基于专利计量的区块链技术发展现状及关键技术分析

刘建明，颜学明

(1.广东省科学技术情报研究所，广东广州 510033；2.广东外语外贸大学，广东广州 510420)

区块链技术起源于化名为“中本聪”的学者在2008 年发表的奠基性论文“比特币：一种点对点电子现金系统”［1］。区块链技术兴起带来的不仅是数字货币的变革，其所代表的去中心化分布式计算范式将可能深刻改变世界的组织、管理模式，带来众多新的应用。区块链的不可篡改性、可追溯性有望成为构建全球可信赖网络的关键核心技术，必将为遭受新冠肺炎疫情冲击下的全球经济复苏提供可信赖的基础平台［2］。目前，全球已有多个国家和地区为发展区块链技术和产业出台了相关政策或法律法规。2019 年10 月24 日，习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习上强调，把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展，积极推进区块链和经济社会融合发展［3］。

1 文献综述

近年来，区块链技术已成为学术界和产业界的研究热点之一［4］。本研究在中国知网中检索2008—2020 年发表的区块链论文，共检索到25 663 篇，从2008 年的1 篇到2016 年的39 篇，随后几年论文数量呈爆发式增长，2020 年论文数达到9 610 篇，研究的领域主要涉及去中心化方法、分布式账本、金融科技、加密货币等。

国内外文献对于区块链技术的研究大致可以分为三大类。第一类是对区块链技术原理和机理的相关研究，例如，涂奔等［5］研究私有区块链的信息保护预测模型；范捷等［6］研究基于拜占庭容错的区块链共识机制等。第二类是区块链技术应用方面的研究，利用区块链技术对金融、物流、政务等行业或者领域进行改造，应用场景包括保险理赔、食品溯源、电子合同和电子发票等,例如，卢瑶瑶等［7］研究区块链技术在保险行业上的应用；宋立丰等［8］利用区块链整合商业模式。第三类属于区块链政策建议，基于文献计量的方法对区块链技术进行分析，为政府部门和相关行业提供决策咨询与参考，促进区块链技术与行业的发展，如王薇薇等［9］利用Web of Science 数据库对2008—2020 年区块链领域发表的论文数量、国家和地区分布、核心机构等进行分析，对全球区块链技术的发展趋势和主要研究机构进行了总结；商琦等［10］基于 IncoPat 专利检索数据库对全球区块链技术专利情报进行检索策略、申请趋势、技术应用区域和创新机构竞争态势分析,并对核心专利进行深度挖掘；翟通等［11］利用IncoPat 专利检索数据库对中国区块链专利文献数据进行文献计量和文本聚类分析，分析了中国区块链产业的现状和研究热点，为中国区块链产业健康发展提供参考；刘星等［12］基于德温特专利数据库，采用专利分析法和社交网络分析法对中美区块链的专利信息从3个维度进行了深入分析，并从政府层面、行业层面和企业层面分别提出了若干对策建议；黄海峰等［13］基于德温特数据库分析了区块链技术发展现状和热点技术，利用RSI 指数对区块链技术的国际竞争态势进行了深入了分析；雷孝平等［14］采用文献计量的方式，从区块链发展趋势、研发人员和机构情况以及热点技术等多个维度对区块链技术进行分析，并对中国区块链技术的发展提出了相关对策建议；张海营［15］运用专利计量理论对区块链专利数据进行定量分析和聚类分析，重点研究了中美两国区块链技术专利布局的领域分布与技术方向，并提出中国区块链技术专利布局的策略；徐飞飞［16］采用文献计量和主题模型方法分析了全球区块链10 年的专利数据，研究全球区块链技术的研究热点以及中国与世界其他各国的区块链技术发展情况，分别从国家层面和企业层面提出了若干建议；王玲等［17］重点对区块链典型机构的专利申请量、IPC 分类进行了深入分析和挖掘，以期掌握中国区块链产业发展趋势，并为区块链企业制定战略提供决策参考。

总的来说，国内外学者从论文文献和专利文献对区块链技术进行研究，为本研究提供了借鉴参考。本研究采用专利计量和社会网络的分析方法，对全球及中国区块链技术的发展趋势和演变情况、典型机构和高被引专利进行全方位、立体式分析和挖掘，以期为中国区块链技术的发展提供有价值的政策建议。

