基于专利计量的农田土壤捡石机械化技术发展态势分析

张佳 王宏 李川江 张佳喜 杜亚坤

摘要：为明晰农田土壤捡石机械化技术发展现状，通过PatSnap（智慧芽）专利检索平台，采用专利计量方法对农田土壤捡石机械化技术在1990年1月1日—2022年10月24日期间全球申请专利的整体情况、申请趋势、申请地域情况、申请人情况以及相关典型机型进行分析，并用可视化的方法展示该技术领域的创新状况。结果表明：全球农田土壤捡石机械化技术经历从孕育时期、初步发展时期、调整时期到现如今的快速发展时期，全球共申请捡石机械化技术领域相关专利583件，其中中国申请捡石机械化技术领域相关专利149项，约占全世界25.6%。中国相关专利申请主要集中在安徽省、山东省、江苏省，其中，企业申请数量占比69.8%，科研院所和高校申请占比14.8%。总结分析全球农田土壤捡石机械按结构原理分为轮齿式、铲链式、铲刀转笼式和齿耙式；并介绍目前应用较好的代表机型及结构特点。指出我国捡石机械技术目前仍存在捡石机捡石机理研究薄弱、捡石机的稳定性和可靠性较差以及捡石机经济效益低，不易推广等问题。结合我国国情提出我国捡石机械需要加快开展捡石机的基础理论研究、提高机具适应性以及可靠性、技术多元化与装备智能化。

关键词：农业耕地；捡石机械；发展态势；专利计量

中图分类号：S224.9

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2024） 06-0250-07

收稿日期：2022年11月2日

修回日期：2023年2月20日

*基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金（2022D01A245）；新疆维吾尔自治区重大科技专项（2022A02007—2—3）

第一作者：张佳，男，1987年生，乌鲁木齐人，硕士，副教授；研究方向为农业机械创新设计。E-mail： 304165686@qq.com

Analysis on the development trend of farmland soil stone-picking mechanization technology

based on patent bibliometrics

Zhang Jia¹， Wang Hong¹， Li Chuanjiang¹， Zhang Jiaxi²， Du Yakun²

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi， 830023， China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830000， China）

Abstract： In order to clarify the development status of mechanized technology for picking up stones in farmland soil， through the PatSnap patent retrieval platform， the patent measurement method was used to analyze the overall situation， application trend， application area， applicant situation and related typical models of the global patent application of mechanized technology for picking up stones in farmland soil during the period from January 1， 1990 to October 24， 2022， and the innovation status of this technology field was displayed by visual method. The results show that the mechanization technology of soil stone picking in the global farmland has experienced from the gestation period， the initial development period， the adjustment period to the rapid development period. A total of 583 patents in the field of stone picking mechanization technology have been applied globally， of which 149 patents in the field of stone picking mechanization technology have been applied by China， accounting for about 25.6% of the world. The relevant patent applications in China are mainly concentrated in Anhui， Shandong and Jiangsu Provinces. Among them， the number of patent applications applied by enterprises accounts for 69.8%， and the number of patent applications applied by scientific research institutes and universities accounts for 14.8%. According to the structural principle， the global farmland soil stone picking machinery can be divided into gear type， shovel chain type， shovel cage type and tooth rake type. The representative models and their structural characteristics are also introduced. It is pointed out that there are still some problems in our country， such as weak research on the mechanism of stone picking machine， poor stability and reliability of stone picking machine， low economic benefit of stone picking machine and difficult to popularize. According to the national conditions of our country， it is suggested that Chinas stone picking machinery needs to accelerate the basic theoretical research of stone picking machine， improve the adaptability and reliability of the machine， as well as the diversification of technology and intelligent equipment.

Keywords： agricultural cultivated land; rock picker; development trend; patent bibliometrics

0 引言

据自然资源部2021年公布显示，中国农田耕地面积约为1.28×10⁵khm²，在世界各国中排名第三，且呈逐年增加的趋势^[1]。而我国现有农业耕地中，几乎都会存在不同数量、大小的石头，在新开发的耕地中石头的数量更多，农田中的石头对农作物种植的影响较大，主要有三个方面的危害：一是，可直接降低农作物播种率以及出芽率；二是，影响土壤容重、孔隙率及含水量等物理性质，容易产生地表侵蚀，径流，降低农作物的播种质量；三是，增大农机具的作业阻力，增大损坏农机具的关键部件的可能性。总之，农田中的石头如不清理，则会增加农业生产成本，减少了农作物产量，从而降低经济效益，严重制约农业机械化和农业经济的发展^{[2， 3]}。我国农田土壤捡石机械化技术发展较晚，还存在基础研究不足、可靠性不高、自动化及智能化较低的问题，然而进口的捡石机械虽然技术成熟，稳定性可靠性较好，但机型大且价格昂贵，不适合我国小面积农田使用^{[4， 5]}。因此，分析全球农田土壤捡石机械化技术发展现状，关注捡石机械技术领域研发重点及典型机型，有利于推进我国农田土壤捡石机械化技术的高速发展。

