如何以“降本增效”的思路挖掘专利——以直流融冰技术为例

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二月初，笔者去往湖北出差办案，恰逢湖北地区遭遇“冻雨”和强降雪，紧接着导致铁路运势和公路运势的长时间停摆，笔者因此不得不在武汉滞留多日。因亲身遭遇雨雪灾害性天气对铁路运输带来的负面影响，笔者对高铁“融冰”技术进行了专利检索和研究，本文将以“直流融冰技术”为例，介绍企业如何在自有技术、产品研发过程中挖掘专利点，为自己筑起坚实的专利保护壁垒。
一、高铁直流融冰技术
（一）高铁惧怕结冰的原因
“冻雨是电气化铁路最害怕的自然灾害。一方面，冻雨在接触网上形成厚冻冰层，导致电力机车无法在有冰层区段受电运行…….下雨遇上低温，结冰后导线被裹住，受电弓在导线上滑行时受电不均，取流不畅，产生拉弧，如果受电不成功失去动力，列车就只能被迫停电停运。……我国铁路大多为电气化铁路，电力机车和动车组列车通过受电弓从接触网上获取电能。因此，接触网与受电弓必须保持稳定、持久、良好的接触才能不间断地取得电能，使机车平稳运行。”[1]

（图源：澎湃新闻）

（图源：澎湃新闻）
（二）去除高铁接触网覆冰的技术难题
“以前我们用的最笨的办法是升双弓……双弓运行时前面一个受电弓升弓滑行，专门将冰刮掉，后面的受电弓取流运行。然而，由于双弓运行会导致跳闸，出于安全考虑，铁路部门并不提倡双弓运行，甚至要求部分线路禁止双弓…….所以只能人工除冰。……..人工除冰需要先将去冰的路段断电。等线路接触网工去清理，拿竹竿把导线上面的冰给它敲掉。…….《湖北日报》在2月4日傍晚发布的视频显示，武汉局襄阳供电管内的铁路工人正在用重约3公斤，长约7米的打冰绝缘杆对接触网除冰，一次打冰作业至少要挥动百余次。此外，他们还在专用检测车受电弓上安装普通碳铝滑板进行接触网热滑融冰。”[2]
“是否如今接触网覆冰仍然只能依靠“落后”的人力敲打？其实，目前电网已经在线路融冰技术上取得重大突破，“直流融冰”已经广泛运用在各种电路输送场景中，这一技术难道也无法移植到高铁接触网的融冰场景下吗？…….直流融冰技术的底层原理是电流加热融冰，通过给接触网输送一定的电流，使它发热从而消除接触网导线上的覆冰，也就是通过改变接线方式使得线路短路而产生热量，从而融化覆载在线路上，特别是冬天裸露在室外架空线路上的冰层。乍一看，确实是一种更好的融冰手段，但是在目前高铁应用上仍有较大的阻碍。…….铁路接触网融冰装置虽已进行了研究和试用，但仍存在诸多局限性：需要的设备很多，如牵引变压器、换流变压器和整流设备等，造价高；操作麻烦，需要融冰2至4小时，若覆冰较厚，设备无法完全将其融化；设备需要在列车停运时才能完成工作；无冰灾时设备会被长期闲置，维护成本高。”[3]
虽然专家对于已经广泛应用于电网供电场景下的直流融冰技术如何嫁接到高铁接触网场景上使用，提出了仍待完善的技术难题，但是读者也许已经发现，如果有任何改进的方法、工艺、技术、设备，能克服专家提出的这些阻碍，也许冻雨导致的覆冰能够得以快速高效处理。由此可见，技术难题同时也是提升技术、发现新专利的契机。
二、企业自主研发和生产过程中的“降本增效”式专利挖掘方式
“新技术”的“新”并不是大多数人认为的“无中生有”之新，更多的是“更上一层楼”之新。笔者多次在为客户提供专利布局服务时，往往最多被问及的两个问题是：
“
我们的技术跟其他人差不多，并没有特别高级的技术，是否能达到申请专利的要求？
我们只有一款有点技术含量的产品，我把这款产品写成专利以后，如何再找到其他其他新技术和新专利点？
