列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專利發(fā)展研究

賀德強(qiáng)，劉旗揚(yáng)，邱 福，雷 昊，李冀暉

（廣西大學(xué)，a.機(jī)械工程學(xué)院；b.科技處，廣西 南寧 530004）

列車通信網(wǎng)絡(luò)，是一種面向控制及信息系統(tǒng)、連接車載設(shè)備的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，是分布式列車控制系統(tǒng)的核心。其集列車控制系統(tǒng)、故障檢測與診斷系統(tǒng)和旅客信息服務(wù)系統(tǒng)于一體，以車載嵌入式系統(tǒng)為主要技術(shù)手段，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)列車各個(gè)系統(tǒng)之間的信息交換，最終達(dá)到對(duì)車載設(shè)備的分布式監(jiān)視、控制和管理等目的，實(shí)現(xiàn)列車控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化[1～3]，是高速列車、機(jī)車車輛、城市軌道交通車輛和高速磁懸浮列車的“心臟”。

然而迄今為止，國內(nèi)運(yùn)營的高速動(dòng)車組、和諧型電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車和城市軌道交通地鐵車輛的列車通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)和核心專利，主要由國外機(jī)構(gòu)和企業(yè)掌握，從而嚴(yán)重影響了我們軌道交通機(jī)車車輛的進(jìn)一步發(fā)展和對(duì)外合作。為突破國外跨國公司在軌道交通裝備關(guān)鍵技術(shù)上的專利壁壘，縮短與國際先進(jìn)機(jī)車車輛制造業(yè)的差距，中國軌道交通裝備行業(yè)迫切需要在某些關(guān)鍵技術(shù)方面，實(shí)施積極的專利戰(zhàn)略，并將其作為行業(yè)創(chuàng)新力和競爭力的重要戰(zhàn)略，予以深入研究和運(yùn)用。

本文通過分析國內(nèi)外企業(yè)新型列車通信網(wǎng)絡(luò)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)實(shí)施自身的知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展戰(zhàn)略，以提高企業(yè)核心技術(shù)創(chuàng)新能力和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)能力，正確定位競爭策略，增強(qiáng)企業(yè)的技術(shù)和市場競爭力提供有益的參考。

1 列車通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)有軌道交通列車車載機(jī)械、電氣和輔助設(shè)備眾多，且車內(nèi)安裝有大量的分布式傳感器和復(fù)雜耦合的智能節(jié)點(diǎn)，聯(lián)網(wǎng)控制越來越復(fù)雜，以及各種安全檢測和信息系統(tǒng)對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能要求的提高，迫切需要列車通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的實(shí)時(shí)性、可靠性、較好的可維護(hù)性、擴(kuò)展性、高的帶寬和良好的互操作性等，并能進(jìn)行分布式任務(wù)處理和數(shù)據(jù)融合[4～6]。然而現(xiàn)有各機(jī)車車輛、高速動(dòng)車組和城軌列車上應(yīng)用的列車通信網(wǎng)絡(luò)由于傳輸速率較低，導(dǎo)致列車牽引、制動(dòng)、輔助等設(shè)備的很多關(guān)聯(lián)狀態(tài)信息和故障隱患不能有效傳輸，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)全列車可能的故障，致使大量的事故難以追溯根源。

以太網(wǎng)(Ethernet)基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，作為具備大容量數(shù)據(jù)傳輸能力的現(xiàn)場總線已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于工 業(yè) 現(xiàn) 場 中 ， 如 Ethernet/IP、PROFINET、Ethernet PowerLink、EtherCAT、MODBUS-IDA、以及我國負(fù)責(zé)制定的EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)等。但列車車載環(huán)境惡劣，車輛之間經(jīng)常需要解編和重聯(lián)，常用的100 Mbps和1000 Mbps民用和工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)，在可靠性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性等方面與列車通信網(wǎng)絡(luò)需求并不相適應(yīng)，需要針對(duì)機(jī)車車輛特有的運(yùn)營環(huán)境進(jìn)行改良。

國際上，目前國際電工委員會(huì)IEC/TC9 WG43工作組正著手起草實(shí)時(shí)列車車載以太網(wǎng) (Real Time Ethernet，RTE)標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在列車通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的全面應(yīng)用。計(jì)劃于2012年完成IEC 61375-3-4和IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，分別作為鐵路應(yīng)用的“以太網(wǎng)編組網(wǎng)絡(luò)”標(biāo)準(zhǔn)和“以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)”標(biāo)準(zhǔn)。

