國(guó)際云制造關(guān)鍵技術(shù)專利分析及啟示

趙程程

[提要] 從“工業(yè)4.0”到“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”，我國(guó)制造業(yè)急需一種新型制造模式與手段——“云制造”，進(jìn)而推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，加快建成全球科技創(chuàng)新中心。本研究提出云制造是國(guó)際智能制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，分析云制造關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)際研發(fā)情況、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，明確云制造的研究前沿與發(fā)展方向，并針對(duì)目前上海云制造發(fā)展現(xiàn)狀，提出戰(zhàn)略性借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：云制造；關(guān)鍵技術(shù)；專利分析

基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（校啟：2015-68）

中圖分類號(hào)：F49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

原標(biāo)題：國(guó)際云制造關(guān)鍵技術(shù)專利分析及對(duì)上海的啟示

收錄日期：2016年11月10日

一、引言

當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，為了進(jìn)一步強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，諸多發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是跨國(guó)制造型企業(yè)采用了更加智能化、柔性生產(chǎn)模式。與此同時(shí)，圍繞著提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力，一場(chǎng)以“制造智能化、信息化”為特征的制造業(yè)變革一直在我國(guó)積極、持續(xù)的展開。從“工業(yè)4.0”到“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”，我國(guó)制造業(yè)急需一種新型制造模式與手段，進(jìn)而推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，加快建成全球科技創(chuàng)新中心。針對(duì)此，本次研究提出“云制造”——制造業(yè)信息化新模式，并對(duì)國(guó)內(nèi)外云制造核心技術(shù)研發(fā)情況與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

云制造是一種基于網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)和無線寬帶網(wǎng)等），按照用戶需求組織網(wǎng)上制造資源（制造云），為用戶提供各類按需制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式。該技術(shù)是將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化制造和服務(wù)技術(shù)同云計(jì)算、云安全、高性能計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)各類制造資源（制造硬設(shè)備、計(jì)算系統(tǒng)、軟件、模型、數(shù)據(jù)、知識(shí)等）統(tǒng)一的、集中的智能化管理和經(jīng)營(yíng)，為制造全生命周期過程提供可隨時(shí)獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的各類制造活動(dòng)服務(wù)。隨著技術(shù)的提升，云制造不僅可以促進(jìn)生產(chǎn)模式的扁平化，更能促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新，而且可以滿足市場(chǎng)個(gè)性化、靈敏的定制需求。

為實(shí)現(xiàn)云制造的資源共享和服務(wù)模式，云制造融合了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算、服務(wù)計(jì)算、智能科學(xué)等信息技術(shù)與信息化制造（信息化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、試驗(yàn)、仿真、經(jīng)營(yíng)管理、集成）等多種新興技術(shù)。各種技術(shù)在云制造中的功能或作用如下：（1）云計(jì)算技術(shù)為制造所需各類信息的智能處理和決策提供了使能服務(wù)與新制造模式；（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為制造領(lǐng)域中各類物與物之間的互聯(lián)和實(shí)現(xiàn)制造智慧化提供了使能技術(shù)；（3）高性能計(jì)算技術(shù)為求解復(fù)雜制造問題和開展大規(guī)模協(xié)同制造提供了使能技術(shù)；（4）面向服務(wù)的技術(shù)為快速構(gòu)造虛擬化制造服務(wù)環(huán)境提供了使能技術(shù)；（5）智能科學(xué)技術(shù)為制造資源/能力的智能化提供了使能技術(shù)；（6）信息化制造技術(shù)是云制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

二、云制造核心技術(shù)國(guó)際專利分析

通過上述對(duì)云制造的關(guān)鍵技術(shù)體系的分析，以及與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜姨接?，課題組選擇了RFID、傳感器芯片、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、高精度定位、生物信號(hào)分析和視頻分析等云制造關(guān)鍵技術(shù)，從專利的申請(qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)區(qū)域、技術(shù)構(gòu)成和主要競(jìng)爭(zhēng)者等方面進(jìn)行分析。國(guó)際專利主要以德溫特專利數(shù)據(jù)庫為研究對(duì)象，國(guó)內(nèi)專利情況以中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫為研究分析對(duì)象。

