时间：2018-11-20
产业技术状况
轨道交通装备是铁路和城市轨道交通运输所需各类装备的总称，主要涵盖了机车车辆、工程及养路机械、通信信号、牵引供电、安全保障、运营管理等各种机电装备。发展"技术先进、安全可靠、经济适用、节能环保"的轨道交通装备，是提升交通运输人流物流效率的保证，是实现资源节约和环境友好的有效途径，对国民经济和社会发展有较强的带动作用。
轨道交通装备产业是一项庞大的系统工程，属于资本密集和技术密集的行业，涵盖了当代各领域的高新技术、新工艺和新材料的应用，行业的特点决定了它更需要走集约、集聚、高科技发展的道路。同时，经济全球化促使轨道交通跨国公司加紧整合和重组，向全方位系统集成公司发展。
在轨道交通装备制造方面，最强的国家有德国、法国、加拿大和日本等。目前，国际轨道装备产业90%的市场份额控制在少数几个大跨国集团手中，如西门子、阿尔斯通、庞巴迪等。这些跨国公司凭借先进的技术水平和雄厚的资金实力在牢牢把持本国市场的同时，通过产品出口、对外投资、跨国生产许可等形式积极拓展国际市场。
西门子、阿尔斯通、庞巴迪、川崎重工、日本车辆制造株式会社等不仅是全球最著名的轨道交通装备跨国公司，也都是全方位的轨道交通装备制造和系统集成公司，具有系统整合、设计、制造、组装、维修的技术能力。
庞巴迪运输(集团)公司是全球最大的铁路与轨道设备生产商，其广泛的产品范围包括铁路客车和运输系统，以及机车、货车车厢、牵引系统和铁路信号系统和控制解决方案以及城市轨道交通设备等，庞巴迪还提供广泛的服务，包括车辆和车队维护、器材和物流以及翻修、工程再造和车辆或部件大修。
法国阿尔斯通公司是全球发电及轨道交通基础设施领域的领先公司，该公司提供的产品有:每小时时速达515千米的TGV超高速列车、摆式高速列车、有轨电车、地铁、机车、货车、信号系统、列车控制系统、列车终身管理服务、铁道维护服务、特许经营运输系统方案等；德国西门子交通技术集团是世界上最主要的铁路工业供货商之一，其业务范围包括自动化与供电，机车车辆，交钥匙工程和综合服务四大领域，产品范围涵盖了从信号与控制系统、牵引供电系统，到城轨运输和干线运输车辆的各个领域。
从全球轨道交通装备产业的技术发展趋势来看，越来越多地融合了当代信息技术、新材料、新能源等高新技术的研究成果，安全、绿色、高效、智能的轨道交通运输装备将成为未来发展的主导方向。在先进的信息技术的支持下，产品设计、生产、制造的自动化、柔性化程度日益提高，产品的功能不断拓展，人性化、智能化水平和产品效能不断提升:通过应用新材料、新能源，产品的安全性、可靠性大大增强，节能环保特性持续改善。跨学科多种技术的深度融合，促进轨道交通装备正朝着轻量化、模块化、标准化和智能化发展，新产品研发和投产周期加快，产品更加多样化。
从轨道交通装备制造产业发展来看，发达国家轨道车辆装备制造企业发展具有两个重要特点:
一是全球化发展；
二是从产品设计与生产向系统集成化方向发展。
分地区来看，欧洲的产品设计具有显著优势；日本轨道交通具有完备的制造体系，生产体系灵活，产品具有高可靠性的特点:新兴国家以及发展中国家偏重车体、转向架以及相关零部件的制造和组装，其轨道交通装备产业成长空间大。
中国轨道交通装备制造业经过50多年的发展，构建了生产和开发电力机车、客车、货车、地铁车辆及其配件，具有一定规模和水平的门类齐全的轨道交通装备工业体系。2004年以来，通过引进、消化、吸收和再创新战略，中国己完全掌握了动车组列车的总成、车体、转向架、牵引电机、牵引变压器、牵引变流器、牵引控制、列车网络控制和制动系统等9大关键技术及10项主要配套技术，实现了跨越式发展，年均增长率为72.3%。动车组的国产化程度己达到75%以上，但仍面临诸如核心技术、零部件国产化等问题。
当前，随着中国经济的快速发展和城市化进程的加快，在客货运输需求加速增长、区域间客货运能力依然严重不足的同时，货源紧缺、污染严重、城市交通拥堵等问题仍然日益突出。中国将继续深入推进铁路、城市轨道交通建设，需要大量先进的轨道交通装备，轨道交通装备市场需求仍然较大。
