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本报告以移动通讯技术和北斗卫星技术在高速列车中的应用为主题，在定性资料调研和专家咨询的基础上，利用文献数据库，采用由面到点、由浅入深的分析思路对高速铁路列车控制技术研究的整体国际研究态势和技术主题进行了分析，旨在分析目前该领域的国内外研究现状及技术热点，从而进一步展示中国在高速铁路通讯控制领域内的研发现状。
高速铁路移动通讯系统是以高速列车计算机系统为主要载体，通过无线设备以及有线的接入，从而形成列车内部信息有效接收与发送的网络。高速铁路移动通讯系统既可以用于对列车的控制，又可以作为一种通讯服务手段服务列车乘客。随着移动通讯技术的快速发展以及我国北斗系统布局的完成，基于北斗卫星和5G通信技术的高速铁路列车运行控制技术将成为我国高速铁路通讯技术发展的重要方向，一方面北斗卫星导航系统的控制加强我国自主研发技术的安全性，实现列车控制的高安全性及高精度，保障行车安全； 另一方面5G通信技术的应用将实现高可信实时宽带无线通信的高速铁路列车运行控制。列车移动通讯控制技术的研发兴起于20世纪末，该技术在近十年发展迅速。作为铁路技术研发强国，德国和日本已经在该技术领域中显示了强大的技术研发实力，在基础研究及技术研发中保持领先。中国作为新兴的高速铁路技术研发国家，近几年研发活跃、创新能力逐步增强，逐步赶超西方发达国家，取得了一定成果。作为列车控制的关键技术，当今的研究热点集中在5G网络的信号控制、组网，北斗导航系统的定位、监测等列车控制研究。
(相关资料图)
为检索出与“基于北斗卫星和移动通信技术的高速铁路列车运行控制技术”相关的研究与综述论文，根据用户提供的检索词，构建检索策略1，在ISI Web of Science-SCI数据库中，共检索到576篇论文（检索时间2018年9月）。其中，期刊论文（Article）572篇、综述性论文（Review）4篇。并对检索出的数据采用TDA和Excel等工具进行分析，结果如下。
1.研究产出分析
（1）年代分布
从图中可以看出（图1），从20世纪90年代起全球开始关于北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制技术的研究，之后的二十年该领域发表的论文呈稳定上升的趋势，进入2011年后该领域发表论文快速增长。我国于2000年开始部署北斗卫星导航系统，成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年底，北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。特别是2014年后5G通讯技术的快速发展，使得基于北斗卫星及无线通讯技术的列车控制技术研究在近年来的论文发表呈现快速增长模式，并在2017年发文量超过100篇。技术研发上升趋势明显。
图1 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文年代分布
（2）国家（地区）分布
全球共有57个国家和地区开展了北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用的研究，其前十五位的国家排名见右图（图2）。 发文量前十位的国家分别是中国、美国、西班牙、日本、英国、德国、韩国、加拿大、法国、意大 利和印度，上述十个国家在高速列车移动通讯技术控制中的发文量占总量的80%以上。
图2 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文国家（地区）分布
从国家角度看，中国在该主题的研究中占有绝对优势，其发文量占全部论文的22.26%；位居第二位的是美国，其发文量占全部论文的15.92%。从研究区域上看，亚洲在北斗卫星及无线通讯技术的高速列车控制领域应用领域占有明显的优势，排名进入前十位的亚洲国家有中国、日本、韩国和印度，占发文量的34.2%；欧洲次之，西班牙、英国、德国、法国和意大利的发文量占24.75%。
（3）机构分布
全球发表的关于北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用的研究论文涉及的机构中前十位机构见表1，其中排名前十位的12家机构中，中国有8家机构，加拿大、美国、印度和西班牙各有1家机构。发文量排名前五位的机构均为中国的高校，依次是北京交通大学（Beijing Jiaotong Univ）、西南交通大学（Southwest Jiaotong Univ）、武汉大学（Wuhan Univ）、东南大学（Southeast Univ）、北京邮电大学（Beijing Univ Posts & Telecommun） 和清华大学（Tsinghua Univ）。其中，北京交通大学（Beijing Jiaotong Univ）的发文量均在30篇以上，领先于其他研究机构，处于该研究领域的第一研究梯队；其他排名前五位的研究 机构发文量均在10篇以上，处于第二研究梯队；加拿大滑铁卢大学（Univ Waterloo）、美国乔治亚理工学院（Georgia Inst Technol）、印度塔帕大学（Thapar Univ）以及西班牙马德里大学（Univ Politecn Madrid）的发文量在7~8篇，处于该研究领域的第三研究梯队。
表1 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文研究机构分布情况
（4）期刊分布
该主题发表论文涉及期刊超过200种，发文量最多的前五种期刊分别是：IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY （57篇）、IEEE Access （27篇）、IEEE COMMUNICATIONS MAGAZINE （20篇）、 IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS （16篇） 和IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS （15 篇）。
表2 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文发表期刊分布情况
