专利视角下的城市地下空间发展现状和趋势_雷升祥.pdf

书书书第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023专利视角下的城市地下空间发展现状和趋势雷升祥1，孙嘉良1，张文丽2(1 中国铁建股份有限公司，北京 100855;2 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)摘要:以专利大数据分析为基础，结合产业发展研究，系统梳理了国内外城市地下空间领域专利申请趋势、主要应用场景专利布局情况、国际专利分类表 IPC 中各技术领域专利分布、国外主要国家和我国主要城市专利申请状况。从分析结果看，中国已经成为引领地下空间领域发展的重要力量;轨道交通是推动城市地下空间发展的重要因素;中国专利数量多，但质量需进一步提升;国内外专利布局技术领域相似度高，中国在地下停车和综合管廊领域具有优势，国外在污水处理和智能化技术方面具有优势;城市地下空间的智能化、综合化、绿色化发展已成为国内外共识和未来方向。关键词:城市地下空间;专利;布局;趋势中图分类号:TU92文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0351-08Development Status and Trend of Urban Underground Spacefrom Perspective of PatentLei Shengxiang1，Sun Jialiang1，Zhang Wenli2(1 China ailway Construction Coporation Limited，Beijing 100855，P China;2 China ailway fifth Survey and Design Institute Group Co，Ltd，Beijing 102600，P China)Abstract:Based on the analysis of patent big data，combined with the research on the development of theindustry，the article systematically sorts out the application trend，distribution of main application scenarios，IPC technical field distribution，major foreign countries and chinese major cities distribution of patent applicationsin the field of urban underground space at home and abroad From the analysis results，China has become animportant force leading the development of underground space technology;rail transit is an important factor inpromoting the development of urban underground space;China has a large number of patents，but the quality needs tobe further improved;the technical field layout of patents at home and abroad is highly similar China has advantagesin the field of underground parking and integrated pipe corridors Foreign countries has advantages in sewage treatmentand intelligent technology;the intelligent，integrated，and green development of urban underground space has becomea consensus and future direction at home and abroadKeywords:urban underground space;patent;layout;trend0引言1863 年，英国伦敦建成了世界第一条地下铁路，标志着人类开启了工业社会城市地下空间开发利用新时代1。