基于专利分析的自动驾驶汽车技术发展动态与竞争态势研究

吴盛豪， 郑素丽， 廖佳佳

(1.中国计量大学 经济与管理学院， 杭州 310018； 2.国家知识产权局专利检索咨询中心， 北京 100088)

自动驾驶技术是新一轮科技革命与汽车产业结合的颠覆性成果，因其融合多种前沿科技并具有巨大的产业带动力，已成为主要发达国家数字经济中优先布局的重点领域[1-3]。根据美国汽车工程师学会(SAE)的分类标准，驾驶自动化水平可分为6个级别：其中L1～L3为自动驾驶系统辅助人类驾驶，L4 为人类辅助自动驾驶系统，L5 则达到完全的自动驾驶[4]。尽管完全的自动驾驶汽车还有数年才能进入市场[2]，但由于其在智能、安全、环保等方面的广阔前景[5-6]，各国政府纷纷加快对自动驾驶技术的规划布局[7]。早在2013年美国就制定了自动驾驶测试相关标准，用于支持自动驾驶技术的发展和推广，并在2020年发布了自动驾驶4.0计划以确保自己的领先地位。日本在2013年将自动驾驶系统研发上升到国家战略高度，并提出自动驾驶商用化时间表，于2021年3月发布了《面向实现和普及自动驾驶的措施报告与方针》。中国在2015年将智能网联汽车列入未来十年国家智能制造发展的重要领域，并且高度重视其市场化与实用化的应用。当前，自动驾驶技术发展方兴未艾，不同国家和企业依托各自的优势技术进行着激烈的竞争。在此背景下，如何科学研判自动驾驶汽车技术的未来发展趋势和竞争态势，对产业健康发展和企业战略的有效制定具有重要意义。

专利是衡量产业创新活动的一个重要指标[8-9]，近几年国内外学者利用专利信息对自动驾驶技术的申请趋势、技术热点、转移和扩散规律等问题进行了较为深入的讨论[10-11]。李昌等基于WI-LDA主题模型分析了自动驾驶汽车的技术主题研究热度与发展态势[12]。翟东升和张京先利用专利技术共现网络分析了自动驾驶汽车技术融合演化规律和当前研究热点[13]。Li等基于社会网络分析和专利定量比较对自动驾驶技术的未来发展方向进行了预测[14]，Nieuwenhuijsen等利用系统动力学方法对自动驾驶汽车技术的长期扩散趋势进行了预测和仿真[15]。总体而言，已有研究主要从技术层面出发对具体技术和总体趋势进行讨论，对国家和创新主体层面的综合竞争态势分析还较少涉及。基于此，本文将分别从全球整体态势、国际竞争态势和专利权人竞争态势3个层面，逐层深入地解析自动驾驶汽车技术竞争的现状、特征和趋势，在此基础上为中国自动驾驶汽车产业有效参与全球技术竞争提供针对性建议。

1 研究思路和方法

1.1 研究思路框架

专利是科学研究和技术发展最为重要的信息来源，对专利情报的分析和有效利用有助于对产业技术发展状况、技术竞争主要领域、竞争对手竞争能力等关键竞争态势进行预测和判断，从而帮助相关国家/产业/企业获取竞争优势[16-17]。随着新科技革命的加速推进和产业技术竞争的日趋激烈，国内外学者对典型技术领域的竞争态势进行了详细的讨论[16,18]。总体而言，技术竞争态势分析包括全局性态势和竞争者态势两大类型[19]，在具体内容上包括技术生命周期分析、技术领域分析、区域布局分析、专利组合分析等方面[17,20-21]。