笔者在解答此类问题的时候，一般会提醒客户使用一个简单的标准先行对自己的研发进展和产品进行技术点梳理，也就是：你的产品/技术，相对于过去的产品，或目前市场上别人的产品，是否能实现“降本”或“增效”的效果，这一思路的底层逻辑和专利法上准予授权标准，例如“新颖性”、“创造性”，是大致相似的。法律词汇无法被广大技术人士、研发人士快速参透，这给专利挖掘带来一定的阻碍，但这些技术方面的专家才是促进技术进步、专利革新的中坚力量，为了让企业和相关技术专家掌握更多的主动权，笔者在实操中一般都鼓励采用“降本增效”的思路，让企业审视自身的产品和市场上竞争者的产品的共性和区别，快速定位到自身研发/产品中所包含的技术上的有益效果。
下文中，笔者将以电网供电场景下的“直流融冰技术”切入，过渡到高铁接触网场景下的“直流融冰技术”，探讨在研发进程或产品开发过程中，企业如何在产品、技术自我改进的方向上，使用“降本增效”的思路，同步找到专利点，并匹配高质量的专利布局和专利保护策略。另外，笔者在检索专利文件过程中，发现许多优秀的有关“直流融冰”专利申请，但鉴于篇幅和主题的限制，本文只能选取部分文献用以说明主旨。
三、电网应用场景下的直流融冰技术的发展和专利布局
南方电网在直流融冰技术上走在行业领先的位置。“早在2008年，南方电网公司启动了以“南方电网直流融冰装置样机研制”为代表的重点项目攻关。同年，自主研制的国内首套大容量（60MW）电流精准可控直流融冰装置试验成功，输电线路导线覆冰问题得到解决。”[4]。因此，笔者在本段落中选用的专利文献都源自南方电网提出申请。
（一）核心技术
1、核心方法诞生的技术背景
检索早期的直流融冰相关专利，足以看出南方电网是如何克服国内甚至国际上的技术难题，走出中国特色的“直流融冰”技术的第一步。
在第CN200810143314号“一种移动式直流电源融冰方式及装置”专利申请文献中，对当时的直流融冰技术和难题陈述如下：
A. 短路电流融冰方法，调度附近的相关变电站共同操作，在架空线路的某一点装设三相融冰短接线(但不接地)，对线路送入融冰电流，经过一段时间后，线路发热，从而将架空线路上的覆冰融化…….用较低电压提供较大短路电流加热导线使导线的冰融化。但实际应用中发现，短路电流融冰方法，价格高，所以电力系统普遍不愿意采用。
B. 加热融冰与无功静补SVC双用途方法:……冬季覆冰的情况下， 通过改变装置的拓扑结构，形成大功率整流回路，对交流线路进行融冰。……都是用电力电子整流技术及其无功补偿功能扩展。但由于在其功率补偿系统中元件串、并联数量较多，且目前元件等级可选择范围有限，一次性投资大，工程化实施难度大，对半导体元件功率要求高，不适合我国电力网分布投资的现状。
C. 现有直流熔冰装置一般都采用闸晶管三相全控整流桥电路。闸晶管整流是产生谐波的典型电路，但其运行时产生的谐波有以下影响:一是谐波使电源系统电压和电流波形发生畸变，造成发电机和配电设备过热、损耗增大、系统过电压;二是谐波使电力系统无功功率增加，功率因数下降，制约电源容量的有效利用;三是谐波能使半导体器件本身产生误触发、丢脉冲等失控现象。
D. 原有直流熔冰装置是个屏柜，无防护雨、雪功能，装车运输不便。
针对上述现有技术的不足，申请人对应的给出了“降本”或“增效”的解决方案，克服了技术难题，因此形成了全新的“直流融冰”核心技术。后续的与“直流融冰”相关的分支领域技术或者辅助技术、设备、零配件，都是围绕着这一新的核心技术逐一展开。
2、本专利披露的技术改进点：
（1）自带发电机组，变电所无电时可以工作
——增效，克服A点在交流电流融冰时，必须依靠变电站供电的技术限制。
（2）带谐波无功补偿器，滤去低次谐波，提高功率因数使电源容量有效利用
——增效，克服C的第二点，提高功率因数，提供电源有效利用率。
（3）全套融冰电源放置于专用集装箱内，便于吊装，仅用2台小型汽车就可运输，对于边远地区，道路条件较差地区线路进行熔冰，机动灵活，节省投资
——降本&增效，克服D点，实现多场景应用。
（二）围绕核心技术的配套技术
围绕着上文核心技术的专利，一系列辅助技术和分支领域的技术都逐渐出现。本文例举两种配套技术加以说明：
