基于专利分析的全球节水灌溉工程技术发展态势

马建霞，王 芳，张 晶 ，胡文静

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院文献情报中心，兰州 730000；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京 101408；3.中国科学院地理资源所与科学研究所，北京 100101)

水资源紧缺是一个世界性的问题，农业是最主要的水资源消耗对象。农业用水占全球总用水量的70%，在一些非洲和亚洲国家，农业用水比例高达85% ～90%，因此水资源高效利用的核心是农业水资源高效利用[1]。随着世界性水资源、能源的日趋紧张，采用节水、节能的灌溉方法已经成为全球农业用水灌溉的总趋势，推广高效的节水灌溉措施已经成为世界各国缓解水资源危机和实现农业现代化的必由之路[2]。

节水灌溉工程技术包括了对各种水资源，如地表水、地下水、灌溉回归水、经过处理以后的污水以及土壤水和大气水等的充分、合理地利用，以提高水的有效利用率，实现农作物高产而采取的技术措施[3]。农业节水灌溉技术可以归纳为3种：工程节水、农艺节水和生物节水技术[4]。考虑到文献[5]已对生物节水技术的专利进行分析；文献[6]对农业节水进行了专利分析；文献[7]对滴灌技术进行了专利分析，但尚没有对节水灌溉工程技术领域进行专利分析的报道，本文将重点关注节水灌溉工程技术领域的专利分析。

当前全球各国都有哪些节水灌溉工程相关的技术？这些技术的发展态势怎样？节水灌溉工程技术研发的热点国家和区域如何？哪些企业是该领域的核心技术拥有者？领先的节水灌溉工程企业的技术布局如何？我国节水灌溉工程技术在全球节水灌溉工程技术研发界的位置和影响力如何？未来应加强哪方面的技术研发？这些问题是推进节水灌溉工程技术发展不可回避的问题。

本文从专利分析的角度对全球节水灌溉工程技术的发展现状和未来趋势进行了梳理，对全球节水灌溉工程技术专利的年度申请态势、专利类型和法律状态、研发活跃的国家、技术布局、研发活跃的机构进行了分析，并重点介绍了RAIN BIRD、HUNTER INDUSTRIES、NETAFIM的专利概况及区域布局、技术布局和重点专利，最后分析了国外节水灌溉工程技术的重点专利，并结合专利分析总结了节水灌溉工程技术的发展趋势和我国发展节水灌溉工程技术的建议。

1 研究方法与数据来源

本报告利用智慧芽专利分析平台，对中外节水灌溉工程技术专利进行系统检索。

所采用的关键词：(((( (灌溉 OR 浇水 OR (管道 AND 灌溉)) AND (节水 OR 省水 OR 节约用水)))) OR (管道防渗 OR 渠道防渗 OR 喷灌 OR 滴灌 OR 渗灌 OR 微灌 OR ((膜上 or 膜下) and灌)or 膜灌 )。

在获取初步检索结果后，利用IPC进行筛选，并将明显噪音专利剔除，进行专利数据的二次标引，利用Excel、智慧芽等对该领域的专利申请数据进行统计分析。检索时间为2020年6月，申请时间为2000-2020年，在116个国家/组织中共得到申请专利信息87 082件。

2 结果分析

2.1 年度专利申请态势

如图1所示，节水灌溉工程技术领域的专利年申请量从2000-2009年缓慢增长，年申请量在2 000 件左右，从2010年以后，进入快速增长时期。2017年申请量达到13 358 件的最大值。2018年申请量少许下降，可能与我国逐步重视专利申请质量的措施有关。一般情况下, 专利申请自受理起18个月才会公开，本文数据检索时间为2020年6月，因此申请量在2019年开始明显下降是合理现象。

图1 全球节水灌溉工程技术领域专利年度申请态势Fig.1 Annual patent application status of water saving irrigation engineering technology in the world

2.2 专利类型和法律状态

全球节水灌溉工程技术领域申请的专利中有效专利占32%；失效专利占40%；审中专利占21%；从申请专利的类型来看，发明专利申请占63%；实用新型专利占37%。从各类型有效专利占比看，有效的发明专利占23.2%，实用新型专利占76.8%(见图2)。

图2 全球节水灌溉工程技术领域专利法律状态及有效专利类型分布Fig.2 Legal status and type of patents in the field of water-saving irrigation engineering technology

