论文推荐｜基于专利分析的谷物联合收割机全球技术布局

农业机械化已经成为转变农业发展方式、提高农村生产力的重要基础，成为实施乡村振兴战略的重要支撑。谷物联合收割机主要用于收获水稻、小麦、玉米、谷子等粮食作物以及油菜、大豆等部分经济作物，在田间可完成切割、脱粒、分离、清选、装袋或随车卸粮等若干项工序。联合收割机在解决农业机械化程度低、劳动强度大和生产成本高等问题上发挥了重要作用，其发展水平代表了世界农机行业的技术水平。国外联合收割机的技术和产品已经较为成熟，向着系列化、大型化、智能化、高效率和高质量的方向发展，产量监测系统高度普及。

随着中国土地流转、规模化和标准化种植加快，对大型化、智能化、高效环保等高品质收割机需求加大。2021年中国小麦、水稻和玉米的机收水平分别达到97.49%、93.73%和78.67%。中国设计生产的谷物联合收割机依然是以完成基本收获功能的中小型传统机型为主，信息化、智能化技术配备较少，大型谷物联合收割机的研制与国外的先进技术差距较大。同时有研究表明，进口美国农业机械成本高的主要原因是美国农业机械的技术和质量优于中国。中国连续3年（2017—2019年）在联合收割机的每台进口均价均超出口均价100%以上，且来自日本的久保田为我国联合收割机市场占有率最高的品牌，可以看出我国在一些高端产品上对外界依旧存在一定依存关系。受核心技术、关键零部件及制造能力的制约，喂入量10kg/s以上谷物收割机等高端产品虽然已经实现量产，但竞争优势不足。国内联合收割机研发存在关键技术缺失；产品可靠性和实用性差、故障率高等问题。国外联合收割机企业，如久保田株式会社在中国进行了大量的专利布局，进一步挤占国内市场。

专利分析作为企业战略与竞争分析的重要方法之一，可以了解竞争对手的技术发展与专利布局。专利分析方法已经在农业机械领域得到应用，为领域科技创新、技术发展提供产业情报支撑。目前，针对联合收割机开展的专利分析研究侧重于特定作物、特定地区的研究应用，为该研究提供了良好的研究基础，而针对全球谷物联合收割机的专利竞争情报研究仍较为欠缺。

揭示谷物联合收割机技术的全球布局、研究热点以及竞争态势，为农机管理部门政策制定提供战略指导，为农机企业和研究机构开展技术研发创新提供产业情报支撑。

以谷物联合收割机为研究对象，基于IncoPat专利数据库，从专利整体布局、技术申请趋势、专利申请机构、高价值专利分析等方面剖析联合收割机技术领域的全球创新布局和竞争力态势。

◆专利申请趋势分析

由图1可知，全球范围内谷物联合收割机在2000—2022年呈现波动上升的趋势，2018年突破2000件，达到近年来的峰值。中国在联合收割机产业起步较晚，2000年申请量仅为13件，仅占当年全球专利申请总量的1.22%。从2007年开始，中国谷物联合收割机技术相关专利申请开启快速增长模式。近5年中国谷物联合收割机专利申请数量累计占全球专利总量的42%，年均专利申请量在440件左右，处于稳定发展时期。

图1 2000—2022年全球及中国谷物联合收割机专利申请趋势

从申请趋势看，德国在联合收割机技术领域的专利申请量相对稳定，日本在该领域的专利申请呈先波动缓慢下降的趋势，而美国则呈现先缓慢上升后波动增长的趋势（图2）。美国和日本的专利申请量具有绝对优势，中国在谷物联合收割机技术领域的研发起步晚，但是得益于国家的农业机械发展战略和补贴政策，联合收割机技术得到了发展，专利申请经历了缓慢发展的阶段后进入快速增长模式，专利申请量分别在2009和2013年超过德国和美国，又在2015年赶超日本。发明专利从申请到公开需要至少18个月，因此2021年以后的部分数据尚未公开，仅供参考。

