滿 勇，劉穎琦

(北京交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100044)

0 引言

隨著國際貿(mào)易爭端不斷升級，中國諸多產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著企業(yè)不掌握核心和關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)，而能否掌握核心和關(guān)鍵技術(shù)不僅決定了一個產(chǎn)業(yè)競爭力[1-3]，更是關(guān)系到國家安全穩(wěn)定。中國作為全球第二大經(jīng)濟體，產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須要對標(biāo)全球最先進的產(chǎn)業(yè)，從中找到技術(shù)方向和發(fā)展模式。

高鐵列車作為集機械、力學(xué)、電氣、電子、計算機、通信、材料等學(xué)科為一體的復(fù)雜性產(chǎn)品，其技術(shù)復(fù)雜程度高。中國在高鐵發(fā)展中取得了舉世矚目的成就，不僅在較短的時間中實現(xiàn)了技術(shù)的引進—消化吸收—再創(chuàng)新，更建立了中國高鐵標(biāo)準(zhǔn)，成為引領(lǐng)中國發(fā)展的一個成功產(chǎn)業(yè)。但不可否認(rèn)，日本依然是一個過去和現(xiàn)在都處于技術(shù)和產(chǎn)品領(lǐng)先地位的國家，今天的日本仍是中國高鐵在國際舞臺上強有力的競爭對手。在過去10年里，隨著亞洲經(jīng)濟快速發(fā)展，中日兩國在東南亞地區(qū)的高鐵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域展開激烈競爭。日本相繼拿下泰國、印度和越南等國家高鐵大單，中國也在印度尼西亞和沙特等國家有所斬獲。因此從技術(shù)的視角對中日兩國高鐵技術(shù)創(chuàng)新演進過程展開對比分析，研究中國高鐵核心技術(shù)引進、消化吸收、再創(chuàng)新過程，不僅可以有效探討未來中國高鐵技術(shù)創(chuàng)新方向，還可以為其他產(chǎn)業(yè)的研究和技術(shù)創(chuàng)新提供借鑒和參考。

在研究產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新時，產(chǎn)品和專利通常是最為直觀和重要顯現(xiàn)度的指標(biāo)。已有研究認(rèn)為，技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)競爭力的核心要素，通過創(chuàng)新能夠滿足客戶需求，有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量競爭力，而通過專利技術(shù)分析可以了解技術(shù)創(chuàng)新特性和未來發(fā)展趨勢[4-6]。關(guān)于高鐵創(chuàng)新研究，國外學(xué)者在研究中呈現(xiàn)出多樣性，如從電子技術(shù)革新帶來高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新[7]、高鐵經(jīng)濟性[8]、法國工業(yè)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新影響高鐵發(fā)展[9]等多角度展開。而國內(nèi)研究則集中在對中國高鐵成功的追本溯源，如創(chuàng)新體系研究[10]、創(chuàng)新路徑選擇[11-12]、政企合作關(guān)系[13]、基礎(chǔ)研究加強[14]、產(chǎn)學(xué)研合作網(wǎng)絡(luò)的建立[15]、高鐵技術(shù)進步回溯分析[16]和政企能力共演化關(guān)系[17]等。

本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上引入譜系化方法，繪制基于技術(shù)同源性的日本和中國的高鐵列車譜系圖，結(jié)合譜系圖、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)專利等要素對比研究中日高鐵的技術(shù)創(chuàng)新演進路徑，在此基礎(chǔ)上對中國高鐵技術(shù)創(chuàng)新的未來發(fā)展趨勢進行研判。

1 中日兩國高鐵列車發(fā)展歷程

日本是世界高鐵發(fā)源地，中國擁有全球最長的高鐵運營里程。本文對中國和日本的高鐵列車發(fā)展過程進行簡要回顧，了解兩個國家在列車開發(fā)過程中的特點。從高鐵列車技術(shù)的同源性、車型廣泛性、技術(shù)安全性三個方面對兩個國家進行對比研究。

