基于專利數(shù)據(jù)的城市軌道交通技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

萬 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、自動旅客運(yùn)輸共7 類[1]。在龐大的城市公共交通運(yùn)營客流量壓力下，城市軌道交通在減緩交通擁堵、保障城市交通日常運(yùn)營方面發(fā)揮著越來越重要的作用。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。

對特定領(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，為特定領(lǐng)域的發(fā)展提供情報支撐。王哲等[2]采用統(tǒng)計(jì)方法對高速鐵路產(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]對軌道交通中列車控制系統(tǒng)國內(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、專利申請趨勢等。邱洪華等[7]從專利的多個角度，對整個中國軌道交通產(chǎn)業(yè)的專利活動進(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、申請人、主要專利技術(shù)等方面介紹中國軌道交通的發(fā)展趨勢。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分析報告，該文對全球軌道交通專利從申請人、區(qū)域分布以及五大設(shè)備等方面進(jìn)行分析與報告[9]。田麗[10]運(yùn)用專利地圖的方法，對我國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]對國內(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，對國外軌道交通齒輪箱專利進(jìn)行分析。郭亮等[13]基于全球?qū)＠暾埿畔ⅲ瑢壍澜煌ㄞD(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱裝置、基礎(chǔ)制動裝置等關(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和全球競爭趨勢。蘇博等[15]針對軌道車輛運(yùn)行時產(chǎn)生的振動和噪聲問題對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]通過研究鋼軌扣件的衍化過程，結(jié)合專利技術(shù)分析，提出我國扣件發(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、專利地圖方法對全國技術(shù)專利信息進(jìn)行全方位分析，從多方面研究我國城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。

2 數(shù)據(jù)獲取與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文選擇世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）專利庫為數(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、專利名、優(yōu)先權(quán)號、分類、申請?zhí)?、申請人、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)展起來的一種技術(shù)預(yù)測和技術(shù)規(guī)劃方法[17]，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國各個區(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)展趨勢進(jìn)行分析。

專利申請量及趨勢、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，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。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 專利申請數(shù)量及趨勢分析

截至2019 年12 月31 日，世界知識產(chǎn)權(quán)組織專利庫中，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。對以上專利數(shù)據(jù)，以年份為時序軸，時間由1996 年—2019 年。統(tǒng)計(jì)專利總量與不同類型專利數(shù)量增長趨勢，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)量增長趨勢

從圖2 中可以看出，自1996 年開始，城市軌道交通專利申請量整體呈上升趨勢；1996 年—2005 年城市軌道交通專利申請量較少，變化趨勢不明顯；2006 年—2010 年專利申請量呈明顯波動上升趨勢；2011 年—2015 年增長趨勢平穩(wěn)，呈穩(wěn)步上升狀態(tài)；2015 年之后，專利申請量增長速度迅猛，尤其在2017 年—2018 年專增長趨勢較為明顯，2018 年后，每年專利申請總量達(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，因此本文僅對技術(shù)生長率以及技術(shù)成長系數(shù)進(jìn)行分析。技術(shù)生長率反映技術(shù)的生長趨勢，如果連續(xù)多年技術(shù)生長率持續(xù)增大，則說明該技術(shù)處于萌芽或生長階段：

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。

圖3 城市軌道交通技術(shù)發(fā)展趨勢

根據(jù)技術(shù)生長率計(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)生長率較高。2001 年—2003 年技術(shù)生長率持續(xù)增長，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)不斷波動下降，說明該技術(shù)發(fā)展形勢較好。到2016 年以后，城市軌道交通迎來一個新的生長階段。

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，通過對城市軌道交通專利的國際專利分類法（International Patent Clsassification，IPC）分類號進(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)對該技術(shù)的關(guān)注程度會越高，不同地區(qū)的專利數(shù)量可反映不同地區(qū)對城市軌道交通技術(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主要分布在北京以及長江中下游地區(qū)，可知該地區(qū)城市軌道交通技術(shù)市場需求廣泛。

3.3.2 城市軌道交通專利申請人分析

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

表1 主要專利申請人

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

本文對城市軌道交通專利摘要文本進(jìn)行文本挖掘，將單個專利摘要作為一個文檔，使用Jieba 分詞對文本切詞，對專利關(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，用于衡量一個詞在文檔中的重要性。TF_IDF 包含詞頻與逆文檔頻率2 個概念。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，對檢索結(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、檢測、列車運(yùn)行、控制器、供電、客流、智能等多個方面。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

對城市軌道交通專利年份進(jìn)行整理，將5 年作為一個周期，分析關(guān)鍵詞演化。對不同年份分別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)量過多時，關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，因此針對此問題，限制關(guān)鍵詞詞性為（"ns"， "n"， "vn"），分別表示地名、名詞、名動詞。

由圖8 ～圖12 可知，我國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)采集與檢測系統(tǒng)的研究不斷深入。通過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

中華人民共和國交通運(yùn)輸部2018 年發(fā)布《城市軌道交通運(yùn)營管理規(guī)定》[18]中表示城市軌道交通運(yùn)營應(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)營安全保障等因素，做好運(yùn)營服務(wù)工作。結(jié)合以上對城市軌道交通專利的分析，可以發(fā)現(xiàn)，國內(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。完善對客流的監(jiān)測、預(yù)測，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，將會是城市軌道交通技術(shù)新的發(fā)展趨勢。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，國內(nèi)城市軌道交通市場需求較大。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。該技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)集中在線路規(guī)劃、檢測系統(tǒng)、列車運(yùn)行、客流監(jiān)控與預(yù)測等多個方面。國內(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江中下游地區(qū)。在國家政策的支持下，我國城市軌道交通技術(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，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)營服務(wù)的質(zhì)量。