根据《国家"十三五"发展规划征求意见稿》相关信息，我国未来3~5年铁路建设投资依然维持在高位。相较于"十二五"期间铁路累计投资3.47万亿元，"十三五"期间铁路投资在此基础上仍有所增加。《铁路"十三五"发展规划征求意见稿》显示，我国铁路固定资产投资在未来5年可累计达到3.5万~3.8万亿元的规模，其中大概3万亿元将用于铁路基本建设，预计建成新铁路线路3万km，高速铁路营业里程到2020年将达到3万km，连接我国80%以上的大城市，而全国铁路营业里程将突破15万km。伴随着铁路投资不断掀起高潮，我国轨道交通产业将迎来较长的快速发展期。
转向架是城轨车辆的重要承载部件和传力元件，转向架性能的好坏决定着列车运行安全性和使用经济性。经过60多年的发展，我国各种结构形式的干线铁路客车转向架、动车组转向架、地铁车辆转向架、特种车辆转向架数量已达近百种，转向架速度等级覆盖了80～350km/h，除了转向架设计结构特点各有不同外，使用的材料、适用的轴重和限界也有差异。
目前，我国的转向架技术已经达到世界水平，随着技术的深入发展，新材料、新工艺、新结构不断涌现，我国生产制造的转向架产品不但可以满足国内市场需求，还可以通过创新设计，获得安全可靠、乘坐舒适的自主知识产权转向架，逐步走向国际市场。
专利状况分析
1、全球专利申请状况分析
轨道交通转向架在全球范围的专利申请人国别总共涉及40多个国家或地区。其中，美国由于有通用钢铁铸造公司、西屋空气制动公司、美国阿姆斯特工业集团公司等行业内举足轻重的企业，因此使得其轨道交通转向架申请量占了整个行业申请量的22.6%。其中，德国是最早的轨道交通转向架发明专利的申请国，在该领域专利申请量整体上发展平稳，由于庞巴迪运输、SCHWEIZERISCHE LOKOMOTIV-UNDMASCHINENFABRIK等大型公司的存在，德国在轨道交通转向架的申请量也占到了整个行业的14.1%。日本在轨道交通转向架领域的专利申请始于1964年，虽然起步较晚，但是每年的专利申请量较大，维持稳定和快速发展，在1971年之后，年申请量在100项以上，目前占整个行业的12.9%。
如图1、表1所示，从技术构成来看，上述三个国家专利申请集中分布在基础制动、驱动系统和轴箱技术方面，而在在构架、减震和轮对等技术分支方面的申请量较少。
图1 轨道交通转向架全球专利申请国别占比情况
表1 全球排名前十的轨道交通转向架申请人情况（单位：项）
2、中国专利申请状况
与起步较早的美国、德国和法国等国家相比，我国轨道交通转向架起步较晚。截至2017年底，中国专利申请共计4003项，其中发明专利申请量为1474项，实用新型申请量为2529项。中国专利申请中，国外申请人主要来自于美国、日本、德国和法国，而中国本土申请人占比约87%。轨道交通转向架行业的专利申请人主要以公司为主，占到了总量的74.84%，显示公司是该领域的创新主体，是该领域的技术引导领导者。申请量最多的为南车株洲电力机车有限公司，其总量为261件；排名前十的申请人中，属于中国南车集团旗下的企业就有六家，占比达到60%以上，说明中国南车集团在轨道交通转向架领域具有雄厚的实力。其次是个人申请，占到总量的13.60%，而高校和科研机构的占比都比较小，分别为5.42%和0.91%，合作申请量为总申请量的5.23%。如图2所示：
图2 中国轨道交通转向架申请人构成
3、专利申请信息分布与关键技术分析
从关键技术构成来看，轨道交通转向架领域的专利申请主要集中在基础制动、驱动系统、轴箱、减震和构架等技术分支。通过对比分析，美国、德国等发达国家专利申请集中分布在基础制动、驱动系统和轴箱技术方面，而在构架方面的专利申请量较少；相反，我国专利申请主要集中在构架技术分支，基础制动、驱动系统和轴箱技术等核心技术分支的专利申请量较少。如表2所示：
表2 中国轨道交通转向架十大申请人的技术构成
构架是轨道交通转向架的基础，联系转向架各组成部分和传递各方向的力，并用来保持车轴在转向架内的位置。构架有一个比较长的缓慢发展期，随着铁路技术的新一轮革新，高铁、磁悬浮等开始被提出和快速研究，城际、城市轨道交通迅速发展，构架技术先后进入了第一快速发展期和第二快速发展期。
