基于专利角度的防震减灾领域技术研发态势分析

季婉婧,宋姗姗,苏小芸

(1.甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730000;3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

地震是影响人类生活的自然灾害之一,全球每年发生7级以上强烈地震十余次,造成的经济损失和人员伤亡十分严重。我国是一个受地震灾害影响十分严重的国家,20世纪以来我国地震死亡总人数约占全球地震死亡人数的1/2。2018年12月,全球地震模型(Global Earthquake Model Foundation)发布了一份有关全球地震灾害和风险的估算报告[1],报告指出中国是全球地震造成经济损失第二大的国家,排在第一的是日本,美国排在第三位。实践证明,不管是准确的地震预测、灾情评估还是及时高效的应急救援,不仅需要快速的联动反应,更需要高科技的支撑。因此,依靠科技进步成为防震减灾事业发展的根本原则和必由之路。

《国家地震科学技术发展纲要(2007—2020年)》指出,我国地震科学技术工作目前依赖国外技术和产品的局面尚未完全改变,观测技术和仪器仪表方面的原创性成果不多。因此,加快地震科学技术的发展,最大限度地提升防震减灾工作中各个环节的科技含量,创造更多具有自主知识产权的科学技术及装备,是提高我国防震减灾能力的迫切需求。近年来,我国政府有关部门积极致力于推广抗震专利技术。汶川地震后,国家知识产权局及时发出《关于继续做好知识产权抗震救灾工作的紧急通知》[2],要求各地加大工作力度,采取政策引导、开辟专利转让登记和专利实施许可合同备案“绿色通道”等多种有效途径,推动抗震救灾专利技术的许可或转让,促进有关技术快速应用到抗震救灾中。因此把握防震减灾领域技术的国际和国内发展态势,既符合国家防震减灾规划(2006—2020年)[3](以下简称《规划》)里提出的“‘十三五’时期,迫切需要聚焦防震减灾关键技术、重大科技问题和基础科学研究”的目标要求,又符合我国的长远战略规划。

目前我国对防震减灾领域技术进行专利分析的学者并不多,张晋辉[4]利用TDA和TI,对地震预警技术领域的专利数据展开了多角度的专利情报分析;殷媛媛[5]利用全球专利技术信息资源,分析了国内外地震预警技术的研发现状,并将专利具体信息以列表的形式进行了展现;杨林等[6-7]从专利角度对国内外建筑隔震支座技术进行了分析研究,指出了全球发展趋势,并指明了我国隔震支座技术今后的发展方向。从专利分析的角度深入认识防震减灾领域的技术进步和发展趋势,是推动防震减灾事业可持续发展的有效途径。因此本研究基于北京合享智慧科技有限公司开发的incoPat全球专利数据库,对防震减灾领域技术进行专利文献分析。该数据库目前收录了全球120个国家/组织/地区的超过1亿余件专利信息,将专利著录信息、法律、运营、同族、引证等信息进行深度加工及整合,所有数据采购自官方和商业数据提供商[8]。根据《规划》,防震减灾分为地震监测预报、震灾预防、紧急救援三大工作体系,因此构建如下检索式:TIAB=(((earthquak* or seism*)and (monitor* or warning or predict* or forecast* or rescue* or relief* or reliev* or emergency or quakeproof or shockproof or antiknock or resistance or ‘disaster prevention’or ‘disaster reduction’or ‘disaster alleviation’or ‘disaster mitigation’))not (‘seismic method’or ‘earthquake method’or mining or mine or mineral* or log* or "well shooting" or oil or petroleum or gas or methane or hydrocarbon* or hydrogen* or hydrat* or "nature gas")),首次检索获得19 413条数据。经过数据筛选和清洗,最终获得符合检索条件的数据18 840条。检索时间为2020年5月14日。由于专利从申请到公开具有一定的滞后性(一般发明专利在申请后3～18个月公开,实用新型专利和外观设计专利在申请后6个月左右公开),因此2018年和2019年的数据可能不能代表这两年的实际情况。