1.1 日本高鐵列車發(fā)展歷程

世界鐵路發(fā)展起源于英國，但全球高鐵卻誕生在日本。二次世界大戰(zhàn)以后，日本經(jīng)濟開始復(fù)興，特別是東海道東京—大阪線路，人口流動迅速增加，交通運輸能力趨于飽和。日本為了盡快改善運輸壓力，將發(fā)展高鐵當(dāng)成首選。在政府大力支持下，1964年日本國鐵開發(fā)0系列車正式投入商業(yè)運營，成為世界上首臺運行時速達210km/h的高鐵列車。在此后的60多年時間里，圍繞 “高速化”不斷創(chuàng)新，日本開發(fā)出了可在既有和高速線路混跑E3系，世界單臺運載量最大的E4系和運營速度達到300km/h的500系等車型，彰顯了日本高鐵列車的技術(shù)先進性，并逐漸發(fā)展成擁有20余款車型的高鐵大國。根據(jù)運行線路供電制式日本高鐵形成兩條線路列車，其中，東海道線路列車 (25kV/60HZ工頻電壓)，主要在東海道、山陽、九州高鐵線路上運行，其余為東北線路列車[18](25kV/50HZ工頻電壓)。本文以列車開發(fā)時間為線索繪制了日本高鐵列車發(fā)展時序圖，如圖1所示。由圖1可見，日本高鐵列車技術(shù)起源于0系車，其獨特的動力分散驅(qū)動方式確定了日本高鐵列車技術(shù)框架，后續(xù)列車開發(fā)以0系車為技術(shù)平臺，創(chuàng)新和完善列車產(chǎn)品性能，滿足客戶需求。

圖1 日本高鐵列車發(fā)展時序圖

1.2 中國高鐵列車發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)80年代末期，中國就已經(jīng)展開了對高鐵建設(shè)的討論，并且在90年代開展了高鐵列車技術(shù)系統(tǒng)的多元化探索，自主設(shè)計開發(fā)出一批具有先進技術(shù)的高鐵列車，如大白鯊、藍箭號和中華之星等[10]。這些列車產(chǎn)品開發(fā)使得中國對于高鐵列車核心技術(shù)，如車體輕量化、交流傳動、高速制動、分布式微機控制等技術(shù)展開實踐應(yīng)用，但受中國自身技術(shù)能力所限，最終還是通過技術(shù)引進來快速實現(xiàn)列車高速化。2004—2006年，先后從4個國家引入技術(shù)并實現(xiàn)本地化改進 (見表1)，使得中國迅速擁有了高鐵列車制造能力，以此構(gòu)建了不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時速250公里和350公里等級技術(shù)平臺。技術(shù)轉(zhuǎn)讓不僅實現(xiàn)了國內(nèi)的制造，擁有了制造工藝和技術(shù)，也為后續(xù)高鐵列車自主開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。中國在350km/h等級高鐵列車基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，開發(fā)出全球最高商業(yè)運行速度380km/h等級的列車。

表1 中國高鐵列車從國外引入的技術(shù)平臺

1.3 中日兩國高鐵技術(shù)特征對比

當(dāng)今世界公認(rèn)的高鐵技術(shù)強國除了中國、日本外，還有歐洲的法國、德國等國家。本文選取日本為對標(biāo)國家，主要是基于列車技術(shù)的同源性、廣泛性、安全性考慮，來對比兩國高鐵列車的技術(shù)特征 (見表2)，由表2可見，中日兩國的高鐵技術(shù)有以下特點：

表2 中日兩國高鐵列車技術(shù)特征對比

(1)技術(shù)同源性。日本是最早一批將高鐵列車引入中國的國家。2004年日本E2-1000型原型車引入，生產(chǎn)出第一代CRH2系列動車組。作為全世界最早使用動力分散高鐵列車的國家，日本全系列車均采用動力分散設(shè)計，中國在列車設(shè)計上沿用了日本的思路，放棄了歐洲普遍采用的動力集中，以便獲得更好的牽引特性。

(2)日本高鐵列車產(chǎn)品多樣性，列車技術(shù)覆蓋面更廣泛。日本是全球最早開通高鐵的國家，其國內(nèi)高鐵運營里程位居全球第二，遠(yuǎn)高于法國和德國等其他國家。并且日本國內(nèi)多山區(qū)，為滿足不同線路和運輸需求，開發(fā)出20余款不同技術(shù)特點的列車，既有達到300km/h以上高鐵列車，也有能在既有和高鐵線路混跑的列車，還有為解決運力緊張設(shè)計的雙層高鐵列車等。

(3)日本高鐵列車性能卓越。運行速度是體現(xiàn)列車產(chǎn)品性能的核心指標(biāo)，日本開發(fā)E5系最高速度達到320km/h，高鐵技術(shù)不僅處于世界領(lǐng)先，還輸出到臺灣省和大陸地區(qū)。此外，1964年日本開通高鐵以來，一直保持著列車事故死傷乘客人員零記錄，世界上沒有其他交通工具能比它更加安全，這也是其他高鐵國家所無法比擬的，日本高鐵安全性也成為其技術(shù)輸出的賣點。