可见该技术领域的有效专利以实用新型专利为主，偏重于应用，失效专利占比较大，该领域的专利维护情况不太好。

2.3 全球研发活跃国家

节水灌溉工程技术领域专利研发活跃的国家情况(专利技术来源国)如图3所示，中国机构的专利申请量64368件，占该领域专利申请量的73.9%排在第一位，远高于其他国家，这与2010年以来我国大力发展专利技术创新的政策有关。从全球来看，美国、俄罗斯、日本、韩国、德国、以色列、西班牙、法国、意大利都是灌溉工程技术专利申请活跃前10的国家。

图3 全球节水灌溉工程技术领域专利研发活跃国家Fig.3 TOP 10 Countries with most patent applications in the field of water-saving irrigation engineering technology in the world

2.4 技术区域布局状况

从专利的受理国分布可以分析全球节水灌溉工程技术的区域布局状况。全球节水灌溉工程技术专利的主要受理局除了中国43 859 件，排第1外，美国以4 082 件排第2，世界知识产权组织2 429 件排第3；俄罗斯、日本和韩国分别排第4、5、6。从该领域专利的五局流向表看，中国机构大多数在国内申请专利，仅有57件在美国申请、14件在欧洲申请、17件在日本申请、9件在韩国申请。而美国机构在中国申请了322 件，在欧洲申请了471件、日本申请了172 件。可见，该领域国内机构的专利国际布局仍有较大的提升空间(表1)。

表1 全球节水灌溉工程技术专利五局流向表Tab.1 Application direction of world water saving irrigation engineering technology patent between 5 main Patent Licensing Offices

2.5 全球专利技术布局

由于中国机构申请专利占70%以上，中国和美国专利布局的特点，代表了该领域全球专利布局的特点。表2展示了中美两国专利的TOP10 IPC分类占比。

表2 节水灌溉工程技术领域中美专利的IPC技术布局Tab.2 Comparison between China and USA patents in the field of water-saving irrigation engineering technology

美国申请专利占比最高的是浇水的控制(A01G25/16)，占比为17%，与之相关的比率控制(G05D11/00)、流量控制(G05D7/00)、以使用电装置为特征的流量控制(G05D7/06)、具有活动出口部件或活动偏转部件的喷洒装置(B05B15/00)、电的喷射设备或装置(G05B15/02)、用于控制流量，如备有可调通道(B05B1/30)等类目，美国专利占比分别为4%、3%和2%，而中国没有布局。

美国申请的专利在水、废水或污水的处理(C02F1/00)和使用数字处理装置控制(G05B19/042)占比均为3%，中国专利占比为1%。

中国申请专利占比最高的是用多孔管道或带喷头管道安装在地上的浇水装置(A01G25/02)，占比16%。中国申请的专利在取自雨水的集水方法(E03B3/02)占比为5%，美国没有布局；在加压撒布；撒布泥肥；施用液肥的浇水系统(A01C23/04)和施肥方法(A01C21/00)占比分别为8%和6%，美国申请专利仅占其申请总量的1%；中国专利在温室、促成温床或类似物等用的加热、通风、调温或浇水装置(A01G9/24)的专利占比(5%)略高于美国(3%)。

经对该领域申请专利进行人工标引分析，滴灌相关专利申请量最高，为17 074 件；其次是精准灌溉相关专利，有10 413 件；排在第三位的是喷灌相关专利。集雨灌溉受到业内重视有5 100 件左右；太阳能灌溉近年来也受到关注，有3 193 件。膜灌、地下滴灌、微灌均有1 000 件左右的申请量；可再生水灌溉也得到关注，有1 713 件申请(见图4)。

图4 各种灌溉工程技术专利申请量Fig.4 Number of patent applications of different kinds of water-saving irrigation engineering technology

2.6 全球专利研发活跃机构

从全球节水灌溉工程技术领域申请活跃的机构来看，雨鸟公司排第1，中国农业科学院农田灌溉研究所排第2；内塔芬有限公司排第3位；中国企业甘肃大禹节水股份有限公司和山东胜伟园林科技有限公司在该领域专利申请活跃，分别排申请活跃机构的第4、第5位。从有效专利的持有者排名来看，第1位的是RAIN BIRD, 甘肃大禹节水股份有限公司排第2位；内塔芬有限公司排第3位。从审中专利活跃机构看，恩普乐股份有限公司、中国农科院农田灌溉研究所、山东胜伟园林科技有限公司是近年来申请活跃的机构(见表3)。

表3 节水灌溉工程技术领域专利研发活跃机构Tab.3 Active patents R&D organization in the field of water-saving irrigation engineering technology