为了全面系统地分析自动驾驶汽车技术领域的竞争态势，本文从整体发展态势、国际竞争态势和主要专利权人竞争态势3个层面对产业技术竞争态势进行分析。总体发展态势方面，主要从自动驾驶汽车技术的发展阶段和关键技术领域进行阐述；国际竞争态势方面，首先通过主要国家专利申请趋势和专利国际布局明确其技术布局概况，在此基础上通过综合竞争力的比较确定不同国家的竞争态势，明确中国在自动驾驶汽车技术竞争格局中所处的位置；主要专利权人竞争态势方面，从专利权人竞争地位分析和专利合作分析两个方面分析自动驾驶汽车技术专利权人竞争与合作态势，识别不同专利权人的研发动向。在上述分析基础上，结合全球技术竞争态势和中国自动驾驶汽车产业发展现状，从核心技术研发、海外专利布局、技术合作交流等方面提出了技术发展的对策建议。总体研究思路框架如图1所示。

图1 研究思路框架

1.2 数据的收集与预处理

本文的专利数据来源于德温特创新索引(Derwent innovations index，DII)，DII是世界上内容最全面的专利文档数据集，涵盖了来自全世界50家专利机构的3 050多万项专利信息。在查阅专业文献和咨询业内专家基础上，笔者分3个步骤确立了数据检索策略：①参照世界知识产权组织2019年度报告的检索方法[2]，利用IPC分类号和关键词对相关专利进行检索；②利用德温特手工代码和关键词结合的策略对自动驾驶相关专利进行补充检索；③对上述两个步骤获得的专利数据进行归并，得到完整的数据集(1)由于篇幅限制，在此展示部分专利检索式： (TS=(autonomous OR unmanned OR driveress OR agv) AND IP=(G08G-001/16 OR B60W-030*……)) OR (TS=((autonomous OR unmanned OR driverless OR agv) AND (ground OR car ……) NOT (air* OR aerial……) AND IP=(B60J-001* OR B60J-003*……)) OR (MAN=(Q19-L OR X21-A01L……)) OR (TS=((autonomous OR unmanned OR driverless OR agv) AND (ground OR car……) NOT (air* OR aerial……))) AND (MAN=(X22-C02D4 OR X22-G01A……))，完整的检索式可联系作者获取。。考虑到专利申请信息存在一定的滞后期，本文将专利检索的时间跨度设定为1995—2018年，专利检索时间为2020年5月31日。对数据进行去重化处理、无关数据清理和同族专利整合归并后，最终获得42 332项专利，分属于15 610个专利族。

2 全球自动驾驶汽车技术发展整体态势分析

2.1 技术发展阶段与趋势

专利申请数量与变化趋势可以反映特定技术领域的成长历程与演变规律，从而判断技术发展演化的生命周期。全球自动驾驶汽车技术在1995—2018年的专利申请数量与年度增长率情况如图2所示，根据技术生命周期理论可以将自动驾驶汽车技术的发展分为萌芽期、成长期和快速成长期3个阶段：第1阶段为1995—2004年，是自动驾驶技术发展的萌芽期，此时专利申请数量在100项左右浮动，技术研发主要集中在辅助自动驾驶相关技术上，整个产业处于早期探索阶段。第2阶段为2005—2012年，这一阶段中专利申请数量有了明显的增长，但增长率有所起伏，为自动驾驶汽车技术的成长期。此阶段中高校和科技型企业开始进入技术的研发队列，产业技术水平不断提升。第3阶段为2013—2018年，随着大量科技企业资金与人员不断投入自动驾驶领域，专利申请特别是与车辆自动控制的硬件和软件相关的专利申请有了极大的提升，自动驾驶技术进入快速成长阶段。