加拿大龐巴迪已開啟了列車以太網(wǎng)的商業(yè)化應(yīng)用，于2010年在德國和荷蘭的區(qū)域型列車上配備了列車以太網(wǎng)設(shè)備，列車上同時(shí)存在車載環(huán)型以太網(wǎng)和TCN系統(tǒng)，該公司希望在3～5年內(nèi)用以太網(wǎng)完全取代TCN，即所有車載智能設(shè)備集成到一個(gè)以太網(wǎng)系統(tǒng)。

德國西門子正在研究把工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET作為列車通信網(wǎng)；

日本鐵路聯(lián)合體正在研究基于以太網(wǎng)的INTEROS列車通信網(wǎng)絡(luò)，并計(jì)劃在MUE-Train多功能試驗(yàn)列車上進(jìn)行測試；

法國阿爾斯通正在研究列車級(jí)和編組級(jí)以太網(wǎng)，并已開始與法國鐵路運(yùn)營商SNCF合作在全部TGV高速鐵路列車內(nèi)測試車載以太網(wǎng)性能；

2011年12月，中國南車四方股份公司以380A高速列車為基礎(chǔ)開發(fā)的時(shí)速500公里試驗(yàn)列車就采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)作為車載控制和信息網(wǎng)絡(luò)[7～10]。

2 列車通信網(wǎng)絡(luò)專利的定量分析

列車通信網(wǎng)絡(luò)是列車通信的核心部分。其負(fù)責(zé)對(duì)整輛列車進(jìn)行控制、檢測，以及各種信息的采集和傳輸。隨著現(xiàn)代列車朝著高速和重載方向發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注和重視，尤其是基于以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)，是列車通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

本文以現(xiàn)行列車通信網(wǎng)絡(luò)IEC61375國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間1999年為檢索起始日期，對(duì)各專利數(shù)據(jù)庫檢索出符合要求的專利文獻(xiàn)，經(jīng)過人工逐條反復(fù)斟酌和比較，最后確認(rèn)可以用于進(jìn)行專利分析的專利件數(shù)為324件，其中，中國（CN）申請(qǐng)列車通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專利218件，歐洲專利局（EP）申請(qǐng)19件，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)（WO）15件，德國（DE）申請(qǐng) 7件，英國（GB）申請(qǐng) 1件，日本（JP）申請(qǐng) 11件，美國(US)申請(qǐng)17件，法國(FR)申請(qǐng) 4件，韓國（KR）申請(qǐng) 24件，新加波(SG)申請(qǐng) 2件，俄羅斯(RU)申請(qǐng) 4件，南非（ZA）和墨西哥（MX）各申請(qǐng)1件，其分布情況如圖1所示。

圖1 列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)國家分布情況

可見，中國在列車通信網(wǎng)絡(luò)的專利申請(qǐng)數(shù)量，已領(lǐng)先于其他國家和組織，一定程度上反應(yīng)了中國近10年在該領(lǐng)域已處于世界先進(jìn)水平。

2.1 不同年度專利申請(qǐng)分布情況

不同國家和專利組織不同年度的專利申請(qǐng)情況如圖2所示。

圖2 不同年度的專利申請(qǐng)分布

自從列車通信網(wǎng)絡(luò)IEC 61375國際標(biāo)準(zhǔn)于1999年正式發(fā)布后，有關(guān)國家和組織就開始申請(qǐng)?jiān)摲矫娴膶＠?999～2010年，該方面的專利申請(qǐng)數(shù)總體處于上升狀態(tài)，由1999年的5件上升到2010年的77件，而之后的2011年該專利申請(qǐng)數(shù)量有所下降，為38件(注：以18個(gè)月的專利公開日期作為參考，這些專利申請(qǐng)日實(shí)際截止到2012年初，因?yàn)槲吹侥甑祝斐?012年申請(qǐng)的數(shù)量圖形失真)。其中，1999～2007年申請(qǐng)數(shù)量處于緩慢上升狀態(tài)，且略有波動(dòng)，2008年突然增加到69件，之后的3年申請(qǐng)數(shù)量略有波動(dòng)，維持在較高水平，總的來看，世界列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)數(shù)量穩(wěn)步上升。

引起列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)數(shù)量變化的原因在于，2003年以前，中國還未開始申請(qǐng)?jiān)搶＠?，?004年開始申請(qǐng)了4件、2005年1件、2006年9件、2007年3件，數(shù)量都比較少；而在同一時(shí)期內(nèi)，世界上其他國家的申請(qǐng)數(shù)量增長也不大，2005年國內(nèi)外申請(qǐng)數(shù)量只有6件，比前兩年有所減少，從而出現(xiàn)了一個(gè)低谷。

