王金鳳，丁朝野，馮立杰，李 康

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

潛水電機(jī)是潛入水中運(yùn)行的一種電動機(jī)，是礦山水災(zāi)害救治、城市污水處理與排放、水利灌溉與排澇等的重要設(shè)備。但我國潛水電機(jī)在高性能、高密封性和高能效等方面存在的諸多技術(shù)難題，亟待開展?jié)撍姍C(jī)技術(shù)創(chuàng)新[1-3]。而基于專利作為前沿技術(shù)的載體，本文將在檢索與分析我國潛水電機(jī)制造專利的基礎(chǔ)上，綜合利用專利管理地圖與專利技術(shù)地圖及社會網(wǎng)絡(luò)分析方法，分析潛水電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，為我國潛水電機(jī)技術(shù)構(gòu)建海量專利信息下的技術(shù)創(chuàng)新路徑提供有益的參考[4]。

潛水電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的分段式結(jié)構(gòu)。其中，轉(zhuǎn)子由位于同一軸上的獨(dú)立籠式轉(zhuǎn)子單元組成[5]。早在1904年，美國Byron Jakson公司研制出了臥式連接的潛水電泵[6]。直到20世紀(jì)30年代，德國的Pleuger公司、英國的Hayward Tyler公司和日本的HITACHI公司等相繼涉足潛水電機(jī)的制造[7]。得益于潛水電泵在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料等領(lǐng)域的不斷改進(jìn)，潛水電機(jī)的應(yīng)用場景不斷擴(kuò)展，相關(guān)研究也日益深入。文獻(xiàn)[8]為解決潛水電泵井內(nèi)工況躍變問題，建立了基于TRIZ的技術(shù)矛盾沖突矩陣對潛水電泵制造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，以拓展?jié)撍姍C(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，該研究首次將創(chuàng)新理論應(yīng)用于潛水電泵技術(shù)領(lǐng)域。

為了進(jìn)一步改善電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的能效不足問題，我國實(shí)施了為期3年的《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2013—2015年)》，該計(jì)劃對促進(jìn)潛水電機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研發(fā)、全面促進(jìn)我國電機(jī)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級起到了積極而重要的作用。但截至目前，我國潛水電泵行業(yè)整體上仍存在諸多問題，如基礎(chǔ)研究薄弱、缺少核心關(guān)鍵技術(shù)、低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩和產(chǎn)品缺乏市場競爭力等[9]，這些問題嚴(yán)重制約著我國潛水電機(jī)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

以往較多的文獻(xiàn)主要集中在潛水電機(jī)的材料及工況等方面，多為針對性探討如何具體解決潛水電機(jī)相關(guān)技術(shù)問題，從專利角度對我國潛水電機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析的文獻(xiàn)卻少有報(bào)道。專利作為特定技術(shù)的重要載體，通過專利分析，可以有效預(yù)測該領(lǐng)域未來技術(shù)的發(fā)展方向，繼而研判該產(chǎn)業(yè)的競爭態(tài)勢[10-11]?；诖?，本文擬從我國近30年潛水電機(jī)的專利信息中挖掘其動態(tài)技術(shù)發(fā)展趨勢，為構(gòu)建海量專利信息下的潛水電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新路徑提供參考依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

根據(jù)專利分析的目的及側(cè)重點(diǎn)不同，可將專利劃分為專利管理圖和專利技術(shù)圖[11]。其中，專利管理圖是將專利信息按時間和申請人等變量進(jìn)行歸納，從而映射該領(lǐng)域的整體經(jīng)營和發(fā)展?fàn)顩r[12]；專利技術(shù)圖是將專利信息進(jìn)行技術(shù)生命周期分析、IPC分類分析和功效矩陣分析[10]，從而解析該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢、技術(shù)創(chuàng)新重心及核心技術(shù)領(lǐng)域識別等信息。

本文綜合運(yùn)用專利管理圖和專利技術(shù)圖，通過國家知識產(chǎn)權(quán)局檢索平臺共檢索1990—2019年的6 391條專利。但鑒于與潛水電機(jī)有關(guān)的專利在數(shù)據(jù)庫中存在較多的應(yīng)用類型，而本文聚焦于潛水電機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。因此，本文建立的搜索策略從發(fā)明名稱關(guān)鍵詞入手，經(jīng)過進(jìn)一步篩選，最終得到了與潛水電機(jī)設(shè)計(jì)制造有關(guān)的826項(xiàng)專利，見表1。

