绿色船用燃料的技术机会识别：基于BERTopic的专利挖掘研究

《Frontiers in Marine Science》：Technological opportunity identification for green marine fuels: a BERTopic-based patent mining study

　　

专业术语翻译（摘要部分） 引言： 随着航运脱碳研究从评估燃料减排潜力转向识别部署瓶颈，迫切需要更强有力的经验证据来刻画船舶层面的产业创新特征。本研究以专利挖掘（patent mining）为核心分析基础，识别创新集群，并比较五种绿色船用替代燃料路径：氢（hydrogen）、氨（ammonia）、液化天然气（liquefied natural gas，LNG）、甲醇（methanol）和生物燃料（biofuels）。 方法： 基于2000—2025年间德温特创新索引（Derwent Innovations Index，DII）中的4,471个专利家族（patent family），研究人员采用基于BERTopic的语义挖掘方法提取专利主题、燃料特定创新方向及跨燃料工程模块。同时，利用955篇Web of Science核心文献，通过关键词时间线（keyword timeline）和突现（burst）分析构建分析框架的文献前沿维度，为后续燃料发展模式的文献—专利定位奠定基础。 结果： 氢在前沿研究关注度与持续专利活动之间表现出最强的一致性。氨和甲醇呈现出显著的近期前沿信号和后期专利增长，而LNG和生物燃料主要反映过渡性或延续性技术积累。进一步的专利挖掘结果表明：氢创新集中于燃料电池转化、能源管理和混合动力集成；氨和甲醇的技术机会聚焦于储存、供应、安全及船舶—燃料接口；LNG创新集中于低温储存和压力管理；生物燃料专利则优先关注上游原料和可再生液体燃料生产。 讨论： 总体而言，技术机会既集中在燃料特定路径，也集中在跨燃料通用模块，尤其是船载储存、燃料供应、排放控制和全船能源管理。本研究建立了一种经专利验证的差异化技术机会识别方法，为有针对性且高效的航运脱碳创新战略提供了实证支持。

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一、研究背景与问题提出

国际航运业面临日益严峻的减排压力。2023年国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）温室气体（Greenhouse Gas，GHG）战略明确提出采用零或近零排放燃料和技术的要求，使燃料选择成为船东和设计者面临的实际设计与投资问题。欧盟排放交易体系（EU Emissions Trading System，EU ETS）向航运业的扩展以及FuelEU Maritime框架，进一步将脱碳目标转化为运营要求。在此背景下，如何通过可行的燃料路径、船载技术和政策支持在现实成本与监管环境中实现航运脱碳，成为核心议题。

已有研究提出了包括液化天然气、甲醇、氨、氢和生物燃料在内的大量候选燃料，但比较性综述一致表明这些选项不可直接替代，在技术成熟度、基础设施需求、安全约束和运营适用性方面存在显著差异。燃料选择日益被理解为船舶层面的集成问题，因为实际部署取决于船载储存、燃料供应安排、改造可行性和航次相关的功率需求。此外，不同生命周期假设和政策条件下比较结论可能发生偏移，经济可行性也构成另一层约束。

尽管已有研究在燃料性能、环境影响或学术关注度方面取得了重要进展，但技术机会识别仍存在空白。现有证据较少展示产业创新如何围绕具体技术模块组织。专利分析特别适合这一目的，因为专利文献记录了发明层面的技术解决方案，被广泛用于追踪技术趋势、识别有前景或空白的技技术领域。然而，已有海事燃料专利研究尚未充分将专利衍生的工程模块与不同船用燃料路径的文献前沿信号联系起来，这限制了在监管不确定性和船舶运营约束下的决策导向筛选。

二、研究内容与核心发现

为弥补上述不足，本研究开展了基于专利的绿色船用燃料技术机会识别研究。核心分析依赖于对德温特创新索引中4,471个专利家族的BERTopic语义挖掘，以揭示主要创新主题、跨燃料工程模块和燃料路径发展模式。同时利用955篇Web of Science出版物，通过CiteSpace时间线和突现分析提取文献侧前沿证据。两者共同构成五种主要船用燃料路径发展模式识别的分析基础。

研究的主要贡献包括三个方面：第一，将BERTopic语义聚类应用于绿色船用燃料技术专利摘要，识别燃料特定主题、共享工程模块和潜在技术机会领域；第二，考察专利活动在优先权辖区、主题结构、语义关系、层次聚类和燃料标记时间模式方面的特征，阐明氢、氨、LNG、甲醇和生物燃料的专利侧发展特征及其与船舶层面工程接口的联系；第三，将文献前沿信号与专利侧活动整合，构建文献—专利发展模式矩阵，为识别五种燃料路径的差异化发展模式和技术机会信号提供结构化基础。

三、关键技术方法概述

本研究采用两大数据来源：Web of Science核心合集2000—2025年英文文献，经人工筛选保留955条记录；德温特创新索引专利数据，通过联合与交集组合检索策略，经清理后保留4,471个专利家族。文献侧采用CiteSpace（版本6.4.R1）进行关键词时间线视图和突现检测分析。专利侧采用BERTopic框架：使用Sentence-Transformers模型（paraphrase-multilingual-mpnet-base-v2）预生成语义嵌入，经UMAP降维和HDBSCAN密度聚类，结合c-TF-IDF提取主题关键词，并通过merge_topics进行主题合并，最终将非离群主题整合为14个高层次分析主题，辅以GPT辅助标签精炼和人工校验。

