基于专利分析的矿业行业全球创新发展趋势-矿机之家

矿产资源是现代工业社会的基础，被广泛用于基础设施建设、耐用品、精密设备、以及保障人民日常生活和安全的产品。

矿业行业开采矿产资源以满足不同的社会需求。但随着全球人口的增长，以及新兴国家和发展中国家人民生活水平的提高，对矿产资源的需求不断增加。据Roskill预测，由于能源转型加上人口快速增长，到2030年全球铜需求将达到每年约3800万吨，而2020年还不足3000万吨。根据澳大利亚Intierra Resource Intelligence公司和瑞典原材料集团的数据，同期铁矿石需求将增加一倍至35亿吨。智利国家矿业机构预计锂需求将从31.7万吨增长到179万吨。世界银行估计，到2050年，对矿产和金属的总体需求将增长900%。

矿业企业面临的挑战不仅限于满足日益增长的需求，还包括另外两方面：①对很多矿产资源来说，正在开采的资源的质量不断下降，需要使用更多的能源，造成更多浪费；②全球愈发关注矿业行业的社会和环境影响。

矿业技术创新

创新是面对这些多元化挑战的核心。矿业行业的创新能够发现更多新矿床，能够以更具成本效益的方式从地下开采更多矿产资源，能够确保以对环境负责的方式进行开采。

1、矿业创新研发支出及专利数量分析

传统上，创新经济学家普遍认为矿业行业相对落后，矿业企业更可能是规模较大、资本密集的企业，从规模经济中获益。矿业企业很少有动力通过产品创新或品牌来实现差异化，大多数创新都与削减成本有关，旨在提高其狭窄的利润率。因此，矿业企业从自己的生产工程部门或从专门供应商获得的产品和服务中获得新技术。

但综合证据表明，矿业行业不仅是创新的，近年来的创新程度愈发明显。在大多数矿业国家，相比与其他行业，矿业行业往往包含一些创新企业。此外，自21世纪初以来，矿业行业的所有创新指标均出现了大幅增长。

知识产权及专利对于矿业行业也越来越重要，据统计，2014年至2019年的5年间，寻求专利保护的矿业相关发明比1970年至2000年的总和还多。大型矿业企业以及采矿设备、技术和服务企业越来越多地使用知识产权来追求其国际化战略。矿业企业以及采矿设备、技术和服务企业在不同的国家运营，通过专利在不同的司法管辖区确保知识产权，利用嵌入创新产品和工艺的知识。

据统计，2009年至2019年的10年间，全球与矿业相关的研发支出可能在1400亿美元左右，其中中国（47%）、美国（22%）、澳大利亚（17%）、加拿大（8%）和欧洲（5%）为其中的最大贡献者。值得注意的是，该数据包含石油与天然气行业的研发（约占33%），不包括一些综合研发（不属于典型矿业企业进行的研发）。在产品创新方面，矿业行业不同于其他行业，很少发现全新的产品，说明在矿业行业的范围内，产品创新比较有限。

基于专利指标的分析显示，在1990年至2003年间，发明专利申请数量相对稳定，从2005年之后呈指数级增长。2012年之后，该趋势有所放缓，但并未呈现下降态势。其中2004年之后，采矿专利的增长速度超过了其他领域的专利申请。

不同指标反映了类似的全球趋势，即矿业行业在21世纪初以相当惊人的方式增长了约10年，过去几年有一些放缓的迹象。

据统计，1990年至2015年，矿业技术相关的专利申请数量为663322项，但矿业企业以及采矿设备、技术和服务企业申请的专利数量不足该数量的一半（239065项）。矿业企业共计申请了6038498项专利，但其中93%的专利（5981258项）与矿业技术无关。

2、矿业创新所属经济体分析

通过对专利所属经济体的分析表明，中国和美国是采矿产量和专利数量都超过全球10%的国家，俄罗斯是唯一一个采矿产量超过全球产量10%但专利数量不足全球1%的国家。日本的专利超出全球总量的10%，但产量不足全球产量的0.1%。

在产量和专利数量较小规模的国家中，澳大利亚、加拿大和挪威的采矿产量占全球总量的1%以上，专利占全球总量的1%左右。与之相反，英国的专利数量超过全球总量的1%，但产量略低于全球总量的1%。西班牙的产量和专利数量的数量级更低，都只占全球总量的0.1%。

巴西、智利、印度、印度尼西亚、伊朗、伊拉克、哈萨克斯坦、科威特、墨西哥、卡塔尔、沙特阿拉伯、南非和委内瑞拉等国，加上已经提到的澳大利亚、加拿大、挪威和俄罗斯，其采矿产量大大高于日本甚至英国，但它们产生的专利数量要少得多。相反，奥地利、比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、意大利、荷兰、波兰、韩国、瑞典和瑞士等国，加上日本和英国的产量较低，但相比之下对矿业行业创新做出了更大的贡献。还需要注意的是，包括美国、中国、澳大利亚、加拿大和挪威在内的这些经济体不仅产生了大部分的创新采矿技术，但也是寻求专利保护较多的国家。在采矿产量高但创新相对较低的国家，很少有采矿技术寻求专利保护。

该模式的合理解释是，矿业创新，特别是突破性的可申请专利的创新，更有可能发生在功能创新体系（functioning innovation systems）中，不一定基于矿业经营为主的国家。美国、日本、韩国、德国、英国以及最近的中国都是著名的技术中心，它们的跨部门创新比世界其他地区的创新速度更快。这些创新体系以及其他经合组织经济体的创新体系，容纳了可能发展矿业创新的其他行业的创新利益相关者。许多采矿设备、技术和服务企业开展研发的国家不一定是其应用技术的国家，如日本、瑞士或韩国。