2 基于譜系圖對中日兩國高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新路徑進行分析

全球高鐵列車研究始終都是圍繞列車高速化展開，為了提高速度，各國普遍的做法是構(gòu)建以原型列車為基礎(chǔ)技術(shù)平臺，并開展技術(shù)改進和創(chuàng)新，滿足列車在不同技術(shù)條件下更快捷的運行。源自同一個技術(shù)平臺開發(fā)出來的高鐵列車就形成了譜系化的產(chǎn)品，我們將這些產(chǎn)品以演進關(guān)系的視角繪制成圖形，就構(gòu)建了每個國家的高鐵列車譜系圖?；谏鲜鲋腥諆蓢哞F發(fā)展史，依據(jù)各型高鐵列車的開發(fā)時間、背景、技術(shù)同源性以及核心技術(shù)變化方面考量，繪制出兩個國家高鐵列車譜系圖，通過譜系圖來揭示兩個國家高鐵列車核心技術(shù)演化和技術(shù)創(chuàng)新路徑。

2.1 日本高鐵列車譜系圖構(gòu)建

日本以首臺0系高鐵列車構(gòu)建了本國高鐵列車技術(shù)框架，該型車從1964年使用到1999年才正式退役，足以證明其優(yōu)良的技術(shù)性能。為了實現(xiàn)列車高速化，日本圍繞列車 “提高速度、可靠性、環(huán)保性和舒適性”技術(shù)目標(biāo)，建立起高鐵列車自主開發(fā)技術(shù)平臺。在列車開發(fā)過程中，通過對各項技術(shù)目標(biāo)的創(chuàng)新，使得列車關(guān)鍵技術(shù)得以持續(xù)完善，并不斷衍化出新車型。

0系列車作為日本技術(shù)源頭，開啟了技術(shù)創(chuàng)新的道路。受到日本國內(nèi)供電方式制約，分為東海道線路和東北線路兩類列車譜系。其中，東海道線路平坦、環(huán)境氣候適宜，非常適合高鐵列車運行。因此，基于東海道線路開發(fā)出的列車在高速化方面做了大量技術(shù)創(chuàng)新，列車運行速度不斷被刷新。而東北線路多山區(qū)，線路存在坡度和彎道大、線路條件老舊、天氣寒冷的特點，所以在設(shè)計上還要考慮列車除雪、防寒和制動等特殊技術(shù)條件，基于此構(gòu)建了日本高鐵列車譜系圖，如圖2所示。以100系列車和200系列車為例，其中100系應(yīng)用在東海道線路，為了提高行駛速度，列車在0系基礎(chǔ)上優(yōu)化車體流線型設(shè)計，并增加牽引電機輸出功率，使得列車速度從0系210km/h提升到230km/h。而200系列車為了應(yīng)對東北線路高寒天氣，相比0系在車體上增加耐寒、耐風(fēng)雪設(shè)計，如在車頭上安裝除雪犁、車體材料變化和加大車內(nèi)供暖能力等。此外，試驗列車在日本高鐵列車自主開發(fā)過程中占據(jù)了重要位置。

日本高鐵試驗列車專門用于對列車新技術(shù)、新材料和新工藝等課題的探索，試驗列車的開發(fā)是在總結(jié)前期技術(shù)成果的基礎(chǔ)上對未來技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵺`研究。由圖2可知，日本擁有300X系和FASTECH360兩種試驗列車。其中，300X列車是1995年在300系技術(shù)平臺上開發(fā)的，目的是總結(jié)300系技術(shù)成果，尋求更理想的高鐵列車系統(tǒng)。 隨后，日本將300X列車技術(shù)應(yīng)用到500系列車上，使其最高速度達到300km/h。此外，F(xiàn)ASTECH360試驗列車項目的主要目標(biāo)是著眼于運行速度更高的列車，提高與航空系統(tǒng)的競爭性，并保持高速技術(shù)世界領(lǐng)先水平。集日本最先進的技術(shù)于一身，在設(shè)備可靠性、環(huán)境兼容性和舒適性等方面開展大量技術(shù)創(chuàng)新。列車于2005年開發(fā)完成，并將技術(shù)成果應(yīng)用于后續(xù)開發(fā)E5和E6兩款列車上，將日本高鐵列車運行速度提升到320km/h。

圖2 日本高鐵列車譜系圖

2.2中國高鐵列車譜系圖構(gòu)建

中國在2004年開始引入國外技術(shù)，開始了高鐵發(fā)展。按照速度等級，中國高鐵列車劃分為250km/h、350km/h和380km/h等級以及中國標(biāo)準(zhǔn)動車組 (見圖3)。中國從日本、法國和加拿大分別引入250km/h等級列車，從德國引進350km/h等級列車，并在國內(nèi)生產(chǎn)出第一代高鐵列車CRH1-5系列，以此為平臺開發(fā)出350km/h等級的CRH2C和380km/h等級的CRH380系列高鐵列車。這些列車雖然是基于國外技術(shù)平臺開發(fā)，但是通過對技術(shù)知識的學(xué)習(xí)和理解，中國實現(xiàn)了對列車核心部件的技術(shù)改進。此外，為了解決原型車引進過程中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問題 (歐洲和亞洲)，中國基于技術(shù)積累建立自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并開發(fā)出三種時速等級為CR400/300/200的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組。我們以CRH2A型列車為例，來探討高鐵列車的演進過程。