1 防震减灾专利时序分布

从全球专利申请数量的变化可以看出(图1),自1948年防震减灾领域第一件专利诞生以来,经历了大约30年的缓慢发展期。20世纪90年代后,经过十几年的调整,从2004年开始呈现快速增长趋势。

图1 防震减灾领域专利申请数量年度分布Fig.1 Annual distribution of the number of patent applications in the field of earthquake disaster reduction

2 防震减灾专利国家/地区分布

2.1 国家/地区专利申请数量分布及趋势

全球防震减灾领域技术专利申请主要分布在中国(49.0%)和日本(28.4%)这两个受地震灾害影响较大的国家,专利申请总和占全球申请量77.4%。此外,专利受理量排名前10位的国家和地区还包括韩国、美国、俄罗斯、世界知识产权组织、中国台湾、欧洲专利局、英国和加拿大(图2)。中国专利申请量迅速增长出现在2008年汶川地震以后;且2013年雅安地震后再次激增。2013年1月,美国阿拉斯加州克雷格以西海域发生里氏7.7级强烈地震,并引发海啸,美国专利申请数量在2013年也出现了一次峰值。日本地震频发,在防震减灾领域技术专利一直有所产出,2007年达到峰值;2011年3月11日日本东北部海域发生9级强烈地震,引发举世瞩目的福岛核电站事故,次年日本、中国的专利申请量均出现上升趋势。近五年来,韩国地震增多,同时受日本地震影响,韩国在防震减灾领域技术研发方面增长十分迅速,相关专利申请量紧随中国之后。而俄罗斯、世界知识产权组织、中国台湾等一直保持平稳状态。2015—2017年,中国、韩国和世界知识产权组织专利申请量占比较高,中国台湾、欧洲专利局、俄罗斯和美国活跃情况比较接近(表1)。

图2 防震减灾领域技术主要申请国家/地区分布Fig.2 Distribution of major countries and regions applying technologies in the field of earthquake disaster reduction

表1 防震减灾领域技术主要申请国家/地区专利申请量(排名前10位)Table 1 Number of patent applications of major countries/regions in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

2.2 主要国家/地区专利价值度

采用incoPat的专利价值度指标(1)incoPat专利价值度是北京合享智慧科技有限公司自主研发的一个综合专利分析领域内20多个重要技术指标的专利价值模型,通过指标权重设定等将专利划分为1～10分,分数越高代表专利价值越高。分析了已申请防震减灾领域专利的价值情况。结果见图3,价值度为10的专利数量最多的国家是日本,数量为349件,占比为6.5%,主要集中在地震报警、抗震等方向;其次是美国,价值度为10的专利数量为276件,在其所有专利中占比最高,为41.8%,远超其他国家和地区,专利主要集中在地震监测、粒子辐射等领域;然后是加拿大、世界知识产权组织和欧洲专利局,价值度为10的专利数量占比分别为23.6%、16.8%和16.4%。中国专利价值度为10的专利数量是97件,占比较低,仅为1.1%。专利价值度为9的专利数量最多的国家是中国,专利数量1 140件,其次是日本,专利数量为591件。统计各个国家或地区专利数量随专利价值度的变化情况,只有美国的专利是专利价值度越高,专利数量越多,说明美国防震减灾专利整体价值度较高;世界知识产权组织、欧洲专利局和加拿大的专利价值度整体情况良好,专利数量基本能达到随着专利价值度的升高而增加。

图3 防震减灾领域技术主要申请国家/地区专利价值度分布(排名前10位)Fig.3 The patent value distribution of major countries and regions applying for technologies in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

3 防震减灾专利申请人分析

3.1 专利申请人分布

防震减灾领域技术排名前十位的专利申请人主要来自中国和日本(表2),排名第一的是北京工业大学,专利申请数量为177件。从近3年专利申请活跃度可以看出,最活跃的是来自挪威的PGS地球物理公司,这是一家国际领先的海洋地球物理公司,主要业务是在技术驱动下提供广泛的地震和油藏服务,同时拥有目前业内规模最大的现代化数据库。其次是同济大学、西安建筑科技大学和北京工业大学。日本机构近三年来整体活跃度不高。

