基于專利文獻的移栽機械發(fā)展態(tài)勢分析

吳磊琦， 諶 凱， 吳巧玲

(浙江省科技信息研究院，浙江杭州 310006)

移栽技術主要呈現(xiàn)在水稻的移植以及旱地的移植中，移栽機械是《農(nóng)機裝備發(fā)展行動方案(2016—2025年)》中提出的重點發(fā)展農(nóng)業(yè)裝備之一。本研究基于專利文獻，從發(fā)展趨勢、重點技術領域、區(qū)域分布、優(yōu)勢機構(gòu)、發(fā)明人、高引專利、技術路線圖等方面開展移栽機械發(fā)展態(tài)勢研究，以期為相關政府部門、企業(yè)和高校院所進一步發(fā)展移栽機械產(chǎn)業(yè)和技術提供情報支撐。

本研究采用Derwent Innovation專利數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)采集過程中結(jié)合關鍵詞、國際專利分類號(international patent classification，簡稱IPC)、Derwent手工代碼的方法進行專利檢索，共得到與移栽機械相關的15 342個專利族，24 664項專利；其中中國專利4 925項，且我國申請人申請的中國專利為 4 489 項(檢索時間范圍為1950年1月至2018年2月)。

1 發(fā)展趨勢

圖1展示了1951—2016年移栽機械相關專利數(shù)量的年度變化趨勢，可以將移栽機械的技術發(fā)展分為3個階段：第1階段(1951—1987年)是移栽機械技術孕育期。該階段申請專利數(shù)量少，每年專利申請量不超過100項，且專利數(shù)量增速較為緩慢，專利申請主要來自前蘇聯(lián)、美國和日本，申請主力是前蘇聯(lián)林業(yè)機械研究所、日本井關農(nóng)機和日本久保田，專利技術主要集中在用于種苗的移栽機械、裝幼苗的盆、用于播種或種植的挖掘或覆蓋坑穴的機械等。日本在20世紀60年代完成了移栽機械從步行式到乘坐式的過渡，20世紀70年代開始研發(fā)水稻插秧機，80年代改進提出旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)[1]。第2階段(1988—2005年)是移栽機械技術快速發(fā)展和調(diào)整期。該階段專利申請數(shù)量明顯上升，其中1996年后呈現(xiàn)一定波動，日本加大了研發(fā)力度，專利申請量遙遙領先于其他國家。此外，我國也開始了移栽機械方面的研究，進行相關專利申請，申請主力是日本久保田、洋馬和井關農(nóng)機。這一時期的技術熱點集中在用于種苗的移栽機械、由液壓或氣動裝置操作的農(nóng)機具調(diào)整機構(gòu)、施肥機械等方面。主要研究成果有日本相關公司如洋馬農(nóng)機研制的頂出式水稻缽苗移栽機、齒輪連桿式缽苗取苗機構(gòu)；意大利Ferrari公司研發(fā)的FPC型全自動膜上移栽機，一次性可以移栽4行穴盤苗[2-3]。第3階段(2006年至今)是移栽機械技術高速發(fā)展時期。專利申請數(shù)量飛速增長，其中中國專利申請量增長最為迅速，在該階段的專利申請量超越日本排名第一，這時期的申請主力是日本井關農(nóng)機、日本久保田、浙江理工大學等。這個時期的研究主要側(cè)重于種苗的移栽機械、施肥機械、由液壓或氣動裝置操作的農(nóng)機具調(diào)整機構(gòu)等方面。主要成果有浙江理工大學、東北農(nóng)業(yè)大學、沈陽農(nóng)業(yè)大學等高校院所陸續(xù)研制出多種移栽機械并持續(xù)改進，如頂出式水稻缽苗移栽機、非圓齒輪行星系缽苗移栽機取苗機構(gòu)、傅里葉齒輪行星系水稻缽苗移栽機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)式橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構(gòu)等一系列缽苗移栽機構(gòu)[4-10]。此外，南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司、柳州五菱汽車工業(yè)有限公司、福田雷沃重工、現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司等已有相關產(chǎn)品投入市場。

由于專利從申請到公開通常存在18個月的期限，因此2016年的專利申請數(shù)據(jù)還不完整，僅作參考(圖1)。

從圖2可以看出，全球移栽機械技術經(jīng)過20世紀50年代初至80年代的第1階段技術孕育期后，專利申請人數(shù)量和專利數(shù)量總體出現(xiàn)大幅增長，表明該領域仍處于成長期。

