基于incoPat的盾构技术专利文献计量分析

张敏 李新丹 董晓琳

摘要：制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。盾构机和盾构施工是继高铁之后又一张国家名片，也是河南加快培育的10大新兴产业之一。本文以incoPat为数据来源，从技术构成、技术申请、技术分布等角度分析了盾构机的专利布局，为我国盾构相关产业的发展提供有关专利分析和数据参考。

关键词：盾构机;盾构隧道掘进机;盾构技术

1 引言

盾构机，全称盾构隧道掘进机。在隧道工程建设中较常用，与传统施工方式相比，盾构法具有施工安全、环保、操作方便、工程质量高、占地资源少、劳动强度低等特点。盾构机自发明至今已有180多年的历史，第一台盾构机由英国发明，后经日本、德国不断发展壮大[2]。目前，盾构机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政管网、过江隧道、水电等隧道工程。

早前盾构机国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产，国产盾构机从无到有，目前我国已经掌握了自主设计制造盾构机的能力。当前，我国以盾构机为主的全断面隧道掘进机市场迎来重要发展机遇，主要源于两方面：一是以轨道交通为代表的城市基础设施建设;二是中国制造战略的实施和“一带一路”倡议的推进。河南省按照“创新驱动、智能转型、高端引领、基础支撑”的思路，全面推进河南省装备制造业结构升级、创新升级、制造升级、品牌升级，培育了一批具有国际竞争力的高端装备，以盾构装备等4个优势产业跨越提升，领军全国。

2 目前国内盾构机研发现状综述

受制于核心关键设备的缺失，我国盾构机的制造技术和市场曾长期被国外公司垄断。近年来，通过自主创新，我国已掌握了盾构机的自主设计制造能力，并在国内市场取得了主导地位，在出口方面也呈现出稳步增长的态势。2014年5月，习近平总书记在中铁工程装备集团有限公司视察时提出要推进“中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变”。中铁装备集团牢记嘱托，于2015年10月份将自主研制的矩形盾构机首次出口新加坡，开创了国产矩形盾构机走出国门的先河。2016年3月份，中铁装备出口以色列的首台大直径土压平衡盾构机下线，创下了国产盾构机出口海外的最大订单纪录。2019年8月21日，中铁装备集团自主研制的两台土压平衡盾构机出口丹麦，这是我国自主研制的盾构机首次出口北欧国家。

此外国内盾构机新产品层出不穷，屡破纪录。2017年8月，一台直径15.01米，长130米的超大直径盾构机在广州下线，这是国内最大直径海底隧道盾构机。2018年中铁装备自主研制的世界首台马蹄形盾构机施工的蒙华铁路白城隧道项目凭借“采用大断面马蹄形的土压平衡盾构方法首次应用于黄土隧道”荣获“国际隧道协会2018年度技术创新项目奖”，该獎项为国际隧道界最高奖。2019年12月，两台应用于巴黎地铁16号线的大直径土压平衡盾构机在中铁工程装备集团郑州基地正式下线，将远渡重洋为巴黎地铁建设贡献力量。这是中国盾构机第一次反向出口到世界盾构机的发源地和制造强国。2020年8月中铁装备联合中铁隧道局、中信重工研制的国内首台15米级超大直径盾构机成功穿越汕头海湾，谱写我国跨江越海隧道建设新篇章。

3 数据来源

在incoPat专利信息平台，利用高级检索功能，在标题和摘要中限定关键词，包括盾构、隧道掘进机以及英文翻译词为“tunnel boring machine”“shield machine”和TBM，进行数据检索。

专利数据提取时间截至日期为2020年8月12日，筛选出截止到检索日专利文本34 329条，合并发明专利申请和授权文本后为27 957件专利。

检索表达式为（tiab=盾构 or tiab=隧道掘进机 or tiab=（（tunnel （w） boring （w） machine$） or “shield machine”）or tiab=TBM） and （pd<=20200812）。

4 数据分析

4.1 趋势分析

4.1.1 申请趋势。自2001—2012年盾构领域的申请专利数维持在1 000件以下，处于平稳期;在2014年突破了1 000件，且在2018年达到了峰值3 241件，处于快速增长期（图1）。

4.1.2 公开趋势。盾构领域的专利公开量的发展趋势与申请量的总体趋势相同，在2019年达到峰值3 375件（图2）。

4.2 技术分析

4.2.1 技术构成。从专利技术构成分布看（表1），E21D用于竖井、隧道、平硐、地下室（土壤调节材料或土壤稳定材料入C09K17/00;采矿或采石用的钻机、开采机械、截割机入E21C;安全装置、运输、救护、通风或排水入E21F的技术方向最突出，占78.71%，也是研发方向热度最高，与其它的技术构成形成鲜明对比（图3）。

4.2.2 技术申请趋势。图4进一步展示了各技术在不同年份的专利权人发展趋势，E21D技术分类专利申请趋势从2001年开始，在2018年达到了峰值，说明一直处于研究的热点，也是技术发展最早;B60J电动车辆动力装置技术专利自2006年一直处于上升趋势;E21F技术专利自2016年开始有少量专利，2018年、2019年开始增长;G01N自2015年一直有少量专利申请。专利技术申请数据表明近5年在竖井、隧道、平硐、地下室等用的钻机、开采机械是热门技术和目前研究的发展方向。