表2 防震减灾领域主要专利申请人(排名前10位)Table 2 The main patent applicants in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

3.2 主要专利申请人专利申请年度数量分布

防震减灾领域主要专利申请人中,中国机构和日本机构呈现出截然不同的变化趋势。中国各机构在2008年前专利产出较少,从2008年开始专利申请数量呈现飞速增长的变化趋势,其中北京工业大学在2009—2014年的专利数量变化幅度最大,沈阳建筑大学在2013—2018年间变化幅度较大,并在2018年达到了所有机构年专利产出最高值,为37件,同比其他机构,专利市场占有份额大幅度增加。同济大学则比较稳定,自2008年开始每年都有一定数量的产出。相比而言,日本机构专利研发相对具有比较长的历史,在2001—2013年间产出较多(图4)。

3.3 主要专利申请人专利价值度

在排名前10位的专利申请人中,国外机构申请的专利都具有较高的价值度,在价值度为10的专利中,PGS地球物理公司有25件,占到该机构全部申请专利数量的32.5%,主要集中在信息的采集、成像、解释和现场评估等;日本的三菱電機株式会社和株式会社日立製作所各有11件,主要为地震报警方向;而几个中国机构的专利价值整体表现不高,专利价值度为10的专利数量较少,专利价值度为9的专利数量较多,其中北京工业大学专利价值度为9的专利数量49件,占比为27.7%,其次是同济大学和西安建筑科技大学,分别为29和23件,占比分别为31.9%和29.1(图5)。

图5 防震减灾领域主要专利申请人专利价值度分布(排名前10位)Fig.5 Distribution of patent value of main patent applicants in the field of earthquake disaster reduction (top 10)

3.4 主要专利申请人技术研发布局

从具体技术分类角度分析(表3),各机构专利主要集中在E04H9/02、E04B1/98和G08B21/103个方向。在E04H9/02技术方向,清水建設株式会社具有较高的申请量;在E04B1/98技术方向,北京工业大学具有较高申请量。中国机构主要集中在E04H9/02和E04B1/98;日本机构则主要集中在E04H9/02和B66B5/02。各机构的优势技术方向列于表4。

表3 防震减灾领域技术专利申请核心机构主要技术类型Table 3 Main technical types of core organizations applying for technical patents in the field of earthquake disaster reduction

表4 防震减灾领域主要专利申请人技术研发布局Table 4 Technical R &D layout of main patent applicants in the field of earthquake disaster reduction

4 防震减灾专利技术方向分析

4.1 不同时间段技术研发布局

根据incoPat提供的聚类功能,可以分析不同时期防震减灾领域技术的研发热点,根据研发热点可以总结不同时期的技术演进方向(表5)。由图1可知,20世纪90年代前防震减灾技术专利一直处于比较平稳的申请状态,而绝大多数专利主要集中在2000年以后,因此根据专利申请趋势和专利申请数量将其划分为5个时间段,分别是:1999年以前、2000—2009年、2010—2013年、2014—2016年、2017—2019年。

表5 防震减灾领域技术演进Table 5 Technology evolution in the field of earthquake disaster reduction

(1)1999年以前,防震减灾领域技术研发热点主要集中于地震监测勘测(包括地震预测装置、地震台站建设、地震监测装置,如地震传感器、地震仪等)和建筑防震抗震系统(包括电梯减震系统、避震箱、抗震防护舱等),对于地震应急操作(包括地震报警系统、应急照明等)和地震救灾(包括救灾机器人、避难所、救援信号发射器等)开始有所关注。

(2)2000—2009年,研发热点更加集中于地震监测预报(包括地震勘探数据采集、神经网络预测、地震前兆信息等)和建筑结构抗震(包括建筑支撑系统、钢板剪力墙、钢筋砼空心楼板等),对于地震应急救援(包括地震报警器、应急门、地震模拟器、紧急切断阀等)也愈加重视,各主要技术方向之间开始紧密关联。