2 重點技術領域

IPC代碼包含專利的技術信息，通過對相關專利的IPC代碼進行統(tǒng)計分析，可以了解移栽機械的重點研發(fā)技術。

表1列出了移栽機械相關專利的前10名IPC代碼，可以看出，用于種苗的移栽機械、移栽機械、施肥機械、由液壓或氣動裝置操作的農(nóng)機具調(diào)整機構(gòu)、農(nóng)業(yè)機械或農(nóng)具的轉(zhuǎn)向機構(gòu)等是該領域的關鍵技術。

表1 移栽機械專利申請的前10名IPC代碼

圖3是移栽機械領域的地形圖，從中可以看出移栽機械相關機構(gòu)如傳動機構(gòu)(變速箱、行星齒輪軸、離合器等)、動力裝置(液壓缸、泵、電池)、執(zhí)行機構(gòu)(輸送帶、秧爪等)、調(diào)節(jié)機構(gòu)(螺紋滑塊)、傳感器檢測、苗箱、缽苗盤、施肥機械等是該領域的研究重點。

3 專利競爭區(qū)域

3.1 國際競爭格局

全球有數(shù)十個國家在移栽機械領域進行了專利申請。如圖4所示，專利申請排名前列的國家和地區(qū)依次為日本、中國、前蘇聯(lián)、美國、韓國、法國等。其中，日本在該領域技術基礎最為雄厚，申請專利8 661項，占該領域?qū)＠偭康?6%，排名第1；其次是中國申請專利4 489項，占29%。排名前2位的國家專利申請量占比達85%。單從專利數(shù)量上看，日本具有很強的研究實力，引領移栽機械領域的技術發(fā)展。

如圖5所示，在前5名專利來源國(排除前蘇聯(lián))中，美國于1968年率先申請了第1項相關專利，主題為具有加強筋的熱成型隔室苗盤，但研發(fā)熱度不高，申請高峰期出現(xiàn)于2011—2012年，達40余項；日本于1969年申請了第1項相關

專利，主題為用作水稻發(fā)芽人工種子床的打孔塑料膜，研發(fā)活躍期在1989年之后，申請高峰期出現(xiàn)在1995年，達743項，隨后專利申請量總體上逐年下滑；韓國落后美國、日本10余年，第1項專利申請出現(xiàn)于1981年，主題為具有使植物板往復運動并帶動側(cè)架上種植桿的引導凸輪軸的水稻種植機動力傳遞裝置，但研發(fā)熱度總體不高，每年專利申請量不超過30項。我國移栽機械技術研發(fā)起步相對較晚，落后美國、日本近20年，直到2006年，研發(fā)活動才逐漸升溫，2010年起專利申請量超過同年度其他國家專利申請量，說明國內(nèi)創(chuàng)新主體越來越重視移栽機械技術的相關研發(fā)。

表2綜合反映了前5名專利來源國的專利質(zhì)量，中國專利引用≥5次(占比)、平均被引次數(shù)、H指數(shù)、PCT專利數(shù)量、三方專利數(shù)量等專利質(zhì)量指標遠遠落后于美國和日本，說明我國在該領域?qū)＠|(zhì)量較低，研發(fā)水平還有待進一步提高。

美國、日本、韓國和法國作為移栽機械技術研發(fā)的強國，其對世界市場的爭奪也非常激烈，因此除了對本國進行專利保護外，為了在國外生產(chǎn)、銷售移栽機械，也必須在國外申請相關專利以求獲得知識產(chǎn)權保護，同時該國同族專利的申請也可以反映出其市場戰(zhàn)略。

從圖6可知，日本除在本國申請專利外，同時重點在中國、韓國、美國等國家和地區(qū)進行布局，表明日本更為重視這些國家和地區(qū)的市場；美國除在本國申請專利外，同時重點在加拿大、歐洲、日本、中國等國家和地區(qū)進行布局；韓國除在本國申請專利外，同時重點在中國等國家和地區(qū)進行布局；法國除在本國申請專利外，同時重點在歐洲、德國等國家和地區(qū)進行布局。

我國作為移栽機械領域?qū)＠暾埩颗琶?的大國，主要針對本國市場，只在國外零星地申請了一些專利，如在日本申請了16項專利，在韓國申請了12項專利，這說明國內(nèi)創(chuàng)新主體的專利保護意識還不夠強，而且值得向國外申請專利的真正有價值的技術少之又少，側(cè)面印證了我國在移栽機械領域核心技術的缺乏。另一方面，日本、美國、韓國等國家對中國市場非常重視，競相在中國進行專利布局，也給我國移栽機械的研發(fā)工作帶來一定的專利壁壘。

3.2 國內(nèi)競爭格局

如圖7所示，移栽機械領域，我國專利申請排名前10名的省(市、區(qū))依次為浙江、江蘇、山東、安徽、黑龍江、湖南、湖北、河南、重慶、新疆。浙江省申請主力為浙江理工大學、萊恩農(nóng)業(yè)裝備有限公司和浙江大學；江蘇省申請主力為江蘇大學、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所和無錫同春新能源科技有限公司；山東省申請主力為濰坊同方機械有限公司和山東農(nóng)業(yè)大學。