图2 1995—2018年自动驾驶汽车技术专利申请趋势

2.2 关键技术领域

德温特手工代码是德温特的技术专家对专利技术领域进行的标引，相较于IPC国际专利分类号，德温特手工代码划分更为细致、指代更为明确，可更准确地识别专利所属的技术领域[22]。因此本文选用该代码对自动驾驶汽车技术的关键技术领域进行了统计和识别。表1展示了1995—2018年不同阶段中专利申请数量排在前10位的德温特手工代码，可以看出当前自动驾驶汽车技术主要集中在T06(过程与机器控制)、T01(数字计算机)和X22(汽车电子)3个领域。其中T06主要涉及自动驾驶汽车位置与路线的识别，T01主要涉及车辆各类处理系统与软件，X22主要是车辆辅助自动驾驶技术的应用。X22中主要的技术有防撞和泊车辅助、主动巡航控制和自动转向等，这些技术是对原有汽车技术的改进与优化，主要为了实现辅助自动驾驶功能。而T06与T01更加关注汽车的计算决策和执行控制，代表了有条件自动驾驶的相关技术，第3阶段大量专利集中在这两个领域，体现了自动驾驶向全面自动化转变的技术趋势。

表1 1995—2018年自动驾驶汽车技术专利申请主要领域

3 自动驾驶汽车技术国际竞争态势分析

3.1 专利申请国别分析

本文基于专利申请优先权统计了不同国家和地区的专利申请数量。1995—2018年自动驾驶汽车技术的专利申请总共涉及了41个国家和地区，其中专利申请数量排在前5位的国家是中国、美国、日本、德国和韩国(图3)。中国和美国是最大的专利申请国，属于自动驾驶汽车技术的第一梯队，分别占全球专利申请总量的26.9%和21.7%。日本、德国和韩国在专利申请数量上属于第二梯队，三国申请量约占全球自动驾驶专利申请总量的35.4%。

图3 主要竞争国家专利申请数量

图4进一步展示了5个主要竞争国家自动驾驶汽车专利的申请趋势，可以看出5个国家技术发展的时间并不同步。美国、日本、韩国和德国的自动驾驶技术起步较早，中国的自动驾驶汽车技术在2005年之后才开始起步。日本是第1阶段中专利申请数量最多的国家，在早期的技术竞争中具有明显的优势；2010年前后日本的专利申请经历了一波明显的下滑，在数量上被美国、德国和中国反超。美国虽然很早就开始了自动驾驶汽车技术的申请，但在2004年前专利申请增长较为缓慢。从2004年开始美国国防部连续举办了三届自动驾驶挑战赛，这一赛事极大地推动了美国自动驾驶技术及其产业链的发展，因而2004年以后美国的专利申请数量呈现出快速的增长态势。中国在2004年之前几乎没有自动驾驶汽车技术专利的申请，但从2010年前后开始了迅速的追赶过程并在2013年超越美国成为当年专利申请数量最多的国家，在此之后一直保持着活跃的专利申请态势。德国和韩国虽然自动驾驶技术起步较早，专利申请数量也在稳步提升，但发展的速度明显慢于中国和美国。

图4 主要竞争国家专利申请年度趋势

3.2 主要竞争国家国际专利布局

专利的国际布局是指基于专利的地域性特征，根据市场竞争需要在全球范围内确定需要进行保护的国家/区域，从而确保在相关地域中处于有利的竞争地位。合理的国际布局可以帮助竞争主体获取更多的国际市场份额，提高其整体竞争力。本文以专利受理国别/区域为横轴，以专利权人所属国家为纵轴绘制了主要竞争国家的专利国际布局情况(图5)。从图5中可以看出中、日、韩三国的专利申请主要集中在本国，德国和美国的国际专利布局意识明显强于前面3个国家。德国虽然专利申请总量不占优势，却是5个国家中国际专利布局意识最强的国家，其国际专利布局占专利申请总量的60%以上，中国和美国是其主要的海外专利申请国。除本国外美国也在积极进行自动驾驶专利的国际布局，其海外专利申请主要集中在中国和世界知识产权组织，说明美国非常重视中国在自动驾驶领域的潜在市场。中国是目前专利申请数量最多的国家，但海外专利申请比例不足4%。究其原因，一方面可能是由于当前国内企业的专利国际化意识普遍还比较单薄，另一方面也可能是专利整体质量不高导致海外专利申请仍面临较大的困难。