(3)2010—2013年,研发热点开始重点关注地震紧急救援(包括紧急避难、救援人员等)和地震报警系统(包括地震海啸预警系统、数据处理工作站等),对于地震监测预报(包括远程数据监测、地震源、地震传感器、地震预报仪等)和建筑抗震(包括建筑结构整体性、摩擦阻尼器、钢结构立柱等)也在持续关注,各主要技术方向之间的关联明显更加紧密。

(4)2014—2016年,研发热点重点关注建筑抗震隔震(如隔震层、建筑结构体系、建筑材料等)、地震监测勘测(包括地震数据采集、地震检测传感器、氡监测等)和地震救援(包括报警装置、救援车、救援人员等)三个领域。

(5)2017—2019年,地震监测预报(包括纳米机电传感器、海底地震勘测等)、建筑物防震抗震(包括抗震结构和材料、桥梁抗震、隔震技术等)及地震应急救援(包括地震应急信息系统、地震救援装置、地震预警系统等)共同形成当前防震减灾领域技术研发的3大分支,不同技术研发方向的关系更加密切。

4.2 高价值专利分析

通过incoPat的合享价值度和被引证次数两个指标综合分析,筛选出防震减灾领域技术的高价值专利。研究显示,防震减灾高价值专利主要分布在美国、日本和中国,其中美国和日本在同族专利数量方面远远高于其他国家和地区,同时美国专利的综合指标排名都比较靠前,前100个高价值专利中有84%来自美国。中国同族专利数量排在第五位,位于欧洲专利局和世界知识产权组织之后。高价值专利的申请人主要包括三菱電機株式会社、北京工业大学、西方奇科公司、株式会社日立製作所、同济大学、清水建設株式会社等。根据防震减灾领域技术分类,这里按照监测预报、震灾预防、紧急救援三大类具体分析各自的技术走向。

(1)监测预报

虽然目前全球都无法做到准确的地震预测,但地震预警被证明是可以实现的。地震预警技术作为地震监测的新技术,已经取得了部分成功预警的实例,如墨西哥的SAS系统成功地对1995年7.3级地震进行了预警,日本的预警系统成功地对2005年宫城7.2级地震进行预警[9]。经分析,监测预报高价值专利主要包括振动传感器和加速度计、地震监测勘测、地震预警系统和报警器、地震信号采集与传输、神经网络预测等方面的技术。振动传感器和加速度计方面,英国电信公共有限公司[10]通过振动传感器电耦合的发射器单元发射的声波来感测海底地震事件。地震监测勘测方面,华中科技大学[11]提供一种适应性强、多参数和高精度的地震监测装置,该装置由中央控制终端和地下传感探头组成,可以实现深地振动、应变和温度参量的实时监测和报警;西方奇科公司[12]在给定时间内通过测量从贮存库和围岩体获取相关的地震数据以完成地震勘测。地震预警系统和报警器方面,鹿島建設株式会社和応用地震計測株式会社[13]提供一种地震早期报警系统,即在地震发生时,在S波到达之前预测其摇晃的大小并发出警报;松下集团[14]提供一种便携式无线电通信终端和紧急广播收发系统,能够在地震等灾害发生情况下发送和接受通过数字电视广播发送的紧急广播,并减少在不发送紧急广播待机状态下所消耗的电力。地震信号采集与传输方面,QUAKEFINDER有限责任公司[15]提供了一种基于空间的极低频(ELF)磁场检测器和基于地面网络的极低频磁场检测器相结合,其中基于空间的极低频磁场监测系统可用于在已知和未知地震区域中执行广域搜索并寻找前兆地震信号,而基于地面网络的极低频磁场检测器可用于验证这些信号确实是地震产生的信号。