2 研究方法与数据来源

本研究主要采用专利计量的分析方法，包括技术发展趋势、专利地域分布、专利引证分析，结合社会网络分析方法对专利技术分类进行共现分析。首先，采用UCINET 软件对区块链专利申请数据进行技术领域共现分析来识别重要技术领域［18］；其次，采用NetDraw 可视化程序用来描绘技术领域的相关关系，以发掘关联密切的技术领域；最后，采用面、线、点结合的分析方法，按照全球和国内区块链专利分析->某个技术领域分析->典型机构专利分析逻辑，全方位、立体式剖析区块链技术发展趋势。

研究涉及的专利数据主要来源于智慧芽全球专利数据库，其拥有超过1.5 亿件全球专利数据，覆盖126 个国家和地区［19］。本研究主要分析区块链技术发展趋势，为了不遗漏任何与区块链相关的专利文献，故而检索关键词为“区块链 or blockchain”，检索范围包括标题、摘要和权利要求；考虑到区块链技术从2008 年才问世，2020 年的发明专利申请公开有所延迟，因此，专利检索年份只到2019 年,故而检索的时间跨度选择2008 年1 月1 日至2019 年12月31 日；此外，由于发明专利申请存在多版本的重复数据，只检索最新显示的公开发明专利文本。最终共检索得到34 660 条专利记录。

3 区块链技术发展概况

3.1 全球专利申请趋势分析

从区块链专利申请数据来看，全球专利申请量总体上呈现快速增长，根据专利申请量的时间分布，大体上可以将区块链技术生命周期分为两个阶段（见图1）：

图1 全球历年区块链专利申请数量

（1）2008—2014 年是区块链技术的萌芽期。在这个阶段，区块链专利文献增长非常缓慢，每年专利申请量均未超过50 件，尤其是2014 年以前的年度专利申请量仅只有个位数，区块链可能处于学术研究阶段。比特币作为区块链的第一个产品对于金融市场的冲击是前所未有的，然而作为新鲜事物尚未被人们接受和认可，区块链技术在这个阶段处于萌芽时期。

（2）2015—2019 年是区块链技术的快速发展期。在这个阶段，区块链专利申请量从2015 年的150 件快速增长至2019 年的15 383 件，年均增速高达218.2%，尤其是2017—2018 年，专利申请量从4 280 件激增至13 444 件，几乎呈现90 度的直线性增长趋势。这主要是由于比特币等虚拟货币逐渐被公众所接受，价格也不断攀升，区块链的去中心化和不可篡改等优良品质被大众所认可；与此同时，中美两国对区块链技术高度重视，从国家层面出台了多份促进区块链技术发展的政策文件。2018 年，中国专利局受理的区块链专利申请量达到6 825 件，占全球区块链专利当年申请总量的一半以上，这主要是得益于中国从国家到地方出台了一系列有益于区块链快速发展的政策。

从专利申请趋势来看，目前区块链技术仍处于快速发展期，并未走向成熟期。

3.2 全球专利地域分布分析

通过对全球不同国家或地区的区块链专利申请情况进行分析，可以一窥区块链技术在各国家或地区的发展情况，借此分析区块链专利在全球的布局情况。从受理专利申请数据来看，区块链专利主要分布在中国、美国、韩国、欧洲、日本等国家或地区（见图2）。其中，中国在2008—2019 年的区块链专利申请量累计达到17 090 件，居全球首位，数量是第二位美国（5 640 件）的3 倍，比美国、韩国、欧洲、日本的申请量之和还要多。