4.2.3 技术公开趋势。E21D类技术公开的专利数是最多的，呈一直持续上升趋势，且专利最集中。2017年到2019年爆发式增长，于2019年达到高峰。

4.5 技术全球分布

我国是盾构专利技术最多的国家，其中E21D和E21F技术分类专利数最多;其次日本在E21D领域和中国专利比肩，其余国家、地区或组织专利数量明显减少（图5）。

4.6 技术中国省市分布

在我国盾构技术专利主要分布在河南、北京、上海、江苏、广东、四川、湖北、山东、湖南和天津等省市，其中河南省在E21D、B65G、F15B技术分类中专利数最多;北京在E21F、E02D、G06F技术分类中专利数最多;上海在G01N、G01M、G01B、C04B技术分类中专利最多;江苏在B66C技术分类中专利最多（图6）。

4.7 申请人分析

4.7.1 申请人排名。2009年至今为中国盾构技术发展的跨越期，中国致力于“造世界最好的盾构”，中国盾构技术发展从优秀到卓越，并走向国际。中国盾构自主创新能力显著提高，涌现出多家优秀的盾构设计制造企业，包括中铁工程装备集团、中国铁建重工集团、中交天和机械设备制造有限公司、上海隧道、北方重工集团、辽宁三三工业有限公司等企业[3]，其中中铁工程装备集团有限公司申请专利最多，达到了870项，taisei corp为696项，kajima corp公司546项，其它的申请人的专利数都在200件以上（图7）。

4.7.2 中国申请人类型构成。从图8可以看出，国内企业申请盾构领域的专利数量远远超过其他申请人，达到10 942件，排名第二的大专院系为2 765件。

4.7.3 申请人技术构成。图9进一步明确申请人在技术专利分布情况，E21D、E21F技术领域最具有竞争力的是中铁工程装备集团有限公司、taisei corp和kajima corp;E02D技术领域最具有竞争力的是taisei corp、kajima corp;G01M技术领域最具有竞争力的是中铁工程装备集团有限公司。

4.7.4 发明人排名。程永亮、kaneko kenichi、刘飞香、贾连辉等为该技术或申请人的核心技术人才（图10）。

4.7.5 发明人技术构成。城市地铁隧道的最大特点是曲线多、半径小，在未来城市地下管线密布的狭小空间为实现复杂交叉、复杂重叠、急弯曲线穿越等困难施工，可能大量采用母子盾构、可变断面盾构、H&V盾构等特种装备。同时，未来长距离、竖井-区间隧道一体化施工的趋势也将以采用球形盾构等特种装备为基础[4]。几乎所有发明人都是在E21D技术分类专利数最多，其中程永亮在该技术分类中专利数最多;肖明清在E21F技术分类的专利数领先其它发明人;uemura makoto在E02D技術分类的专利数领先其它发明人（图11）。

4.8 地域分析

4.8.1 全球地域排名。盾构领域专利主要分布在中国，总数达到了14 046，其次是日本，为8 480（图12）。

4.8.2 中国省市排名。盾构领域的中国专利河南省数量最多，其次为北京、上海和江苏，说明河南在盾构领域技术在全国占有一席之地（图13）。盾构领域的中国专利类型分布，发明申请7 138件、实用新型6 747件、发明授权14件、外观设计147件。

5 结语

盾构技术自诞生以来，至今已有近200年的历史，目前正朝着“超大断面、深覆土、长距离”的方向发展，在此期间，盾构技术的专利申请量起起伏伏，呈现螺旋上升的趋势[5]。

盾构技术虽始于英国，但是发展于日本、德国，特别是日本在盾构领域的专利布局也具有较大优势。日本的 taisei corp公司数量最多，kajima corp、kawasaki heavy ind ltd等公司实力也很雄厚，德国一些企业在盾构技术领域也具有一定专利积累。中铁工程装备集团有限公司是国内盾构技术领域专利申请量较多的，其他企业包括上海合既得动氢机器有限公司等在盾构某些领域也非常突出。

从盾构技术相关的专利申请年度发展趋势看，国外经历了20世纪70年代初期到90年代初期的缓慢上升阶段、从1994年到2000年左右的高速发展期，之后申请量稍微回落，至2010年后申请量再次增速加快。盾构E21D类（竖井、隧道、平硐、地下室）一直是申请量最多的大类。随着世界以及我国城镇化的发展，地铁等轨道交通的大范围建设，给盾构机的使用带来巨大的潜在市场。掌握盾构机器以及相关的掘进关键技术，进而全面实现国产化就显得尤为必要。国内在开展相关研究过程中，一方面需要加强对国外同类技术的分析，技术借鉴的同时，注意避免侵权风险的发生，一方面加快专利全球布局，抢占市场先机，实现技术弯道超车。

参考文献：

[1] 国务院.中国制造2025国发〔2015〕28号.2015-5-19.

[2] 任洁，高丙欢，刘国威.盾构机分类与构造概述[J].现代制造技术与装备，2018（09）：151-153.

[3] 陈馈，杨延栋.中国盾构制造新技术与发展趋势[J].隧道建设，2017，37（03）：276-284.

[4] 何川，封坤，方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南交通大学学报，2015，50（01）：97-109.

[5] 李小永.盾构技术专利分析[J].中国发明与专利，2018，15（02）：74-77.