四、研究结果

4.1 专利分析结果

全球优先权辖区分布与主题词得分： 绿色船用燃料专利家族高度集中于少数辖区。韩国以33.7%居首，中国22.0%、美国18.1%紧随其后，三者合计占73.8%。日本和德国分别以9.9%和2.5%位列第四、五位。前十辖区合计约占92.0%。从空间格局看，优先权专利活动集中在东亚和北美。BERTopic主题可分为三层：第一层为燃料路径锚定主题，包括氢燃料电池（T1）、LNG低温储存与供应（T7）、甲醇船载利用（T11）、氨处理与供应（T13）以及生物燃料上游生产（T9）；第二层为跨燃料工程主题，涵盖数据驱动与混合电动控制（T2）、船载储能与能源管理（T6）、辅助能量转换（T8）、混合驱动系统集成（T10）以及排放减缓（T5）和燃料质量提升（T12）；第三层为辅助子系统，包括表面防护（T0）、过滤与冷却（T3）和润滑（T4）。

精炼主题表征与功能分类： 通过GPT辅助精炼，各主题获得更明确的标签和解释。T1覆盖燃料电池堆及系统级设计，包括反应物供应、水热管理、吹扫策略和安全控制。T7聚焦低温储罐压力控制、蒸发气处理、冷却单元、泵送和换热接口。T11涉及甲醇船载集成中的舱室和储罐布局、安全隔离空间及结构安排。T13涵盖氨燃料供应链，包括液化、加压输送、储罐接口和排气侧氨控制。T9主要体现于上游生物质、溶剂循环和提质路线。

主题语义相似性与层次聚类： 主题间余弦相似性矩阵中位数为约0.69。燃料路径主题与跨燃料工程模块的比较显示，流体调节和辅助系统（T3）以及排气侧减缓（T5）与多个燃料路径主题呈现持续高相似性。LNG储存与供应（T7）与T3和T5耦合最强。氨处理与供应（T13）与排放和后处理（T5）最接近。氢燃料电池（T1）与排放后处理（T5）和船载储能（T6）耦合最强。生物燃料生产（T9）与电动混合控制（T2）和驱动系统集成（T10）的接近度最弱。燃料路径间最强相似对为LNG-氨（约0.87）和LNG-甲醇（约0.840），最弱为氨-生物燃料生产（约0.61）。层次聚类显示：T10与T2早期合并，T6与T1形成早期配对，共同构成更广泛的电气化分支；T3与T7在低连接水平合并，随后连接T5，再与T4、T0、T8形成船载使能集群，T13在较高水平加入；T11与T9首先聚类，随后连接T12，形成液体燃料语义空间。

4.2 时间动态与文献—专利定位结果

燃料标记专利活动的时间演化： 氢在整个研究期间保持最高专利强度，从2000—2002年的低水平升至2012—2014年后的显著更高水平，并在2021—2023年和2024—2025年保持主导地位。氨在2021年前处于极低水平，之后急剧上升，呈现强烈后期激增。甲醇呈现类似但更集中的模式，2021年前专利有限，2024—2025年显著增加。LNG轨迹较为渐进，从早期低基数增长至2012—2017年的中等水平，2021年后进一步加强。生物燃料呈现波动而非持续上升：2009—2014年增加、2015—2020年减弱、最近期恢复。

文献主题时间演化与近期前沿信号： CiteSpace关键词时间线识别出四个阶段：2006—2010年涌现期，聚焦燃烧基础和安全极限；2010—2015年扩展期，燃料路径多样化，工程术语增多；2015—2020年优化期，研究更系统化，强调系统、优化、成本和集成评估；2020—2025年部署期，聚焦零碳燃料部署，特别是氢和氨路径。突现检测显示，“氨”突现强度最高达11.32（2023—2025年），其次为“氢”6.74（2024—2025年）、“绿色氢”6.17（2023—2025年）和“甲醇”4.11（2024—2025年）。“生物柴油”呈现2010—2021年的长突现期，而“天然气”和“LNG”突现信号短暂。近期突现还显示“燃料电池”“推进”“功率”“模型”等系统集成和决策导向评估术语日益突出。

文献—专利矩阵中的燃料路径发展模式： 文献—专利定位矩阵显示：氢在持续专利活动轴上位置最远，文献前沿轴上相对较高，气泡最大（累计1,863个专利家族），表明专利侧持续活动与近期前沿显著性兼具。氨占据文献前沿轴最高位置但持续专利活动轴最低（累计207个专利家族），呈现文献前沿信号强而专利基础薄弱的特征。甲醇持续专利活动得分0.044、文献前沿信号0.363（累计180个专利家族），属近期前沿信号和后期专利增长型。LNG持续专利活动得分0.377、文献前沿信号0.275（累计358个专利家族），体现渐进积累特征。生物燃料持续专利活动得分0.296、文献前沿信号0.000（累计270个专利家族），反映过渡性或延续性技术积累。

五、讨论与结论

讨论部分总结： 总体而言，技术机会集中在燃料特定路径和跨燃料通用模块两个层面，尤其是船载储存、燃料供应、排放控制和全船能源管理。氢创新集中于燃料电池转化、能源管理和混合动力集成；氨和甲醇技术机会聚焦于储存、供应、安全和船舶—燃料接口；LNG创新集中于低温储存和压力管理；生物燃料专利优先关注上游原料和可再生液体燃料生产。文献前沿信号与专利活动的一致性因燃料路径而异：氢表现出最强一致性，氨和甲醇呈现近期前沿信号与后期专利增长并存，LNG和生物燃料主要反映过渡性或延续性积累。

结论部分翻译： 本研究建立了一种经专利验证的差异化技术机会识别方法，为有针对性且高效的航运脱碳创新战略提供了实证支持。该研究将专利语义结果与文献前沿证据相结合，为五种主要船用燃料路径的差异化发展模式和技术机会信号提供了结构化识别基础，有助于在监管不确定性和船舶运营约束下进行决策导向的技术筛选。