（一）RFID國(guó)際專利情況。RFID，即無線射頻識(shí)別，又稱電子標(biāo)簽，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。該技術(shù)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，也是應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。

·技術(shù)主題關(guān)鍵詞：RFID；Radio Frequency Identification；RF

·檢索整理得專利數(shù)：38，634件（截至檢索日期2015年4月，下同）

1、總體趨勢(shì)。每年申請(qǐng)的RFID專利數(shù)量始終沒有突破50件，技術(shù)發(fā)展緩慢。2005年超過了1，500件，從此申請(qǐng)的RFID專利數(shù)量快速上升。2010～2014年專利數(shù)量略有波動(dòng)，但累計(jì)總數(shù)一直攀升。（圖1）

2、區(qū)域?qū)＠植记闆r。將近十年RFID領(lǐng)域申請(qǐng)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)專利數(shù)最多的是美國(guó)專利，占了全球總數(shù)的近1/3；其次為日本專利，也占近兩成。中國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量排在第五位。（圖2）

（二）傳感器芯片國(guó)際專利情況。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。由于傳感器專利數(shù)量十分龐大，在德溫特專利數(shù)據(jù)庫中用“sensor”（傳感器）作為關(guān)鍵詞出現(xiàn)專利達(dá)90余萬件，無法進(jìn)行分析。因此，選擇傳感器芯片作為檢索主題。

·技術(shù)主題關(guān)鍵詞：傳感器芯片（注：由于德溫特?cái)?shù)據(jù)庫中有關(guān)傳感器專利超過了30萬，分析處理工作量太大，因此課題組選擇了傳感器芯片作為了研究對(duì)象）

·檢索整理得專利數(shù)：36，931件

1、總體趨勢(shì)。傳感器芯片技術(shù)的專利早在1971年就已經(jīng)申請(qǐng)，在20世紀(jì)70年代都處于萌芽發(fā)展階段。但到了80年代后，傳感器芯片申請(qǐng)專利逐步增長(zhǎng)，并且在2006年時(shí)出現(xiàn)快速向上的趨勢(shì)?？傮w來講，傳感器芯片技術(shù)比RFID專利更早，且年增長(zhǎng)率更加平均。（圖3）

2、區(qū)域?qū)＠植记闆r。傳感器芯片申請(qǐng)專利數(shù)量最多的為中國(guó)專利，其次為日本專利，美國(guó)專利排第三。雖然中國(guó)申請(qǐng)的專利數(shù)量排名第一，但也不能認(rèn)為中國(guó)在傳感器芯片領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)槠渲械膶＠灿锌赡苁菄?guó)外企業(yè)在中國(guó)的申請(qǐng)，從另一方面說明中國(guó)傳感器市場(chǎng)具有巨大潛力。（圖4）

（三）無線通信技術(shù)國(guó)際專利情況。無線通信是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的無線通信又統(tǒng)稱為移動(dòng)通信，人們把二者合稱為無線移動(dòng)通信。在無線通信技術(shù)領(lǐng)域，主要關(guān)注與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的近場(chǎng)通信技術(shù)（NFC）、超寬帶技術(shù)（UWB）、IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的無線技術(shù)等。

·技術(shù)主題關(guān)鍵詞：近場(chǎng)通信（NFC）；超寬帶（UWB）；wifi；藍(lán)牙；zigbee；IEEE802.11

·檢索整理得專利數(shù)：64，471件

1、總體趨勢(shì)。2000年以前，無線通信技術(shù)的申請(qǐng)專利數(shù)量一直處于非常低的水平。但從2007年開始，增長(zhǎng)速度較快，到2014年躍升至10，121件的年申請(qǐng)量，發(fā)展迅猛。（圖5）