表1 我國潛水電機(jī)設(shè)計(jì)制造專利檢索概覽Tab.1 Overview of patent retrieval for submersiblemotor design and manufacturing in my country

2 基于專利管理地圖的潛水電機(jī)制造技術(shù)

2.1 時間序列分析

我國與潛水電機(jī)設(shè)計(jì)制造有關(guān)的826項(xiàng)專利中，實(shí)用新型專利的申請數(shù)量584項(xiàng)，占比70.7%；發(fā)明專利申請數(shù)量225項(xiàng)，占比27.2%；外觀設(shè)計(jì)專利的申請數(shù)量較少，為17項(xiàng)，占比2.1%(表2)。

表2 我國潛水電機(jī)專利構(gòu)成Tab.2 Patent composition of submersible motors in my country

通過對上述3種類型專利每年申請量的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到1990—2019年間3種類別專利的申請量趨勢圖，如圖1所示。1990—2000年，我國潛水電機(jī)設(shè)計(jì)制造相關(guān)專利總申請數(shù)量較少，發(fā)展緩慢?？赡艿脑蛴?個：①由于我國潛水電機(jī)領(lǐng)域經(jīng)歷了20世紀(jì)70—80年代的大規(guī)模生產(chǎn)與產(chǎn)品研發(fā)，使得該期間的電機(jī)性能能夠滿足市場需求，加之當(dāng)時企業(yè)非常重視制造成本的節(jié)約，所以較少考慮如何對電機(jī)制造技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。②企業(yè)對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識淡薄。從2001年開始，相關(guān)專利申請數(shù)量在波動中呈快速上升趨勢，不僅表明市場急需新型的潛水電機(jī)滿足適用性要求，同時表明該技術(shù)處于快速發(fā)展中；從2008年開始，相關(guān)專利申請快速增長，技術(shù)發(fā)展迅速，2018年總量達(dá)102項(xiàng)；從2019年開始，申請總量相較2018年下滑較多且發(fā)明專利減少，但整體申請總量趨勢仍然呈上升趨勢，表明我國潛水電機(jī)技術(shù)進(jìn)入到了成熟期。

圖1 1990—2019年我國潛水電機(jī)專利申請量趨勢Fig.1 Trends in the number of patent applications for submersible motors in my country from 1990 to 2019

2.2 申請人構(gòu)成及空間分析

通過對1990—2019年我國潛水電機(jī)專利申請人類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到申請人分布構(gòu)成，我國潛水電機(jī)專利申請人可分為企業(yè)、科研單位、大專院校和個人4大類。其中，企業(yè)專利申請量占比近80%，個人申請量占比16%，大專院校申請量占比3%，科研單位申請量占比2%。顯然，企業(yè)作為潛水電機(jī)專利申請量占比最多的主體，究其主要原因是企業(yè)追求該領(lǐng)域的潛在商業(yè)價值作為自身創(chuàng)新的驅(qū)動力，以市場需求為導(dǎo)向不斷開展技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)自身競爭力與增加企業(yè)利潤的效果。由此說明了我國潛水電機(jī)領(lǐng)域企業(yè)的創(chuàng)新活動活躍，市場對潛水電機(jī)的需求增高。

通過對1990—2019年我國潛水電機(jī)專利分析不難發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的主要研發(fā)力量以及該領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢領(lǐng)軍企業(yè)。對該項(xiàng)技術(shù)的主要專利申請人及其申請數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(前20位)如圖2所示。

圖2 1990—2019年我國潛水電機(jī)專利主要申請人及申請數(shù)量Fig.2 Distribution of applicants for submersible motors in my country from 1990 to 2019

由圖2可知，我國潛水電機(jī)專利權(quán)人主要為企業(yè)。專利申請量的前20名占據(jù)總潛水電機(jī)專利申請量32.1%。合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司為我國潛水電機(jī)申請專利數(shù)量最多的企業(yè)，曾開發(fā)了中國第1臺軍用潛水電機(jī)、第1臺變頻潛水電機(jī)、國內(nèi)外第1臺揚(yáng)程850 m、功率4 000 kW的大型礦用潛水電泵等[13]，該企業(yè)在潛水電泵領(lǐng)域擁有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力與技術(shù)儲備。