(2)震灾预防

在对公共建筑进行结构设计时,应注重抗震设计,提高结构的抗震性能,从而减轻地震灾害影响。经分析,震灾预防高价值专利主要包括抗震墙和抗震结构、隔震支座、电梯控制装置、抗震用低屈服点钢、聚四氟乙烯防震板等。抗震墙和抗震结构方面,WPFY股份有限公司等[16]提供的建筑框架由矩形钢管构成,端壁模块沿着相邻边缘螺栓连接在一起并连接到侧壁模块的端部,形成周边框架壁;北京工业大学[17]提供了一种新型震后易修复钢异形柱-中心支撑架,双槽钢梁通过梁端封板,与异形柱连接,形成无焊缝全螺栓的连接形式,中心支撑使结构具有更好的抗侧能力;株式会社竹中工務店[18]提供了一种由波纹钢板组成的抗震建筑墙体,该墙壁具有足够的刚性和强度,克服了以往混凝土墙很难控制强度和刚性的问题。隔震支座方面,中南大学[19]提供了一种多维减隔震支座,解决了传统支座不能有效进行三维减隔震的问题,并实现在不同强度地震作用下的多重减隔震目的,同时具有抗拔、抗扭功能。电梯控制方面,鹿島建設株式会社[20]提供的电梯控制运转装置能够使电梯在地震或强风发生过程中暂停运行,可避免电梯绳索过大摇晃时绳索挂钩事故的发生。

(3)紧急救援

传统救援方式耗时耗力,且救援率极低,而机器人、远程医疗、遥感技术、生命探测仪等现代信息技术的应用可以使受灾群众在黄金时间里得到救助,与传统救援方式相比极大地降低了伤亡率。经分析,紧急救援高价值专利主要包括地震应急指挥系统、地震应急处置和逃生装置、救灾机器人、生命探测仪等。地震应急处置和逃生装置方面,中国铁路总公司等[21]提供一种高速铁路地震紧急处置装置,在地震监测预警系统发布警报时,该装置可通过铁路无线通信系统接收地震警报信息,并根据地震警报级别采取相应的紧急处置措施。救灾机器人方面,Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho[22]提供了一种能够防止在陡坡上坠落、可以在遭受大面积灾难的越野地点行走的救灾机器人,同时在救灾设备、物资等的野外运输过程中,能确保操作人员的安全,还涉及一种用于机器人的操作控制器;哈尔滨工业大学[23]提供了一种移动式顶撑机器人,可以进入震后废墟狭窄空间,代替救援人员执行救援通道的打通任务,还可以在机器人上配置多种传感器,实现对废墟狭窄空间中复杂环境的特征探测和危险性评估。

5 结论

本文利用incoPat全球专利数据库对国际防震减灾领域技术专利文献进行分析。分析过程中,按照监测预报、震灾预防、紧急救援三大类从宏观层面对国家/地区进行了总体分析,从中观层面对主要专利申请人进行了全面分析,最后对不同时间段技术研发布局、高价值专利等微观层面进行了详细分析。分析结果显示:

(1)全球范围内对于防震减灾领域技术研发一直在持续增加,我国在专利总量和增长率方面远超其他国家,但是我国的专利价值度整体不高,专利质量有待进一步提升。相比而言,美国在防震减灾领域技术专利质量最高。

(2)专利申请人方面,专利申请数量最多的是北京工业大学,其次是日本的三菱電機株式会社和株式会社日立製作所。

(3)目前防震减灾领域技术高价值专利主要集中分布在美国、日本和中国。监测预报高价值专利主要包括振动传感器和加速度计、地震监测勘测、地震预警系统和报警器等,震灾预防高价值专利主要包括抗震墙和抗震结构、隔震支座、电梯控制装置等,紧急救援高价值专利主要包括地震应急指挥系统、地震应急处置和逃生装置、救灾机器人、生命探测仪等。

(4)综合分析结果,未来全球防震减灾专利技术将继续围绕地震监测预警、房屋设施抗震加固、减隔震、地震应急救援等领域重点开展;我国防震减灾工作将紧紧围绕《新时代防震减灾事业现代化纲要(2019—2035年)》的要求,在继续推进“透明地壳”“解剖地震”“韧性城乡”“智慧服务”四大科学计划的同时,更多地利用现代化科学技术,加强国际合作,全面提升我国防震减灾领域技术水平和创新能力,为推进防震减灾事业现代化建设奠定更加坚实的基础。