随着城市居住人口急剧增加，城市中心区建筑密度增大，交通拥堵、环境污染、资源收稿日期:2022-09-17(修改稿)作者简介:雷升祥(1965)，男，安徽桐城人，博士，正高级工程师，现主要从事城市地下空间开发利用研究与管理工作。E-mail:18192088688 163com通讯作者:孙嘉良(1984)，男，吉林省吉林市人，正高级工程师，主要从事专利管理与研究工作。E-mail:sunjialiang crcccn基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0808700)短缺、房价高企以及城市特色风貌丧失等“城市病”日益突出，向地下要空间、要资源已经成为 21世纪城市发展的必然趋势2-3。由此，城市地下空间的开发利用已经成为提升城市容量、缓解城市交通、繁荣城市经济、改善城市环境和丰富城市文化的重要手段。国外发达国家结合自身实际，经过 160 多年的不断探索、实践、创新，逐渐形成了较为完善的地下空间开发利用体系，涌现出了一批具有代表性的成功范例，如法国巴黎列阿莱广场综合体、俄罗斯莫斯科地铁、加拿大蒙特利尔地下城、美国纽约地铁、日本东京八重洲地下街以及新加坡地下大众捷运系统等4-6。我国城市地下空间的开发利用经历了从最初的人防工程阶段到如今的地下空间综合利用开发快速增长阶段的巨大转变，取得了世人瞩目的伟大成就，“十二五”期间，实现了年均 20%以上的增速，“十三五”期间保持了每年 15 万多亿元增长规模，投资总规模约 8 万亿，已初步建立了较为完善的城市地下空间规划建设管理体系7-9。国内较为成功的有北京中关村高科技商务中心区、上海五角场地下空间、南京江北新区中央商务区、武汉光谷广场综合体以及重庆沙坪坝综合交通枢纽等。世界各国在推进城市地下空间开发利用进程中，产生了大量的新理念、新模式、新技术、新工艺和新方法，并将其形成专利加以保护利用。专利作为技术信息的有效载体，囊括了全球 90%95%的发明创造成果，利用专利信息透视产业发展现状和趋势已在国内外广泛应用。基于此，本文从专利数据角度出发，结合产业现状，对国内外城市地下空间开发利进行分析研究。本文专利数据来源于 Incopat 专利数据库10，以城市地下空间利用相关的区域、功能、施工方法、施工设备等相关词语为中英文关键词，结合相关的IPC 分类号为检索边界，检索时间截止公开日 2020年 12 月 31 日。相关趋势图中，由于专利公开时限原因，2019 年、2020 年数据不完全，因此所呈现的趋势略有差异。1国外城市地下空间专利现状和趋势11整体专利申请趋势截至 2020 年 12 月底，国外城市地下空间领域专利共 9 738 件，首件专利是英国发明人 1894 年申请的用于地铁施工设备的电动牵引改进方法专利，此后在 20 世纪初美国、德国相继出现该领域专利申请，均与地铁相关。从国外专利申请趋势上看，主要分为 3 个阶段，如图 1 所示。第一阶段，20 世纪 70 年代前的缓慢发展期，该阶段国外在城市地下空间领域专利数量较少，每年仅有零星申请。同时在这一时期，各国专利申请呈明显的滞后性，英国首条地铁建成时间为 1863年，但第 1 件与地铁相关的专利申请是在 1894 年，距离其建成伦敦地铁已经过去 31 年，美国第 1 件与地铁相关的专利晚于其首条地铁 48 年，德国晚14 年。表明在该时期由于城市地下空间领域整体发展缓慢，因此，各国的专利申请意愿较低，专利保护意识也不强。第二阶段，20 世纪 70 年代初至 90 年代末的高速增长期，该阶段随着城市地下空间的开发利用进入高潮，日本东京、大阪的地下商业街，美国曼哈顿的高密度空间等著名建筑均在该时期建成11，专利申请量也呈高速增长态势，表明在这一时期地下空间开发利用技术在不断变革和进步，专利保护意识显著提升。第三阶段，20 世纪 90 年代末至今的稳定期，国外专利数量基本保持稳定，年均 300 件左右。图 1国外城市地下空间领域专利申请Fig1Patent application status in the field of urbanunderground space at abroad12主要应用场景专利布局从城市地下空间主要应用场景看，早期城市地下空间开发利用，集中表现在以地铁为代表的地下交通设施领域，此后逐渐扩展到供水系统、垃圾处理、地下体育馆、地下音乐厅等地下市政公用设施、253地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷公共管理与服务设施等领域。