不可否认的是，中国、日本、美国、俄罗斯和德国是最近矿业创新热潮的最大贡献者。前十大经济体约占所有采矿技术的90%。其中，中国的增长是过去10年中最高的。

3、矿业创新专业化程度分析

虽然中国的专利数量增速最快，但中国其他行业技术专利的增速仍然超过了矿业专利的增速，中国矿业专利仅占全国专利的2%~3%，仅略高于美国、巴西和和法国的矿业专利占比。相比之下，智利和南非等经济严重依赖矿业的国家，其矿业专利所占比例更高。

通过相对专业化指数（RSI）分析，智利、南非、澳大利亚、加拿大、俄罗斯、中国等采矿生产国家的矿业革新比重超过了世界平均水平。然而，巴西和印度不符合这一模式。美国是另一个采矿生产大国，其专业化程度略有下降。在矿业创新激增前后，各国的相对排名没有发生根本变化，但确实观察到许多国家的专业化程度发生了变化。其中智利、南非、俄罗斯和中国等传统的采矿生产国家和专门经济体减少了矿业革新的专业化；澳大利亚和加拿大增加了相对的专业化程度。

在总结所有与矿业技术相关的专利后，将其细分为9个领域：自动化、爆破、环境、勘探、冶金、采矿/矿山作业、矿物加工、精炼和运输。由于第四次工业革命带来的信息技术和人工智能的进步，与环境、勘探、运输相关的专利所占的比重不断增加。由于数字技术的普及，自动化专利的数量和比例都快速上升。由于环境、勘探、运输和自动化领域的专利占比增速较快，因此进行了进一步分析。

勘探领域的大部分增长不是来自传统的矿业经济体。一些专门从事勘探的经济体，即中国、俄罗斯和美国，减少了其相对专业化程度。澳大利亚和智利提高了其勘探领域的相对专业化程度，它们可能是勘探繁荣的最大贡献者之一。

在运输领域，澳大利亚是唯一深化其矿业运输专业化的国家。虽然澳大利亚在运输方面还不是很专业，但它是所有国家中唯一的运输领域相对专业化程度增加的国家。加拿大、智利和中国仍然专门从事采矿运输，但其相对专业化程度有所下降。俄罗斯、韩国和美国专门从事运输领域以外的更多工作。

在自动化领域，相比中国、巴西、墨西哥和印度等中低收入国家和中上收入国家，澳大利亚、加拿大、智利和美国在自动化领域的专业化程度更高。一些不是特别依赖矿业的国家（例如法国、芬兰和荷兰）的情况也是如此。这是因为矿业自动化创新集中在采矿设备、技术和服务企业（96.8%）而非矿业企业。矿业企业似乎更喜欢外包该类型的创新。在自动化方面进行创新的采矿设备、技术和服务企业不需要设立在矿业国家，他们可以在其他国家进行研发，然后把技术卖给正在运营的矿业企业。高收入国家在高科技产业上具有优势，有利于自动化技术的发展。此外，收入较高的经济体有更强的经济动机，利用自动化技术来降低较高的劳动力成本。

此外，澳大利亚、韩国和巴西在矿业创新蓬勃发展时期大幅提高了它们在自动化方面的相对专业化程度，俄罗斯和智利的自动化专业化程度大幅降低。加拿大在自动化方面专业化程度较高，但在过去10年有所削弱。尽管中国在自动化方面还不是非常专业，但中国的自动化专业化程度已经有较大提升。

在环境领域，只有智利的专业化程度较高，但在过去10年中有所下降。在所有分析的经济体中，其环境领域的专业化程度大多有所增加，澳大利亚环境领域的专业化程度增幅较为明显。只有智利、美国、俄罗斯3个国家的环境领域专业化程度下降。

4、矿业创新生态系统分析

矿业行业的企业结构包括数量较少的大型企业，以及数量非常多的中小型企业。其中大型企业专注于生产，占据了该行业的大部分资本；中小型企业开采较小规模矿床，或经营小范围的矿产品；勘探企业专注于发现和探明矿床。

除了直接从事勘探和开发的企业外，还有一些采矿设备、技术和服务企业向矿业企业提供技术和设备。

通过对专利数据的分析，已有的矿业企业以及采矿设备、技术和服务企业创造了约三分之二的矿业相关技术。代表初创企业和微型企业的个人可能发明了其中近四分之一的技术。剩下的技术由学术机构生产，其中公共研究机构和大学分别贡献了9%和6%。

近年来，大学在创新生态系统中的参与度有所上升，这可能源于大学与企业之间越来越多的合作。公共研究机构的参与度也开始复苏，这些机构在20世纪70年代中期到90年代初，一直是矿业创新的巨大推动者。但由于90年代后的苏联解体，以及西方国家公共研究机构的关闭或业务缩减，其专利数量大幅下降。2000年至2015年间，中国的公共研究机构的专利数量占同期全球公共机构专利数量的56%。

虽然私营企业是矿业技术的最大贡献者，但只有一小部分矿业企业以及采矿设备、技术和服务企业申请专利，采矿设备、技术和服务企业申请专利的数量是矿业企业的近10倍。约有3.4%的采矿设备、技术和服务企业申请专利，而只有0.4%的矿业企业申请专利，矿业企业申请专利的比例明显少于其他行业（如制药、化学制造、消费电子产品制造等行业）。这可能是由于矿业企业通过勘探获得了独家运营权，能够以类似专利制度的方式获得对这些资源的排他性和有时限的权利。

大多数矿业企业的专利活动与矿业创新技术无关，这些非矿业技术专利大多数是电机、仪器和能源相关的技术专利。