图5 主要竞争国家专利国际布局情况

3.3 主要竞争国家综合竞争力分析

为了更深入地理解中、美、德、日、韩五国的专利竞争现状，本文参考Ernst[23]、黄鲁成等[16]的专利组合分析方法，从专利活动和专利质量两个维度进行主要竞争国家的综合竞争力分析。专利活动指标由相对专业化指数(RSI)、专利占有率和专利成长率构成，其中RSI指数代表了国家在某一领域相对专业化指数，是对专利族绝对数量的一个修正[24]，专利占有率和专利成长率分别从静态和动态两个角度衡量主体在某一领域的专利积累活动和未来发展潜力[24]。在专利质量指标的衡量上，本文参考以往研究从技术范围、国际范围、核心专利数量以及专利合作情况4个方面进行测度[16,24]。其中技术范围指一国专利所涉及的国际IPC分类号的数量，国际范围指一国专利在海外申请所涉及的国家或地区数量，核心专利根据普赖斯定律通过被引次数定义，专利合作情况代表了本国专利涉及两个及以上专利权人的专利数量。指标的具体含义和测度方法见表2。

表2 综合竞争力指标概述

按照上述方法对各国专利综合竞争力指标进行计算，经过标准化处理后的结果见表3。整体来看，美国是5个国家中综合竞争力最强的国家，无论是在国际范围、技术范围、核心专利还是专利合作方面都有着绝对的优势，掌握了大量的核心技术，是目前自动驾驶汽车技术的技术领导者。日本的综合竞争力发展较为均衡，在专利活动和专利质量上都有不错的表现，但与美国相比还有很大的差距。作为一个传统的汽车大国，德国的专利质量表现较为突出，虽然整体活跃程度不高，仍是未来自动驾驶汽车市场的有力竞争者。相比之下，韩国的综合竞争力最弱，各方面与美、中、德、日相比均有明显的差距。

表3 主要竞争国家综合竞争力情况

中国是近年来技术活跃度最高的国家，综合实力仅次于美国。尽管中国的自动驾驶汽车起步较晚，但得益于近年来政府、企业和学研机构对自动驾驶汽车技术的重视和积极投入，总体技术发展迅速，专利占有率和专利成长率在所有国家中是最高的。RSI值为负数，表明自动驾驶汽车专利占中国专利总量的比例仍偏低，随着自动驾驶汽车的发展未来该领域的专利数量还有很大的增长空间。中国的整体专利质量位居五大竞争国家中的第三位，但与美国和德国的专利质量还有较大差距，特别是在核心专利方面表现得极为缺乏，需要寻求更多核心技术的突破。

4 自动驾驶汽车技术专利权人竞争态势分析

4.1 主要专利权人识别

专利申请数量是识别主要专利权人竞争实力的基本指标，表4为按照专利申请数量统计的前10位专利权人情况汇总。从专利权人属性来看，3个阶段中专利申请数量排在前10的专利权人均为企业，整个专利数据集包含4 234位专利权人，其中83%的专利权人为企业，说明自动驾驶汽车技术以企业为研发主体，企业是推动产业技术发展的主要力量。进一步分析可以发现，在前两个阶段排在前10位的专利权人均为汽车整车厂商和零部件制造商，说明早期的自动驾驶技术由传统汽车企业所主导。到了第3阶段，谷歌、百度、优步等科技公司进入榜单前10，成为影响产业技术发展的新生力量，科技公司的进入也带动了自动驾驶汽车技术向智能化、数字化的加速转型。

表4 1995—2018年主要专利权人专利申请情况

从专利权人国别来看，第1阶段中排在前10位的企业中日本占据了8家，韩国占据了剩下的两个席位，日韩企业在萌芽期中迅速布局，形成了一定的领先优势。第2阶段日本企业仍占据了一半的位置，博世、戴姆勒、通用等美、德企业开始进入榜单前10。到了第3阶段，尽管丰田公司仍保持专利数量最多的位置，但第2至第5位被美国企业和德国企业占据，中国的百度也首次进入专利申请前10位。可以看出，日本企业在前两个阶段是主要的技术持有者，但随着自动驾驶汽车技术的快速发展，美国和德国的企业开始发力并开始逐渐成为先进技术的主要贡献者。尽管中国自动驾驶专利申请总量很高，但在企业层面上来看中国企业的竞争力仍较弱，仅有百度一家企业在第3阶段进入了专利申请前10位。