2、區(qū)域?qū)＠植记闆r。從近十年來看，整體上美國(guó)專利在這一領(lǐng)域占據(jù)著主要地位，申請(qǐng)的數(shù)量份額超過30%。中國(guó)緊隨其后，占有兩成。（圖6）

（四）物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)國(guó)際專利情況。物聯(lián)網(wǎng)這一名詞是近幾年才提出的，國(guó)外相關(guān)的概念多為無線傳感網(wǎng)、邁適網(wǎng)和M2M。因此，選擇這些詞組合檢索物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的專利。

·技術(shù)主題關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)wireless sensor networks；邁適網(wǎng)a suitable network；自組織網(wǎng)ad hoc network；物聯(lián)網(wǎng)Internet of things；M2M machine to machine

·檢索整理得專利數(shù)：863，396件

1、總體趨勢(shì)。該領(lǐng)域申請(qǐng)的專利數(shù)量也從2001年開始出現(xiàn)明顯增加，到2008年開始激增。（圖7）

2、區(qū)域?qū)＠植记闆r。在該領(lǐng)域，美國(guó)和中國(guó)的申請(qǐng)專利數(shù)量分列第一、第二位，分別達(dá)到總體的34%和25%。（圖8）

三、云制造國(guó)內(nèi)專利情況分析

·技術(shù)主題關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)；邁適網(wǎng)；自組織網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；M2M；RFID；Radio Frequency Identification；RF；傳感器芯片；近場(chǎng)通信（NFC）；超寬帶（UWB）；wifi；藍(lán)牙；zigbee；IEEE802.11；高精度定位；位置定向；距離測(cè)量；生物信號(hào)分析/處理；生物醫(yī)學(xué)信號(hào)分析/處理；視頻分析/處理；視覺分析/處理；圖像分析/處理等領(lǐng)域?qū)＠偤?/p>

·檢索整理得專利數(shù)：整理得有效專利3，760件（發(fā)明專利543）

（一）總體趨勢(shì)。2009年起，申請(qǐng)數(shù)據(jù)急劇上升，趨勢(shì)與全球走向相符合。受到全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，2013年申請(qǐng)數(shù)量有所下降。（圖9）

（二）區(qū)域?qū)＠植记闆r。2014年數(shù)據(jù)顯示，云制造中國(guó)專利中江蘇省申請(qǐng)的專利數(shù)量排名第一；廣東排名第二；上海排名第六，占總數(shù)的7.50%，略微落后于四川省和浙江市。（圖10）

（三）上海云制造發(fā)展現(xiàn)狀。上海是國(guó)內(nèi)云制造研發(fā)實(shí)力、產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用水平最高的地區(qū)之一。在產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，中科院上海微系統(tǒng)所早在2005年就在上海科委領(lǐng)導(dǎo)下，牽頭組建了傳感網(wǎng)上海聯(lián)盟，當(dāng)時(shí)已有12家聯(lián)盟成員，初步形成產(chǎn)學(xué)研一體的組織，而目前上海中科院微系統(tǒng)所正牽頭推進(jìn)中國(guó)無線傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并已代表中國(guó)參加了國(guó)際傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組。在產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)方面，上海是國(guó)內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的重要基地，擁有包括傳感器、芯片、通信設(shè)備、系統(tǒng)集成等完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)業(yè)群，同時(shí)也有物流、醫(yī)藥、電信服務(wù)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求比較強(qiáng)的行業(yè)客戶，產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需上中下游配套完善。上海云制造產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)上的主要企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)如表1所示。（表1）

上海已確定將“互聯(lián)網(wǎng)+”融入到制造業(yè)作為下一步智能制造發(fā)展的重點(diǎn)之一，究其根本，即是云制造。雖然，目前上海政府并沒有頒布關(guān)于云制造明確的政策。但“十二五”期間，上海出臺(tái)了一系列的政策大力發(fā)展云制造的核心技術(shù)——云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)與信息化制造等，都為“互聯(lián)網(wǎng)+”融入制造業(yè)，帶動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

