磁浮轨道交通的专利技术发展态势

贺正楚 黄颖琪 黄渊基 刘鹏飞 向鑫

摘要利用专利数据和文献数据分析工具，对德温特数据库（DII）和WOS核心数据库中磁浮轨道交通产业技术的相关专利进行检索和系统分析，以了解目前全球磁浮轨道交通产业技术领域的发展现状、研发热点、技术分布情况和专利权人格局，以及通过对全球磁浮轨道交通产业技术的论文数量、研究机构、研究热点等方面的计量分析，探寻中国发展磁浮轨道交通产业技术面临的机会与挑战，以期为中国磁浮轨道交通产业的发展提供决策参考及依据.

关键词磁悬浮；磁浮技术；磁浮轨道交通；专利技术

中图分类号F273.1；F426.672文献标识码A

1引言

磁浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术，这种高新技术是典型的机电一体化技术，整合了电子技术、电磁学、机械学、动力学、控制工程和信号处理技术等.都是现阶段主要的悬浮技术包括了磁浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、电悬浮、粒子束悬浮等，其中的悬浮技术以磁浮轨道交通技术成为比较成熟的技术，其中磁浮列车和磁浮轴承是目前磁浮轨道交通技术较大规模应用的两个领域.

磁浮列车作为一种新的轨道交通方式，是具有很大潜力的城市轨道交通方式.相对于现代有轨电车、单轨、轻轨、地铁等传统轻轨交通而言，磁浮列车建造成本低并且维护成本也低.这是因为磁浮轨道线路能够灵活变动，可以在别的轮轨交通工具无法建设的地方建造磁浮轨道，这就因此能够减少工程施工时的拆迁量，同时也提高了乘客覆盖面积以及方便乘客就近换乘；磁浮列车运营更安全，运营中不会脱轨和翻车；磁浮列车转弯半径小、爬坡能力强；磁浮列车噪声低、环保性能好，中低速磁浮列车是目前噪声最小的轨道交通方式，没有因为轮轨磨损而产生粉尘，磁场辐射对人体和环境没有危害.

磁浮技术决定着磁浮轨道交通产业的发展.本文以磁浮技术为研究对象，在科技文献的基础上，结合全球的专利数据和文献数据对磁浮轨道、磁浮列车等磁浮相关技术的技术分布和研究热点进行分析，继而对相关技术的发展态势进行了研究和揭示，以期全面展现出全球磁浮轨道交通产业技术的整体发展态势，为中国磁浮轨道交通产业今后的规划和整体发展工作提供科学的参考和借鉴.

2磁浮轨道交通技术的发展状况

2.1国外磁浮轨道交通技术的发展

磁浮的概念在1842年由英国物理学家Earnshow首次提出，同时指出一个铁磁体需要比永久磁铁更多的条件才能在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态.磁浮技术的正式研究始于1922年，电磁浮原理由德国工程师赫尔曼·肯佩尔正式提出，并于1937年申请了磁浮轨道交通的专利，开启了.1966年，第一个具有实用性质的磁浮运输系统由美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出.20世纪70年代以后，德日美等国家为了适应因为经济与社会发展而对提高交通运输能力的需要，开始研发磁浮轨道交通技术，建设磁浮轨道交通，以此改善运输系统和提高运输效率.