3 基于專利技術(shù)地圖的潛水電機(jī)制造技術(shù)

3.1 技術(shù)生命周期分析

技術(shù)生命周期分析是專利定量分析中最為常用的方法之一。通過分析專利技術(shù)所處的不同發(fā)展階段，可以推測出未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，其針對的研究對象可以是某項(xiàng)專利文獻(xiàn)所代表技術(shù)的生命周期，也可以是某一技術(shù)領(lǐng)域的整體技術(shù)生命周期。

本文采用技術(shù)生長率、技術(shù)成熟度、技術(shù)衰退系數(shù)和新技術(shù)特征系數(shù)來測算我國潛水電機(jī)專利的技術(shù)生命周期。主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 技術(shù)生命周期計(jì)算公式及其內(nèi)涵Tab.2 Calculation formula of technology life cycle and its connotation

根據(jù)上述參數(shù)的含義及計(jì)算公式，即可得出我國潛水電機(jī)專利技術(shù)生命周期參數(shù)的變動情況，如圖3所示。

圖3 1990—2019年我國潛水電機(jī)專利技術(shù)生命周期Fig.3 Distribution of applicants for submersible motors in my country from 1990 to 2019

由圖3可知，技術(shù)生長率在1999—2007年的波動較大；1995年與2008年技術(shù)生長率均出現(xiàn)0的情況；技術(shù)生長率的最大值出現(xiàn)在1992年(高達(dá)100%)，這種情況的出現(xiàn)是由于過去5年均未有相關(guān)發(fā)明專利，直至1992年才出現(xiàn)2項(xiàng)發(fā)明專利。另外，技術(shù)生長率在2006年與2015年出現(xiàn)2次較大幅度的增長，表明該時期技術(shù)處于成長期；2008—2019年，技術(shù)生長率先波動增長后回落，該階段為我國潛水電機(jī)專利申請的爆發(fā)期。

根據(jù)圖3可知，技術(shù)成熟度分別在1998年、2000年、2005年、2008年與2012年出現(xiàn)5次增長點(diǎn)，表明該5年的潛水電機(jī)在該方面相關(guān)技術(shù)有所突破，由此帶動了專利申請量的提升。在此階段，潛水電機(jī)技術(shù)處于成長期，未出現(xiàn)技術(shù)衰退。

2015—2019年，技術(shù)成熟度開始緩慢回落，表明潛水電機(jī)技術(shù)進(jìn)入到了成熟期，尤其是技術(shù)衰退系數(shù)自2006年以來一直維持在較高水平，表明該技術(shù)尚未進(jìn)入衰退期。新技術(shù)特征系數(shù)與技術(shù)成熟度趨勢類似，2014年后新技術(shù)特征系數(shù)開始下降，新技術(shù)特征減弱、技術(shù)開發(fā)潛力降低，表明此時的潛水電機(jī)技術(shù)進(jìn)入到了成熟期。

3.2 專利技術(shù)IPC的分類分析

對專利的IPC分類號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到該領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)構(gòu)成情況以及創(chuàng)新主題關(guān)注的技術(shù)焦點(diǎn)等信息。通過對潛水電機(jī)專利分類號的統(tǒng)計(jì)分析，得到826項(xiàng)專利分類號出現(xiàn)頻率較高的IPC分類(大類)，見表3。由表3可知，我國潛水電機(jī)1990—2019年的專利主要集中在：H02(發(fā)電、變電或配電)、F04(液體變?nèi)菔綑C(jī)械；液體泵或彈性流體泵)、H01(基本電氣元件)、C08(有機(jī)高分子化合物，相關(guān)制備或化學(xué)加工，相關(guān)基料組合物)、F16(工程元件或部件，為產(chǎn)生和保持機(jī)器或設(shè)備有效運(yùn)行的一般措施，一般絕熱)和G01(測量、測試)等技術(shù)領(lǐng)域。

表3 1990—2019年我國潛水電機(jī)專利主要IPC分類Tab.3 Main IPC classifications of my country′s submersible motor patents from 1990 to 2019