图2 中美德日谷物联合收割机领域专利申请趋势

◆专利布局分析

专利申请国分析。按照专利申请人所属的国家标引专利技术来源国，将大型跨国公司在全球的子公司的专利归并，从而更加清晰地反映出国家的技术实力。日本、美国、中国、德国共申请专利2.56万件，占全球联合收割机专利申请量的86.95%，是全球联合收割机技术专利的主要申请国家，也是该领域技术创新主力军。日本联合收割机专利数量接近万件，居第1，占全球的31.27%；美国为7955件，占全球的27.02%；中国和德国分别为第3和第4位（图3）。

图3 联合收割机领域Top 10专利申请国比较

专利申请机构分析。专利申请人分析可以揭示技术来源与竞争者，预测未来的竞争格局。从Top 10的专利权机构（表1）的国别看，日本的专利数最多，包括井关、久保田、洋马、三菱4家公司，申请专利量共计8622件，占全球联合收割机Top 10专利总量的49.8%，日本企业在全球谷物联合收割机技术领域拥有明显的集团优势，主要集中在传感器、高度检测、螺旋传送器等技术方向。美国有4家企业入选，分别是迪尔公司、CNH全球有限公司、爱科集团。美日两国占据专利权人拥有专利数量前10名中的8个席位，足以说明两国的实力。德国的克拉斯农机公司排名第6。中国仅江苏大学1家机构进入Top 10，以317件排名第10。从申请人的技术热点看，国外大型跨国公司的技术热点多涉及高度检测、谷物损失传感器、监测装置、远程用户、驱动装置等主题。Top 10机构中，除日本的洋马、井关农机和三菱在谷物联合在华专利申请量排名前5的外国机构分别是久保田株式会社、洋马株式会社、CNH全球有限公司、迪尔公司、井关农机株式会社。研究普遍认为域外申请人在华专利布局是为了占领中国市场和限制竞争对手。日本久保田在华联合收割机专利申请量超过国内排名第1的江苏大学（317件），中国联合收割机在专利布局方面受到全球跨国公司的围堵，在知识产权保护将面临更严峻的挑战和复杂的专利纠纷。

创新主体类型分析。专利申请人作为创新主体一般可分为企业、科研机构、高校、个人等。对比主要国家专利申请机构类型可以看出，美国、日本和德国专利申请机构类型中企业专利申请量均超过90%。美国84.93%的谷物联合收割机专利集中在迪尔公司、CNH全球有限公司和爱科集团这3个大型国际农机公司（图4b）。相比之下，中国联合收割机技术领域的创新主体类型特点也较显著，高校、科研机构以及个人专利申请数量占50%以上（图4d)，与发达国家企业为主的创新主体构成特征形成鲜明对比。

图4 2000—2022年主要国家联合收割机专利申请人特点

同时，中国在谷物联合收割机技术领域的专利集中度较低。中国谷物联合收割机Top 10专利申请机构的平均专利申请量仅为118.70件。而日本、美国和德国Top 10机构平均专利申请量分别为886.80、665.10和233.80件。日本的洋马、久保田、井关农机的专利申请量均超过2200件，单个公司的专利申请量与同时期中国所有企业的专利申请总量相当。中国在该领域的技术创新主体，除了江苏大学外，还有潍柴集团化、农业部南京农业机械化研究所、江苏沃得农业机械股份有限公司和中联重科集团专利数量在100件以上。可见国际农机巨头在技术研发实力方面占据绝对竞争优势，中国缺乏与国际跨国公司抗衡的领军型创新企业，且专利分散不利于技术保护。

专利技术来源与流向分析。在竞争对手的市场和生产国进行专利布局，是遏制竞争对手的手段。一般情况下企业重视技术研发较为密集或市场开发潜力大的地域，并进行专利布局。美国和德国联合收割机技术域外专利布局比例都在2/3以上。相比之下，中国的域外专利占比仅3.91%，专利布局主要在本土，未能“走出去”，与发达国家专利保护水平有较大差距（图5）。

