基于专利信息分析的猪舍清粪设备研发现状与展望

作者: 孟海燕

基于专利信息分析的猪舍清粪设备研发现状与展望0

摘 要:基于Incopat专利数据库信息,梳理了猪舍清粪设备主要技术,并从全球专利申请趋势、申请地域分布和中国的申请情况3个层面对专利信息进行挖掘,明确猪舍清粪设备研发现状,最后对猪舍清粪设备技术发展进行展望。得出结论:猪舍清粪设备专利申请目前处于平稳发展阶段,在全球专利申请中我国的专利申请量最大,但技术创新水平仍有待提高,猪舍清粪设备相关专利的转化率较低,国际化专利布局不足,在猪舍清粪设备领域的技术创新主要由企业、科研院所和大专院校主导,国内的相关申请量将持续增长,尤其在信息化、智能化等方面的技术创新仍有较大的研发空间。

关键词:专利;信息;分析;猪舍;清粪;研究

中图分类号:S817.5 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)11-140-4

DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.032

0 引言

在生猪养殖过程中,猪舍的粪污清理是非常重要的一环。长时间积累的粪污会释放大量有害气体,严重影响空气质量,进而影响生猪的健康和猪肉的品质[1]。相比于人工清理和传统的清粪作业,使用清粪机作业具有省工省时省力、提高操作效率、降低劳动强度、保持空气清新及提高环保水平等优势[2]。

专利申请文献在准确性方面超过一般的科技文献[3]。基于IncoPat专利数据库,用分类号和关键词进行检索,对所得数据进行人工去噪和清洗,得到全球猪舍清粪设备的专利申请数据,并以此进行统计分析。研究梳理猪舍清粪设备专利申请的主要技术点,分析全球专利申请趋势、申请地域分布和中国的申请情况,旨在加深对我国猪舍清粪设备技术研究现状的认识,对猪舍清粪设备技术发展进行展望,为科学合理的技术研发提供参考。

1 猪舍清粪设备主要技术现状

猪舍清粪设备主要包括驱动机构、传动机构、清粪部件、控制机构和移动平台等机构和部件。随着机械自动化技术的不断更新换代,猪舍清粪设备的驱动机构、传动机构也不断更新。目前,猪舍清粪设备领域的专利技术,主要集中在清粪部件和控制机构方面。

1.1 清粪部件

猪舍清粪设备的清粪部件主要有刮板式、传送带式、冲水式和扫刷式等类型。以下几种清粪部件多以组合方式设置在清粪设备中,能够提高清粪效率。

1.1.1 刮板式

刮板的接触面为清粪工作面,可以是猪舍地面,也可以是猪舍漏粪板下的粪沟。如图1、图2、图3所示,刮粪车通过驱动结构带动牵引机构或移动平台驱使刮板移动以刮除粪便。应用最为广泛的刮板式清粪设备有2种,一种是用电机驱动链条牵引其上的刮板往复运动达到清粪效果,最早出现于1957年;另一种是移动车体,通过在车底部设置刮板,在移动过程中刮除粪便并通过输送结构送到粪箱内,这种类型的清粪设备最早出现于1932年。

1.1.2 传送带式

如图4所示,传送带式清粪部件通常将传送带设置在猪舍漏粪板下方以便承接漏下的粪便,再驱动传送带将其上的粪便排出。为了便于传送带上的粪便排出,通常在传送带排粪部位设置刮板或刷体将粪便从传送带上刮下。

1.1.3 冲水式

此设备通过水管冲洗的方式清理粪便,如图4所示,多与刮板式和传送带式清粪设备组合设置。例如,CN206686860U在传送带式清粪设备上设置了可摇摆高压喷水装置,提高了清洁效率。

1.1.4 扫刷式

如图5所示,在清粪工作面上通过扫刷移动进行粪便清理,可以是牵引式,也可设置在移动车体下部。DE2509224A1公开了将旋转刷与刮板结合进行粪便清理的猪舍清粪设备。CN104521776A的猪舍地面清洗装置上设置有清洗水管、滚刷,从而提高了清洁效率。