图2 2008—2019 年全球主要国家或地区区块链专利申请数量

分年度来看，如图3 所示，2015 年以前，中国、美国等5 个国家或地区的专利申请量基本保持齐头并进；2017 年以后，中国和美国专利申请量明显快于韩国、欧洲和日本，中国在2018 年以后的专利申请量可谓“一枝独秀”，表现非常抢眼，把其他4个国家或地区远远甩在后面。中国区块链专利申请量快速增长的原因可能有：一是近年来中国大力实施“互联网+”战略，打造数字经济新优势，催生出一系列新应用、新服务，涉及到区块链核心的分布式计算、加密算法也有了长足的发展。二是从国家到地方出台了一系列促进区块链技术发展的强有力政策，为区块链技术和产业的发展提供了良好的政策环境，例如，2016 年12 月，《国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知》首次将区块链技术列为战略性前沿技术进行超前布局；2017 年7 月，《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》提到要将区块链技术与人工智能的融合，建立新型社会信用体系，最大限度降低人际交往成本和风险。三是随着中国综合国力的不断增强，中国的科技实力也是一跃千里，政府加大了对区块链等新兴技术的研发投入，希望在下一轮科技革命和产业变革中占据一席之地。四是以比特币为代表的区块链技术自带的数字货币技术为中国的金融市场注入了新的“血液”，对中国的金融制度改革起到了推动作用。

图3 全球主要国家或地区历年区块链专利申请数量

3.3 中国区块链发展概况

通过对中国专利局受理的区块链专利数据进行分析，可以大致了解到国内区块链技术的发展趋势、申请人类型和地区分布情况。

从发展趋势来看，中国区块链技术发展趋势基本上与全球保持一致，2008—2014 年也是区块链技术发展的萌芽期，2015—2019 年是蓬勃发展期（见图4），主要得益于政府对于区块链技术的高度重视，从国家相关部委到地方政府都出台了一系列促进区块链技术发展的政策。

图4 中国区块链历年专利申请数量

表1 列举了2008—2019 年中国31 个省、自治区、直辖市（未含港澳台地区）的区块链专利申请量。依据《中国统计年鉴2020》关于东部、中部、西部和东北地区的划分标准，从表1 数据来看，区块链专利申请量前10 名中有7 个东部省份、2 个西部省份，中部地区的湖北省是唯一入围的省份。其中，东部地区主要集中在广东、北京、浙江、上海、江苏，东部地区的区块链专利申请量占全国区块链专利申请总量的八成以上，基本上与地区经济发达程度相一致；西部的四川、陕西表现也很亮眼，其区块链专利申请量进入全国前十强。

表1 2008—2019 年中国区块链专利申请地区分布

表1（续）

4 区块链关键技术分析

4.1 热点技术分析

为了进一步探究区块链热点技术的发展趋势，以国际专利分类（IPC）为分类标准进行专利技术领域分析，摸清区块链技术的主要发展路径。表2 列举了全球区块链专利申请前10 位的IPC 大组类，即全球十大热点技术领域。其中专利申请量最大的是G06Q20 类，这类专利主要聚焦在支付相关技术，包括支付体系结构、支付方案和支付协议等。这主要是由于区块链技术发源于比特币，天生带有金融属性，据比特币交易网站火币网［20］的数据显示，比特币24 h 的交易额高达13.8 亿美元，占全球虚拟货币的23%；其次，由区块链技术衍生出大量的虚拟货币，包括以太坊、莱特币等，成为区块链支付领域的新应用。此外，火币网［20］的数据还显示，全球虚拟货币总市值达到了8 000 多亿元，促进了资本的流通。专利申请量排名第2 至第4 位的H04L9（保密或者安全通信装置）、H04L29（装置、设备、电路和系统）、G06F21（安全装置）类属于区块链底层保密和安全相关的基础技术。加密算法属于区块链的核心技术之一，区块链上的账户信息是通过加密算法加密后存储，正是由于加密算法的不断完善，反过来促进了区块链金融服务的发展。区块链对G06Q30（电子商务）、G06Q50（公共事业或旅游）等类别的技术领域具有催化作用，催生出一系列“区块链+”应用。此外，专利申请量排名第9 位的G06Q10（行政；管理）类反映出区块链在政府治理中的应用，区块链技术在推进政府治理体系建设、提高政府治理能力方面迈出了新的步伐。