专利计量是获取某领域竞争情报的重要方法之一^[6]，通过专利文献分析，可以得到相关产业的竞争与合作态势及技术研发策略和产业发展方向；目前，采用专利计量方法研究其发展现状及趋势已被广泛应用于工业、农业以及医学等多个领域^[7-9]。在农业领域方面，孙艺伟等^[10]分析了设施水产传感器技术专利的申请趋势、技术分类以及专利布局等内容，揭示了设施水产传感器技术的发展现状；刘勤等^[11]分析了全球油菜产业的研究热点、申请趋势以及专利强度等，总结了全球油菜产业发展现状及趋势，但当前还没有利用专利计量的方法对农田土壤捡石机械化技术进行分析研究。

本文采用专利计量方法^[12]，运用PatSnap（智慧芽）专利检索平台，以农田土壤捡石机械化技术为分析对象，从申请趋势、地域情况、申请人信息以及典型机型等方面对农田土壤捡石机械化技术进行分析，以期揭示该技术领域的发展现状及趋势，为该领域技术研发主体及个人提供情报支撑。

1 专利数据平台及数据统计

本文以PatSnap（智慧芽）专利数据库作为数据源，对农田土壤捡石机械化技术领域相关的专利进行检索。数据时间范围选取：1990年1月1日—2022年10月24日；检索式为：（TA_ALL：（捡石OR拣石OR捡石机OR捡石作业OR石头捡拾OR石块捡拾OR收集石块OR戈壁捡石OR石头清理OR“Stone picker” OR “rock picker“ OR “rock mover” OR “Stone collector” OR “Removing Stones” OR “Stone gathering” OR “Stone raker” OR “Stone rake” OR “Stone picking” OR “Stone collecting” OR “picking up rocks” OR “Stone digger”） AND （IPC：（A01B43） OR IPC：（A01B49） OR IPC：（A01D75） OR IPC：（E02F） OR LOC：（15-03） OR LOC：（15-99）） AND （APD：[19000101 TO 20221024]））。数据检索后，人为对检索结果进行分析判读，并进行比较的过滤过滤和同族合并，最终得到农田土壤捡石机械化技术相关专利583件作为研究数据集。

采用Microsoft Excel软件进行数据统计和分析处理，采用Microsoft Excel和Origin软件进行辅助绘图。

2 结果与分析

2.1 专利总体情况

农田土壤捡石机械化技术专利总体情况如表1所示。

1970年1月1日—2022年10月24日期间，全球共申请捡石机械化技术领域相关专利583件，共包含有效专利134件，失效专利421件以及审查中专利28件；中国申请捡石机械化技术领域相关专利149项，包含有效专利83件，失效专利42件以及审查中专利24件；捡石机械化技术领域，中国的专利申请量约占全世界25.6%。由于实用新型和发明专利申请周期较长，部分2021年及2022年的专利申请未被公开，故2021年和2022年的专利数量等数据仅供参考。

2.2 申请趋势分析

1907年，法国的Johann和Aloys^[13]共同申请了Machine to remove stones topsoil的发明专利，这也是世界上首件关于捡石机械化技术领域的专利。从图1可以看出，1945年之前，全世界申请本领域专利数量为21件，数量较少；1945—1987年，本领域专利数量整体出现一定幅度增长，专利申请数量达234项；1988—2016年，专利申请数量出现短暂下降，2017—2022年，全球专利申请数量幅度最大，数量最多；2020年专利申请数量达到顶峰，申请数量达33件。我国关于捡石机械化技术领域相关专利诞生于2001年，由新疆生产建设兵团农业建设第十师农机局和新疆生产建设兵团第十师一八七团^[14]共同申请1件实用新型专利，专利名称为农田捡石机，从此开启了我国捡石机技术领域发展的先河。2001—2014年，我国申请相关专利数量为11件；2015—2022年，我国申请相关专利数量为138件，专利申请量幅度最大。从整体申请趋势及专利内容来看，国外捡石机械技术发展较早，80年代已经具有成熟的捡石机型^[15]，我国捡石机械技术起步较晚，随着我国现代化农业的高质量发展，近些年，对捡石机械化技术的需求大幅度增加。

2.3 申请地域分析

2.3.1 全球地域分析

如表2所示，全球专利申请地域排名前二十的申请国家中，中国的专利申请数量最多，达148件，占全球申请量25.6%，其次为前苏联、美国、西班牙、加拿大、芬兰以及日本等国家，其专利申请总数量分别为36件、33件、26件、18件、16件和14件，由此可见，捡石机械化技术领域专利主要集中在中国。美国、加拿大以及芬兰等国家虽然本领域专利申请数量不多，但却是捡石机械技术研发的强国，其典型机型从上市以后一直沿用至今。