1.1.5 马桶式

图6示出了一种智能化母猪马桶。此设备根据母猪习性(其站立时就有可能进行排便)进行设计。若探测器发出的信号被母猪遮挡,则证明母猪已经站立并且存在排便的可能;接收到信号后,动接粪车12通过水平移动装置来回于粪便倾倒区与母猪屁股之间,可以随时清理母猪的排泄物。

1.2 控制方面

按照控制机构自动化程度的不同,猪舍清粪设备可分为机械驱动式、自动式、智能式。

1.2.1 机械驱动式

机械驱动式是指采用电机等传动机构驱动清粪部件移动清粪的方式。早期的专利申请大多是这类机械驱动式清粪设备。目前,纯机械驱动式的清粪设备相关专利申请较少。

1.2.2 自动式

将自动控制机构用于清粪设备,能够显著提高清粪工作效率。例如,CN204518791U将单片机控制器应用在刮板式猪舍清粪设备上,能够定时驱动刮板移动清粪,实现了自动化控制,省时省力。目前,企业对猪粪处理较重视,尤其大型规模化生产企业的全程机械化水平较高,科技和技术投入高,中小养殖场机械化生产水平较低,机械化清粪设备应用水平不高[4]。因此,尚需要政策支持、技术推广等多方面发力,以进一步提高我国养殖业自动化、智能化水平。

1.2.3 智能式

智能式清粪设备是随着信息技术、人工智能技术、物联网技术等的不断发展而出现的,人工智能技术的应用提高了猪舍清粪设备的智能化程度。如图7所示,CN214902918U公开的养猪舍内智能清粪机器人,通过激光雷达传感器扫描猪舍内环境并自动生成地图,控制箱据此制订路径规划,随后控制行走机构4向前行驶,在此过程中利用清洗机构和刮粪机构清理粪污理,具有自动充电和加水、避障功能。与国外相比,我国养殖舍内清洁机器人研究仍处于起步阶段[5]。

2 全球猪舍清粪设备专利申请趋势和申请地域分布

1974—2011年,全球猪舍清粪设备相关专利申请量持续保持在每年44件以下,相关专利申请处于发展缓慢期。此时期猪舍清粪依赖于人工操作,机械化技术水平不高。劳动力充足,劳动力成本低,机械化成本相对较高,养殖未形成规模,都制约了猪舍清粪设备的技术研发。2012年,猪舍清粪设备相关专利申请量开始明显增长,达到77件;随后相关专利年申请量迅速攀升,到2018年达到425件。该阶段为快速发展期,表明此时猪舍清粪设备的技术研发非常活跃。此时,养殖业逐步规模化发展,猪肉需求量的增加,都促使养殖者提高工作效率,进而促使加大对猪舍清粪设备的技术研发。同时,工控技术、信息技术、人工智能技术的快速发展给猪舍清粪设备的技术研发提供了有力的技术支撑。2019年该领域的专利申请量为424件,没有明显增长;经过这一个平台调整期之后,2020年专利申请量继续上升达到628件;2021年专利申请量快速回落,可能与新型冠状病毒感染对经济发展和技术创新的影响有关,总体申请趋势平稳。

在全球猪舍清粪设备相关专利申请中,中国的专利申请量占比最高,达到85.99%,表明中国重视猪舍清粪设备相关技术研发。

3 中国猪舍清粪设备相关专利申请概况

根据中国猪舍清粪设备相关专利申请数据,实用新型专利申请占比78.18%,发明专利申请占比21.57%,PCT申请仅占0.25%。由此可见,虽然中国猪舍清粪设备相关专利申请量在全球占比最高,但是技术创新水平还有待进一步提高;PCT申请量仅占0.25%,表明中国猪舍清粪设备相关专利申请缺乏国际化布局,可能也与技术创新水平不足有关。