四、上海推動(dòng)云制造的舉措建議

上海是國(guó)內(nèi)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)研發(fā)實(shí)力、產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用水平最高的地區(qū)之一。這為上海發(fā)展云制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2015年，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施為上海發(fā)展云制造提供了政策保障。未來，上海如何將以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合創(chuàng)新，全面發(fā)展云制造。課題組提出以下幾點(diǎn)建議：

一是為中小制造型企業(yè)構(gòu)建中小企業(yè)云制造公共服務(wù)平臺(tái)。與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的淘寶、當(dāng)當(dāng)?shù)菴2C、B2B平臺(tái)不同，中小企業(yè)云制造公共服務(wù)平臺(tái)為制造企業(yè)提供的不僅是產(chǎn)品買賣，更多的是基于制造能力的協(xié)同業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)外部資源與企業(yè)生產(chǎn)制造過程等核心業(yè)務(wù)緊密協(xié)作。上海政府可為中小企業(yè)打造云制造公共服務(wù)平臺(tái)，提供一系列支持服務(wù)，包括在制造資源注冊(cè)、資源需求發(fā)布、資源供需多向搜索、資源能力評(píng)估、交易信用評(píng)估、資源交易管理、協(xié)同制造管理和結(jié)算管理，為注冊(cè)企業(yè)提供制造過程全生命周期的服務(wù)工具。

二是為高端裝備制造業(yè)企業(yè)打造面向復(fù)雜產(chǎn)品的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)。該云制造服務(wù)模式的重點(diǎn)在于支持制造資源動(dòng)態(tài)共享與協(xié)同，強(qiáng)調(diào)企業(yè)內(nèi)或集團(tuán)內(nèi)制造資源和制造能力的整合與服務(wù)，優(yōu)化企業(yè)或集團(tuán)資源和能力使用率，減少重復(fù)資源和能力的重復(fù)建設(shè)，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。下一階段，上海發(fā)展高端裝備制造業(yè)或可借助面向復(fù)雜產(chǎn)品的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)而提高制造資源和能力相對(duì)分散的跨單位、跨部門、跨學(xué)科的協(xié)同效率。目前，國(guó)內(nèi)航天二院構(gòu)建了面向航天復(fù)雜產(chǎn)品的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)，用以提高多部門在生產(chǎn)制造方面的協(xié)同，并在此方面積累了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)。

三是把握技術(shù)發(fā)展的脈搏，定期發(fā)布云制造發(fā)展報(bào)告。云制造作為智能制造的新興領(lǐng)域，技術(shù)發(fā)展的迅猛程度是日新月異。為此，一方面政府應(yīng)鼓勵(lì)制造型企業(yè)定期跟蹤國(guó)際云制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，及時(shí)調(diào)整技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)；另一方面政府也應(yīng)鼓勵(lì)高校、研究機(jī)構(gòu)對(duì)云制造核心技術(shù)進(jìn)行跟蹤、預(yù)測(cè)，定期發(fā)布行業(yè)報(bào)告，為行業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)意見。

四是聯(lián)合信息技術(shù)企業(yè)與制造企業(yè)，做大做強(qiáng)云制造。云制造的發(fā)展應(yīng)避免多、小、散、亂的局面。一方面鼓勵(lì)技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)際企業(yè)在滬設(shè)立研發(fā)中心和生產(chǎn)基地，擴(kuò)大知識(shí)資源和人才資源溢出；另一方面鼓勵(lì)具備云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)研發(fā)實(shí)力的本土企業(yè)與生產(chǎn)制造型企業(yè)聯(lián)手，扶持搭建云制造服務(wù)平臺(tái)。依托產(chǎn)業(yè)園區(qū)的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)資源聚集效應(yīng)，加快培育一定支配地位、較大規(guī)模和先進(jìn)技術(shù)的云制造重點(diǎn)企業(yè)，提高產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的控制力。

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