贵淑婷，孙艺伟，郭婷，任妮

（江苏省农业科学院农业信息研究所，江苏 南京 210014）

蔬菜是我国种植业中仅次于粮食的第二大农作物，随着我国城市化进程的加快，保障“菜篮子”工程压力日增。设施蔬菜是指在固定的保护设施内进行蔬菜生产的一种生产方式，具有环境可控和集约高效的特点［1］，其产业的发展在保障蔬菜供应、促进农民增收、带动就业、提高资源利用效率等方面发挥了巨大作用［2］。被称为继计算机和互联网之后信息产业第3次浪潮的物联网技术在设施蔬菜生产中有着十分广阔的应用前景［3］，该技术适用于农业产前、产中、产后的全产业链条，可以对农业生产、加工、物流、交易、消费各环节进行有效改造和提升，具体表现为通过各种信息传感设备将农业信息与智能化系统全面结合，实现设施内环境和水肥的智能控制，使蔬菜生产更加精准高效。实现真正智能化的设施农业，是当代推动现代农业发展的最具影响力的信息技术手段［4］。因此，作为物联网技术数据感知层核心的传感器研发显得尤为重要［5］。

专利计量是竞争情报研究的重要方法之一，以专利文献中的信息作为统计分析基础，通过对不同指标下专利数量的对比分析，探索和挖掘行业技术的分布结构、数量关系、变化规律等内在价值，以判断行业的竞争态势［6］。目前，该方法已被广泛应用于农业、医学、生物学、工业［6-9］等多个领域。在传感器技术方面，徐晶等［10］分析了中国MEMS传感器技术专利的申请趋势、产出分布和国内专利申请人，揭示了中国MEMS传感器技术发展存在的问题；赵华等［11］对1987年以来我国压力传感器专利申请态势、国外在华申请、地域分布、申请人、有效性进行了分析，提出了压力传感器领域的技术发展态势。在设施蔬菜或农业传感器技术方面，贵淑婷［12］和袁建霞［13］等利用文献计量的方法分别对设施蔬菜智慧化管控和农业传感器竞争态势进行了计量分析。当前还未有利用专利计量的方法对农业领域传感器技术发展态势进行分析的研究。

基于此，本文采用专利计量方法，以设施蔬菜传感器技术相关专利为分析对象，从发展趋势、技术分类、国家/地区、申请人、发明人等方面对设施蔬菜传感器技术进行了分析，以期全面揭示该技术领域的热点主题、研究布局及发展态势等，为该领域传感器技术研发主体及个人提供情报支撑。

1 数据来源及工具

本研究以Incopat和Derwent Innovation（DI）数据库作为数据来源。通过文献调研结合IPC国际专利分类表，利用Incopat数据库进行检索调试，检索式如下：TIAB=（设施OR温室OR大棚）AND（种植OR农业OR plant OR agriculture OR蔬菜OR茄果OR土豆OR马铃薯OR豇豆OR萝卜OR白菜OR生菜OR莴苣OR茄子OR番茄OR西红柿OR辣椒OR青椒OR甜椒OR南瓜OR黄瓜OR甜瓜OR冬瓜OR丝瓜OR苦瓜OR四季豆OR草莓OR西瓜OR红薯OR甘薯OR叶菜OR菜豆OR苋菜OR芹菜OR莴笋OR豆角OR甘蓝OR花椰菜OR西葫芦OR豆类OR薯类OR豆芽OR vegetable）AND传感器AND ipc=（A01 OR A61D OR G OR B OR F OR H OR C02）NOT ipc=（F25D OR C12 OR C05 OR B60 OR B65 OR B07 OR B62 OR B63 OR C01 OR C07 OR C08 OR C21 OR C09）。对检索结果进行人工判读，并将最终相关专利导入DI数据库进行检索、合并同族专利，得到设施蔬菜领域相关专利共5 836项（6 329件）作为本研究的数据集。

本研究利用DDA、DI、Microsoft Excel、Ucinet等工具进行数据处理和统计分析，利用Microsoft Excel、Netdraw、Xmind等软件进行辅助绘图。

2 结果与分析

2.1 发展概况分析

2.1.1 发展趋势分析 从全球设施蔬菜传感器技术的时间发展趋势看，该技术最早出现于1917年，至今大体可以分为四个发展阶段，如图1所示。

图1 全球设施蔬菜传感器领域专利申请的时间发展趋势

在1995年之前，全球设施蔬菜传感器技术的专利总量为343项，平均每年申请4项，可见，该阶段专利申请数量非常少且发展呈现小幅波动增长状态，处于技术萌芽期。

1996—2008 年之间，全球设施蔬菜传感器技术的专利总量为731项，平均每年申请56项，平均年增长量为2项，该阶段专利申请量时高时低，总体呈现明显的波动式增长状态，处于波动发展期。