在中国猪舍清粪设备相关专利中,有效专利占比49.34%,失效专利占比35.04%。这一方面提示相关养殖者、企事业研发单位和个人可充分利用这些失效专利,另一方面提示存在猪舍清粪设备相关专利转化度不高的问题。

在猪舍清粪设备专利申请量排名前列的专利申请人中,牧原食品股份有限公司申请量为39件,比排在第二位的哈尔滨天河自动化设备有限公司的19件多出1倍多。该公司是牧原集团旗下子公司,其核心产业为生猪养殖,通过“全自养、全链条、智能化”的养殖模式实现了养猪产业工业化。上述数据表明,该公司在猪舍清粪设备方面的技术研发能力较强,技术创新水平处于全国领先地位,并且其相关专利技术创新得到了较好的转化和应用。从排名前列的专利申请人性质来看,猪舍清粪设备领域的技术创新以企业、科研院所和大专院校为主。这是由于企业处于养殖产业一线,对技术创新的需求更为直接,能及时进行技术创新,而科研院所和大专院校则有着科研技术优势。

4 趋势与展望

猪舍清粪工作是生猪养殖的重要环节。粪污不及时处理便会挥发氨气、硫化氢等有害气体,会降低舍内空气质量,影响猪的生长性能和繁殖性能。而自动化、智能化清粪设备能够提高清粪效率,减少人工劳动量,降低劳动力成本。目前,虽然自动化、智能化清粪设备在一些规模化养殖场已经得到初步应用,但是由于技术水平、养殖场结构差异等因素,其应用还不广泛。随着养猪场规模的不断扩大和人工成本的增加,现代化养猪企业对自动化、智能化养殖设备的需求将更加突出。这会促使相关企事业单位增加猪舍清粪设备的研发投入,相关专利申请量会持续增加。随着物联网技术及信息技术的发展,物联网技术、信息技术与猪舍清粪设备关键部件的结合及其应用将会成为研发重点。考虑到我国相关专利转化率不高的现状,应增强企业专利意识,引导企业在生产中注意挖掘关键技术,对影响企业发展的基础专利和核心专利预先进行布局。充分利用专利技术,有助于提高企业核心竞争力。此外,智能化设备在我国没有统一的行业标准,且国产率相对较低、价格昂贵。因此,在生产研发过程中,要重视专利标准化工作,促进重要的专利尽快转变成技术标准,从而为猪舍清粪设备领域的技术发展提供坚实的基础。

5 结束语

分析可知,在猪舍清粪设备领域,我国的相关专利申请量处于稳步发展状态,中国的申请量占比最高,表明中国重视猪舍清粪设备领域的技术研发。企业、科研院所和大专院校在机械化、自动化清粪设备的技术研发方面取得了显著的成效,但是专利转化率不高,应用水平不高。目前,中国猪舍清粪设备领域相关专利申请缺乏国际化布局,国际专利保护防御体系建设相对滞后。为了提高生产效率,降低生产成本,规模养殖场对智能化清粪设备的需求将持续增加。因此,相关的研发投入和专利申请量也将持续增加,在物联网、信息化、智能化的结合适配方面还有较大技术研发空间。

参考文献:

[1]胡振楠,孙红敏,李晓明,等.猪舍自动清粪控制系统设计与实现[J].南方农机,2021,52(1):8-11.

[2]唐立民.鸡舍用牵引式刮板清粪机安全操作技术探讨[J].农业科技与装备,2017(12):46-47,52.

[3]张怀涛,岳修志,刘巧英.信息检索简编[M].武汉:武汉大学出版社,2016.

[4]丁德志,严思堃,熊惠兰,等.江西畜禽养殖机械化调查及对策研究[J].南方农机,2022,53(14):10-12,23.

[5]高彦玉,罗土玉,边峰,等.智能清粪机器人系统的设计与试验[J].农机化研究,2024,46(2):103-107,112.

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