學的（CN104229113B）在現(xiàn)有吊艙式電力推進系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進行深度探索，并取得了一定的成果。

2017-2020年間，隨著國家對船舶污染物排放進行大力度的控制，混合電力推進的供能方式逐漸替代了以往單一的柴電電力推進方式，例如，2017年中國艦船研究設(shè)計中心的抱軸式電力推進（CN107745793B）、2018 年中船重工的電池電力推進方式（CN209321219U）、2020 年中船郵輪科技發(fā)展有限公司的雙繞組電力推進方式（CN111717358A）；而在電力推進控制方面，2020 年江蘇科技大學采用的鋰電池、燃料發(fā)電以及超級電容三種能量供給技術(shù)（CN111634404A），為船舶不同的動力需求提供了貼切的供能組合。

2.3 燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)作為大型運輸船舶常用的動力源，主要分為傳統(tǒng)的柴油機動力系統(tǒng)和燃氣輪機動力系統(tǒng)。較于電力推進系統(tǒng)，燃料系統(tǒng)興起較早，最早出現(xiàn)在20世紀70年代，是由通用電氣公司推出的雙燃料控制系統(tǒng)技術(shù)（US3766734）。1972-2000 年間，由于航運經(jīng)濟發(fā)展需要，三菱重工業(yè)株式會社開始大力發(fā)展燃料系統(tǒng)，從最初的雙燃料噴射系統(tǒng)（EP0282819A2），轉(zhuǎn)向雙燃料發(fā)動機（JP3064222B2）、（JP2008202545A）、（JP6297363B2）的改進和雙燃料控 制 系 統(tǒng)（JP1990207153A）、（JP2008202545A）、（CN104769261B）的優(yōu)化，不斷完善油、氣燃料模式的切換，以保障燃料系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。2014年，南通中遠川崎船舶工程有限公司在國際現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化升級了原有燃料的加注管路（CN204200402U）；與此同時，三菱重工業(yè)株式會社針對氣體燃料和液體燃料的供應(yīng)問題（WO2015122325A1），進一步深入研究，并取得了一定的成果。

隨著LNG 作為清潔能源越來越受到青睞，船運等相關(guān)行業(yè)將LNG列為可代替常規(guī)船用燃油的首選燃料，2016-2018 年間，國內(nèi)科研院所和企業(yè)在現(xiàn)有技術(shù)的條件下開始發(fā)展雙燃料動力船舶，其中，江蘇科技大學（CN206107530U）、南通中遠川崎船舶工程有限公司（CN107719614A）實現(xiàn)了柴油-LNG 雙燃料動力系統(tǒng)在滾裝船上的運用；隨著節(jié)能減排成為研究熱點，混合動力系統(tǒng)開始出現(xiàn)。

2019-2020年間，混合動力系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)各企業(yè)和科研院所的研發(fā)重點，中國艦船研究設(shè)計中心的脹套式聯(lián)合推進（CN110155289A）、哈爾濱工程大學的氨電混合動力系統(tǒng)（CN111332446A）、廣船國際有限公司的低硫油和甲醇雙燃料驅(qū)動方式（CN111469979A）和山西汾西重工有限責任公司的直流組網(wǎng)的混合動力系統(tǒng)（CN111907679A）豐富了船舶動力源，設(shè)計出一種控制系統(tǒng)，以根據(jù)工況切換不同的運行推進模式，極大地發(fā)展了船舶混合動力系統(tǒng)。

3 結(jié)語

從專利統(tǒng)計來看，船舶動力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的全球和中國技術(shù)發(fā)展總體呈現(xiàn)上漲趨勢。從全球?qū)＠暾垜B(tài)勢的角度分析，2001 年之前為技術(shù)空窗期；2001-2013年間開始步入緩慢增長期；2013年之后進入快速發(fā)展階段。我國的船舶動力領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展稍有滯后，但2014 年之后，我國無論是在專利數(shù)量方面，還是在專利質(zhì)量方面，都有很大突破，成長為全球船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域申請專利最多的國家。

由技術(shù)演化路徑分析可知，船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展主要集中在電力推進系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)兩個方面。其中，電力推進系統(tǒng)的技術(shù)重點主要集中在使用燃料電池、超級電容等多種電力源發(fā)電；燃料系統(tǒng)的技術(shù)重點主要集中在LNG 雙燃料動力系統(tǒng)、船舶混合動力系統(tǒng)。節(jié)能、環(huán)保是未來船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的主流發(fā)展方向。

船舶動力系統(tǒng)在傳統(tǒng)柴油發(fā)動機、電力推進系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)等方面已有了一定的技術(shù)突破，但隨著船舶海工行業(yè)發(fā)展需求和趨勢的變化，對船舶動力系統(tǒng)提出了更高的要求以適應(yīng)市場需求。智能化、節(jié)能環(huán)保、功能集成是未來國內(nèi)外船舶動力系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，也為世界各國船舶廠商提供不竭動力，促進船舶動力系統(tǒng)不斷成熟。