图5展现了国外机构在全球节水灌溉工程技术领域持有有效专利的TOP10机构，TOP10机构全部是企业。其中美国的RAIN BIRD排第1；以色列内塔芬有限公司排第2；美国猎人工业股份有限公司排第3；日本恩普乐股份有限公司(ENPLAS) 排第4；美国的托罗公司和琳赛股份有限公司排第5和第6；瑞典的HUSQVARNA排第7；俄罗斯的GOLUBENKO MIKHAIL IVANOVICH排第8；韩国的农村发展管理局排第9；美国的瓦尔蒙特工业股份有限公司排第10。

图5 节水灌溉工程技术有效专利国外持有机构TOP10Fig.5 Top10 Foreign patentee of valid patents in the field of water-saving irrigation engineering technology

2.7 重要节水灌溉工程技术公司

2.7.1 雨鸟公司(RAIN BIRD)

(1)概况。美国雨鸟公司(RAIN BIRD)成立于1933年，总部位于美国加州洛杉矶附近GLENDORA市。雨鸟总计申请876件专利。该公司生产四千多种喷灌、微灌设备。

(2)专利的技术布局。RAIN BIRD公司申请专利的主要概念包括：灌溉控制器、喷洒器、发射器、偏转器、数据通信、压力调节器、湿度传感、根部浇水单元。可见，该公司专利重点关注灌溉控制系统、喷洒器、偏转器、发射器等灌溉组建等。

(3)重点专利主题分析。RAIN BIRD公司的高被引专利中，多喷嘴(US4618100)被引用192次；灌溉控制系统的远程访问(US20090099701A1)被引用132次；其次是无线灌溉控制设备及相关方法(US6782310)，被引用117次；流量控制可调的电磁阀(US5213303)和灌溉控制和流量管理系统(US5229937)均被引用114次。灌溉控制器的开放模块化架构、模块化可扩展的灌溉控制器、齿轮传动喷水器、深根浇水单元、滴头、滚珠传动旋转喷灌机、基于天气的灌溉控制系统与方法、弹出式喷头的组合喷嘴装置和提升工具、中断灌溉传感器装置等也是倍受业界关注的专利。

RAINBIRD近5年申请了86件专利，其主题集中于基于传感器、无线适配器、微控制器的灌溉控制器，并注重在控制电路、解码器电路等方面布局；在基于压力补偿的构件，滴灌线、喷嘴、喷洒器方面的专利申请也都有近10件。

2.7.2 内塔芬有限公司(NETAFIM)

(1)概况。 耐特菲姆于1965年成立，目前在全球拥有29家子公司，17家工厂，近5 000 名员工，在110个国家开展业务。NETAFIM 的灌溉技术相关专利中，与滴灌相关的专利申请有301组共427条；与喷灌相关的46组共77条。

(2)技术布局。NETAFIM的以有效专利在滴灌方面，涉及滴灌的喷头、迷宫式滴灌管道、灌溉管道连接器、灌溉阀、滴灌管的管壁、交叉层压管、可生物降解的管道、喷灌方面涉及管道中水的脉动、旋转式喷头、旋转式喷灌机等、在精准灌溉方面，关键技术涉及用于精准灌溉测量土壤张力和压力的压力计、灌溉控制等。

(3)重点专利主题分析。NETAFIM的有效专利被引用最多的专利中，US8141589[8]设计了一种迷宫式通道，用于降低在通道中流动的液体中的压力和/或流速；US8511585[9]滴灌发射器、软管喷嘴(USD382936)、圆盘形滴头US7270280[10]是其滴灌的核心专利。AU2014202521B2[11]是灌溉控制系统，核心是一种用于测定土壤基质电位的张力计，而自动测定土壤湿度和张力是精准灌溉的关键技术。US10143130[12]废水灌溉的方法和设备等。其高被引专利的主题集中在滴灌发射器、灌水器、阀门、管道、旋转喷头、柔性隔膜等方面。

近5年来，Netafim公司的专利关注滴灌发射器、灌溉管道、织物层、滴灌发射器的膜、区域阀、控制头等。

2.7.3 猎人工业股份有限公司(HUNTER INDUSTRIES)

(1)概况。Hunter Industries是一家美国的家族企业，1983年，该公司将PGP齿轮驱动转子引入灌溉领域。其产品线包括从短距离和长距离的转子、喷雾器、阀门和控制器等。

(2)技术布局。Hunter Industries的专利集中于具有活动出口部件或活动偏转部件的喷洒装置。

近5年该公司关注电子灌溉控制器、包括齿轮传动装置、换向机构、密封件、旋转轴等的喷洒器，并关注照明控制模块和LED显示器。

(3)重点专利主题分析。Hunter Industries的被引次数高于50次的专利有71件；从Hunter Industries的高被引专利可知，该公司的核心技术主要在于灌溉控制器、可调节流量、弧度、流速的喷头，温度传感器、湿度传感器以及包括驱动喷洒器、喷洒头、偏转器、反射器、喷嘴、阻尼装置、旋转分配器、流动控制单元等在内的喷洒器单元方面。