圖3 中國高鐵列車譜系圖

(1)從原型車到250km/h技術(shù)平臺建立。CRH2A型列車原型車是日本的E2-1000系，通過技術(shù)引進，設(shè)計人員不僅節(jié)省了大量原型車所必須的開發(fā)驗證流程，在列車引入后不需要大規(guī)模的技術(shù)驗證，只進行適應(yīng)性改進便實現(xiàn)了國內(nèi)生產(chǎn) (見表3)[19]。同時，還掌握了高鐵列車制造的關(guān)鍵技術(shù)，如鋁合金中空型材焊接車體、流線型頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計、高速轉(zhuǎn)向架等，極大提升了中國制造高鐵列車所需要的整車集成能力和關(guān)鍵部件制造能力，構(gòu)建了250hm/h等級技術(shù)平臺。

表3 由原型車E2-1000系到CRH2A型列車技術(shù)改進

(2)從250km/h～350km/h速度等級。為了進一步提升列車運行速度，在250km/h技術(shù)平臺基礎(chǔ)上進行技術(shù)創(chuàng)新，如增加牽引功率、車體輕量化等開發(fā)出CRH2C型高鐵列車，在2008年線路測試時，運行速度達到392km/h。CRH2C型列車開發(fā)構(gòu)建更高速度等級技術(shù)平臺 (350km/h)，也為后續(xù)CRH380A系列列車研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

(3)從350km/h～380km/h速度等級。由圖4可見，350km/h速度等級有CRH3C和CRH2C型兩款列車。CRH380系列列車在設(shè)計上延續(xù)了這兩款列車的技術(shù)特點，并對局部進行改進，如CRH380A型列車在CRH2C型列車基礎(chǔ)上改進了車頭流線型設(shè)計，以滿足列車高速化需求[20]。

(4)中國標(biāo)準(zhǔn)動車組技術(shù)平臺的構(gòu)建。由于中國從不同國家引進原型車，使得在國內(nèi)生產(chǎn)列車出現(xiàn)了歐洲和日本等不同國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了實現(xiàn)列車技術(shù)統(tǒng)型，中國開展了自主技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。通過大量數(shù)據(jù)測試和試驗，開發(fā)出中國標(biāo)準(zhǔn)動車組，實現(xiàn)了不同速度等級統(tǒng)一。

2.3 基于譜系圖的中日高鐵列車對比

為了更好地對比和分析中日兩國高鐵列車的發(fā)展和技術(shù)異同點，我們對兩個國家列車譜系圖進行比對，如圖4所示。

圖4 中日兩國譜系圖對比

通過比對可以看出，中日兩國的高鐵列車創(chuàng)新路徑存在差異性，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)技術(shù)特征不同。日本在高鐵列車譜系化過程中，表現(xiàn)出技術(shù)同源性。從0系列車開始并沒有借助外來技術(shù)，逐步實現(xiàn)了對列車性能改善，使得日本開發(fā)的每款列車都能看到0系列車的技術(shù)身影。中國則引入了4個國家技術(shù)，這為中國后續(xù)列車技術(shù)學(xué)習(xí)和列車維修通用性增加難度。

(2)列車開發(fā)路徑不同。日本始終堅持自主開發(fā)，形成產(chǎn)品譜系化。而中國通過引進技術(shù)學(xué)習(xí)，開發(fā)出不同速度等級高鐵列車技術(shù)平臺，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，實現(xiàn)了譜系化過程。

(3)發(fā)展歷程不同。日本從1964年開發(fā)出0系列車發(fā)展至今，經(jīng)歷50余年的時間，開發(fā)出20余款不同產(chǎn)品，其高鐵列車譜系化產(chǎn)品更加豐富。中國雖然是高鐵技術(shù)的后發(fā)國家，但是發(fā)展速度更快，經(jīng)歷十余年不懈努力，不論列車運行速度還是運營里程都位居世界首位。