1、在CN200910025722号“直流融冰三相交流线路自动切换的方法”专利中，披露了目前存在的技术难题：由于融冰过程中，流过三相导线的电流不一致，可造成三相导线融冰程度不均衡并引起杆塔损坏及故障;同时如果融冰过程中需要人工改接线对交流线路的其他相导线进行融冰，现场工作量很大。而本专利对应克服了这些技术难题。
——降本：减少人工成本、减少操作导线的时间成本；增效：自动切换、有助于三相导线融冰均衡。
2、在第CN200910025721号“直流融冰的主回路设置方法”的专利中，披露了现有的设备及接线复杂;都不具备本方案接线简单，对系统的谐波影响很小，不必配置滤波器组等优点。
——降本：减少元件、简化接线方式、不必配置滤波器组；增效：减少对谐波影响。
（三）配套技术的“降本增效”式研发
在上述第1种配套技术中，南方电网已经认识到人工切换导线带来的人工成本提升和融冰效果下降的后果，因此可以再进一步降低人工成本用以提升融冰效果，即：越来越强的自动化切换导线技术和电流、电量均衡控制方法，实现融冰的“降本”和“增效”的目的。笔者引用下述专利文献说明南方电网如何针对“自动切换线路”这一细分领域进一步专利布局。
3、在第CN201110221088号“一种高效率的直流融冰方法”专利文献中记载了，本发明的直流融冰方法是在线路覆冰厚度尚未超过设计值时就开始进行直流融冰…….在直流融冰过程中通过控制直流侧刀闸的操作，不需要断开交流侧断路器QF和闭隔离刀闸，自动切换三相导线连接到融冰装置进行融冰。本发明直流融冰装置可以保证三相线路快速安全融冰，大大提高了系统安全性和可靠性；同时减少开关刀闸的倒闸操作和融冰现场接线的工作。本发明直流融冰方法是一种安全快速实现输电线路融冰，可有效延缓线路覆冰的增长，消耗电能最少。
——增效：检测覆冰厚度且启动早，减少开关刀闸和倒闸操作和接线工作，自行切换线路实现自动、安全融冰。
4、在第CN202211294863号“特高压输电线路不停电地线直流融冰系统”专利文献中记载，针对特高压输电线路的地线融冰系统，主要存在以下问题:特高压输电线路的输送容量大，停电影响大，为消除地线覆冰对线 路运行影响，融冰可靠性要求高，且地线位置高，融冰时受环境影响大，对融冰变流系统输出电流范围与运行可靠性要求高;…….本发明提供的这种特高压输电线路不停电地线直流融冰系统……。
——增效：无需停止线路运行即可实现融冰，避免工人高空接线等危险的高空作业。
（四）配套装置及其零配件
5、在第CN200920036211号“直流融冰集装箱”专利文献中记载，提供直流融冰装置的载体，通过对标准集装箱的特殊改造，不仅保留其集装箱强度高、耐用性好、运输方便、通用性强等特点;同时也使其满足电力设备的需求如耐受高压、耐受大电流、良好的保温性能，具备一次线路、二次控制信号接口等特点。本专利具有便于运输与安装，占地面积小，保温密闭和防御雷击等特点；并且可以在变电站之间往复使用，其性能、造价远远优于建盖房屋或箱式变方式。
——降本：面积小、通用性强、降低造价；增效：方便运输、耐用性好、满足电力设备特殊需要。
6、在第CN201120313385号“直流融冰线路短接专用共静触头隔离开关”专利文献中记载，使用直流融冰装置对线路融冰时，需要短接融冰线路， 目前短接线路的一般方法为在融冰时，通过工人利用短接线需融冰线路…….工人在进行线路短接操作时，需要借助大量工具，存在线路停运时间长，可靠性低以及接线工人人身安全受到威胁等缺陷。因此迫切需要 新的设备来解决融冰时线路短接时存在的问题。
——降本：减少人工成本、不需要大量的工具；增效：安全操作、无需长时间停运线路。
总结：电网直流融冰技术专利布局示例

四、特别适用于高铁接触网的直流融冰技术的研发和专利布局