2.2国内磁浮轨道交通技术的发展

西南交通大学是国内较早开展磁浮运输研究的科研机构.1986年，磁浮技术与磁浮列车技术研究大会在该校组织召开，并在1988年由该校的磁浮研究团队组织完成了单自由度铁球悬浮实验，掌握了电磁吸力悬浮原理[1].中国第一台磁浮试验样车于1989年3月由国防科技大学研制出来.1994年10月，西南交通大学研制出的中国第一辆可载人4吨的磁浮列车及其试验线标志着我国开始拥有自主知识产权的磁浮列车技术，该列车实现了系统的稳定悬浮与运行，是我国在磁浮轨道交通领域的首次突破.一年后，中国第一条磁浮列车试验线在西南交通大学建成，在时速为30.0 km的条件下进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等试验并大获成功，标志着中国已经掌握制造磁浮列车的技术.依托德国以及西南交通大学的磁浮列车技术支撑，上海磁悬浮列车于2003年1月开始运营.上海磁悬浮列车运营速度430 km/h，仅次于飞机的飞行时速.上海磁悬浮列车是世界上第一条投入商业运行的高速磁悬浮列车.上海磁悬浮列车技术开创了国内多项技术第一，如整体电磁铁结构、五悬浮架结构、DC330V悬浮电源、三选二悬浮传感器等技术都是国内首次采用[2].

运行时速为500公里以上的称为高速磁浮列车，我国已经有上海高速磁浮列车.运行时速低于120公里的称为中低速磁悬浮列车.2015年12月，长沙中低速磁浮列车商业运营示范线（简称“长沙磁浮快线”）在湖南省长沙市开通运行，这是中国首条完全自主设计、自主制造、自主施工和管理的，也是世界上第三条商业运行的中低速磁浮列车线路.长沙磁浮快线全长18.55 km，为全世界最长的中低速磁浮列车线路.

目前，世界上有三种类型的磁浮，一是以德国为代表的常导磁浮.常导磁浮的轨道是一种T型台，运行时列车下部的两边包住列车轨道，悬浮的实现是依靠安装在位于电磁体上方的导磁轨道与列车车体底部的常规电磁体间产生的相互吸引力（如图1）.常导磁浮列车的时速可达400 km～500 km之间，这种技术的优势是原理简单，便于应用和推广，劣势是产生的电磁吸引力较小；二是以日本为代表的超导磁浮.实现形式不同于常导磁浮的列车包轨道，超导磁浮是采用轨道包列车的形式，列车在一个U型槽内运行（如图2）.运行时车身悬浮于轨道上，这是由于轨道的感应磁场与磁浮列车的车载超导磁体在运动过程中会产生相互的排斥力.超导磁浮技术可以实现时速400 km以上运行，悬浮力大，列车运行速度快；缺点是技术复杂，发散的电磁场对周边容易产生影响；三是以中国为代表的永磁浮

3数据来源及分析工具

1951年，英国汤森路透集团（Thomson Rueters）的德温特出版公司创建的专利文献检索系统——德温特创新索引专利数据库（Derwent Innovation Index，简称DII）[1].该专利检索系统按专业提供多种载体的英文专利题录和文摘（全技术领域），主要有化学专利索引（简称CPI）、电子专利索引（简称EPI）、世界专利索引（简称WPI）和世界专利文摘（简称WPA）等.数据库主要由两种文档组成：WPI文档收录1963～1980年世界20多個国家、地区和国际组织专利局公布的专利文献记录，每月更新同族专利数据；WPIL文档收录1981年以后世界30余国专利局公布的数据，每周更新一次.两种文档收录专利文献记录1 000万条.通过美国、日本、英国和法国等检索系统提供联机检索服务，可使用国别和专利号、优先权项目、专利权人、发明人、主题词、国际专利分类号、德温特分类号、德温特细分码、德温特登记号等多种检索途径.

本研究的数据来源于德温特创新索引专利数据库.磁浮轨道交通技术的检索表达式为TS=（（ELECTROMAGNETIC* OR MAGNETIC*）AND （LEVITATION* OR SUSPENSION*） OR MAGLEV OR EML），检索年限设定为1976～2016，IPC分类限定为E01和B61，经过数据清洗后得到磁浮轨道交通技术相关专利共5 616条记录，以此构成本文的样本数据（检索时间为2017年2月8日）.其中E01在国际专利分类代码中表示道路、铁路或桥梁的建筑，B25代表铁路.