3 基于技術(shù)要素和專利對中日兩國高鐵列車技術(shù)路徑進行分析

從譜系圖的視角來看，中日兩國創(chuàng)新路徑差異性較大，其中，日本呈現(xiàn)出自主創(chuàng)新模式特征。而中國則呈現(xiàn)出技術(shù)引進、技術(shù)學(xué)習(xí)、技術(shù)創(chuàng)新過程。為了更好地分析技術(shù)創(chuàng)新在高鐵列車開發(fā)過程中如何發(fā)生和演進，我們分別選取技術(shù)要素和專利兩個指標(biāo)對兩國高鐵創(chuàng)新路徑展開研究，并探討國外技術(shù)引進對中國自主創(chuàng)新的影響。

為了實現(xiàn)列車高速化，在列車設(shè)計上首先需要解決三個基礎(chǔ)理論問題，分別是流固耦合關(guān)系、輪軌關(guān)系和弓網(wǎng)關(guān)系理論。流固耦合關(guān)系是指列車在空氣中高速運行形成的獨特氣動特性；輪軌關(guān)系研究高鐵列車輪對與軌道之間的黏著機理；弓網(wǎng)關(guān)系研究受電弓和接觸網(wǎng)的作用機制。這三大基礎(chǔ)理論又牽涉到高鐵列車的7項核心技術(shù)要素[21-22]，如圖5所示。本文選擇4項核心技術(shù)要素 (列車空氣動力學(xué)、環(huán)境技術(shù)、車體輕量化、受電弓技術(shù)展開研究)來討論兩個國家的創(chuàng)新過程。其中，空氣動力學(xué)特性決定列車運行速度，氣動力性能越好，列車阻力越小，行駛速度越快。而列車在高速運行中產(chǎn)生空氣噪聲，影響周邊環(huán)境和旅客乘坐舒適性，因此這兩個指標(biāo)屬于列車流固耦合關(guān)系范疇。車體輕量化技術(shù)可以減輕列車軸重，降低輪軌之間的沖擊振動和噪聲，是解決輪軌關(guān)系的關(guān)鍵因素。列車集電性能反映受電弓和接觸網(wǎng)之間的復(fù)雜機電關(guān)系，由弓網(wǎng)關(guān)系決定。

圖5 高鐵列車核心技術(shù)要素

3.1 基于技術(shù)要素和專利對日本高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新路徑進行分析

本文選擇日本東海道線路的部分列車，對其技術(shù)創(chuàng)新特點進行匯總，見表4。由表4可見，隨著列車開發(fā)其核心技術(shù)得到優(yōu)化。改善列車空氣動力學(xué)特性，降低噪聲影響，是日本高鐵技術(shù)的主要挑戰(zhàn)[23]。從0系列車開始，逐步增加列車頭部長度，由最初0系4.4m延長到500系15m，優(yōu)化車體流線型設(shè)計，使列車外形設(shè)計更加平順，以獲得更好的空氣動力特性，降低列車高速運行帶來的噪音影響，列車運行速度提升到300km/h。在輕量化方面，車體材料應(yīng)用持續(xù)創(chuàng)新，從鋼板焊接車體到鋁合金材質(zhì)再到雙層大型中空鋁合金焊接，列車總體重量不斷下降。日本通過創(chuàng)新使得技術(shù)要素指標(biāo)不斷優(yōu)化，說明日本在產(chǎn)品開發(fā)中注重對關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了技術(shù)積累，呈現(xiàn)出自主創(chuàng)新特點，一直處于世界高鐵技術(shù)領(lǐng)先地位。

表4 日本高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新特點及應(yīng)用

專利技術(shù)是反映技術(shù)創(chuàng)新成果的重要指標(biāo)，通過專利技術(shù)信息不僅可以分析推斷出技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路徑[24]，還可以分析技術(shù)競爭態(tài)勢[5]。本文采用國際通用的IPC (International Patent Classification)進行專利技術(shù)領(lǐng)域分類。以DII數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，檢索專利的時間范圍為1967—2018年。通過文獻閱讀和試檢索，最終確定 (high-speed train or electric railway vehicle or bullet train or express train or high-speed vehicle or high-speed railway vehicle)為關(guān)鍵詞，剔除不相關(guān)的專利，截止到2018年共計檢索出4275條專利，利用數(shù)據(jù)分析工具Thomson Data Analyzer (TDA)實現(xiàn)對日本高鐵列車IPC分類號前5名的技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)計分析與數(shù)據(jù)清洗 (見表5)，了解日本高鐵列車專利技術(shù)分布以及主要創(chuàng)新領(lǐng)域。表5反映出日本IPC排名前5位的專利全部分布在三大基礎(chǔ)理論領(lǐng)域，說明日本更加關(guān)注對核心技術(shù)的創(chuàng)新。具體來說，日本開發(fā)過程中注重對列車動力學(xué)性能改善，在專利上反映在B61D (車體結(jié)構(gòu))和B23K (焊接技術(shù))方面專利較多。特別是為了改善車體輕量化，使用鋁合金板材，采用更加先進的焊接技術(shù) (B23K)，使得車體焊接結(jié)構(gòu)更具流線型，空氣阻力小。列車弓網(wǎng)關(guān)系也是專利主要集中領(lǐng)域，其中B60L側(cè)重于受電弓外形結(jié)構(gòu)和性能研究，從表4反映出的列車受電弓技術(shù)來看，隨著列車開發(fā)，受電弓結(jié)構(gòu)更加簡單、空氣阻力和氣動噪聲越來越小，B60M更多體現(xiàn)在供電線路性能變化，提升受流品質(zhì)。因此，表4和表5綜合分析發(fā)現(xiàn)，日本專利信息集中在高鐵列車核心技術(shù)領(lǐng)域，這是日本高鐵列車自主創(chuàng)新結(jié)果，通過對關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究提升技術(shù)能力。

