基于专利申请量的电力机车技术发展分析

摘要：机车是轨道车辆运行的动力提供者，即俗称的火车头。而电力机车作为当今轨道交通运输的主流机车，分析其技术的发展历史、现状以及发展趋势具有重要意义。本文主要以CPRSABS和DWPI数据库中的检索结果为分析样本，从专利文献的角度对电力机车的发展进行了全面的统计分析，总结了电力机车国内外专利的申请趋势、主要申请人以及国别分布。

关键词：电力机车；高速铁路；动车组；专利申请；发展趋势

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

机车是牵引或推送铁路车辆运行，而本身不装载营业载荷的自推进车辆，俗称火车头。电力机车凭借其功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作用时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量等诸多优点，已成为国内外主流的铁路牵引车辆[1-4]。笔者作为国家知识产权局的一名审查员，主审轨道交通领域的发明专利申请，下面将从专利申请量的角度来分析对比国内外电力机车技术的发展状况。

1 国内专利申请状况

本节主要对中国专利申请状况的趋势以及全球专利重要申请人进行分析，从中得到相关的电力机车技术发展趋势，以及重要申请人的历年专利申请状况。

1.1国内专利申请趋势

根据CPRSABS专利数据库的数据统计分析，电力机车国内专利申请趋势整体上大致可分为两个阶段，第一阶段为1987-2003年，第二阶段为2004年至今。

（1）第一阶段（1987-2003年）

在第一阶段内，一方面中国专利关于电力机车领域的数量较少，首先是因为国内电力机车发展起步晚，技术上落后于国外，另外，我国专利制度1985年以后才开始建立，国内企业、科研单位对申请专利的意识不够；另一方面，中国专利申请总体比较平缓，上升趋势不明显，且包含有个别申请下降的年份，如1993，1997-1999年，并且国外来华申请量较少。因为这个时期，中国国内电力机车领域技术水平仍然不高，虽然生产量在逐年上升，但是整体生产数量偏低，并且这段时期内，国内电力机车技术含量不是很高。从国外来华申请所占的比例15%可以看出，虽然国外企业开始逐渐重视中国市场，但是由于1989年以后西方对中国实行技术封锁，为防止铁路领域的关键技术被用于解放军快速兵力部署，西方先进的电力机车技术在国内申请量较少。由于铁路运输为关系国民经济命脉的相关行业，且电力机车属于技术密集型与资金密集型行业，之前一直是由铁道部工业总局后来改组为中国铁路机车车辆工业总公司所垄断，直到后来国有企业改革，中国铁路机车车辆工业总公司与铁道部脱钩，分拆为中国南车集团和中国北车集团，电力机车的研发才真正算是进入市场化时期。根据电力机车国内专利申请分布来看，电力机车技术主要推动者是企业，所占比率达到73%，由于国内早期电力机车技术复杂程度低，因此个人申请也占了一定比率，这其中相当一部分是各高校科研院所的退休教授或工程师的个人申请。

（2）第二阶段（2004年至今）

第二阶段内，中国专利申请趋势总体呈现上升趋势，并且在2009-2013年之间突飞猛进，这段时间，随着中国加入世贸组织，中国电力机车发展迅猛，尤其是高速列车方面，拥有自主知识产权的高铁技术已赶超世界先进水平，并能对外出口，真正实现了中国高铁走出去的战略，国内先进的高铁技术主要掌握在中国南车集团、中国北车集团手中。这段时间内，国外来华申请量也在激增，说明国内市场越来越受国外汽车的重视，但由于国内申请量增速远超国外来华申请量，因此国外申请所占比例反倒有所下降。

1.2国内专利申请重要申请人

根据CPRSABS专利数据库的数据统计分析，电力机车领域国内申请量前十的申请人排名，分别是：

1、中国南车集团

2、中国北车集团

3、株式会社日立制作所

4、永济新时速电机电器责任有限公司

5、巨大矿业

6、西南交通大学

7、三菱电机株式会社

8、西门子公司

9、阿尔斯通运输股份有限公司

10、北京交通大学

同时在申请量前十的单位中，国内的中国南车和北车集团两家申请量超过其余八个申请人的总和。由此看来，电力机车发展的第二阶段，即高速列车阶段，电力机车的核心技术已由国内自己的企业所掌握，这是非常了不起的成就。