2008年申請(qǐng)數(shù)量突然增加，原因是在這一年國內(nèi)外的申請(qǐng)數(shù)量都比前一年增加，國外由11件上升到22件，國內(nèi)由3件上升到47件。

在2009開始，情況出現(xiàn)了新的變化，國外的申請(qǐng)數(shù)量大幅減少的同時(shí)中國的申請(qǐng)數(shù)量反而處于一個(gè)上升的狀態(tài)，總體數(shù)量保持在較高的水平。

到2011年時(shí)，國外的申請(qǐng)數(shù)量變?yōu)?件，而中國的申請(qǐng)數(shù)量上升到36件，占了絕大部分。這也正好印證了國內(nèi)鐵路和城市軌道交通在該段時(shí)期內(nèi)處于飛速發(fā)展期。

中國列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)起步較晚，但后來居上，到現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)世界專利申請(qǐng)數(shù)量的大部分，緊跟列車通信網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)及世界專利總體趨勢的發(fā)展。

2.2 不同年度專利申請(qǐng)國別情況分析

不同年度專利申請(qǐng)國別情況如圖3所示。

圖3 不同年度專利申請(qǐng)國別情況

歐洲及美國是世界上最早研究列車通信網(wǎng)絡(luò)的國家，歐洲在1999年就申請(qǐng)了1件專利，而在同一年美國申請(qǐng)了3件專利。2000年歐洲申請(qǐng)數(shù)為3件，2008年達(dá)到8件，為歷年最多，其他年份申請(qǐng)量都在0～2件范圍內(nèi)波動(dòng)。美國在2007年的專利申請(qǐng)量為4件，其他年份申請(qǐng)量在0～3件之間。

世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織在2000年開始有2件專利申請(qǐng)，在同一年德國也提交了2份專利申請(qǐng)。而2008年，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的申請(qǐng)量為3件，其他年份申請(qǐng)量在0到2件之間徘徊，申請(qǐng)量較少。德國在2001年、2002年、2004年、2006年和2008年的申請(qǐng)量都是1件。

韓國和日本在2002年都開始申請(qǐng)了1件專利，隨后，在2003年韓國申請(qǐng)量為9件，2006年為4件，2008年為5件，其余年份申請(qǐng)量在0到2件不等；日本在2007年申請(qǐng)量為3件，其余年份都低于這個(gè)水平。

中國在2004年開始加入列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)，在2004～2007這四年的申請(qǐng)量都在10件以下，到 2008年突然猛增到 47件，2009年為 46件，2010年為70件，2011年為36件。2008年往后的幾年申請(qǐng)量都維持在較高水平，其中2010年申請(qǐng)量比2006年增長了8.75倍，為歷年最多。專利申請(qǐng)量的增加，與中國鐵路2004年開始的引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是密切一致的。

3 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類別的定量分析

基于新型以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)其技術(shù)分類包括列車級(jí)總線、車輛級(jí)總線、車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)關(guān)。

從圖4可以看出，基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利的研究與開發(fā)始于1999年，1999年至2004年期間，每年專利申請(qǐng)量在3至9件之間徘徊。從2005年開始穩(wěn)步上長，直到2008年達(dá)到25件高峰，2011年以來下降幅度較大。2012年以后專利申請(qǐng)量數(shù)據(jù)則由于實(shí)際收集到的數(shù)據(jù)未能統(tǒng)計(jì)到年底，故不能說明該年度真實(shí)的申請(qǐng)量。據(jù)目前統(tǒng)計(jì)，2007～2010年是基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)的階段性高峰期。

圖4 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利申請(qǐng)年度變化趨勢

在基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專利所涉及到的諸多技術(shù)要素領(lǐng)域中，1999～2006年，是該項(xiàng)車載現(xiàn)場技術(shù)的探索階段，獲得專利所涉及的技術(shù)要素比較少。而從1997～2010年，是該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)歷了階段性發(fā)展，部分技術(shù)逐步不斷成熟，這一階段專利所涉及到的技術(shù)要素大約是早期階段的5～10倍。隨著2012年底以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入列車通信網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)，涉及到以太網(wǎng)技術(shù)要素的專利申請(qǐng)，必將會(huì)迎來新的高峰期。

3.1 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成分析

基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利，國內(nèi)外共申請(qǐng)104件，占列車通信網(wǎng)絡(luò)專利總數(shù)324件的32.1%。其中基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)組成中列車級(jí)總線的專利件數(shù)為31件，占基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利總數(shù)的29.81%。其技術(shù)要素包括：WTB總線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)控制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shù)據(jù)交換，故障診斷，狀態(tài)檢測，車輛跨接，以太網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)互連和網(wǎng)絡(luò)通信等方面。