上述电网应用场景下的直流融冰技术已经非常成熟，但是正如本文开篇专家提到的，如果要将此技术直接移植到高铁接触网领域，目前在应用领域仍有不小的挑战。但是从技术研发角度看，前期的研发成果也已经通过专利申请公开。从可以检索到的专利文献中看出，高铁接触网的直流融冰技术确实是通过电网已有的技术进一步的“降本”或“增效”而实现的。并且围绕着核心的“高铁接触网直流融冰技术”，配套了一系列分支领域技术和辅助技术。下文将结合相关专利文献对技术研发成果和相应的专利布局思路进行讲解：
（一）核心技术
在第CN201410113184号“一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统”（申请人：株洲变流技术国家国家工程研究中心有限公司）专利申请文献中，记载了技术背景：我国铁路现有的供电系统大都采用交流供电，即将工频110kV(或220kV)通过牵引变压器转 变为工频27.5kV，再通过馈线开关供至牵引网给机车使用……由于两种机车电压形式的不同，在两种机车交汇或衔接区段将会出现交直流车混跑，势必面临着机车牵引网的电压转换问题…….为实现交直流牵引供电系统，目前我国大部分还处交直流机车分线路运行，只有部分城轨线与国铁线衔接处或机车制造企业的试验调试线有小规模的双流制或多制式牵引供电系统，其存在诸多的技术缺陷，且系统不具备融冰功能。比如交流与直流供电系统切换复杂、交直流供电轨回流干扰、供电系统可靠性不高问题等，且大多方案都处于设想阶段……目前，针对牵引线路或输电线路的融冰已大量文献和应用工程，在电气化牵引网的融冰一般都是单独配置一套固定式或移动式融冰设备，采用独立的大功率整流器或电压源换流器等装置提供电源进行融冰的方案，结构十分复杂，成本高昂。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
1、本发明采用交、直流电源共享牵引网，根据机车的受电需求，通过投入和切除交流或直流馈线开关将相应电源送至牵引网供机车使用，不论机车在何种供电模式，电源之间都不会互相干扰，一种电源供电时，另一种电源完全退出牵引网；
2、当遭遇牵引网线路冰冻时，可将直流电源切换成融冰功能， 进行线路的防融冰。
显然，实现的上述两种有益效果中，第二种与电网的直流融冰技术的底层逻辑几乎相同。只是在实现这一技术效果的前提，必须先实现交、直流电互不干扰的作业方式。由此可知，已经成熟的电网直流融冰技术，在应用到“高铁接触网”这一新场景时，必须克服的技术难题是：满足交直流电对不同机车的供电运行模式，且互不干扰。所以该核心专利涉及的“交直流混合牵引供电系统”的技术，是对电网现有的“直流融冰”技术的“增效”，即：在交直流电共存的场景、或者交流电供电场景下，也同样能借鉴这项技术实现融冰。
（二）围绕核心技术的配套技术
1、在第CN201410511677号“一种高铁接触网直流融冰负载温度监测系统”（申请人：株洲变流技术国家工程研究中心有限公司）专利文献中，记载了技术背景和所需克服的障碍如下：在国内既有的电网以及铁路接触网直流融冰系统中均无有效可靠的负载温度检测保护系统。因为直流融冰系统负载为输电线路，不融冰时负载输送高压电甚至超高压电，无法加装可靠的温度检测反馈装置；在对线路融冰工作时，由于线路跨度比较长，无法对全线路进行融冰状态进行监控……接触网线路又无法直接安装固定的接触式测温装置，这也对接触网线路融冰融冰过程中温度监测提出了一个新的要求……..本发明…….针对特定的负载进行融冰工况下温度检测，通过多级高精度温度保护及预警通道，有效确保了负载安全。
——增效：实现全线路温度检测。是否需要融冰、在什么条件下满足融冰，都是困扰着高铁直流融冰技术的难题。因此对全线路不同区段的检测以便及时切换接线模式成为重要的配套技术，但又受制于高铁接触网和牵引供电线路无法安装过多的装置，因此，精准、高效的检测手段相对于传统电网检测技术无疑实现了温度检测技术上的“增效”的目的。