表2 移栽機械前5名專利來源國專利質(zhì)量指標

注：H指數(shù)是指至多有N件專利至少被引用了N次；三方專利是指同時在世界上最大的3個市場(美國、歐盟和日本)尋求保護的專利。

4 專利優(yōu)勢機構(gòu)

本節(jié)主要介紹移栽機械技術領域的優(yōu)勢機構(gòu)，包括國內(nèi)外優(yōu)勢機構(gòu)的排名、專利申請動向、專利申請區(qū)域布局等。

4.1 國際申請人

全球有3 000余家機構(gòu)在移栽機械相關領域進行了專利申請，如表3所示，排名前20的機構(gòu)主要來自日本、美國、前蘇聯(lián)和中國，其中有11家企業(yè)，9家研究機構(gòu)。

日本在移栽機械領域具有雄厚的實力，前20名申請人中有9個來自日本，包括日本久保田(第1名)、日本井關農(nóng)機(第2名)、日本洋馬(第3名)、日本三菱(第4名)、日本MINORU SANGYO(第6名)、日本蜻蛉工業(yè)(第8名)、日本神崎高級工機制作所(第10名)、日本八鹿鐵工(第16名)、日本環(huán)周鐵工(第19名)，這些公司均較早就開始申請相關專利，但研發(fā)活躍期多在2005年之前，近年來專利申請量逐漸下滑，平均專利年齡最低為10.8年(日本八鹿鐵工)，最高為19.1年(日本神崎高級工機制作所)。

前20名申請人中同樣有9個來自于中國，包括浙江理工大學(第5名)、江蘇大學(第7名)、東北農(nóng)業(yè)大學(第11名)、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所(第12名)、萊恩農(nóng)業(yè)裝備有限公司(第13名)、石河子大學(第15名)、浙江大學(第17名)、湖南農(nóng)業(yè)大學(第18名)和安徽農(nóng)業(yè)大學(第20名)。其中，浙江理工大學于2003年申請第1項相關專利，主題為圓柱齒橢圓齒行星系分插機構(gòu)，自此每年均保持相關專利申請，活動年期在國內(nèi)機構(gòu)中最長，達14年；江蘇大學起步較晚，第1項專利申請于2007年，主題為差動橢圓齒輪系分插機構(gòu)及其用途，研發(fā)活躍期在2011年后，平均專利年齡僅為2.7年；東北農(nóng)業(yè)大學第1項專利申請于2009年，主題為自動移栽機用鏈式紙缽，自此每年均保持相關專利申請，研發(fā)活躍期為2010—2013年。

表4展示了全球移栽機械前20名專利申請人的申請區(qū)域布局情況。國外專利申請人除布局本國外，主要布局中國和韓國。除前蘇聯(lián)林業(yè)機械研究所、日本環(huán)周鐵工外，其他國外申請人在我國進行了大量專利布局，給我國創(chuàng)新主體移栽機械技術研發(fā)帶來了較強的專利壁壘。相對來說，日本三菱、日本蜻蛉工業(yè)、日本神崎高級工機制作所、日本八鹿鐵工等在我國的專利布局力度稍弱，我國創(chuàng)新主體可以考慮對這些公司未在我國申請同族專利的相關專利加以利用。

表3 移栽機械主要專利申請人相關指標

表4 移栽機械主要專利申請人申請區(qū)域布局

圖8中，坐標橫軸代表專利申請人在移栽機械領域中的關注度和專利技術實力，即專利申請人的專利性，氣泡越往右專利性越強；坐標縱軸代表專利申請人總體的資源和財富，表征了其利用專利的能力，即專利申請人的市場性，氣泡越往上市場性越強?？梢钥闯?，日本久保田、日本井關農(nóng)機、日本洋馬的綜合實力較強，其中，日本久保田的技術實力處于領先位置。

4.2 國內(nèi)申請人

如圖9所示，在4 489項中國專利(以中國為專利來源國)的申請人中，企業(yè)占31%，大專院校和科研院所共占38%，說明目前我國國內(nèi)企業(yè)正在積極為移栽機械技術的產(chǎn)業(yè)化作準備，同時高校院所等研究機構(gòu)也在針對移栽機械技術開展基礎研究和應用研究工作。

在4 489項中國專利(以中國為專利來源國)中，排名前20的申請人如表5所示。

5 主要發(fā)明人及團隊

由表6可以發(fā)現(xiàn)，移栽機械主要發(fā)明人是來自日本和中國的企業(yè)、科研院所，如日本井關農(nóng)機、日本洋馬、日本久保田、日本三菱、浙江理工大學等除日本井關農(nóng)機的Ishida I、日本三菱的Funo T外，其他發(fā)明人近期均保持研發(fā)活躍狀態(tài)。