4.2 主要专利权人竞争地位分析

创新能力的强弱是判断企业竞争地位的重要指标，企业的创新能力通常可以用专利的创新水平来进行判定，借鉴已有研究本文用专利申请数量和H指数来对企业的竞争地位进行判断。H指数最开始由Hirsch提出，用于判断学术论文的影响力大小[25]。之后的研究中中国学者官建成等[26]将H指数推广应用到了专利领域。一项专利被后来的专利引用的越多则表明该专利越重要，越可能是核心专利。如果某专利权人的N项专利中有h项至少被引用了h次，而剩下的(N-h)项专利被引次数都少于h次，那么这个专利权人的H指数就等于h。H指数可以较好地反映专利权人在自动驾驶汽车技术领域的研发实力。

鉴于进入第3阶段之后自动驾驶技术进入快速成长期，其竞争主体和态势均与前两个阶段具有明显差异，且对产业技术未来发展方向更具有决定性的影响。本文聚焦第3阶段中的主要专利权人，对其竞争地位进行比较分析，分析结果如图6所示。图中横坐标为专利权人专利申请数量，纵坐标为专利权人H指数，括号中的数字为各专利权人掌握的核心专利数量。可以看出，丰田在专利数量上具有较大的领先优势，而谷歌在专利质量上拥有绝对优势，其他企业之间的竞争则呈现出相对胶着的态势。谷歌的H指数远高于其他企业，掌握了41项核心专利，是目前自动驾驶汽车技术的技术先驱者。福特和通用各持有13项和11项核心专利，H指数也处于谷歌之后的第二梯队，有较强的创新能力，是产业重点技术的持有者。丰田、博世、戴姆勒和电装，H指数都在7左右，在专利数量上具有一定的领先优势但创新能力略显不足，目前处于技术参与者的竞争地位。现代、百度及优步的H指数均为4，创新能力尚显不足，处于技术追随者的位置。

图6 主要专利权人竞争地位分析

4.3 专利权人合作网络分析

近年来很多新兴技术的竞争不再体现为零和博弈，企业纷纷通过与高校、科研机构、甚至竞争对手的紧密合作来共同实现技术的领先优势[27-28]，因而技术合作分析也是专利权人竞争态势的重要方面。为了清晰地描绘自动驾驶汽车技术的合作关系及其变化规律，本文利用共同申请专利数据构建了专利权人合作网络，在此基础上对3个阶段的专利合作网络进行了网络特征[29-30]计算和可视化处理，结果如表5和图7所示。

表5汇总了自动驾驶汽车技术各阶段合作网络的基本网络特征，图7展示了3个阶段的合作网络图，其中节点的大小代表节点的点度中心度高低，线条的粗细代表合作次数的多少。可以看出随着自动驾驶汽车技术的发展，合作网络边数不断增加、规模持续扩大。与此同时网络的密度却在不断减小，平均点度中心度变化不大，说明自动驾驶汽车技术专利合作的紧密程度比较低，合作关系整体上比较松散。第1阶段网络平均中介中心度很低，节点之间的信息流动较为独立；在第2和第3阶段，网络整体的平均中介中心度急剧增加，节点之间的联系变得更为紧密。从3个阶段的合作网络演化图也可以看出，随着产业技术的发展合作网络从松散变得紧密，合作关系从单对单的简单模式逐渐变得丰富和复杂。随着网络的发展，一些固定的合作子群在网络中开始出现，无论是汽车制造商还是科技企业都形成了较为稳定的合作关系。汽车制造商相比科技企业更倾向于在行业中寻求合作，谷歌等高科技公司在自动驾驶专利合作网络中并不活跃。日本、美国和德国等国的企业呈现出区域性的合作态势，中国企业尚未形成稳定的专利合作关系。