中国电力机车发展过程有以下几个特点：（1）中国铁道部既是铁路经营主体，又是铁路修建、机车车辆制造主体，还主办铁路科研和国家有关铁路的中等高等教育，中国南车、北车集团也是铁道部一手创办后来独立出来的电力机车行业的两大巨头。（2）电力机车产品开发，以工厂和研究所联合开发研制为主。（3）90年代以前开发的产品，系列化、标准化、简统化差，各型机车的主要零部件不通用，几乎一个型号一个样子，特别是牵引电动机电压不统一，有低压750v，中压1000v，高压1500v种。使设计制造、运用维修很不方便，经济效益差。1990年铁道部开始电力机车的简统化，系列化工作。诸如主电路标准化设计，整流采用两段桥或不对称三段桥，牵引电动机电压统一为1000v，机车车体采用统一结构。目前已研制出SS8、SS6B、SS4B等多种产品。（4）中国电力机车研制历程是仿制-独立自主设计制造-消化吸收引进技术自主设计制造，这在中国高铁技术中体现尤为突出。中国南车集团青岛四方机车受让庞巴迪公司（BSP）为瑞典国家铁路提供的Regina C2008型动车组技术，开发了CRH1系列动车组；中国南车集团青岛四方机车受让川崎重工的新干线E2-1000型动车组技术，开发了CRH2系列动车组；中国北车集团唐山轨道客车受让西门子技术，开发了CRH3系列动车组；长春轨道客车受让阿尔斯通的动车组技术，开发了CRH5系列动车组。

2 国外专利申请状况

本节主要对国外专利申请状况的趋势以及全球专利重要申请人进行分析，从中得到相关的电力机车技术发展趋势，以及各阶段专利申请国家分布和主要申请人。其中以每个同族中最早优先权日期视为该申请的申请日，一系列同族申请视为一件申请。

2.1国外专利申请趋势

根据DWPI专利数据库的数据统计分析，电力机车国外专利申请趋势整体上大致可分为三个阶段：技术发展阶段（1990年以前）、技术瓶颈阶段（1991-2002年）以及技术革新阶段（2003至今）。

（1）技术发展阶段（1990年以前）

从德国人W.西门子1879年制造第一台真正意义上的电力机车，从此开启了人类历史上铁路运输的新篇章。电力机车的发展先后经历了直流电力机车到交流电力机车的技术转变。直流电力机车装有直流串励牵引电动机的机车，接触网电压为1500伏或3000伏直流电压。直流电力机车的起动和速度调节以往是借助于调节起动电阻和牵引电动机的串联-并联转换来完成的。但这种起动和调速方式不能作到连续平滑地调节速度，而且电能耗损大，线路转换复杂。随着直流斩波技术的发展，逐渐为新的脉冲调压方式所代替。由于DWPI数据库自身特点，在该数据库中最早出现的相关专利申请在1972年，但这显然不是关于电力机车最早的专利申请年份。由于电力机车技术发展较早，到20世纪70年代已经过了高速增长期，此时主要出于直流电力机车逐渐被交流电力机车取代时期，世界各主要工业国都逐步建立了完善的电气化铁路网，通过采用交流电力机车，大幅提高了铁路运输的效率。

（2）技术瓶颈阶段（1991-2002年）

当交流电力机车逐渐成为各国主要的铁路牵引机车，电力机车的发展逐渐趋于成熟。伴随着大功率可关断电力半导体的出现，以及微机技术的应用，交流电力机车的性能变得更加完善。这一时期生产的交流传动电力机车，网侧采用四象限脉宽调制整流器，使得机车不论在而定功率，还是小负载时，在牵引或再生制动工况，机车的功率系数都在0.98以上，此时的交流传动机车还采用了再生制动技术，节省了能耗。另外，该阶段各国申请量起伏很大，整体发展不平稳，这是技术变革前的酝酿期，也是常规电力机车技术的瓶颈期。但是，随着人类生活的不断发展进步，一般的交流电力机车牵引的客运列车速度只能达到200km/h，越来越满足不了现代社会对于铁路客运速度的追求，迫切需要开发一种能大幅提高客运列车速度的新技术。