上述重點(diǎn)集中在H02、F04和H01技術(shù)領(lǐng)域，其中涉及H02領(lǐng)域的專利646項(xiàng)、F04領(lǐng)域的專利97項(xiàng)、H01領(lǐng)域的專利43項(xiàng)。

從所得數(shù)據(jù)分析可知，我國潛水電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在液體泵與流體泵、廢水處理、水利工程、采礦、農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)、給排水和船舶設(shè)備等。其中，泵類應(yīng)用為主流應(yīng)用場景，其他領(lǐng)域的應(yīng)用程度較低：H01、F16和B23占比分別為5.7%、2.4%和1.1%，這3項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，我國潛水電機(jī)設(shè)計(jì)制造涉及絕熱、絕緣材料及與加工工藝有關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新占比較少(G05占比僅為0.3%)。表明目前我國潛水電機(jī)兩化(工業(yè)化與信息化)融合程度不夠，尤其是在智能制造和高質(zhì)量發(fā)展方面創(chuàng)新動力不足，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和集成創(chuàng)新方面的創(chuàng)新活力較低。

3.3 申請人—技術(shù)矩陣分析

通過對潛水電機(jī)專利權(quán)人及其IPC分類分析，可以得到該企業(yè)在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)及努力方向。在對潛水電機(jī)專利IPC分類進(jìn)一步處理基礎(chǔ)上，可得到826項(xiàng)專利分類號出現(xiàn)頻率最高的前10項(xiàng)IPC分類(大組)，見表4。上述10項(xiàng)細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域在潛水電機(jī)專利中占比81.7%，這些細(xì)分領(lǐng)域大多被視為潛水電機(jī)的核心技術(shù)領(lǐng)域。

表4 1990—2019年我國潛水電機(jī)專利主要IPC分類Tab.4 Main IPC classifications of my country′s submersible motor patents from 1990 to 2019

以圖2所示的前20家企業(yè)與上述10項(xiàng)細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域作為研究對象，探究其在潛水電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)及努力方向，通過建立申請人—技術(shù)矩陣進(jìn)行可視化展示結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在潛水電機(jī)領(lǐng)域，不同企業(yè)的創(chuàng)新方向可能迥異。如合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司申請的專利涉及的細(xì)分領(lǐng)域較廣，多集中在H02K/00和H02K1/00，表明該企業(yè)在電機(jī)外罩與磁路零部件方面有著較為強(qiáng)勁的技術(shù)研發(fā)實(shí)力，尤其是生產(chǎn)設(shè)備的密封性和電機(jī)性能較高；沈陽眾創(chuàng)高科節(jié)能電機(jī)技術(shù)有限公司申請的專利細(xì)分領(lǐng)域集中在H02K15/00，表明該企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備更注重日常維護(hù)修理的便捷性；天津振達(dá)泵業(yè)有限公司申請的專利細(xì)分領(lǐng)域集中在H02K/00和F04D29/00，表明該企業(yè)在電機(jī)外罩與電路控制裝置方面有著較強(qiáng)的創(chuàng)新性，其生產(chǎn)設(shè)備的密封性、穩(wěn)定性及自動化程度均較高。圖4中的20家企業(yè)均保有各自的技術(shù)優(yōu)勢，同時，這些細(xì)分領(lǐng)域的技術(shù)均為市場所高度關(guān)注。

圖4 1990—2019年我國潛水電機(jī)專利主要申請人及其技術(shù)領(lǐng)域Fig.4 Main applicants for patents of submersible motors in my country and their technical fields from 1990 to 2019

4 技術(shù)領(lǐng)域的社會網(wǎng)絡(luò)分析

對專利文本數(shù)據(jù)采用Python中Jieba庫進(jìn)行分詞處理，然后對分詞結(jié)果進(jìn)行文本清洗——包括去除文本中數(shù)字、序號和標(biāo)點(diǎn)符號等無關(guān)內(nèi)容，建立了適用于領(lǐng)域?qū)＠谋镜耐Ｔ~表，該停詞表在《哈工大停詞表》的基礎(chǔ)上增加3 443個與領(lǐng)域?qū)＠麩o關(guān)停詞。另外，由于專利文本中存在較多的無關(guān)信息，經(jīng)過詞性篩選只保留名詞、動詞、形容詞和副詞等詞性單詞，這是因?yàn)檫@幾種詞性單詞具有更加明確的實(shí)際意義，能囊括文本90%的信息。