車輛級(jí)總線的專利申請(qǐng)量為22件，占基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利總數(shù)的21.15%。其技術(shù)要素包括：以太網(wǎng)接口，MVB總線網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)融合，以太網(wǎng)通信和網(wǎng)絡(luò)互連等方面。

車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的專利申請(qǐng)量為14件，占基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利總數(shù)的13.46%。其技術(shù)要素包括：車地網(wǎng)絡(luò)通信，無線通信，TCP/IP協(xié)議，智能維護(hù)等方面。

車載網(wǎng)關(guān)，共計(jì)37件專利，占基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)專利總數(shù)的35.58%。車載網(wǎng)關(guān)的技術(shù)要素包括：通信協(xié)議，網(wǎng)關(guān)管理，以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，以太網(wǎng)接口，網(wǎng)絡(luò)互連和網(wǎng)絡(luò)通信等方面。

3.2 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的年度變化趨勢分析

基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)，包括列車級(jí)總線、車輛級(jí)總線、車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)關(guān)，如圖5所示。

圖5 新型列車通信網(wǎng)絡(luò)專利年度分布變化趨勢

其中，

涉及列車級(jí)總線的專利31件，主要集中在2003年、2004年、2006年、2007年、2008年、2009年和2010年；

涉及車輛級(jí)總線的專利22件，主要集中在2000年、2002年、2003年、2008年和2010年；

涉及車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的專利14件，主要集中在2002年、2004年、2007年和2008年；

涉及車載網(wǎng)關(guān)的專利37件，主要集中在2001年、2003年、2006年、2007年、2008年、2009年和2010年。

3.3 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)專利申請(qǐng)國別動(dòng)態(tài)

中國在列車通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)方面，在列車級(jí)總線、車輛級(jí)總線、車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)關(guān)上分別申請(qǐng)和擁有4件、6件、1件和21件專利。

中國主要的研究方向，是列車通信網(wǎng)絡(luò)車載網(wǎng)關(guān)。美國在列車通信網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)4個(gè)方面都申請(qǐng)有專利，在列車級(jí)總線、車輛級(jí)總線、車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)關(guān)上分別申請(qǐng)和擁有3件、1件、3件和2件專利。歐洲專利局同樣在列車通信網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)4個(gè)方面，都申請(qǐng)和擁有專利，分別為4件、4件、2件和6件專利。

在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)專利保護(hù)，是一國的專利同時(shí)受到其他國家專利法保護(hù)的必經(jīng)之路，該組織是專利申請(qǐng)PCT國際階段的國際專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)。因此，各國都非常重視在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)專利保護(hù)。對(duì)于某項(xiàng)專利的核心技術(shù)更是如此，在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)列車通信網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)總量為7件，其中，在列車級(jí)總線通信網(wǎng)絡(luò)上擁有4件專利，在車輛級(jí)總線通信網(wǎng)絡(luò)上擁有1件專利，在車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)上申請(qǐng)了1件專利，在車載網(wǎng)關(guān)上申請(qǐng)了2件專利。

在擁有核心技術(shù)專利的數(shù)量上，中國北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心擁有專利18件，高居榜首，韓國鐵道科學(xué)研究院和日本三菱電氣分別以10件和8件專利位于第二和第三位。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述文獻(xiàn)檢索分析知，由于起步較晚等諸多原因，我國列車通信網(wǎng)絡(luò)的早期技術(shù)水平與國外相比存在一定的差距，但在基于以太網(wǎng)的新型列車通信網(wǎng)絡(luò)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)處于同一競爭水平。隨著2012年底基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61375）第三版的發(fā)布，涉及該要素的專利申請(qǐng)將迎來高峰。為此，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)需基于自身優(yōu)勢技術(shù)，在提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)的基礎(chǔ)上，從專利技術(shù)開發(fā)和保護(hù)等方面，構(gòu)建軌道交通列車通信網(wǎng)絡(luò)專利戰(zhàn)略，積極響應(yīng)協(xié)同創(chuàng)新國家戰(zhàn)略，通過建設(shè)南北車、各研究院和高校協(xié)同開發(fā)、儲(chǔ)備創(chuàng)新人才、完善專利管理機(jī)構(gòu)與管理制度、創(chuàng)建軌道交通專利協(xié)會(huì)，來保證我國機(jī)車車輛專利戰(zhàn)略的有效實(shí)施，從整體上提升軌道交通制造業(yè)經(jīng)營發(fā)展活力和核心競爭力。

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