中国相关专利申请排名前二十的省份如表3所示，主要集中在中国东部及北部，专利申请数量排名前五的分别是安徽省、山东省、江苏省、内蒙古以及浙江省，其专利申请数量分别为22件、21件、12件、11件和11件，其次是广东省、甘肃省、黑龙江省，其专利申请数量分别为8件、7件和7件，其余省份申请数量不大，由数据可以看出，中国北方地区农业以大面积种植为主，捡石作业主要依靠捡石机械完成，故北方地区对捡石机械的技术需求较大。

2.4 相关专利申请人概况

申请人在本领域申请数量越多，越能代表该申请人在本领域的研发重点及研发实力。对全球捡石机械技术相关领域的主要申请人进行分析，如表4所示，全球申请数量前20名申请人中，我国申请人有4位，其中安徽特种农业装备产业技术研究院有限公司和青岛洪珠农业机械有限公司排名靠前，这两家企业也是我国目前捡石机械技术领域的龙头企业。芬兰EL HO、西班牙的GARCES LAPUENTE GREGORIO、法国的TASIAS和美国GERBER也是关注于捡石机械的研发企业，专利申请主要集中在1970—1990年，所研发的机型代表性强，对全球捡石机械的发展具有很大的推动作用。

团体申请4件（占比2.6%），结合我国捡石机械发展现状可以得出，我国早期的捡石机械的技术需求主要来源于生产实践，申请主力主要是从事一线实际生产的科研人员，科研院所申请量不多，也说明我国捡石机械基础理论研究不深，近几年，青岛农业大学和河北农业大学等高校的也开始了捡石机械领域的研究，可见，捡石机械的基础研究近些年逐步展开。

3 捡石机的主要类型及特点

从上述专利信息分析可以看出，国外发达国家的农业机械化起步早，捡石机械的发展至今已有100多年的历史，技术相对比较成熟，我国捡石机械的研究起步较晚，随着近年来对农田土壤捡石需求的增加，近些年，国内企业及研发单位加快了对农田土壤捡石机的研究，农田捡石机也由人工捡拾发展为机械捡拾，现有捡石机按结构原理主要分为有轮齿式、铲链式、筛分式、铲刀转笼式和齿耙式等类型。具体类型及特点如表6所示。

由以上分析可以看出，齿耙式捡石机作业幅宽最多可达7.0 m，作业效率最高，但存在土壤不平整时漏捡的情况；铲链式捡石机作业深度最深可达40 cm，作业深度最深，消耗功率最大；轮齿式捡石机消耗功率小，但只能清理土壤表面的石头，通常需要与挖掘石头的机械配合使用，总体上来看，国外对于捡石机的研究起步早，机具发展成熟，捡石机体积大、配套动力大、造价高，并且针对该机械设计创新多、机具丰富，其主要用于大型农场、工程领域等大块石头的清理。

4 存在问题与发展趋势

4.1 捡石机械技术领域知识产权发展

农田土壤捡石机械化技术的发展，经历了从孕育时期、初步发展时期、调整时期到现如今的快速发展时期，文中数据分析结果表明，自2016年至今，全球共申请捡石机械相关专利171件，可见我国目前对捡石机械化技术需求量较大。目前，我国农田土壤捡石机械化生产技术已经取得长足的进步，并处于快速发展时期，但申报的专利总体数量仍较少，且相关专利申请人、发明人的技术分类特点过于集中，导致很多专利存在于少数申请人之中。此外，农田土壤捡石机械化生产技术领域的高合享价值度专利占比不高，申请人联合申报的专利数量和转让专利的数量均不多；同时，专利申请人类型大都为企业，占比达69.8%，高校及科研院所申请量不多，高校及科研院所与企业的合作不多，也说明了捡石机械理论研究基础不深的问题，随着我国高质量农业的深化改革，对高质量农田的需求增加，今后高校及科研院所必定会投入农田土壤捡石机械化技术之中。

4.2 我国捡石机械技术存在问题

纵观国内外农田土壤捡石机械化技术领域现状，经对比分析可知，我国的农田捡石机相比于发达国家还存在一定差距，我国农田捡石机主要借鉴国外农田土壤捡石机械化技术为主，捡石机的可靠性以及稳定性有待提高，主要存在的问题有以下几个方面。

4.2.1 捡石机捡石机理研究薄弱，捡石机的研究缺乏深入性和系统性

我国申请的捡石机械技术领域专利文献当中，高校及科研院所申请量占比14.8%，可见高校及科研院所参与度不够，也反映出对捡石机械的捡石机理论基础研究比较薄弱，大多数企业依靠经验设计捡石机的关键部件，因此，很难满足复杂农田以及新开垦农田土壤中石头的高效捡拾。