表5 日本高鐵列車技術(shù)領(lǐng)域前5名的IPC分類

3.2 基于技術(shù)要素和專利對中國高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新路徑進行分析

從中國高鐵列車發(fā)展歷程得知，在20世紀(jì)80年代末期中國就已經(jīng)展開對高鐵建設(shè)的技術(shù)討論[16]。到了 “九五”期間，中國鐵路提速，構(gòu)建了160km/h速度等級列車技術(shù)平臺，并在2001年自主開發(fā)出270km/h中華之星號高鐵列車，這一期間中國高鐵列車技術(shù)得到迅速發(fā)展。例如在列車空氣動力學(xué)方面，通過線路測試完成了當(dāng)時中國高鐵列車的流線型外形結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了對中國鐵路列車空氣動力學(xué)行車安全評估[25]。然而，受制于當(dāng)時中國技術(shù)能力不足，以及鐵路開行線路速度等級低，使得后續(xù)高鐵列車開發(fā)受到影響。如20世紀(jì)90年代中國列車轉(zhuǎn)向架技術(shù)已基本達到了200km/h的技術(shù)水平，但由于高速鐵路線路少，造成200km/h轉(zhuǎn)向架技術(shù)無法得到足夠科學(xué)驗證，關(guān)鍵零部件也很難經(jīng)受長距離、長時間高速運行的考驗，轉(zhuǎn)向架技術(shù)很難有進一步發(fā)展[26]。因此，大規(guī)模建設(shè)高鐵和從國外引進先進技術(shù)成為中國重要選擇。

2004年隨著CRH動車組上線，給中國高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新帶來了機遇。先是利用國外技術(shù)搭建了250km/h技術(shù)平臺。隨著高鐵建設(shè)步伐加快，自主研發(fā)出CRH380型系列高鐵列車，構(gòu)建了中國350km/h及以上技術(shù)平臺，并通過標(biāo)準(zhǔn)動車組研發(fā)形成中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。我們以日本列車技術(shù)引進過程中轉(zhuǎn)向架技術(shù)要素變化，來討論中國從技術(shù)引進到自主創(chuàng)新演進過程 (見圖6)。在技術(shù)引進前，中國轉(zhuǎn)向架技術(shù)還停留在160km/h速度等級，隨著日本E2-1000型高鐵列車引入，中國開始了技術(shù)學(xué)習(xí)并進行本土化改進，以滿足國內(nèi)軌道線路需求，生產(chǎn)出CRH2型列車，使得轉(zhuǎn)向架技術(shù)迅速達到250km/h等級。再以CRH2型車技術(shù)平臺開展參數(shù)測定，獲得列車實際性能指標(biāo)，理解國外列車核心技術(shù)，以此設(shè)計出速度等級更高的350km/h試驗列車CRH-300型，并在京津城際線路中展開科學(xué)性驗證。為了設(shè)計更高速度的轉(zhuǎn)向架，在350km/h技術(shù)平臺上進行技術(shù)優(yōu)化，開發(fā)出新一代CRH380高鐵列車[27]。

從圖6所示的轉(zhuǎn)向架技術(shù)創(chuàng)新可以看出，國外技術(shù)引入為中國技術(shù)能力提升帶來極大幫助，中國依托國外技術(shù)平臺進行學(xué)習(xí) (如CRH2型列車參數(shù)測定)，理解核心技術(shù)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上開展創(chuàng)新，開發(fā)出速度等級更高的列車 (380km/h)，呈現(xiàn)出從技術(shù)引進—技術(shù)學(xué)習(xí)—技術(shù)創(chuàng)新過程。此外，利用專利信息來研究中國高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新。根據(jù)中國高鐵發(fā)展史，將中國高鐵列車專利發(fā)展分為以下三個階段，并利用TDA軟件對專利量進行分析。