2009—2014 年之间，随着中国农业进入现代化发展阶段，全球设施蔬菜传感器技术的专利总量为1 522项，平均每年申请254项，平均年增长量为68项，该阶段专利申请量增长速度明显加快且保持稳定劲头，处于平稳发展期。

2015—2017 年，全球设施蔬菜传感器技术的专利总量为3 173项，平均每年申请1 058项，平均年增长量为123项，该阶段专利申请量增长速度迅猛，处于快速发展期。

2.1.2 技术分类 按照IPC分类号对全部专利进行分类，主要分为温室/大棚及其装置、种植过程、水肥管理、病虫草害管理、环境监测与控制、其他机械装备、监测测量技术、控制技术、数据计算与处理技术、通信技术、其它技术等11个大类、51个小类，具体分类如图2所示。

图2 设施蔬菜传感器领域技术分类

2.2 国家/地区分析

2.2.1 国家/地区申请量及影响力分析 全球设施蔬菜传感器领域的技术原创国共有48个，其专利申请量如图3所示。可见该技术领域得到了很多国家的重视。排在前五位的国家分别是中国、美国、韩国、日本和德国。

图3 全球设施蔬菜传感器领域技术原创国的专利申请量对比（单位：项）

其中，位于榜首的中国拥有4 070项专利，占全球总申请量的69.7%，说明中国是全球设施蔬菜传感器技术的最大输出国，这一方面与中国近年来专利申请量的大幅提高相关，另一方面也说明我国在该领域的技术投入和创新能力非常高；美国和韩国的申请量相近，分别以356和350项居第二、第三位，两者的申请量分别占全球总申请量的6.1%和6.0%；日本和德国的申请量分别为305和157项，这些国家也是较为主要的技术输出国，技术创新水平和活跃程度较高。

选择总被引频次大于200次的11个技术原创国，从总被引频次和项均被引频次两方面进行具体的对比分析，结果如图4所示。

图4 全球设施蔬菜传感器领域影响力Top11的技术原创国情况对比

从总被引频次来看，各专利原创国的差距非常大，表明设施蔬菜传感器领域在各地区输出的技术影响力之间差距悬殊。其中，美国总被引频次为7 482次，远远高于其他原创国/地区，表明该领域在美国输出的技术影响力非常高，处于绝对领先的地位；排名第二和第三位的分别是中国和德国，其输出的技术影响力也较高。

从项均被引频次来看，各专利原创国的差距同样非常大，表明设施蔬菜传感器领域在各地区输出的技术质量和价值差距悬殊。其中，排名前三位的分别是荷兰（21.82次）、美国（21.02次）和澳大利亚（14.87次），表明三个国家/地区输出的专利质量非常高；德国（13.43次）和世界知识产权组织（10.52次）的项均被引频次分别排在第四和第五位，其输出的专利质量也相对较高；而我国的专利平均被引频次仅为1.09次，与上述国家差距悬殊，说明我国输出的专利价值相对较低。

2.2.2 重点国家/地区的技术构成分析 本文依据技术原创国的专利申请量及被引频次筛选出6个重点国家，并对其技术布局进行了分析，如图5所示。

图5 全球设施蔬菜传感器领域重点国家技术构成

从横向来看，申请数量较多的技术类别包含“种植过程”“温室/大棚及其装置”“控制技术”“水肥管理”和“监测/测量技术”等。我国在11个技术分类的专利申请量都高于其他国家/地区，尤其是“温室/大棚及其装置”“控制技术”和 “水肥管理”三个分类，这与我国相关专利申请量占全球总量的比重是相对应的。“种植过程”技术类别申请量较多的国家还有美国、日本和韩国；“温室/大棚及其装置”申请量较多的国家还有韩国和日本；“控制技术”申请量较多的国家还有美国和日本；“水肥管理”申请量较多的国家还有美国、日本和韩国；“监测/测量技术”申请量较多的国家还有美国、日本和世界知识产权组织。