图5 谷物联合收割机主要申请国域外专利布局

专利来源与流向分析可以揭示技术创新发源地的创新能力和活跃程度，以及专利主要布局区域分布，可以为区域间的技术合作与竞争提供有效的知识产权信息。通过域外专利布局市场可以看出美日德3国的专利重点保护区域。美国的域外专利主要布局在欧专局、巴西、德国、世界知识产权组织和中国，上述国家和地区占美国域外专利总量的67.64%；日本域外专利主要布局在中国和韩国。德国域外专利主要布局在欧专局、美国和俄罗斯，合计占其域外专利总量的72.44%（图6）。

图6 中、美、日、德联合收割机专利布局情况

高价值专利分析。高价值专利占比可以在一定程度上反映各国的技术创新水平。合享IncoPat专利数据库的专利价值评估体系包括技术稳定性、技术先进性和保护范围3个维度，有专利类型、同族个数、被引证次数、权利要求个数、同族国家的数量、涉及IPC大组个数、发明人个数、专利剩余有效期等20多个指标，用于价值度10级排序，分数越高专利价值越高。一般认为，价值度为10分的专利为高价值专利。谷物联合收割机技术高价值专利共6191件，占该领域全球专利总量的21.00%，主要分布在美国、日本、德国和加拿大等国。其中，美国高价值专利数量高达3409件，占据绝对优势（图7）。

图7 高价值专利分布

中国在该领域的高价值专利仅123件，仅占本国专利申请量的2.24%，与全球平均水平有较大的差距。聚类结果显示，联合收割机高价值专利主要包括产量检测器、饲料收割机、脱离滚筒、螺旋推运器和清洁系统5个一级主题。其中，收割头、转子轴线、脱粒系统、柔性切割器、脱离滚动、发动机室、驱动系统、清洁系统等是重要的二级主题，侧面反映了谷物联合收割机核心关键技术方向（图8），有助于了解核心关键技术的研发方向。

图8 高价值专利聚类主题分布

◆全球及重点国家研发重点分析

全球技术研发重点分析。通过IPC分析可以看出全球谷物联合收割机专利重点技术领域分布情况。由IPC大组统计结果看，全球谷物联合收割机的专利申请集中在整机（A01D41）、脱粒设备的部件或零部件（A01F12）、特定作物的收获（A01D45）、驱动机构（A01D69）、输送装置、底盘或机架（A01D57与A01D67）。其中，脱粒设备的部件或零件（A01F12）是联合收割机的特有结构，用于实现收割和脱粒等功能，专利申请量占第2位，在该部分发明专利对应的技术主要集中在谷物的清选与分离装置、谷物输送和存储装置、非滚筒式脱粒装置、禾秆分离和切碎装置、钉齿式脱粒滚筒（表2）。

重要国家技术研发重点。由图9可知，A01D41（与脱粒装置联合的收割机）是各国共同关注的技术领域之一，涉及研发重点为零部件、割台以及自走式联合收割机整机。日本在联合收割机脱粒设备的部件或零件（A01F12）布局专利数量最为集中，涉及技术重点包括谷物清选、谷物输送器以及粮箱。中国的研发重点在A01D45（作物的收获）方面，涉及作物以玉米为主，水稻联合收割机专利较少。

图9 重要国家谷物联合收割机技术构成

整体看，美国、日本和德国在联合收割机各技术方向的专利布局各有侧重且涉及技术范围较广，除整机外，涵盖收割机的底盘或机架（A01D67）、收割机的驱动机构或其部件（A01D69）、收割机的输送装置（A01D57）、联合收获机的升运器或输送器（A01D61）。美国在联合收割机脱离装置（A01F7）的专利研发优势较为突出。国外联合收割机脱粒装置在脱净率和低破碎方面竞争优势显著，并向智能化方向发展。相比之下，我国在联合收割机的控制和测量装置受到较大的关注，而在谷物的分离、清选与运输方面还需要进一步加强研发以追赶世界先进水平。

中国谷物联合收割机面临国际农机巨头的专利封锁，海外布局专利不足，高价值专利数量少，国内企业竞争力不足等问题。我国在该领域应发挥后发优势，争取实现弯道超车；合理开展专利布局，提升企业科技竞争能力；加强产学研合作，推进技术成果转化；及时调整研发战略，积极开展海外专利布局。