2. 国家（地区）被引频次分析
对全球发表的关于移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用研究论文的被引频次进行分析，以国家进行累积加和，并计算其篇均被引频次（表3）。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小，其中，总被引次数表示国家在该研究领域的影响力，篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。
表3 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文国家/地区被引情况
从被引总频次来看，前十位依次是美国、德国、中国、西班牙、英国、日本、意大利、法国、 韩国和加拿大。美国总被引频次达2025次，领先于其他国家；其篇均被引频次为15.82，排在世界第2位。平均被引频次最高的国家是德国，达55.64，遥遥领先于其他国家。中国论文总数排第1位，总被引频次为第3位，但是在发文篇均被引频次则排名第10位，论文影响力落后于德国、美国、西班牙等欧美国家。
以发文量前10位国家的国家名称、发文量和及其篇均被引频次三个指标作气泡图，气泡大小表示篇均被引频次高低。由图可以直观看出，相对美国及西班牙、英国、意大利等欧洲发达国家，亚洲各国论文的篇均被引频次较低。
图3 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文前十位国家发文量-篇均被引频次分析
3. 该领域研究技术主题分析
根据检索出的文献，通过VOSviewer分析工具对关键词进行分析，排除无效概念，将主题关键词进行筛选、聚类后，进行相关性分析，获得主题词相关关系图（图4）。从图中看出，5G技术是移动通讯技术中的核心关键技术，有关移动通讯技术在高速列车控制应用的相关研究围绕该主题展开。相关研究可分为5G网络系统研究、无线通讯网络组配、北斗系统定位、高速铁路无线通讯控制以及通讯信号研究等方面。例如在5G网络系统研究研究中，多入多出技术（mimo）、OFDM技术（ofdm）、干扰（interference）、容量（capacity）、架构（framework）等为研究的高频关键词；在北斗系统研究中北斗（beidou）、GPS（gps）、算法（algorithm）为该主题的研究热点；在无线网络组网研究中，自组织网络（ad-hoc networks）、 协议（protocol）、无线网络（wireless networks）、安全（security） 等为高频关键词；在移动网络对列车控制研究中，移动通讯（mobile communication）、定位（localization）、铁路综合数字移动通信系统（gsm-r）等技术为高频关键词。
图4 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用SCI论文主题分布
4. 小结
北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用研究始于20世纪90年代，近五年开始呈规模化发展。全球开展高速铁路列车移动通讯控制技术研究的国家超过50个国家（地区），中国是这方面研究最多的国家，在该领域研究发文排名第一。从机构角度来看，排名前五的机构均来自中国，中国在高速列车移动通讯控制领域研究活跃。从北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用主要研究内容看，5G技术是移动通讯技术中的核心关键技术，有关5G网络系统研究、无线通讯网络组配、北斗系统定位、高速铁路无线通讯控制以及通讯信号等方面的研究已成为国内外研究热点。
02专利分析在 ISI Derwent Innovations Index（DII）数据库中2，共检索到608条专利文献（检索时间2018年9月）。对检索出的数据采用TDA、DI 和Excel等工具进行分析，结果如下。
1. 总体情况
（1）专利申请国家（地区）和时间分布
从北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用专利申请来看（图5），无线通讯应用于铁路列车控制专利技术最早可追溯到20世纪70年代。进入2000年后，全球关于无线通讯应用于铁路列车控制的专利申请量呈逐年稳步上升的态势。其中，2016年专利申请量达156件。申请量排前5位的国家分别是中国、日本、德国、韩国和俄罗斯。其中，德国是最早开展铁路列车无线通讯控制研究的国家，自1976年开始，发明了“一组无线电通信设备用于在铁路列车中的收发器和沿铁路线的收发器之间传输信息”的专利技术，该国在该技术领域每年的专利申请量保持稳定，为每年3~4件。
中国自2004年开始申请相关专利，2009年后中国的专利年申请量超过日本，成为世界第一。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同。与文献分析部分不同，日本和德国进入了前三位排名。在高速铁路研发中，日本和德国的高速铁路的相关技术研发已走在世界前列，处于世界领先地位。
图5 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用国内外专利申请时间演化图
（2）专利技术国家（地区）分布
从专利技术的国家（地区）来源来看，中国的专利技术最多，占总数的36%；其次是日本，占总数的23%。从专利技术的市场分布来看，专利主要分布于中国、日本、WO、欧洲和美国。从图6和图7可以看出，铁路列车移动通讯控制技术主要掌握在中国、日本和德国，而该技术的应用市场集中在高速铁路路网密集的亚洲和欧洲地区。
图6列车控制技术来源国家（地区）分布
图7 列车控制技术专利技术市场国家（地区）分布
（3）主要申请人分析
从检索结果看，有近4000多家机构和个人活跃在北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用研发领域。专利申请数量位居前十位的12家机构中有10家为企业（表4），且多为跨国公司，1家科研机构和1家高校。其中日本企业6家，来自中国的专利申请机构4家，德国2家。排名第一位的专利申请人为德国西门子公司，专利申请量为39件；中国中车集团排名第二，专利申请量16件；日本日立精机株式会社和三菱电机公司排名第三，专利申请量均为15件。