近年来，随着技术的不断进步和需求的不断增加，地下物流仓储设施、地下防灾设施、地下商业服务设施12-14 应运而生。从专利数量看，以地下交通设施为主，占比约72%，且近 10 年专利数量保持稳定，始终处于申请热点;地下市政公用设施次之，占比约 22%，2016年申请量最多，而后数量逐步降低，表明该领域技术已处于相对成熟期;直接与公共服务、物流仓储设施、防灾设施和商业服务设施领域相关的专利较少，具体如图 2、图 3 所示。图 2国外城市地下空间各应用场景专利分布Fig2Patent distribution in different fields of urbanunderground space at abroad图 3近 10 年国外城市地下空间各应用场景专利申请量Fig3Patent application status in different fields of urbanunderground space at abroad in the past 10 years在地下交通设施中，轨道交通相关专利占比最多，约为 84%，包括地下工程施工方法和各类施工装备等;其次为地下停车，约为 6%，包括各类地下车库结构和施工方法，车库的通风、排水，泊车系统等;地下道路以地下公路为主，包括路面、防水、照明、排水等;人行通道相关专利不多，主要为连接地下交通和地下商业设施的通道，如图 4 所示。如图 5 所示，地下市政公用设施中，技术创新主要集中在污水处理技术，包括地下污水、雨水、排水处理等;管廊管道占比也较高，占比 31%。图 4国外地下交通设施领域专利分布情况Fig4Patent distribution in the field of undergroundtraffic at abroad图 5国外地下市政公用设施专利分布情况Fig5Patent distribution of underground municipalpublic utilities at abroad13IPC 分类技术领域专利布局国际专利分类表 IPC 分类号，分为 8 个大类，从专利统计结果来看，城市地下空间相关技术涉及到其中的 7 类，包括 A(人类生活必需品)、B(作业、运输)、C(化学、冶金)、E(固定建筑物)、F(机械工程;照明;加热;武器;爆破)、G(物理)、H(电学)。其中，E 部专利数量最多，共计 7 958 件，占比 82%，主要为各类施工方法和结构;G 部整体总量占比不高，1958 年英国申请了该领域首件专利，基于风速测速装置的隧道通风设备，2008 年后，G部申请量开始增加，2019 年年度专利数量超过了E 部，如图 6 所示。G 部专利申请主要集中在监测和检测技术、计算机控制技术等领域;H 部的专利最早出现在 1981 年，一种用于隧道的电缆，2016年开始申请量增加至 10 件以上，包括地下市政设施的输电线、电力设备、通信技术等;同时，随着检测和通信技术发展，G 部与 H 部联合的专利也越来越多，其中 H04 电通信技术占比最多，表明在城市地下空间中越来越重视安全监测，通过大量现场数据采集，处理分析辅助决策。14主要国家专利申请趋势进入 21 世纪后，土地资源紧张、绿地面积减少、城市人口爆增、交通堵塞、能源消耗增大、环境3532023 年第 2 期雷升祥，等:专利视角下的城市地下空间发展现状和趋势污染加剧、房价持续上涨等问题，推动着城市地下空间快速发展，各国根据自身情况的不同，城市地下发展各具特色，国外主要国家专利申请趋势，如图 7 所示。图 6国外专利 IPC 技术领域分布Fig6The IPC distribution of patent at abroad图 7国外城市地下空间主要国家专利申请趋势Fig7Patent application trend in the field of urbanunderground space in major foreign countries日本的地下街道、地下车站、地下铁道、地下商场、地下管廊的建设规模和成熟程度处于世界领先地位，其专利申请数量在 20 世纪 90 年代末达到了最高值，而后处于持续下降阶段，2008 年，专利数量首次被韩国超越。