图3-1 专利申请来源国分布
图3-2 专利申请受理国分布
从图3-1可以看出，专利申请来源国主要是中国、美国、法国和德国，占全球专利申请量比例分别为21.7%、14%、12.1%和11.1%，其他包括有一百四十多个国家，专利总量占全球比例为14%，这说明中国、美国、法国、德国在转向架构架技术方面创新能力强且保持着相当活跃程度。从图3-2来看，专利申请受理国中，中国、法国、俄罗斯和美国位列前四；相比专利申请来源国的份额来说，美国和德国做为专利申请受理国的份额减少，这说明美国和德国作为主要的技术创新国家，不仅在本国进行专利申请，还将专利输出到其他国家，专利布局意识强烈。
进一步研究发现，关于全球转向架构架技术专利申请量排名前三位的分别是法国阿尔斯通、美国AMSTED和通用公司，分别为369项、157项和151项。阿尔斯通的专利申请量占全球申请总量的5.09%，其专利申请量是AMSTED公司的两倍多，可见阿尔斯通在转向架构架技术方面具有极大的优势。阿尔斯通公司是全球轨道交通、电力设备和电力传输基础设施领域的领先企业，足迹遍布全球70余个国家和地区。公司通过为客户提供最全面的轨道交通设备、系统及服务来满足人们对可持续发展道路移动性不断增长的需求。凭借其雄厚的技术实力，阿尔斯通研制的列车在2007年4月3日缔造了574.8公里/小时的世界轨道列车最高速度纪录。
排名前10位申请人和排名前11-20位申请人的专利申请总量分别占全球总量的20.37%和5.32%，表明转向架构架技术的集中度低，各企业对转向架构架技术的掌握比较平衡，各自都有一定的技术竞争实力。与其它轨道交通转向架技术略有不同，中国无论是作为专利申请来源国还是专利申请受理国，都是排名第一，可见中国市场很活跃。
2005年以前，虽然全球转向架构架技术已经处于第一快速发展期，但在中国的专利申请量还处于很低的水平，国内和国外申请人的中国专利申请量都很少。随着2006年中国铁轨交通步入快速发展期，中国专利申请量大幅度增加，且主要都是来自国内申请人申请。这其中，国内申请人的申请量占申请总量的91.39%，国外申请人的申请占申请总量的8.61%。另外，中国前10位构架技术专利申请人的申请总量占52.47%，前11-20位申请人的专利申请总量占16.27%，说明转向架构架的中国专利主要集中在几家行业巨头手中，其他企业的市场竞争力比较弱。
轴箱装置是转向架中的重要部件，从全球专利申请量发展趋势图来看，轴箱装置技术领域全球专利申请总量总体态势呈现在一定范围内波动趋势，经历了萌芽期、快速发展期和稳定发展期三个阶段。美国、德国、英国无论是作为专利申请来源国还是专利申请受理国，都分列第一至三位。轴箱装置相关的全球专利申请共9757项，其中是美国和德国专利总量约占了全球专利总量的一半，说明美国和德国在基础制动装置技术方面创新能力强且保持着相当活跃程度。最有代表的公司是美国铁姆肯公司和德国WAGGON UNION公司。
图4 轴箱装置技术的主要申请人分布
如图4所示,就全球专利主要申请人而言，排名前三的都是美国公司，依次是铁姆肯公司、BUDD公司和通用公司，专利申请量分别为175项、158项和158项，分别占全球申请总量的1.79%，1.63%和1.62%。排名前10位申请人和排名前11-20位申请人的专利申请总量分别占全球专利申请总量的14.42%和8.49%，其他国家和地区专利总量共77.09%。可见，轴箱装置技术的集中度低，各企业对轴箱装置技术的掌握比较平衡，各自都有一定的技术竞争实力。
与其他国家相比，中国在该技术领域的研究比较晚，轴箱装置相关的中国专利数量较少，专利申请来源国申请占4%，目标国申请占5%。2000年以前相关专利申请数量较少，每年申请的中国专利数量仅数件；2000年以后，年申请量开始快速增长，2014年的专利年申请量达到57项。值得一提的是，国外申请人来华申请占申请总量的12.57%。其中日本申请人的专利共11项，其他申请人主要来自法国、美国、德国、瑞典和加拿大。这说明国外公司越来越关注中国市场，国内申请人也逐渐开展对轴箱装置的技术研发。