表4 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制应用主题的主要专利申请人
分析专利持有时间和新专利申请量，可以看出竞争机构对于某一技术的技术领先持续度和最新的技术发展态势。在北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行移动通讯控制应用研发领域相关技术专利中，分析排名前十位机构的专利延续时间和近5年专利数量占总量的比例情况（表4）能够看出，德国和日本的申请人在高速列车移动通讯控制技术专利申请的延续时间基本保持在20年左右，其中专利申请延续周期超过20年的机构有4家，分别是西门子公司、日立精机株式会社、三菱电机公司和德恩-巴恩公司，这4家机构在该技术领域具有先期的技术领先优势。
同时，高速铁路列车运行移动通讯控制应用专利中近5年申请的专利占总专利数近40%，作为移动通讯技术的未来趋势及北斗导航系统商用的拓展，高速铁路列车运行移动通讯控制应用的相关技术发展持续受到关注。特别是2010年后，相关专利申请相对集中。但是，各申请机构的发展态势并不相同。例如：
• 排名第一的德国西门子公司专利申请延续时间最长为41年（1976~2017年），该公司在近5年专利占其专利总量的26%，持续保持在该研究领域的竞争力；
• 排名第二的中国中车集团，从2009年开始申请相关专利，进入该研究领域时间较晚，近5年专利占其专利总量的63%，为该领域内最为活跃的技术研发者并保持着较高的技术竞争力；
• 日本日立精机株式会社于1995年开始申请列车无线通讯控制技术的相关专利，专利申请延续时间仅21年（1995~2016 年），其近五年的专利申请数量为6件，占全部专利的40%，在该领域的发展态势强劲。
• 日本移动通信公司从1999年至2011年的12年间共申请相关专利9件，但该公司在近5年内没有申请相关专利，逐步丧失在该研究领域的竞争力。
（4）中国专利权人情况分析
中国研发机构在北斗卫星和移动通信技术在 高速铁路列车运行移动通讯控制应用研发申请专 利的全球排位处于领先（见表 5），排名前五位 的机构分别是中国中车集团、中国铁道科学研究 院、北京交通大学、北京全路通信信号研究设计 院集团有限公司和西南交通大学。中国的研究机 构进入该技术领域时间较短，均为 2008 年以后， 但保持着活跃的研发活动和技术创新力，专利申 请量逐年快速增长，在该技术领域具备一定的技 术竞争力。
表5 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制技术中国专利权人情况分析
（5）技术主题分析
根据图8绘制的技术主题分布图，目前北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行移动通讯控制应用研发的专利申请内容集中在网络信号设置、信号组网、列车运行控制等方面。其中专利申请的热点内容包括：移动网络信号传输（Frequency:Transmission）、（Mobile station:Base station）、（Tail:Module）、（Monitor:Terminal）；列车的通讯信号控制（Transport:Route）、（Terminal:Communication terminal）以及列车运行控制系统（Gsm:Global system）。
图8 北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制技术应用领域专利申请布局
2. 小结
全球专利文献中关于北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行控制技术应用领域的研究可以回溯到20世纪70年代，进入2000年后，全球关于无线通讯应用于铁路列车控制的专利申请量呈逐年稳步上升的态势。中国在列车移动通讯控制技术方面的技术研发起步较晚，但整体发展迅速。自2004年开始申请相关专利，2009年后中国的专利年申请量超过日本，成为世界第一。但是，中国专利以本国申请为主，国际化程度相对不高。该技术的应用市场集中在高速铁路路网密集的亚洲和欧洲地区。
在全球开展列车移动通讯控制技术专利研究的机构中，德国西门子公司为该领域的技术领先者，拥有专利技术最多，专利申请持续时间最久，在该领域一直保持技术竞争力；日本研究机构在前十位专利申请人占比50%，日本是世界上较早开始高速铁路的技术研发的国家之一，在该技术领域技术实力雄厚；中国有4家机构专利申请量排名前十位，分别是中国中车集团、中国铁道 科学研究院、北京交通大学和北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，中国专利申请人在该技术领域的研发活跃取得了一定技术成果。
目前，北斗卫星和移动通信技术在高速铁路列车运行移动通讯控制应用研发的专利申请内容集中在网络信号设置、信号组网、列车运行控制等方面。
检索式
1 检索策略：主题= (Rail* or vehicle* or locomotive* or Rail* and (Transit or Vehicle*) or \"train\" or \"trains\" or \"Electric Multiple Unit*\" or EMUs) AND ((\"5G\" OR beidou OR \"4G\" or \"4.5G\" OR \"4.9G\" OR \"Mobile Communication*\"))
2 检索策略：主题= (Rail* or vehicle* or locomotive* or Rail* and (Transit or Vehicle*) or \"train\" or \"trains\" or \"Electric Multiple Unit*\" or EMUs) AND ((\"5G\" OR beidou OR \"4G\" or \"4.5G\" OR \"4.9G\" OR \"Mobile Communication*\"))
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