韩国从 20 世纪 90 年代中后期，开始大力发展地下空间资源，专利数量也同步提升，2016 年后专利数量开始下降。与其他国家侧重地下交通设施领域不同，韩国地下市政设施领域的专利占比达到了 42%，专利主要集中在地下管道的防水、排水及相关结构、材料方面。德国和英国的城市地下空间发展虽然较早，但专利申请总量不高，一直处于较为平缓的发展状态。俄罗斯的城市地下空间开发利用较发达，尤其是地铁系统和城市综合管廊，专利也主要集中于该领域。在其他国家近年专利数量普遍下降的情况下，美国在 2015 年以后，专利申请增长迅速，尤其是2019 年和 2020 年，专利申请集中在地下交通领域的智能化识别、管理、规划方面和地下市政公用设施的地下水处理和管道等方面。2中国地下空间专利现状和趋势21专利技术申请趋势我国城市地下空间开发利用从 20 世纪 50 年代开始，经过近 70 年的发展，已经从人防工程为主的初始化阶段初步迈向规模化、网络化阶段15。尽管起步较晚，目前中国已成为城市地下工程最多、发展最快的国家之一，在规划设计及建设技术上都达到了较高水平16-17。我国专利制度建立较晚，1985 年 4 月 1 日开始实施 中华人民共和国专利法，同年 5 月城市地下空间领域首件专利申请出现，“钻爆法全断面综合掘进机”，为个人申请。从专利申请趋势看，2005 年之前，城市地下空间领域专利数量较少，2005 年后专利申请数量快速增长，且始终保持增长态势，如图 8 所示。增长原因，一方面源于我国对基础设施建设领域的持续投入，整体技术水平的持续提升;另一方面，可以看出城市地下空间领域与我国整体专利发展态势高度一致，即由于国家专利保护制度的不断完善和相关政策导向，自主创新能力的不断提高和民众对专利保护意识的逐渐增强，专利数量大幅提升。截至 2020 年底，我国城市地下空间相关专利申请约 36 428 件，数量已远超欧、美、日等城市地下空间发展较早国家，“十三五”期间专利申请量约为“十二五”的 28 倍。图 8中国城市地下空间专利申请趋势Fig8Patent application trend in the field of urbanunderground space in China在全部 36 428 件中国专利申请中(含中国申453地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷请人和国外申请人在中国申请专利)，国外申请人专利为 143 件，其中美国、韩国、日本较多，分别为50 件、29 件和 13 件。22主要应用场景专利布局从地下交通设施、地下市政公共设施、公共服务设施、防灾设施、商业服务及物流仓储等主要应用场景的专利布局上看18，我国的专利分布与国外高度相似，均侧重于地下交通设施和地下市政公共设施领域，分别占比 54%和 35%，如图 9 所示。图 9中国城市地下空间各应用场景专利分布Fig9Patent distribution in different fields of urbanunderground space in China如图 10 所示，从地下交通设施领域专利分布看，轨道交通占比 82%最多，其次是地下停车和地下道路方面专利，整体与国外的布局态势相似，不同的是，中国在地下停车方面的专利更多，表明我国在地下停车方面的需求更多，相关创新技术较多。图 10中国地下交通设施领域专利分布情况Fig10Patent distribution in the field of undergroundtraffic in China从地下市政公用设施领域专利分布看，如图11 所示，管廊管道专利最多，占比 826%，主要为市政综合管廊相关设备、结构和防水方面专利;污水处理专利占比 154%，包括雨水收集、综合排水等。同时，值得关注的是，近 5 年在城市地下空间领域，装配式建筑专利数量大幅提升，共 956 件，占全部装配式专利的 88%，包括装配式综合管廊、装配式地连墙、装配式支护构件和相关装备等，表明在绿色低碳发展背景下，装配式建造已经成为当前技术热点。图 11中国地下市政公用设施专利分布情况Fig11Patent distribution of underground municipalpublic utilities in China23我国专利技术领域分布从国际专利分类表 IPC 分类号看，与国外相似，我国城市地下空间领域专利也在 A、B、C、E、F、G、H 各部均有申请，E 部专利最多，G 部专利近年提升较快，如图 12 所示。