4.2.2 捡石机的稳定性和可靠性较差

我国捡石机械的研发缺乏原始创新，缺乏对捡石机械关键部件的设计研发，加工制造粗糙导致精度低，并且制造后缺少机具疲劳测试以及可靠性试验，农民在使用过程中存在诸多问题，如捡拾部件容易因石头碰撞导致变形损坏，输送部件容易卡石头等情况，功耗较大，故障率较高。

4.2.3 捡石机自动化和智能化程度较低

现有的专利文献中，未发现提高捡石机自动化和智能化相关的专利申请，农田土壤高低起伏变化，作业环境复杂，捡石机自动化和智能化程度较低，导致捡石机作业时，捡石部件动态调整能力差，不能很好适应复杂土壤的作业需求。

4.2.4 捡石机经济效益低，不易推广，限制捡石机的发展

在欧美国家，农业种植均是大农场模式，农业机械均以大型为主，制造成本高，价格昂贵，但作业效率高，机具使用率高，故经济效益较高；国内农业种植均以小块地为主，对于个体农民来说，购买捡石机使用率不高，投资回收期较长，并且目前捡石机的作业成本较高，导致捡石机很难推广使用，这也是制约我国捡石机快速发展的主要原因。

4.3 我国捡石机械技术的发展趋势

从以上分析结果可以看出：我国农田土壤捡石机械技术正处于快速发展期，短期发展前景毋庸置疑。随着我国粮食等经济作物产量需求的增加，我国对于农田耕地的要求也在逐步提高，针对现有农田土壤捡石机存在的问题，结合我国农田生产模式，借鉴发达国家的经验，我国捡石机将向提高捡拾部件可靠性以及捡拾率、提高捡石机的作业效率、降低作业功耗，提高捡石机自动化、智能化控制方向发展，具体体现在以下几个方面。

4.3.1 应加快开展捡石机的基础理论研究，推动捡石机的快速发展

从我国农田土壤及石块的物理参数分析入手，分析适合我国农田土壤条件的捡拾机理，明确不同捡石机结构参数以及运动参数对捡石机作业效率以及作业功耗的影响因素，形成全面的捡石机理论研究基础，为捡石机的结构设计及改进提供指导。

4.3.2 捡石机应向提高机具适应性以及可靠性方向发展

我国不同地区农田地形地势差异较大，尤其新开垦土地中，土壤条件恶劣，要求捡石机必须具有良好的适应能力和可靠性，目前，我国捡石机械在实际生产中，挖掘部件及传动部件在受到较大冲击时，容易损坏，再考虑改进捡石机的核心部件的结构以及运动参数时，还应该考虑核心部件的材料性能，同时，开展捡石机作业效率、作业功耗以及关键部件可靠性试验研究，从而提高捡石机的适应性及可靠性。

4.3.3 捡石机应向技术多元化与装备智能化方向发展

近年来，捡石机的研制应由传统机械式逐渐向集成机、电、液以及智能控制于一体的综合度高的装备方向发展，通过监测土壤的平整度以及石头位置等信息，进一步控制捡石机械调整结构姿态以及运动参数，实现不同作业环境中挖掘部件角度调节以及挖掘部件避让调节等控制功能，捡石机的适应性和智能化水平不断提高，从而提高作业效率及可靠性。此外，捡石机可以尝试增加石头粉碎还田功能，完成石头捡拾、收集以及粉碎还田一体化作业。

5 结论

1） 从农田土壤捡石机械化技术研究的发展态势看，全球最早的专利申请始于1907年，1980年国外已经出现了较为成熟的捡石机械，我国捡石机械化技术专利申请始于2001年，与发达国家相比还存在一定差距，2016年开始，我国捡石机械相关专利申请量大幅度增大，目前发展势头较好。

2） 从国家和地区层面来看，我国是全球专利申请量最大的国家，占全球25.6%，我国相关专利申请主要集中在安徽省、山东省、江苏省、内蒙古以及浙江省，我国专利申请人类型中，企业申请数量为104件（占比69.8%），表明我国虽然近些年申请的相关专利数量较多，但目前的捡石机械还不能满足实际生产需求，高校及科研院所关注度不够，捡石机械基础理论较为薄弱。

3） 纵观国内外农田土壤捡石机械化技术的研究现状，我国的捡石机械化技术还不成熟，还存在适应性、可靠性不高等诸多问题，我国捡石机的发展是影响耕地质量以及现代农业高质量发展的关键因素之一，面向我国农业产业结构调整日益加快的积极态势，促进我国捡石机的基础研究以及应用研究势在必行。鉴于国内捡石机的发展滞后，其适用装备不能满足现实需求，因此，尽快研究开发适合我国国情的捡石机械不仅具有重要的战略意义，而且具有重要的现实价值。

参 考 文 献

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