2.8 基于重点专利的研究热点

2.8.1 高被引专利

该领域被引用次数超过50次的专利有213件，其中美国机构的专利有177件，占83%；中国申请的专利有16件，占7.51%。可见从专利反映的技术热点的角度看，中国专利任重道远。

高被引专利的IPC类目除了花园、田地、运动场等的浇水70件，占28%外，与灌溉控制相关的流量控制(45件，占18%)、比率控制(34件，占13.6%)、自动控制器(24件，占9.6%)、程序控制系统(15件，占6%)、计算机控制系统(9件，占3.6%)，可见，灌溉控制，尤其是自动控制是该领域的热点领域；此外喷射设备零件、喷洒装备等也受到业界关注。

从高被引专利的高频关键词看，基于灌溉计划的灌溉控制器、无线灌溉；具有控制系统的灌溉发射器、根据天气数据调整的灌溉计划和灌溉调度、具有阀装置、无线控制单元的喷洒器以及基于网络和灌溉控制器的灌溉管理系统；基于机器人的自动灌溉、温室大棚的灌溉系统；调节土壤pH值、柔性膜、压力传感器、精准灌溉等关键词出现频率较高。

表4展现了部分节水灌溉工程技术高被引的专利，由此可以看到节水灌溉工程技术领域近年来的研发热点：

表4 节水灌溉工程技术高被引专利Tab.4 Highly cited patens in the field of water-saving irrigation engineering technology

其中US6766817[13]是灌溉技术领域的基础的核心专利，该专利使用管状多孔微结构将流体从较高流体基质电位的区域引导至较低流体基质电位的区域。根据利用管状多孔微结构的每个区域中的流体基质势的状态，可以从具有差异流体基质势的不同区域可逆地输送流体。以这种方式，可以利用流体进行灌溉，排水，过滤，流体再充注和其他流体输送用途。该专利被引1 923 次。

表中的其他高被引专利全部是有关灌溉控制的，尤其是基于互联网、基于无线传感器、灌溉管理的分布式控制、湿度传感定时器等等，体现了节水灌溉领域精准灌溉、自动灌溉控制的趋势。

2.8.2 规模最大的专利家族

专利家族的规模越大，该技术获投资较多，其保护范围也越大，该专利对相关申请人的重要性也较高。从表5可以看到该领域专利家族最大的专利是 EP3638003A1[14],该专利面向用于设施农业在特定时间向生长荚内的植物(包括植物、嫩枝和种子)供应精确量的液体(例如水、养分、环境空气条件等)，以确保最佳生长，避免过多液体，该专利公开了用于在装配线生长吊舱中提供预订量流体的装置、系统和方法。

表5 节水灌溉工程技术TOP5专利家族的专利Tab.5 Top5 patent families in the field of water-saving irrigation engineering technology

KR101579067B1[15]，用于工业目的的水处理方法和系统；此外雨鸟的可扩展灌溉控制器有75个专利家族；利发利希奥公司的向植物根部灌溉含氧水的专利有74个专利家族；ENPLAS的发射器和滴灌管[16]有57个专利家族；NETAFIM的灌溉管道有54个专利家族；这些专利对相关申请人重要性较高，是申请人的核心技术。

2.8.3 权利要求数量最多的专利

表6展现了国外节水灌溉工程技术权利要求最多的专利。权利要求数量最多的专利，其技术的涉及范围更广。大量的权利要求项是为了保护多项技术，相应起草交底书的工作量也会很大，专利质量也会较高。

表6 节水灌溉工程技术权利要求数量TOP5的专利Tab.6 Top5 patents with the most number of right claims in the field of water-saving irrigation engineering technology

从权利要求数量角度看，工业物联网中具有大数据集的数据收集环境下的检测方法和系统(CN110073301A)有1 442项权利要求，该专利的示例工业系统包括用于田地或田地系统的灌溉系统。

自主的集成农作系统(WO2017106874A1)有349项权利要求；Hunter Industries的有关自动水量、灌溉用时、季节调整自动调节和管理的节水灌溉工程技术的专利权利要求数达到184项和134项；中国的新疆坎儿井灌溉技术有限责任公司申请的CN201510099591.7利用液压控制轮灌的方法其权利要求数为97项，是中国机构专利中权利要求较多的。