从纵向来看，“种植过程”的相关技术是其他国家专利布局数量最多的技术，其次，美国在“监测/测量技术”和“水肥管理”方面有较多专利；韩国在“温室/大棚及其装置”和“数据计算与处理技术”方面有较多专利；日本在“温室/大棚及其装置”和“水肥管理”方面有较多专利；德国在“其他机械设备”和“病虫草害管理”方面有较多专利；世界知识产权组织在“监测/测量技术”和“水肥管理”方面有较多专利。

2.3 申请人分析

申请人拥有的专利数量可以反映其技术创新能力，该领域涉及的申请人数量共有3 765位，其中Top 100专利申请人中，企业占比47%，高校占比34%，科研机构占比19%。

2.3.1 申请人申请量及影响力分析 图6为设施蔬菜传感器技术领域专利申请量Top 16的申请人对比情况。16个申请人中共有10个来自我国，表明我国设施蔬菜传感器领域高申请量申请人数量较多，推动着全球设施蔬菜传感器技术的发展。

图6 全球设施蔬菜传感器领域高申请量申请人情况对比

高申请量申请人中，专利申请数量排在前三位的分别是UNIV JIANGSU（51项）、DEERE&CO（49项）和UNIV CHINA AGRIC（42项），ISEKI AGRIC MACH MFG CO LTD、UNIV ZHEJIANG和CLAASKGaA GMBH分别以40项、37项和33项的申请量排名第四、第五和第六位，以上申请人的申请量都达到了30项以上，表明六个申请人在该领域的技术投入和创新成果较多。对比表格可知排名前六的申请人中我国的三个都是大学，国外的三个均是公司，说明在设施蔬菜传感器技术领域国外申请人多为公司，而我国则主要集中在大学。此外，UNIV SICHUAN AGRIC（29项）、UNIV NORTHWEST A&F（29项）、BEIJING RES CENT AGRIC INFORMATION TECHN（29项）和AMAZONEN-WERKE DREYER GMBH&CO KG H（29项）等申请人也有较多的专利产出。综合来看，全球设施蔬菜传感器技术领域16个专利申请量最多的申请人之间差距较大，其中我国专利申请人的产出数量占优势。

我国设施蔬菜传感器领域相关申请人虽然专利申请数量占优，但是专利产生的影响力有限。图7展示了全球设施蔬菜传感器领域影响力排名前7的申请人对比情况。

图7 全球设施蔬菜传感器领域影响力Top8的申请人情况对比

高影响力申请人中，CLAAS KGaA GMBH（1 111次）、CASE CORP（999次）和DEERE&CO（937次）的总被引频次排名前三位，影响力非常高；CNH IND（410次）、SIMPLOT CO JR（405次）总被引频次均在400次以上，在该技术领域也有较高的影响力。从项被引频次来看，SIMPLOT CO JR（135.00次）、CASE CORP（76.85次）和UNIV CALIFORNIA（71.50次）三个申请人的平均被引频次排名前三位，表明其专利质量非常高；CLAAS KGaA GMBH（33.67次）、CASIO COMPUTER CO LTD（24.36次）等申请人专利质量也较高；专利平均被引频次最低的是UNIV JIANGSU，为4.45次。

综合来看，全球设施蔬菜传感器技术领域8个高影响力申请人之间的影响力及专利质量差距非常大，我国的相关申请人还需提升专利的技术水平。

2.3.2 重点申请人技术构成分析 图8展示了全球设施蔬菜传感器领域重点申请人技术构成。总体来看，各重点申请人的设施蔬菜传感器技术布局至少覆盖5个主要的技术类别，表明6个重点申请人在设施蔬菜传感器技术领域的研究覆盖面总体比较广泛。

从横向来看，申请数量较多的技术类别包含“种植过程”“其他机械装备”“监测/测量技术”“数据计算与处理技术”和“控制技术”等。“种植过程”“其他机械装备”技术类别申请量较多的申请人有DEERE&CO、CLAAS KGaA GMBH、CNH IND等；“数据计算与处理技术”类别申请量较多的申请人有CASIO COMPUTER CO LTD、DEERE&CO和CNH IND等；“控制技术”类别申请量较多的申请人有UNIV JIANGSU、DEERE&CO、CLAASKGaA GMBH和CASE CORP等。

从纵向来看，UNIV JIANGSU在11个技术分类都有专利申请，并且在“温室/大棚及其装置”方面拥有独占技术，表明其设施蔬菜传感器技术研究方向最多，覆盖面最广；除了CASIO COMPUTER CO LTD外，其余5个申请人专利布局数量最多的技术均是“种植过程”；此外，DEERE&CO和CLAASKGaA GMBH在“其他机械装备”和“监测/测量技术”方面有较多专利申请；CASIO COMPUTER CO LTD在“数据计算与处理技术”类别有较多专利申请。