圖6 技術(shù)引進—技術(shù)學(xué)習(xí)—技術(shù)創(chuàng)新過程：以列車轉(zhuǎn)向架技術(shù)為例

第一階段為2004年之前。中國開展高鐵列車?yán)碚撗芯?，并嘗試自主開發(fā)高鐵列車。第一階段專利申請量只有25個，主要分布在E01B (軌道及附屬線路上)，高鐵列車方面技術(shù)專利較少。說明當(dāng)時中國高鐵列車技術(shù)創(chuàng)新能力不足，這也印證了中國在引進技術(shù)之前嘗試自主開發(fā)高鐵列車遇阻的事實。

第二階段為2004—2012年，中國專利申請開始逐步增多，專利技術(shù)主要集中在車體結(jié)構(gòu) (B61D)、車輛參數(shù)測定 (G01M)、車輛制動器 (F16D)以及運行安全監(jiān)測 (B61L)等方面 (見表6)。反映出中國從國外引進技術(shù)后，對原型車開展了大量技術(shù)參數(shù)測定，并創(chuàng)新出測定工具和方法 (G01M)，根據(jù)這些參數(shù)對國外技術(shù)進行學(xué)習(xí)和理解，并開發(fā)出更高速度等級列車。在這個階段，車體部件 (B61D)領(lǐng)域?qū)＠疃?，集中在改善旅客乘坐舒適性 (B61D-027/00和B61D-033/00)方面。同時，也注重對列車制動系統(tǒng) (F16D)、牽引控制系統(tǒng) (B61C)和鐵路安全管理 (B61L)方面的創(chuàng)新。由此說明，中國并沒有止步于技術(shù)引進，而是利用國外原型車開展數(shù)據(jù)測量，理解列車核心技術(shù)，并在車體部件、制動和牽引控制等核心技術(shù)方面展開創(chuàng)新研究。

表6 高鐵列車技術(shù)領(lǐng)域前5的IPC分類 (2004—2012年)

第三階段為2013—2018年。在此階段，中國專利申請量急速增加，并呈現(xiàn)出對核心技術(shù)認(rèn)知。2012年開通的CRH380型列車雖然是中國自主研發(fā)的高鐵列車，但無論是列車最高運行速度還是列車性能都處于世界領(lǐng)先水平。然而，這些列車開發(fā)都是建立在國外原型車技術(shù)框架基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，很多核心部件都采用國外標(biāo)準(zhǔn)。如在輪軌關(guān)系中方面，CRH380A型列車車軸是按照歐洲EN13103-2010標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計[28]，CRH380系列列車轉(zhuǎn)向架鋼板使用的也多是歐洲和日本產(chǎn)品[29]。因此，盡快建立中國自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。從細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域來看，中國對核心技術(shù)研究在不斷加強。車體部件 (B61D)，特別是涉及車體結(jié)構(gòu)部件 (B61D-017/00)的專利仍排在首位，說明中國注重對車體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，使得列車空氣動力性能得到有效改善，列車速度再次提升。在機械部件測試方面 (G01M),主要專利集中在齒輪、車軸和軸承等影響輪軌關(guān)系的核心部件。在傳動結(jié)構(gòu)方面 (F16D)，專利仍然集中在列車制動領(lǐng)域，涉及制動盤成分、制動連接結(jié)構(gòu)，這些都屬于核心技術(shù)領(lǐng)域，對于高速行車具有關(guān)鍵意義。相比第二階段，在第三階段，電數(shù)據(jù)數(shù)字處理 (G06F)和冶金 (C22C)專利迅速增多。這是因為，在此階段隨著對國外技術(shù)研究不斷深入，大量CRH系列列車上線運行，使得中國獲得核心技術(shù)大量數(shù)據(jù)積累 (G01M)，利用計算機仿真技術(shù) (G06F)可以進行創(chuàng)新性的理論驗證工作，這為中國標(biāo)準(zhǔn)制定奠定了基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)列車國產(chǎn)化，擺脫對國外的技術(shù)依賴，中國在列車材料應(yīng)用方面圍繞車體輕量化技術(shù)和受電弓滑板等核心部件開展國產(chǎn)化，出現(xiàn)大量技術(shù)專利 (C22C)。第三階段的技術(shù)專利反映出，中國對國外技術(shù)學(xué)習(xí)更加深入，技術(shù)創(chuàng)新步伐加快，大量創(chuàng)新型專利 (B61D、F16D和C22C)出現(xiàn) (見表7)，促進了中國高鐵列車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，體現(xiàn)出對核心技術(shù)的認(rèn)知。

表7 高鐵列車技術(shù)領(lǐng)域前5的IPC分類 (2013—2018年)