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4磁浮轨道交通技术的研究态势分析

4.1磁浮轨道交通技术的专利数量年度增长趋势分析

磁浮轨道交通技术领域的整体发展脉络可以通过对每年专利数量的分析来展示.截至2017年2月8日，全球磁浮轨道交通领域专利共5616件.图4显示的是德温特专利数据库中收录的磁浮轨道交通领域每年新增专利数量的情况，2015年、2016年的数据仅供参考.这是因为专利数据从申请到公布之间有18个月的滞后期，所以近2年的数据不能完全代表此阶段发展趋势.2017年、2018年数据系根据往年数据建立模型预测得到.

磁浮轨道交通技术研究在2001年以后进入快速发展时期.2001年3月，中德两国合作建设世界第一条磁浮商运线浦东机场线（从上海浦东国际机场开至地铁龙阳路站，简称“上海磁浮列车专线”），该专线主要采用德国Transrapid公司常导磁浮技术.上海磁浮列车专线于2003年1月投入使用，专线全长29.9 km，运营速度430 km/h.上海磁浮列车属于高速磁浮列车.随后，日本和韩国先后开通了中低速磁浮列车.2005年3月，日本开通第一条磁浮铁路，该铁路全长约9 km，由名古屋市区开至爱知世博会会场，最高时速为100 km.2014年7月，韩国开通了仁川国际机场至仁川龙游站磁浮线路，该线路全长6.1 km.列车可实现无人驾驶，最高时速可达110 km，且是由韩国自主研发.中国是继日本和韩国之后第三个拥有中低速磁浮技术并且开通中低速磁浮列车的国家.2008年之后，中国加快了中低速磁浮轨道交通技术的研发以及市场推广.2008年5月，中低速磁浮列车工程化试验示范线由河北省唐山市的唐山客车厂研制成功，该线约1.6公里.次年6月，低速磁浮列车又由该厂研制成功.时速100 km、承载600人的中低速磁浮列车也于2012年1月由中国南车集团公司株洲电力机车有限公司成功试制.2015年12月，长沙磁浮快线在湖南省长沙市开通运行，这是我国第一条完全自主研发的商业运营磁浮线[4].长沙磁浮快线连接长沙黄花国际机场和长沙火车南站，线路全长18.55 km，速度为100 km/h.

按照当前的趋势，磁浮轨道交通技术研究在未来一段时间内依然会保持国际上重点关注的态势，以期列车运行过程中的阻力、能耗等技术问题能得以突破，提高高铁效能，同时降低建设成本，使磁浮列车在多个国家和地区普及.

4.2磁浮轨道交通技术的专利分布分析

专利发明人的国家可以体现专利技术的热点发展区域和未来可能申请技术保护，进而实施和普及该项技术的国家或地区.图5是磁浮轨道交通技术全球专利申请量居前的国家的专利数量和专利申请数量情况，图5中的圆圈越大，表明该国家专利申请量越多.从图5来看，中国磁浮轨道交通技术专利的总专利数量处于世界领先水平，远高于位列第二、三位的美国和日本，但专利申请数量与上中国、美国、日本、韩国差距不明显.

4.5.1数据来源

目前，我国磁浮轨道交通技术主要应用于高速列车和轨道的研究建设，因此，本研究以MAGNETIC LEVITATION OR MAGNETIC SUSPENSION为主题检索词，在Web of Science Core Collection （WOS核心数据库）中进行检索，设定筛选的文献类型为Article，Proceeding Paper，Letter，Review 4种文献类型，检索年限为1976～2017年.WOS核心合集包括SCIEXPANDED，SSCI，A&HCI，CPCIS，CPCISSH，BKCIS，BKCISSH和ESCI这些子数据库.将筛选检索出的关于磁浮轨道交通技术研究的论文2 994篇以时间序列的形式统计出主要国家的论文发表数量和全球的年论文发表数量，统计结果如图6所示.3.5.2论文数量分析

从图6可以看出，2007年以来，我国超过美日韩等发达国家，成为发表磁浮轨道交通技术论文年数量最多的国家，论文总数量达到729篇，超过美国的662篇，日本的373篇和韩国的343篇.从发表论文的时间可以看出，我国关于磁浮轨道交通技术的研究不但与国际先进技术国家同步，2007年以后几乎每年都处于国际领先地位.