从节水灌溉工程技术重点专利来看，中国机构申请的专利在高被引专利、专利家族规模、专利权利要求、高价值专利等指标方面均罕见进入前列，说明中国机构申请的专利虽然数量众多，质量有待提升。

从节水灌溉工程技术的重点专利看，未来在基于互联网、无线网、传感器网络实时获得作物生长环境状况基础上,实时监测土壤湿度，根据季节，自动控制灌溉用水量、用时的精准灌溉技术、设施农业精准灌溉是未来发展的热点和趋势；污水处理用于灌溉的技术、水肥一体化技术也受到业内研发机构的重视。

3 结论与讨论

基于专利文献梳理节水灌溉领域的研发态势是一个较新的视角，有助于对世界各国节水灌溉工程技术研发实力进行客观把握。通过对专利的热点领域和重点专利的分析，有助于帮助相关研发人员把握该领域的研发态势，发现该领域的研发热点，并进而遴选亟待加强的研发领域。通过对国内外研发活跃机构的分析，也有助于相关机构关注潜在竞争对手，发现未来合作对象。通过分析核心技术拥有者，并进行其专利布局的分析，有助于开阔我国研发机构和人员的视野。本文重点对以工程节水和农艺节水和为主的节水灌溉工程技术进行系统的基于专利的分析。分析结论如下：

当前，全球节水灌溉工程技术领域专利研发进入快速增长期。中国是全球节水灌溉工程技术领域专利受理国中排名第1的国家。美、俄、日、韩、德、以等国是国外灌溉技术专利申请较为活跃的国家。从五局流向看，国外机构申请的专利除了在本国申请外，均重视在国外市场的布局，国内机构的专利国际布局仍有较大的提升空间。国内企业中，大禹节水集团、潍坊友容实业有限公司、山东胜伟盐碱地科技有限公司等机构研发活跃；中国农科院农田灌溉研究所、四川农业大学、西北农林科技大学、河海大学、江苏大学等在节水灌溉相关领域有较强的研发实力。国外的节水灌溉工程技术有效专利持有机构中美国的RAIN BIRD、HUNTER INDUSTRIES、以色列NETAFIM、日本ENPLAS和美国的托罗公司等机构是全球节水灌溉工程技术领域的佼佼者。高被引专利中，80%以上是美国专利，中国机构申请的专利虽然数量众多，质量有待提升。

在专利技术布局方面，美国申请专利占比最高的是浇水的控制，与之相关的比率控制(G05D11/00)、流量控制(G05D7/00)、以使用电装置为特征的流量控制(G05D7/06)、具有活动出口部件或活动偏转部件的喷洒装置(B05B15/00)、电的喷射设备或装置(G05B15/02)、用于控制流量，如备有可调通道(B05B1/30)等类目美国申请专利占比较高，而中国没有布局。

中国申请的专利在取自雨水的集水方法(E03B3/02)、在加压撒布；撒布泥肥；施用液肥的浇水系统(A01C23/04)和施肥方法(A01C21/00)、在温室、促成温床或类似物等用的加热、通风、调温或浇水装置(A01G9/24)方面比较有特色。

雨鸟公司的专利重视灌溉的自动控制及基于环境传感器的精准灌溉；Hunter公司的专利重视灌溉控制器和喷洒器单元；NETAFIM的专利特色在滴灌方面，并关注溉测量土壤张力和压力的压力计、灌溉控制等。

未来，一方面基于互联网、无线网、传感网实时获得不同作物生长环境状况基础上进行自动灌溉控制的精准灌溉技术是未来发展的热点和趋势；另一方面灌溉设备的喷洒器、管道、阀门、喷头、旋转分配器、偏转器等部件的精巧设计也是研发的重点；此外，太阳能灌溉、可再生水灌溉等也受到业内研发机构的重视，建议国内相关研发机构关注这几个领域，加大研发力度。

通过上述分析，我们也对我国节水灌溉工程技术的研发提出如下建议：

(1)关注专利这一关键的研发信息源，重视对国外生物节水专利文献的阅读、专利的检索和专利技术的利用。

(2)建议研发企业和院所关注国外重点研发机构的布局策略和技术动向，一方面做好新技术的监测跟踪和预警，另一方面注重自有核心技术的专利保护。关注国外重点研发机构尚未在国内布局的专利，及时部署力量开展针对性研发和专利布局。分析重点机构的失效专利，从中提取有益信息，启发研发思路。

(3)促进国内高校及科研院所与企业的产学研合作，发现生产中要解决的问题，针对现实需求，研发申请解决问题的专利，提升专利质量。

(4)做好国外专利的布局，以专利走出去保障企业市场走出去。