（3）技术革新阶段（2003至今）

伴随着人类进入21世纪，电力机车发展进入了技术革新的全新时代，各国都大力发展高速铁路，高速列车技术发展迅速。该阶段申请量增长迅速，特别是日本、德国和法国，其申请量更是增长迅速。日本新干线也成为世界上首条成功商业化运行的高速铁路，其所带来的巨大商业利益反过来推动了企业对高铁的研发，由此带来了日本高铁技术的高速发展，也奠定了其作为为世界高铁强国的地位。同样，法国和德国也成功地将其高铁技术推广至欧洲以外的地区，中国就是其中的受益者。

2.2国外技术分布格局

国外电力机车专利申请主要分布于日本、德国、美国、俄国（前苏联的专利申请也计入俄国）、法国、加拿大和韩国；而作为电力机车技术的发源地——欧洲，其专利申请量占据了国外申请量的半壁江山。上述主要工业国是电力机车技术的主要创新国，也是电力机车核心专利的垄断国，国外申请量的92%由上述七国掌握。

目前世界主流的的高铁技术包括：日本新干线、法国TGV、德国ICE、西班牙AVE（法国TGV衍生）、意大利ETR、韩国KTX等，当然还包括中国的CRH。

2.3国外专利申请重要申请人

根据DWPI专利数据库的数据统计分析，电力机车领域国外申请量前十的申请人排名，分别是：

1、日立（HITACHI）

2、西门子（SIEMENS）

3、庞巴迪（BOMBARDIER）

4、东芝（TOSHIBA）

5、三菱（MITSUBISHI）

6、阿尔斯通（ALSTOM）

7、通用电气（GENERAL ELECTRIC）

8、东洋电机（TOYO DENKI SEIKO）

9、ZH铁道客运（ZH TETSUDO SOGO GIJUTSU KENKYOSHO）

10、川崎重工（KWASAKI HEAVY IND）

从上述排名可以看出，日本作为高铁技术大国，前十的公司中占据了6席，而其余4席被德国、法国、加拿大和美国瓜分。由此看来，在高科技领域，传统科技大国仍然处于领先地位。

3 结语

从国内外电力机车的专利技术发展来看，西方先进国家一直引领者电力机车的技术发展，中国作为后来者，不断通过学习、引进、消化、再创新，一步步追赶着世界先进水平。尤其是到了高速列车蓬勃发展阶段，中国已经渐渐跻身于高铁技术大国的行列。对于国外公司设置的专利壁垒，国内企业没有投机取巧，而是踏踏实实，虚心学习，同时合理利用中国这个巨大的市场，最终实现了创新和产业化的巨大成功。

虽然国内高铁技术发展迅速，但新建高铁线路投资巨大，导致铁道部和地方政府债务负担沉重。如何对现有线路进行合理改进以提高铁路高速化的经济性，这应该是未来轨道交通中重点研究的课题，由此必然需要开发配套的动力机车如何开发出在既有线路不大改的基础上大幅提高运营速度的电力机车，这是值得研究的课题。

参考文献：

[1] 姚永康.我国铁路机车车辆工业的现状和发展[J].电力机车技术，1997（1）：6～9.

[2] 熊红康.客运电力机车的现状和发展[J].电力机车与城轨车辆，2012， 35（6）：67～69.

[3] 刘立.浅谈交流电力机车是机车发展的必然趋势[J].科技创新导报，2012（21）：46.

[4] 叶家金.国外高速铁路移动设备发展特点及我国发展模式的选择[J].大连铁道学院学报，1993， 14（4）：51～58.

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