结合图 6 和图 12，我国与国外差异在于，在 E 部，我国专利数量始终呈上升趋势，而国外在 20 世纪 90 年代数量开始保持稳定并在近年呈下降趋势，表明了中外在城市地下空间领域发展阶段的差异，国外对地下空间的开发利用相对稳定，中国仍在高速发展阶段。在 G 部，尽管中国专利数量较多，但相关专利上升速度缓于国外(斜率小)，表明国外申请人当前更关注与 G部相关技术，如监测系统、试验模型、传感器、BIM、计算机控制技术等。图 12我国专利技术领域分布Fig12Patent distribution of technological fields in China24主要城市专利申请情况如图 13 所示，我国城市地下空间领域专利申请量排名前 10 位的城市近 10 年专利申请趋势，可以看出，近十年主要城市的专利数量呈明显的增长趋势，城市专利数量，也基本反映了所在城市的地下空间发展水平。北京、上海无论是地下空间发展5532023 年第 2 期雷升祥，等:专利视角下的城市地下空间发展现状和趋势时间和发展规模均领先于全国其他城市，专利数量也最多，引领了地下空间领域的技术创新;成都、武汉、南京、天津、郑州、西安也是我国轨道交通和地下空间较发达城市，专利数量也排在前列;广州、杭州和专利数量未进入前 10 的深圳、苏州，尽管轨道交通和地下空间较丰富，但由于城市中企业的产业结构因素，专利数量与城市地下空间发展水平略有差异。图 13我国专利申请量前 10 城市近 10 年申请图Fig13Patent application status of top 10 cities inthe past 10 years in China3总结和展望从城市地下空间领域国内外专利申请趋势、主要布局的应用场景、专利技术领域数据分析结合地下空间行业发展现状看，全球城市地下空间发展呈以下特点和趋势:(1)中国已成为引领城市地下空间发展的重要力量。尽管较欧、美、日等国家相比起步较晚，但中国以地铁为主导的地下交通设施领域和以综合管廊为主导的地下市政公用设施快速发展，产生和运用了大量新产品、新方法，所形成的专利数量已数倍于国外，并且从发展趋势上看国外专利申请量已多年保持稳定，中国仍处于高速发展阶段。因此，从专利视角看，中国已经成为了城市地下空间开发利用大国并成为引领未来发展的重要力量。(2)中国专利量多而质低，需尽快扭转。尽管我国专利数量上大幅领先于国外，但从发明专利占比看，中国为538%，国外为938%(有国别制度因素，部分国家没有实用新型专利);从专利的平均被引用度看，中国 17 次，国外 26 次，一定程度反映了专利的基础性和重要性;从 PCT 专利布局看，我国 3 万余件专利，申请 PCT 的仅 77 项，国外PCT 为 1 052 项，且每项专利平均布局 46 个国家，差距较大。随着我国专利保护制度的不断完善，城市地下空间领域技术的不断进步，越来越多的主体将参与到专利竞争中，申请专利已不仅对技术创新、实施专利技术权利的保护，同时也是打造品牌影响力、保持优势地位、谋取商业利益最大化的重要手段。因此，我国各申请主体应进一步增强专利保护意识，做好研发全过程的专利预警、分析、挖掘和布局工作，建立专利申请前评估制度，高度重视专利质量提升和国内外专利战略布局。(3)中外技术方向总体相似，局部差异。从专利应用的技术领域上看，国内外均侧重于地下交通设施和地下市政公用设施领域。从 IPC 分类的技术领域上看，专利集中在 E 部和 G 部。但从进一步细分领域上看，中国更加关注地下停车相关技术;在城市综合管廊领域，中国的研究和应用更多(至 2018 年 4 月，中国综合管廊的在建里程已超过 7 800 公里，相当于管廊较为发达的日本的 35倍19)，专利数量也具有明显优势;国外由于专利发展和申请较早，因此基础性专利较多，同时，在污水处理技术和 G 部相关的专利方面具有一定优势。(4)智能化成为中外共同关注新热点。从 IPC分类的技术领域可以明显看出，国内外在近年来同时开始布局 G 部专利，即关于地下空间数字化、信息化、智能化领域技术20，专利数量呈大幅增加趋势，且从专利趋势看中国的布局速度不及国外。从发展情况看，随着我国“新型基础设施建设”概念的提出，关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见 等一系列政策的发布，BIM、人工智能、物联网、GIS(地理信息系统)、北斗导航等新技术已经越来越多地在建筑产业应用21-22。