申请人在中国的申请量排名前10位中，除了第九位为瑞典的SKF公司外，其他都是中国企业。南车青岛四方机车车辆股份有限公司和南车株洲电力机车有限公司分别有相关专利申请39项和34项，占中国专利总量的8.01%和6.78%。更何况中国申请人中，大都是中国南车集团和中国北车集团旗下的各个子公司、分公司等。众所周知，南车集团和北车集团是中国两大轨道交通行业龙头，在我国轨道交通装备行业中具有重要的行业地位和行业影响力，且2014年12月30日南北两车正式合并为中车集团。无疑此举将进一步强化中国轨道交通转向架专利申请力度，不仅在国内更利于专利的交叉许可和使用，在海外也将因专利池的形成而使知识产权保护更有力度。
基础制动装置是用以实现列车减速或停止运行、保证行车安全的设备。相关全球专利共15178项，其专利申请趋势与轨道交通的发展趋势较为一致。通过近50年主要国家作为专利申请来源国和目标国申请量的对比研究，美国一直都有着很活跃的技术创新，是最主要的技术输出国。德国主要在前期技术很活跃，尤其20世纪70年代专利申请来源国专利量远远超过其作为目标国专利申请量。
美国、德国两国作为主要的技术创新国家，不仅在本国进行专利申请，还将专利大量输出到其他国家，具有很强的全球布局意识。日本一直以来作为专利专利申请来源国和目标国的专利申请量相对均等，早期作为目标国数量略有高于专利申请来源国数量，且作为目标国的专利数量还略高于美国和德国。而在仅十几年，日本的两种专利数量都大大减少，且有作为专利申请来源国的专利申请数量反超作为目标国的专利申请数量。
中国进入该技术领域比较晚，但是一直保持了很强的专利申请趋势。其从2009年开始，专利申请量迅猛增长，2014年作为专利申请来源国专利达242项，作为目标国专利申请量达244项，排列第一，远超过美国、德国和日本。可以说，中国以强劲的势头研究和掌握基础制动装置的技术。
就全球专利主要申请人而言，排名前四位的分别是美国西屋公司、德国克诺尔-布里姆斯公司、瑞典SVENSKA AKTIEBOLAGET BROMSREGULATOR和美国AMERICAN STEEL FOUNDRIES，专利申请量分别为1075项、908项、479项和475项，分别占全球申请总量的7.08%，5.98%、3.16%和3.13%。排名前10位申请人和排名前11-20位申请人的专利申请总量分别占全球专利申请总量的26.73%和6.08%。这组数据说明，基础制动装置技术的集中度低，各企业对基础制动装置技术的掌握比较平衡，各自都有一定的技术竞争实力。当然，西屋公司和克诺尔-布里姆斯公司仍具有绝对实力，作为行业龙头企业有着不容小视的优势。
产业发展建议
近年来，我国轨道交通转向架技术日趋成熟，已经形成了较好的基础，但应用范围和深度与发达国家相比有很大差距，产业发展规模和水平较低。国内企业主要以装机生产为主，研发机构缺乏有竞争力的前沿技术和技术积累。我国要想迎头赶上，在未来几十年内不再成为国外企业的加工厂，必须培育良好的研发创新生态，完善知识产权运用和保护制度，加强专业的人才队伍建设。为此，从政府和企业两个层面提出建议。
第一，引导国内主要厂商集中研发实力，攻破“市场换技术”过程中面临的技术壁垒。我国轨道交通转向架行业只能制造非核心部件，关键部件在批量国产化的进程中还有很多技术难题有待解决，这些技术难题直接限制了轨道交通转向架的国内产业化进程。政府应集中国内主要厂商及高校和科研单位的研发实力，在轨道交通转向架领域开展合作研发模式，提高研制起点、节约研发资源，大力提升专利实施转化率，尽快实现轨道交通转向架的国内大规模产业化应用。