在對專利數(shù)據(jù)進(jìn)行上述預(yù)處理后，基于篩選后的數(shù)據(jù)建立技術(shù)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)矩陣，通過Gephi軟件對共現(xiàn)矩陣進(jìn)行可視化，該軟件不僅能夠可視化領(lǐng)域知識元素，還可以統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)的本身屬性[14]。將社會網(wǎng)絡(luò)分析法應(yīng)用于共詞分析，共詞分析能夠展示領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。其中，關(guān)鍵詞可以視作節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)越中心則越核心，詞與詞之間的關(guān)系由節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系來表示，點(diǎn)之間聯(lián)系越多，其結(jié)構(gòu)就越緊密，如圖5所示。

圖5 潛水電機(jī)技術(shù)關(guān)鍵的共現(xiàn)分析Fig.5 Co-occurrence analysis of the key to submersible motor technology

可以通過網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點(diǎn)的中心性(在一定程度上反映了該節(jié)點(diǎn)重要性的指標(biāo))可知，軸承、散熱、密封、絕緣、冷卻、繞組、電纜、防砂、永磁、電壓、轉(zhuǎn)速和功率等是該領(lǐng)域的核心節(jié)點(diǎn)，也是該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文在檢索我國潛水電機(jī)專利的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用專利管理地圖與專利技術(shù)地圖理論及社會網(wǎng)絡(luò)分析方法對其進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論與建議。

(1)從專利申請量變動情況看，我國潛水電機(jī)近10年專利申請量總體呈波動上升趨勢。對此，建議進(jìn)一步加大知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度，切實(shí)制定一攬子政策鼓勵更多的研發(fā)人員參與相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。

(2)從現(xiàn)有專利構(gòu)成情況看，我國潛水電機(jī)近10年的專利多為非關(guān)鍵核心技術(shù)專利。對此，建議政府及相關(guān)部門加大對潛水電機(jī)的重大、關(guān)鍵性技術(shù)研發(fā)投入力度，以加快促進(jìn)我國潛水電機(jī)實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)的突破。

(3)從技術(shù)生命周期參數(shù)走勢看，目前我國潛水電機(jī)技術(shù)處于技術(shù)成熟期，且未出現(xiàn)技術(shù)衰退特征，擁有的新技術(shù)開發(fā)潛力較小。可能的一個原因是關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。對此，建議我國政府及相關(guān)主管部門加大對潛水電機(jī)技術(shù)的政策支持力度，協(xié)助企業(yè)盡快突破技術(shù)瓶頸的制約；同時還應(yīng)設(shè)法促進(jìn)高校和科研單位與企業(yè)之間的產(chǎn)學(xué)研合作，以盡快縮短我國潛水電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)突破的進(jìn)程。

(4)從專利的IPC分布看，首先，我國潛水電機(jī)主要應(yīng)用于泵類，企業(yè)可嘗試擴(kuò)展其應(yīng)用邊界，探尋更大業(yè)務(wù)領(lǐng)域的可能；其次，涉及潛水電機(jī)絕熱、絕緣材料和與加工工藝有關(guān)的專利占比較低，由此可能阻滯潛水電機(jī)制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，加之潛水電機(jī)的兩化潛水電機(jī)程度不高，智能制造創(chuàng)新受阻。對此，建議相關(guān)企業(yè)應(yīng)注重加強(qiáng)兩化融合領(lǐng)域、提升設(shè)備智能化水平以擴(kuò)大潛水電機(jī)的應(yīng)用場景和設(shè)備質(zhì)量效率，加大對相關(guān)材料的研發(fā)投入，以加快潛水電機(jī)技術(shù)的成熟度。

(5)從社會網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)分布來看，潛水電機(jī)技術(shù)主要的創(chuàng)新導(dǎo)向?yàn)檩S承、散熱、密封、絕緣、冷卻、繞組、電纜、防砂、永磁、電壓、轉(zhuǎn)速和功率等，而上述熱點(diǎn)也是市場關(guān)注且重要的電機(jī)需求功能。企業(yè)應(yīng)繼續(xù)追尋市場需求技術(shù)，時刻關(guān)注上述熱點(diǎn)領(lǐng)域的市場需求變化，不斷開拓創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)潛水電機(jī)的高質(zhì)量發(fā)展。