表2 2008—2019 年全球区块链十大热点技术领域

4.2 专利IPC 共现分析

专利共现分析是指一个专利同时属于多个IPC分类号，通过统计专利IPC 分类号在专利文献中共同出现的次数，可以发现技术领域之间的交叉合作情况，这对技术的关联关系分析和发展趋势预测具有十分重要的意义［21］。考虑到IPC 分类大组能较好地体现技术特征，对于IPC 分类共现关系具有较大的实用价值，因此本研究基于智慧芽专利数据库对区块链技术的IPC 大组进行自关联分析，手工提取共现次数较多的IPC 分类号，并通过研究IPC 共现网络对技术领域做共现分析。社会网络分析中的度中心性是刻画节点中心性最重要的指标［22］，网络节点的点度中心度越大，表明该节点与其他节点的连接最多，在整个网络中的重要程度越高，反映出IPC 分类号代表的技术领域越重要。点度中心度的计算公式如下：

表3 2008—2019 年全球区块链专利IPC 分类号点度中心度

图5 2008—2019 年全球区块链专利IPC 分类大组关联网络

从表2 和表3 来看，并非专利申请量大的IPC分类号其点度中心度数值就越大，例如G06Q20 类的专利申请量最大，然而作为网络节点的点度中心度数值反而排在H04L9 类后面，说明H04L9 未来有可能成为区块链技术中的核心技术部分，主要是因为安全和保密已成为区块链技术最本质的特征之一。

4.3 典型机构和高被引专利分析

通过统计全球区块链专利申请人的情况发现，专利申请量排在前10 位（见表4）的申请人中有7家为中国企业，2 家为美国企业，1 家为英国企业。其中，阿里巴巴集团控股有限公司（含其海外注册企业）共申请1 940 件专利；排名第二的创新先进技术有限公司是蚂蚁金服集团的子公司，其区块链专利均由阿里巴巴集团控股有限公司转让，阿里巴巴集团凭借雄厚的财力、强大的技术实力，从2016年开始在区块链技术上进行专利布局，到2019 年专利申请量高达1 178 件；英国的恩链控股有限公司是一家专注于区块链解决方案的企业，从IPC 分类来看，其涉及区块链底层的保密或安全通信装置技术领域的专利申请量最大，可以看出恩链控股有限公司主要在区块链的底层技术进行布局，极有可能成为全球掌握区块链核心技术的企业；IBM 公司的专利申请量位居全球第五，但是平均每件专利的被引用数却超过前面4 家企业，说明IBM 公司的区块链专利质量较高；万事达卡国际股份有限公司在支付领域深耕细作多年，区块链专利申请量虽然只有383 件，远低于阿里系企业的专利，但是平均每件专利的被引用数却高于阿里巴巴集团控股有限公司,说明该公司拥有大量区块链的高价值核心专利。

表4 2008—2019 年全球排名前十的区块链专利申请人情况

为深入挖掘区块链技术的基础性、奠基性专利，本研究对所检索到的专利被引用情况进行分析。参考邱均平等［23］的研究，考虑到区块链属于新兴技术，定义被引用次数超过100 次以上的专利为高被引专利。从表5 数据来看，高被引专利主要分布在美国、中国、加拿大、瑞士、韩国。其中，美国的高被引专利数量达到7 件，排在首位，占全球高被引专利总量的一半以上，专利被引用次数高达1 066 次；中国的高被引专利为2 件，位居第二，专利被引用次数达到303 次；加拿大、瑞士、韩国各有1 件高被引专利。从专利权人来看，大部分高被引专利都是来自企业，尤其是金融业企业。其中，美国万事达卡国际股份有限公司就有4 件高被引专利；加拿大超过八成的高被引专利来自银行，多伦多道明银行亦有4 件高被引专利；中国的高被引专利权人更为多元化，只有2 家企业直接从事金融行业，上海如鸽投资有限公司的高被引专利与资产数字化认证有关，创新先进技术有限公司的高被引专利是利用区块链的加密特性对数据进行隐私保护。从高被引专利来看，中国的区块链技术发展方向更为多元化、多样化，已经从金融行业延伸到其他行业，未来可能会产生更多的区块链应用场景。

表5 2008—2019 年全球高被引区块链专利主要信息

5 研究结论与建议

5.1 研究结论

本研究运用专利计量的方法对全球和国内区块链技术发展趋势进行了分析，从专利申请趋势、专利地域分布、IPC 重点技术领域、IPC 共现分析、典型机构和高被引专利等方面进行分析。根据分析的结果，可以得出以下结论：