2、在第CN202211683098号“适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统”(申请人：西南交通大学)专利文献中，记载了技术背景如下：在当今的直流融冰技术中，大多数融冰技术泛化能力较差，在我国多变且复杂的自然环境下难以实施;同时，现有直流融冰技术往往是大范围不分小区段地进行整体融冰，但是这种融冰方法会加剧接触网和承力索的老化程度，增加设备维护的成本费用，此外，针对不同类型的覆冰采用相同的融冰电流对电能资源也将是一种极大的浪费。…….本发明的非分相区分段直流融冰技术……不同环境条件下形成的覆冰类型不同，采用相同类型的融冰电流，会造成电能的浪费且对接触网和承力索造成不必要的损耗，所以根据不同的覆冰类型计算出该区段适当的融冰电流能够在减少电能浪费的同时增强融冰系统的泛化能力，使其能够应对更多种类的自然环境。
——降本：区分不同区域、不同覆冰类型，计算并输出适当的电流，不浪费电能；增效：同一系统，在全线路不同地形、不同覆冰情形下，都可以应用。
（三）配套装置
3、在第CN202210585274号“用于城市轨道交通车辆段架空接触网的移动融冰装置”（申请人：湖南防灾科技有限公司）专利文献中记载，本发明的用于城市轨道交通车辆段架空接触网的移动融冰装置……满足城市轨道交通车辆段架空接触网移动融冰装置小型化设计要求；采用自带电源移动融冰车……满足车辆段接触线融冰距离可能短至数十米要求…….融冰时动态监测融冰对接触网影响，实现融冰后地铁等轨道交通能快速投入运营要求。本发明可满足车辆段1km以内长度接触网融冰要求， 装置体积小，自带电源……为车辆段架空接触网专用自带电源移动融冰装置设计提供有效指导，可广泛适用于架空接触网直流融冰装置设计。
——降本：小型化设计、自带移动电源、多场景应用；增效：有限作业时间内快速融冰、实现短长度内的融冰需求）。
关于配套零配件，受制于篇幅长度，笔者不在此展开。请感兴趣的读者自行检索相关专利。
总结：高铁接触网直流融冰技术专利布局示例

五、广泛适用各种技术领域中的“降本增效”的研发思路和专利布局战略
读者阅读至此，应当已经发现顺着研发的“顺推”思路来看(核心技术-配套/辅助技术-配套设备-配套零部件)，围绕着“降本增效”对现有技术的持续研发并配合专利布局，可以挖掘不少的专利点，并能准确定位到专利点中的“创造性”和“新颖性”。但是在笔者平时的工作中，客户往往是拿着一款成型的产品，试图寻找专利点，困难更大，因为在“成品”中，产品生产和研发过程中的创新点已经被忽略了，这种情况下，笔者建议将布局思路进行“倒推”，即：以配套装置和零配件为起点，“倒推”至个别领域的技术或者辅助技术，再“倒推”出底层技术（核心技术），再“倒推”出该核心技术的产生是克服了现有技术中的哪些技术难题。
下图是可以应用在大多数技术领域中的专利布局思维方式，供广大企业和技术人员参考和取用。

结语
从无到有、从有到优，是技术发展的路径，也是专利布局的路径。现如今无论是高新技术企业申报、出资融资，都有知识产权广泛参与的可能性，而专利因其高难度、高价值，往往更受资本和市场的欢迎。单单“有”专利已经无法满足需求，现如今必须要有“好”的专利，并且“持续不断”地创造“好”专利，这才是资本检验“好”企业的标准，更是市场和消费者审视产品价值的评价手段。毫无疑问，包含着“好”技术的产品，更具有不可替代性、更可能长期获得市场的青睐，不会轻易陷入“低价竞争”的内耗中。希望本文能为广大经营者和技术人员提供一些启示，从而更轻松、更高效地挖掘更多高质量的专利。
[1]《武汉“大晚点”：冻雨致冰的高铁难题》，南方周末2月5日报道
[2]同上
[3]《雨雪冰冻时，高铁接触网发生了什么？》，澎湃新闻2024年2月6日报道
[4]《南方的冰更厉害？电网人有利器》，中国电力报2023年12月18日报道