第二，根据重点技术的专利风险程度，有针对性地进行宏观指导和政策扶持，尽快形成自主核心专利。美国、欧洲、日本等国政府制定了扶持轨道交通转向架技术开发的产业政策和发展计划，以国家行为结合产业、高校和科研机构，推动了一系列的燃气轮机研发项目，并投入大量研究经费，使轨道交通转向架的技术水平得到很大的提高。我国政府相关部门应充分发挥行业协会面向产业发展前沿、紧密联系企业的作用，通过创新联盟带动对研究、专利布局尚不成熟、存在较多机遇的技术进行课题立项，争取有所突破。对已经形成专利壁垒的技术可以采取集资引进、联合二次创新的模式；对未来可能面临较大专利风险和制约的技术，可以开发出一批围绕核心专利的应用技术专利、组合专利、外围专利，在形成一定筹码后，通过交叉许可、转让等方式，寻求市场发展的空间。
第三，鼓励产业建立从轨道交通转向架技术研发到产业化的产业联盟，集中优势力量自主创新。研究表明，我国轨道交通转向架产业在一些市场需求较大、发展前景较好的技术研发及专利布局方面面临一定的专利风险。政府应鼓励产业建立包括优势企业、高校、研究所及行业协会在内的“轨道交通转向架产业联盟”，充分发挥“轨道交通转向架产业联盟”面向产业发展前沿、以形成专利等自主知识产权为基础的作用。
通过上述平台整合轨道交通转向架领域的生产制造、科研开发、教育培训等各方面的优势，针对轨道交通转向架领域的关键共性技术，组织产学研联合攻关研究，知识产权创新成果共享，被侵权时集体参与维权，形成产业发展的合力，在轨道交通转向架领域尽快实现以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的节能科技创新体系。
第一，借鉴学习通用钢铁铸造公司、西屋空气制动公司、美国阿姆斯特工业集团公司等国外厂商的专利技术和经验，结合企业研发重点制定知识产权战略，降低潜在的侵犯他人知识产权的法律风险。国内企业在研发过程中，要注意有针对性地进行规避研发，并在研发的各阶段结合自身实际需求积极开展专利分析并进行专利申请，根据技术创新程度，选择核心专利和外围专利同时申请、先外围专利后核心专利或者先核心专利后外围专利申请的专利网构建策略。企业取得知识产权后，要积极创造条件，加大投入，促进产业化，保持企业的持续发展与创新能力。
第二，加强企业内部研发人员的队伍建设。我国目前已经形成了一批轨道交通转向架的基础研究成果，培养了一支以博士、硕士为主的重型轨道交通转向架研究队伍。但同时，轨道交通转向架的原发国仍在投入大量人力、物力来加大未来轨道交通转向架技术的研发，以期抢占轨道交通转向架的先机和未来的市场份额。通用钢铁铸造公司、西屋空气制动公司、美国阿姆斯特工业集团公司等国外大企业拥有一批高素质的研发团队进行持续研发，我国企业可以借鉴国外企业研发团队建设经验，结合企业自身定位和发展，与该领域的优秀技术人才或团队合作共同研发，形成“企业+个人团队”的研发模式，围绕进入市场的产品形成系列知识产权。
结 论
本文通过对轨道交通转向架技术全球和中国专利申请数据进行检索分析，掌握了目前在轨道交通转向架技术国内外专利发展趋势、主要专利申请人状况、主要国家及区域分布以及各重点技术领域的专利态势，对轨道交通转向架技术领域进行专利风险判断和分析，并从政府和企业两个层面对该技术产业发展提出了对策建议。如前所述，我们不难得出三个结论。
第一，进入20世纪80年代以后，随着世界城轨交通市场的兴起，对轨道交通转向架的需求量日益增大，全球轨道交通转向架的专利申请量步入快速增长期，这种增长趋势一直保持持续至今。随着我国城市轨道交通行业的快速发展，我国在此领域的专利申请也将会快速发展。
第二，我国在轨道交通转向架领域专利技术明显处于劣势，已经滞后美国、日本、德国等发达国家接近100年。轨道交通转向架在全球范围的专利申请人国别总共涉及40多个国家/地区。但美国、德国、日本轨道交通专利申请量却占全球申请量的50%，单就美国其轨道交通转向架申请量占了整个行业申请量的将近1/4，达到22.6%。
第三，我国轨道交通转向架技术仍有广阔的技术发展空间。从技术构成来看，美国、日本、德国等发达国家的专利申请集中分布在基础制动、驱动系统和轴箱等核心关键技术方面，而中国的专利申请主要集中在构架技术方面。我国企业也应该进一步寻求国家政策支持和资金帮扶，在技术空白处持续发力。
作者：小知
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