图8 全球设施蔬菜传感器领域重点申请人技术构成

2.4 发明人分析

2.4.1 发明人研发量及影响力分析 经过统计，该领域涉及的发明人数量共有11 510位。本文选取了专利申请量不少于10项的15个发明人作为分析对象，结果如图9所示。

图9 全球设施蔬菜传感器领域高研发力发明人情况

15个发明人中共有14个来自我国，表明我国设施蔬菜传感器领域高研发量发明人数量非常多，推动着全球设施蔬菜传感器技术的发展。排名前两位的分别是ZHAO Chun-jiang（北京农业信息技术研究中心，20项）、QIAO Xiao-jun（北京农业信息技术研究中心，19项）；此外，MA Ting-yan（哈尔滨派腾农业科技有限公司，15项）、LIN Zhen-hua（苏州创必成电子科技有限公司，15项）和FU Xiao-jiang（苏州创必成电子科技有限公司，15项）等人的专利申请量也较多。可以发现该领域发明人之间的专利数量差距不大。

本文选取了专利总被引频次不少于300次的10个发明人作为分析对象，结果如图10所示。我国仅有1个发明人进入高影响力申请人行列，表明我国设施蔬菜传感器领域相关发明人虽然专利申请数量占优，但是专利并未能产生相当的影响力，一方面可能是因为我国发明人申请的专利都集中在最近几年，另一个可能的原因是我国相关专利的技术含量较低，未能引起其他发明人的 重视。

图10 设施蔬菜传感器领域影响力Top10的发明人情况对比

从总被引频次来看，Diekhans Norbert（CLAAS KGaA GMBH，580次）和Huster Jochen（CLAAS KGaA GMBH，510次）两人是第一阶梯，总被引频次均在500次以上，且发明数量也较多，表明这两人是设施蔬菜传感器技术领域综合实力最强的发明人；Behnke Willi（CLAAS KGaA GMBH，464次）、MC Nabb Gerald J.（SIMPLOT CO J R，391次）、Haack PaulW.（CASE CORP，378次）等人的总被引频次也较高，均处于第二阶梯，在该领域有较高的影响力。从项均被引频次来看，ZHANG Qin、Dickson Monte A.、Noguchi Noboru、Reid John F.和Will Jeffrey D.五人的平均被引频次最高，核实数据发现该五人均来自CASE CORP，是专利“Sensor-fusion navigator for automated guidance of off road vehicles”的共同发明人，表明该专利技术含量较高，引起了较多的关注。

总体来看，全球设施蔬菜传感器领域高影响力发明人之间的差距较大，我国发明人还需重视专利申请技术含量的提升。

2.4.2 重点发明人技术构成分析 本文根据发明人研发量和总被引频次选取了7个重点发明人，并对其技术分布情况进行了统计，具体分布如图11所示。总体来看，各重点发明人的设施蔬菜传感器技术布局不尽相同，表明7个重点发明人在设施蔬菜传感器技术领域的研究各有所侧重。

图11 全球设施蔬菜传感器领域重点发明人技术构成

从横向来看，研发数量较多的技术类别包含“种植过程”“其他机械装备”“监测/测量技术”等。“种植过程”是7个发明人共有的技术类别，研发量较多的发明人有Diekhans Norbert、Behnke Willi和MAO Han-ping等；“其他机械装备”技术类别研发量较多的发明人有Diekhans Norbert、Huster Jochen和Homburg Helmut等；“监测/测量技术”研发量较多的发明人有MAO Han-ping、Anderson NoelWayne和Diekhans Norbert等。

从纵向来看，MAO Han-ping研发专利的技术类别覆盖面较广，专利主要集中在“种植过程”“监测/测量技术”和“控制技术”；Diekhans Norbert、Huster Jochen和Homburg Helmut的专利主要集中在“种植过程”和“其他机械装备”技术类别；Anderson Noel Wayne的专利主要集中在“种植过程”和“监测/测量技术”类别；Sato Shinichiro的专利主要集中在“数据计算与处理技术”类别。

2.4.3 发明人合作分析 本文以设施蔬菜传感器技术领域相关专利量排名前100的发明人为研究对象，以发明人之间的共现频次为指标构建了申请人之间的合作网络，结果如图12所示。