可以预见，在智能建造、智慧感知、智能运维、智慧决策、智能管控等新技术的赋能下，城市地下空间开发利用领域将发生深刻的变革，也将产生更多新业态、新模式，各有关主体应加快研究和布局。(5)围绕轨道交通的综合开发模式成为发展趋势。从全球专利技术的发展看，轨道交通相关技术始终是城市地下空间领域专利申请的重要组成，并且占据主导位置，轨道交通的建造也推动了所在城市的发展，扩大了都市圈辐射能力23-24。在建设用地紧张，资源稀缺的背景下，城市地下空间开发的功能正在由单一的交通设施向市政、商业、公共服务等多功能相互融合的综合化方向发展，已经形成了多种开发模式18:653地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷网络化开发模式。在既有地下空间基础上通过拓建，建立地下空间之间及地下空间与地面的联系，形成互相连通、四通八达的多维度、多功能、网络化地下空间，如北京地铁 16 号线二里沟站、日本东京新宿车站。立体交通枢纽模式。地上、地下空间开发协同映射，共同助力城市立体交通，如重庆沙坪坝铁路综合交通枢纽，集高铁、地铁、公交、出租以及停车于一体。站城一体化(TOD)模式。采用地下交通枢纽站和周边土地一体化开发模式，使工作、居住、休闲、交通、教育、医疗等各方面有机衔接，如广州白云枢纽站综合体。适用于繁华核心商业街区的地下街区(USD)模式;把地上转入地下，形成满足人类社会生产、生活、交通、环保、能源、安全、防灾减灾等需求的地下城市开发模式;国防、民防与地下空间有机结合的融合开发模式等，我国城市可根据实际情况，选择适合的模式运用，以城市地下空间的开发利用提升新型城镇化建设的质量和品质。(6)加快发展绿色低碳城市地下空间。从专利数据看，近年来与绿色低碳相关的装配式建造、污水处理、节能环保等专利数量明显提升。从发展现状看，当前绿色低碳发展已成为全球共同目标，我国明确提出了碳中和、碳达峰时限，欧盟发布了建筑能效指令，日本制定了 2030 建筑节能路线图，美国提出到 2040 年 50%的商业建筑达到零能耗的目标。发展绿色低碳城市地下空间，首先要做好设计规划，地下空间属于典型的不可再生资源，一旦开发利用将不易重复循环利用，后期采取资源恢复及补救保护将花费数倍高额代价，树立前瞻性思维，统筹规划设计将是未来城市地下空间利用的重要命题。其次，要充分利用城市地下空间资源，为城市“节地”，打造城市地下物流、综合管廊、真空垃圾收集系统等25，欧洲地下建设战略研究议程 提出，2030 年的远景目标是“将地面交由市民自由使用，将基础设施放入地下”;“节水”，完善城市污水处理、雨水蓄排系统等;“节能”，发展地下热交换、地热能利用等产业，实现循环可持续发展。再次，在施工中要做贯彻“四节一环保”的基本要求，加强建筑垃圾的资源化利用，采用 BIM 技术辅助绿色施工，推进多类型、多场景、全装配式工程应用。综上所述，城市地下空间开发利用经多年发展，中外均积累了丰富经验和技术实践，拥有大量先进的专利技术，建造了一批经典工程。随着第四次工业革命的迅速展开，人民对美好生活向往的日益提升，城市地下空间正在由“功能为主”向“创新、协调、绿色、开发、共享”的全新建设理念转变，建设人本地下、绿色地下、智慧地下、韧性地下、透明地下将是所有建设者共同努力的方向和目标。参考文献(eferences)1 王成芳，孙一民以轨道站点为核心的地下空间开发策略探讨 J 地下空间与工程学报，2014，10(增 1):1526-1527(Wang Chengfang，Sun Yimin Study onunderground space development strategy with rail transitsiteasthecore J ChineseJournalofUnderground Space and Engineering，2014，10(Supp1):1526-1527(in Chinese)2 Cano-HurtadoJJ，Canto-PerelloJSustainabledevelopment of urban underground space for utilitiesJ Tunnelling Underground Space Technology，1999，14(3):335-340 3 王桂新 中国“大城市病”预防及其治理 J 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