6 高引專利和技術路線圖

通過技術引證分析，可以發(fā)現(xiàn)移栽機械領域的高引專利，這些高引專利在一定程度上是該領域的核心專利。

從表7可以看出，被引次數(shù)排名前10位的高引專利來自美國、日本、加拿大等的相關企業(yè)，說明這些企業(yè)的專利有著很強的基礎性，專利受到的關注較多，研究能力很高。

基于相關核心專利，繪制移栽機械的技術路線圖，如圖10所示。這些核心專利的申請人大多為美國和日本的相關機構(gòu)， 顯示出這些國家在移栽機械技術領域的領先實力。此外，沿著時間軸剖析技術演進方向，可以發(fā)現(xiàn)移栽機械的發(fā)展呈現(xiàn)自動化、智能化、高適應性的趨勢，逐漸引入全球定位系統(tǒng)(global positioning system，簡稱GPS)定位、自動下降、自動補苗、負載監(jiān)控等先進技術，并通過種植機構(gòu)的改進不斷提高移栽機械對不同作業(yè)條件的適應能力。

表6 移栽機械專利主要發(fā)明人及團隊

7 結(jié)論

從以上分析結(jié)果可以看出，移栽機械技術仍處于快速發(fā)展期，短期發(fā)展前景毋庸置疑。用于種苗的移栽機械(傳動機構(gòu)、動力裝置、執(zhí)行機構(gòu)、苗箱、缽苗盤)、施肥機械、由液壓或氣動裝置操作的農(nóng)機具調(diào)整機構(gòu)、農(nóng)業(yè)機械或農(nóng)具的轉(zhuǎn)向機構(gòu)等是該領域的關鍵技術，自動化、智能化、高適應性是移栽機械的發(fā)展方向。我國雖起步較晚，落后美國、日本近20年，但近年來在該領域的專利申請量快速增長，從2010年起專利申請量超過同年度其他國家專利申請量，說明國內(nèi)創(chuàng)新主體越來越重視移栽機械技術的相關研發(fā)，不斷開發(fā)新技術、新機型。但也應該看到，在該領域，中國專利質(zhì)量遠低于美國和日本，絕大多數(shù)高引專利來自日美企業(yè)，說明中國相關技術研發(fā)水平還有待進一步提高，須要分別從政府和企業(yè)層面進行推進：

7.1 從政府層面進行推進

(1)加大財稅政策支持力度，對于在結(jié)構(gòu)、功能、自動化智能化程度、適應性方面有重大突破的移栽機械新機型給予首臺重大技術裝備保費補貼，并相應強化農(nóng)機購置補貼政策的導向作用；(2)擴大對外合作與開放，鼓勵國內(nèi)相關企業(yè)與國外領軍企業(yè)如日本久保田、日本井關農(nóng)機、日本洋馬、日本三菱合作開發(fā)和建立技術研究中心，提升核心技術、關鍵部件的研究開發(fā)能力，通過合資、合作生產(chǎn)等方式，積極引進相關企業(yè)的先進技術， 帶動農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟雙重發(fā)展；(3)加強專利預警工作，政府牽頭、組織科技信息服務機構(gòu)實時提供移栽機械專利預警服務，為相關企業(yè)移栽機械產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、出口等保駕護航。

表7 移栽機械前10名高引專利

7.2 從企業(yè)層面進行推進

(1)加強關鍵技術研發(fā)，對于移栽機械技術領域，重點研發(fā)傳動機構(gòu)、動力裝置、執(zhí)行機構(gòu)、施肥機械、由液壓或氣動裝置操作的農(nóng)機具調(diào)整機構(gòu)等關鍵技術；(2)加強與高校院所的產(chǎn)學研合作，如浙江理工大學、江蘇大學、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所、東北農(nóng)業(yè)大學、石河子大學等在移栽機械領域積累了許多技術成果；(3)加強人才引進，將移栽機械專利的主要發(fā)明人和團隊作為重點引進方向，如日本井關農(nóng)機的Muranami M團隊、日本洋馬的Doi K團隊、日本久保田的Fujii K團隊等；(4)加強對失效專利、無中國同族的相關專利的利用，前10名高引專利中就有7項失效專利，而日本三菱、日本環(huán)周鐵工、日本蜻蛉工業(yè)、日本神崎高級工機制作所、日本八鹿鐵工等在我國專利布局力度稍弱，我國企業(yè)可以考慮對這些專利進行合理利用，降低研發(fā)成本。