表5 自动驾驶汽车行业分阶段合作网络特征汇总

图7 专权人合作网络演化图

5 结论与建议

基于自动驾驶汽车技术专利数据，从产业整体发展态势、国际竞争态势和主要专利权人竞争态势3个维度对自动驾驶汽车技术的竞争态势进行了分析。研究发现，在整体发展态势上自动驾驶汽车技术正处于快速发展阶段，专利申请数量急剧增长，关键技术领域逐渐向信息、通信与汽车融合的技术领域转移。在国际竞争态势方面，中国、美国、德国、日本和韩国是当前自动驾驶技术竞争的主要国家。美国在专利数量和质量方面都处于领先地位，掌握了大量核心专利，是目前的技术领导者。中国的综合竞争力仅次于美国，是技术活跃度最高的国家，但存在专利质量不高、缺少核心专利和国际专利布局的问题。自动驾驶汽车的主要专利权人经历了以日本企业为主向美、欧企业为主的转变，汽车制造商和零件公司掌握了大量基础专利，是主要的技术参与者；以谷歌为代表的科技公司掌握了大量核心专利，是当前产业技术发展的技术引领者。美、日、德等国的企业技术合作已成为技术发展常态，而中国自动驾驶相关企业普遍缺乏有效的技术交流与合作。

针对上述竞争态势，为有效提升中国在自动驾驶汽车技术领域的竞争力，提出以下4点对策建议:

1)加强技术规划布局，提升核心技术研发能力。当前自动驾驶汽车技术正处于高速发展阶段，接下来有望实现核心技术的集中突破，因而各国均加大了对自动驾驶核心技术和相关标准的研发。尽管目前中国专利申请数量领先，但在核心专利的布局上还处于明显的劣势。作为世界上最大的汽车生产国和消费国，必须高度重视自动驾驶汽车技术的规划布局，瞄准核心技术进行技术攻关，以奠定中国在未来自动驾驶时代的技术基础和优势。

2)适度推进专利的海外布局。汽车行业的技术竞争全球化的态势十分明显，世界各国都在加速自动驾驶汽车技术的研发和国际布局。仅德国和美国两国在我国申请的专利已达1 700多项，而中国在美、德、日、韩和世界知识产权局申请的专利总数仅为178项，与发达国家的专利布局形成了鲜明对比。接下来，中国应依托核心技术优势适度加快在海外市场的专利布局，以提高中国自动驾驶汽车技术的全球竞争力。

3)增强企业的核心创新能力。从企业层面来看，美、日、德等国的企业凭借其在汽车产业的雄厚技术积累和对自动驾驶技术的超前介入在各项技术上均处于领先地位。尽管中国汽车产业链上企业数量众多、分布广泛，但在自动驾驶技术领域都处于后发者的位置，仍处于技术追赶阶段。近年来，百度等企业在自动驾驶汽车技术的发展中崭露头角，华为、中兴等在V2X通信等领域掌握了一定的技术标准话语权，但受制于起步晚、技术积累少等原因，绝大多数企业仍缺乏核心竞争力。因而，亟须增强企业的核心技术创新能力，促进中国自动驾驶技术的整体突破与赶超。

4)加强技术的交流合作和转移转化。技术的合作开发是实现技术突破的有效手段，国外区域性的专利合作已经是技术发展的常态，而中国企业普遍缺乏技术上的交流合作。针对这一问题可以从两方面着手改进：一方面，自动驾驶技术是汽车产业与数字技术融合发展的产物，传统汽车企业可以积极寻求与信息通信、大数据、云计算等领域领军企业的合作，利用中国在数字经济方面的先发优势推进自动驾驶技术的发展。另一方面，政府可以充当企业与企业、企业与高校、企业与科研院所之间的“桥梁”，通过政产学研的合作和技术转移、转化实现自动驾驶技术的协同创新。