4.8分析结果

4.8.1我国发展磁浮轨道交通技术的优势

一是相关的论文成果.我国在近十年来的每年相关SCI论文数量，都已经超过美日韩等磁浮轨道交通技术研究发达的几个国家；2015年和2016年，我国关于磁浮轨道交通技术的研究成果处于国际领先水平，论文数量明显多于其他国家.二是相关研究机构.我国的中国科学院已成为全球关于研究磁浮轨道交通技术发表相关论文最多的研究机构，在开展关于磁浮轨道交通技术的研究活动上研究时间也几乎与国际同步.三是研究热点.我国与国际一致，现阶段我国特别是在磁浮列车、磁浮轨道和相关的关键技术如导轨、道岔等方面，研究水平已處于世界领先水平.

4.8.2我国发展磁浮轨道交通技术的挑战

最近十年来，关于磁浮轨道交通技术研究的SCI论文，我国虽然在论文总数量以及年度论文数量都排名世界第一，但论文在总被引频次、每项平均引用次数上与美国、日本还有一定差距.这说明我国专利数量虽然已占主导地位，但专利质量还有待提升.

5结论与建议

虽然我国研发磁浮轨道交通技术的时间不长，但技术专利数增长较快，论文数量和近年的研究活跃度均远超其他国家，研究热点基本与国际保持一致，技术研发的发展势头很好.从参与研发的机构来说，中国本土专利申请人呈现出企业与高校并存的状态.我国磁浮轨道交通技术专利的来源机构主要有4个，分别是：西南交通大学、国防科学技术大学、同济大学的国家磁浮交通工程技术研究中心（该研究中心筹建于2001年12月，依托上海磁浮交通发展有限公司，2012年7月，因上海磁浮交通发展有限公司重组，中心依托单位变更为同济大学）以及上海磁浮交通发展有限公司.现结合本文的研究结果，对磁浮轨道交通技术相关行业的进一步发展提出建议如下：

一是加强国际合作.由于国外磁浮轨道交通技术的研发是以大型跨国企业为主，我国要充分利用这个有利条件，与国外的跨国企业开展国际交流和合作，运用专利转移或交叉许可的方式，取得技术的使用权[7].同时关注相关专利的海外布局，及时了解研究结构和热点的变化，增强国际竞争力.将国外的先进成果本土化，促进国内相关产业发展.

二是政策扶持引导.实施财政补贴和税收优惠政策，对磁浮列车、轨道及相关技术的技术推广和工程应用给予政策支持[8-9]，促使相关的技术难题早日突破.同时鼓励更多的相关企业（材料、交通、机械制造等领域的企业）研发、应用先进的磁浮技术，促进该项技术发展的同时提高企业生产效率.

三是专利结构应当有所变化.从对专利权人的分析来看，我国虽然在磁浮领域贡献专利的机构较多，但各项专利比较分散，导致各专利权人的专利数量受到影响.反观日本、德国，虽然这2个国家专利数量排在前20位的专利权人数量都少于中国，但各单个机构的专利数量都很可观，甚至专利数量排名前四位的专利权人全都来自日本.专利权过于分散一方面是由于各专利权人的研究方向有别，但另一方面不利于技术的整合和突破、发展，因此，专利结构应当得到合理的优化.

四是应当鼓励产学研相结合.引导对相关产品有需求的企业和高校、各研究机构与团队合作，鼓励研究机构将技术研究成果与实际相结合，考虑现实需求，同时利用相关企业对磁浮技术进行应用、推广.这样可以提高企业对磁浮技术的接受度，有利于磁浮技术的发展，对难以实现磁浮技术相关产品自主研发的企业也是个好的选择.

参考文献

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[4]高铁科普作家.高铁见闻[EB/OL].[2015-04-19].http：//zhidao.baidu.com/daily/view？id=4214，2015-04-19.

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