图12 全球设施蔬菜传感器领域主要发明人合作网络

可以看出该领域发明人合作网络中有两个规模较大的网络，分别是以ZHAO Chun-jiang和QIAO Xiao-jun等人为主的北京农业信息技术研究中心团队、以ZHANG Rui-hong和MIU Hong等人为主的扬州大学团队，两个研发团队不仅专利数量较多，而且团队内部合作较为充分。此外，该合作网络中还存在几个3～4人的研发团队，分别来自江苏大学、江苏省农业科学院、陕西旭田光电农业科技有限公司和CLAAS KGaA GMBH等机构。总体来看，该领域发明人之间的合作关系网络与对应的机构/申请人实力相关。

2.5 主题演化分析

本文利用Derwent Innovation平台的ThemeS-cape工具对该领域的专利进行了聚类。全球在该领域的专利研究大致包含11个主题，分别为温室/大棚综合、监测/通信/控制技术、灌溉、作物生长状况、农业机械、施肥、病虫草害管理、CO2监测、太阳能、育苗、蔬果自动采摘等。其中，温室/大棚综合、监测/通信/控制技术、灌溉是该领域专利研发的重点方向。另外，作物生长状况也是该领域专利研发比较重要的方向。

在总体技术主题分析的基础上，分别按照全球设施种植传感器专利申请的四个发展阶段进行时间切片，构建主题地图，以研究各项技术在不同发展阶段的主题演进情况。为了清晰地区分各时间段的专利分布情况，各阶段的专利文献分别用不同颜色表示，其中，红色代表萌芽期（1917—1995）、黄色代表波动发展期（1996—2008）、蓝色代表平稳发展期（2009—2014）、绿色代表快速发展期（2015—至今），如图13所示。

可以看出，萌芽期全球设施种植传感器领域专利申请数量不多，主要集中分布在土壤湿度监测、温室/大棚的温度控制方面，零星分布于农业机械、作物生长状况方面。波动发展期专利数量有了一定量的增加，主要的技术分布范围扩大，集中分布在土壤湿度监测、灌溉系统、蔬果自动采摘、温度控制等方面，零星分布在农业机械、自动供水、LED灯、作物生长状况等方面。平稳发展期专利数量有了更为明显的提升，同时太阳能、种植箱、病虫草害管理、监测/通信/控制技术等相关的专利开始出现并占据较大比例，其中单片机和无线网络两个方面更为集中；此外，CO2监测、空气湿度、电源电路等方面也有所涉及。快速发展期专利数量增长迅速，专利覆盖范围更加广泛，几乎包含了所有研究主题，其中专利数量增长明显的有灌溉、监测/通信/控制技术、温室/大棚综合、育苗、施肥等方面，但是具体侧重的方向有所变化。

总体来说，随着时间发展，设施种植传感器领域的专利呈现出由数量少、集中度高向数量多、集中度低发展的趋势。

图13 全球设施蔬菜传感器领域不同发展阶段的技术主题分布

3 结论

本文利用专利计量方法对设施蔬菜传感器技术的研究态势进行了分析，主要结论如下：

①全球设施蔬菜传感器技术的发展可以分为萌芽期（1917—1995年）、波动发展期（1996—2008年）、平稳发展期（2009—2014年）、快速发展期（2015—至今）四个阶段。②中国是全球设施蔬菜传感器领域最大的技术输出国，其次是美国、韩国。③设施蔬菜传感器领域重点国家的技术布局覆盖面都较广，但是各有所侧重。④设施蔬菜传感器领域专利申请最活跃的群体是公司，其次是大学。我国高申请量的申请人很多，但是仅有江苏大学进入该领域高影响力排行榜；重点申请人之间既存在技术交叉，又各自有独特之处。⑤全球设施蔬菜传感器专利发明之间的专利数量及影响力差距较大；我国设施蔬菜传感器领域高研发量发明人数量较多，但影响力较差；重点发明人之间既存在技术交叉，又各自有独特之处；该领域发明人之间的合作主要是研发团队内部的合作，跨团队合作行为很少。⑥全球在该领域的专利研究大致包含11个主题，分别为温室/大棚综合、监测/通信/控制技术、灌溉、作物生长状况、农业机械、施肥、病虫草害管理、CO2监测、太阳能、育苗、蔬果自动采摘等。不同发展阶段设施蔬菜传感器领域的重点研发方向具有差异性，整体呈现出由数量少、集中度高向数量多、集中度低发展的趋势。