3.3 中日兩國對比分析

從技術(shù)要素來看，中日兩國的技術(shù)創(chuàng)新模式有所不同。日本從最初0系列車建立起技術(shù)框架后，始終圍繞著關(guān)鍵核心技術(shù)展開創(chuàng)新，形成了譜系化的列車產(chǎn)品，使得技術(shù)能力不斷提升，幾十年以來日本的高鐵列車技術(shù)水平始終保持世界領(lǐng)先。中國高鐵列車最初也是以自主創(chuàng)新為主，然而受到技術(shù)能力限制，使得技術(shù)引進成為快速彌補技術(shù)差距的有效途徑。中國利用國外技術(shù)開展技術(shù)學(xué)習(xí)，使得自身技術(shù)能力得到增強，技術(shù)創(chuàng)新能力不斷提高。

從專利來看，日本的主要專利始終集中在三個基礎(chǔ)理論方面，說明日本在高鐵列車開發(fā)過程中注重對列車關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，這正是日本自主創(chuàng)新表現(xiàn)。而中國則表現(xiàn)出不同階段的特點。第一階段受制于當(dāng)時技術(shù)能力薄弱，高鐵列車技術(shù)專利較少。從第二階段開始，中國進入技術(shù)學(xué)習(xí)階段，并在車體外形設(shè)計、數(shù)據(jù)測定方法等方面進行了創(chuàng)新。到第三階段，中國對國外核心技術(shù)理解加深，大量涉及車體、制動和材料方面的專利增加。由此看出，中國利用積累起來的技術(shù)能力，正在逐步擺脫對國外關(guān)鍵核心技術(shù)依賴，特別是中國標(biāo)準(zhǔn)體系建立和標(biāo)準(zhǔn)動車組開行，標(biāo)志著中國開始邁入高鐵自主創(chuàng)新階段。

綜上所述，從技術(shù)要素和專利兩個維度對中日兩國創(chuàng)新路徑和創(chuàng)新模式分析可知，日本更加注重對高鐵核心技術(shù)的自主創(chuàng)新，具體表現(xiàn)在本國專利前5位主要集中在弓網(wǎng)、輪軌和流固耦合關(guān)系領(lǐng)域，使得日本高鐵列車產(chǎn)品性能不斷提升。而中國相比日本，在核心技術(shù)方面專利并不集中，雖然已經(jīng)有了很大進步，但是對重點技術(shù)領(lǐng)域如弓網(wǎng)關(guān)系、輪軌關(guān)系等專利量所占比重并不高，只有涉及流固耦合關(guān)系專利 (B61D)比較突出，說明中國高鐵在其他核心技術(shù)領(lǐng)域的研究仍需加強。

4 結(jié)論

(1)從譜系圖可以看出，中日兩國高鐵列車的技術(shù)發(fā)展路徑不同。日本在列車設(shè)計上呈現(xiàn)出技術(shù)同源性，其譜系化的列車產(chǎn)品都能看到0系列車身影。中國則引入了不同國家的列車技術(shù)，構(gòu)建了從時速250km/h—350km/h—380km/h的中國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)平臺，使得自身技術(shù)能力逐步提高。

(2)通過技術(shù)要素和專利兩個維度分析反映出，日本在高鐵列車開發(fā)過程中注重對核心技術(shù)研究，呈現(xiàn)出自主創(chuàng)新特點。而中國正在逐步擺脫對國外技術(shù)依賴，列車核心部件創(chuàng)新開始增多，不過部分核心部件創(chuàng)新能力不足仍需加強。

(3)對核心技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和突破是中國高鐵未來發(fā)展方向，無論是代表技術(shù)先進性的最高運行速度還是代表高鐵發(fā)展規(guī)模的運營里程，中國都處于世界首位。但是中國圍繞核心部件專利申請量所占比重相對較少，而大量數(shù)據(jù)測試和計算機仿真專利出現(xiàn)，說明中國高鐵仍然在核心技術(shù)方面沒有完全擺脫國外依賴。未來高鐵技術(shù)勢必圍繞著高速化持續(xù)發(fā)力，生產(chǎn)運行速度更快、安全舒適、綠色環(huán)保、智能化高鐵列車將是中國高鐵的未來方向。中國高鐵在未來創(chuàng)新發(fā)展中應(yīng)更加注重突破核心技術(shù)，將云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等先進技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)如受電弓、電機、電力電子和轉(zhuǎn)向架等結(jié)合，打造智能化高鐵列車產(chǎn)品，將中國高鐵發(fā)展成世界領(lǐng)先水平，實現(xiàn)中國高鐵 “走出去”戰(zhàn)略。