（1）保密或安全通信装置、支付体系机构、方案或协议等技术领域已成为区块链的热点技术，区块链的保密和安全特性越来越受到重视，该技术领域的专利申请量已逼近支付系统结构的专利申请量，区块链底层技术的专利申请也呈现逐年递增的趋势。

（2）全球区块链技术正处于快速发展期，中美两国是区块链技术的领跑者。中国是全球区块链技术专利申请量最多的国家，在区块链产业具有规模优势，尤其在运用区块链技术进行政府治理处于国际领先地位。但从专利质量来看，中国的区块链专利同美国比还存在一定的差距，高被引的基础性专利和从事底层技术开发的基础性企业仍然较弱，未来亟需加强核心技术研发，提高核心技术的竞争力。

（3）广东、北京、浙江等东部发达省份的区块链专利申请尤为活跃，陕西、四川两个西部省份的专利申请数据较为亮眼，申请量和引用次数较多的专利全部来自东部省份，说明东部省份的区块链企业大而强。

5.2 政策建议

在新一轮科技革命和产业变革的浪潮下，区块链技术作为一种新兴技术将推动不同领域的技术变革，区块链技术正处于蓬勃发展期，基于国内外区块链技术发展现状和分析，提出如下建议：

（1）从国家层面做好区块链产业技术发展的顶层设计，加大研发投入。聚焦区块链技术的基础理论和区块链系统构建等共性关键技术研究，尤其在智能合约、分布式账本、加密算法等“基础设施”上提高研究水平，面向区块链最前沿的技术，把握区块链技术世界最前沿的选题，积极推进国家重点研发项目之区块链重点专项，大力实施揭榜挂帅制度，鼓励高等学校、大院大所和行业龙头企业深度参与项目攻关。不断深化产学研合作机制，鼓励科研人员与企业工程师自由流动，提高科技成果转化效益和整体效能。围绕区块链技术制定相关法律法规和条例，完善政策体系建设，加强信息安全保护和监管，营造良好的技术发展环境。

（2）加快区块链技术产业化应用，大力发展“区块链+”应用。以“区块链+金融”为引领示范，带动区块链在物流、政务、制造业等领域的应用，通过打造一批示范性应用项目，鼓励产业链上中下游企业主体积极主动参与，培育“区块链+”类型的行业龙头领军企业和一批“专精特新”的创新型中小企业群，培养出一大批优秀的区块链产业人才，形成大中小微企业分工明晰、相互融通的产业集群。促进区块链与大数据、云计算、人工智能、5G 等新一代信息技术深度融合，在各领域实现普遍应用，壮大产业主体，实现产业基础化和产业链现代化，建设世界先进的区块链产业体系。

（3）支持广东、北京、浙江、上海、江苏等区块链产业基础较好的东部地区面向制造业等实体经济和民生服务等重点领域开展示范应用工程。鼓励阿里巴巴集团、腾讯公司等大型互联网企业利用区块链技术改造传统产业、开辟新应用，打造区块链全链条应用和服务，引领整个行业快速健康发展。支持和鼓励广东等地区立足实际，研究制定支持区块链产业发展的政策措施，完善用地、投融资、人才等方面的要素保障；鼓励有条件的地区构建区块链产业孵化环境，推动区块链产业发展。鼓励从政府到企业建立区块链孵化器，建立区块链的应用孵化环境，以项目为主导推动区块链应用孵化，加速产业成熟。

（4）企业是创新的主体，积极整合政策、市场、资本、人才等资源，培育一批具有国际竞争力的区块链独角兽企业。推进区块链技术专利导航计划和专利预警机制，鼓励企业走出去，在全球范围内申请奠基性专利，努力打造一批拥有自主知识产权、具有国际竞争力的拳头产品。倡导企业积极参与国际开源社区建设，产出一批优秀的开源项目，加强国内外企业的合作交流，提高企业的研发能力和国际影响力，构建良性互动的开源社区生态系统。鼓励区块链龙头企业积极参与国际标准、国家标准和行业标准的制定，促进智能合约、加密算法、隐私保护等区块链重点技术领域相关标准在国内落地实施，提高中国区块链企业在国际上的话语权。