全球人工智能產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展態(tài)勢研究

◎文/于 申 楊振磊

自1956年達(dá)特茅斯會(huì)議確定人工智能概念以來，人工智能技術(shù)至今已發(fā)展60余年，隨著算法、算力及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的不斷演進(jìn)，逐漸進(jìn)入新的發(fā)展階段。人工智能技術(shù)正在顛覆越來越多的傳統(tǒng)領(lǐng)域，成為推進(jìn)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)化的重要推動(dòng)力之一。

近年來，各個(gè)國家對(duì)于人工智能技術(shù)帶來的變革極為重視。我國也持續(xù)關(guān)注人工智能的發(fā)展，并針對(duì)人工智能制定多項(xiàng)國家戰(zhàn)略。2016年 5月，發(fā)改委、科技部等4部門聯(lián)合印發(fā)《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》，方案指出要充分發(fā)揮人工智能技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，支撐各行業(yè)領(lǐng)域 “互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新，培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能。

人工智能領(lǐng)域涵蓋范圍廣、分支技術(shù)多，目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)人工智能的相關(guān)主題，已經(jīng)開展了豐富的研究。但總體來看，利用專利數(shù)據(jù)對(duì)人工智能產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新情況進(jìn)行分析和預(yù)測的研究較少，僅有部分文獻(xiàn)對(duì)于人工智能專利布局進(jìn)行了整體研究。目前將專利技術(shù)與人工智能產(chǎn)業(yè)鏈相結(jié)合來分析其創(chuàng)新發(fā)展態(tài)勢的研究還存在空白。

本文將從專利角度，將人工智能產(chǎn)業(yè)鏈各領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分，分析研究全球創(chuàng)新發(fā)展態(tài)勢以及熱點(diǎn)研究方向，以期為人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及中國人工智能創(chuàng)新發(fā)展路徑提供方向指引。

一、人工智能產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)钱a(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的一個(gè)概念，是各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)，依據(jù)特定的邏輯關(guān)系和時(shí)空布局關(guān)系客觀形成的鏈條式關(guān)聯(lián)關(guān)系形態(tài)。

縱觀人工智能發(fā)展情況，可以將人工智能產(chǎn)業(yè)鏈自上而下的歸納成三部分：基礎(chǔ)層、技術(shù)層和應(yīng)用層。基礎(chǔ)層包括芯片、智能傳感器以及大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等，是人工智能的底層實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，為技術(shù)層和應(yīng)用層提供基礎(chǔ)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)支撐。技術(shù)層是人工智能的高價(jià)值環(huán)節(jié)，在基礎(chǔ)層算力和海量數(shù)據(jù)的保障下進(jìn)行建模與訓(xùn)練，調(diào)整優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。應(yīng)用層是人工智能技術(shù)面向終端用戶的環(huán)節(jié)，使人工智能技術(shù)賦能各行業(yè)以及應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度融合 （見圖1、圖2）。

二、研究思路和方法

（一）技術(shù)路線確定

通過人工智能產(chǎn)業(yè)研究、專家研討以及專家座談等多種研究方法，課題組對(duì)本次人工智能專利分析的邊界進(jìn)行界定，以人工智能產(chǎn)業(yè)鏈為線索，將基礎(chǔ)層、技術(shù)層及應(yīng)用層的相關(guān)專利納入到此次研究范圍中。主要技術(shù)分解為以下14個(gè)分支，以此作為研究開展的基礎(chǔ)。

表1 人工智能主要技術(shù)分解

（二）數(shù)據(jù)來源

本次研究中的專利數(shù)據(jù)來源于德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫，檢索策略以關(guān)鍵詞檢索為主，同時(shí)使用德溫特手工分類號(hào)對(duì)檢索結(jié)果加以限制和補(bǔ)充。關(guān)鍵詞的確定分為三步，首先根據(jù)技術(shù)分解表進(jìn)行關(guān)鍵詞擴(kuò)充，然后對(duì)人工智能典型企業(yè)申請(qǐng)專利進(jìn)行關(guān)鍵詞篩選，最后根據(jù)行業(yè)專家建議確定最終檢索關(guān)鍵詞。

隨后對(duì)本次研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和采集，在德溫特?cái)?shù)據(jù)庫中，共獲得世界范圍內(nèi)人工智能領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)973592件。

三、人工智能產(chǎn)業(yè)鏈專利技術(shù)熱點(diǎn)

（一）全球人工智能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢

從全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，基礎(chǔ)層的專利規(guī)模較之其他兩層較為弱勢，發(fā)展緩慢，且在90年代初期以及2010年前后呈現(xiàn)了兩次發(fā)展低谷?；A(chǔ)層創(chuàng)新較其他兩層有更高的門檻、創(chuàng)新難度也較大，因此在數(shù)量上較少，但基礎(chǔ)層的突破性創(chuàng)新對(duì)于產(chǎn)業(yè)整體有著革命性的作用，在產(chǎn)業(yè)中承擔(dān)了先驅(qū)者和推動(dòng)者的角色。基礎(chǔ)層專利在80年代初期以及21世紀(jì)初期數(shù)量上超過了其他兩層，也就是這兩個(gè)階段，基礎(chǔ)層的創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)突破瓶頸期，人工智能產(chǎn)業(yè)由于計(jì)算能力的提升進(jìn)入了新一輪發(fā)展高峰，帶動(dòng)了其他兩層專利開始快速發(fā)展。

技術(shù)層專利發(fā)展通常在基礎(chǔ)層的創(chuàng)新之后，并且專利數(shù)量在基礎(chǔ)層之上，2006年深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)帶來了人工智能算法上的突破，隨后技術(shù)層專利也開始了爆發(fā)式增長。應(yīng)用層專利數(shù)量是三個(gè)層次當(dāng)中最多的，其專利發(fā)展與技術(shù)層趨勢幾近一致，二者發(fā)展起到相互促進(jìn)的作用。

2010年前后由于人工智能與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的緊密結(jié)合，各層次專利發(fā)展進(jìn)入了新的一輪爆發(fā)期，目前從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，技術(shù)層和應(yīng)用層專利規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基礎(chǔ)層，產(chǎn)業(yè)呼喚新一輪的根本性創(chuàng)新。

（二）人工智能產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分技術(shù)熱點(diǎn)

通過對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈中14項(xiàng)分支技術(shù)的專利分別進(jìn)行檢索，將全球在各領(lǐng)域內(nèi)申請(qǐng)的專利數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖3所示的專利申請(qǐng)分布情況。通過整體分布可以看出：基礎(chǔ)層的智能芯片和智能傳感器；技術(shù)層的語音識(shí)別及機(jī)器視覺；應(yīng)用層的智能駕駛成為全球人工智能專利申請(qǐng)熱度最高的幾個(gè)領(lǐng)域。

1.人工智能基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層主要包括AI芯片、傳感器、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算。圖4展示了人工智能基礎(chǔ)層技術(shù)分支各國的專利布局情況，從數(shù)量上可以看出基礎(chǔ)層中智能傳感器積累專利數(shù)量最多，其次為智能芯片以及大數(shù)據(jù)與云計(jì)算?；A(chǔ)層由于其創(chuàng)新難度大、技術(shù)門檻高等特點(diǎn)，相關(guān)專利多被國際科技巨頭所占有。

圖1 人工智能產(chǎn)業(yè)鏈三層專利發(fā)展趨勢

圖2 人工智能產(chǎn)業(yè)鏈三層專利規(guī)模

圖3 全球人工智能專利申請(qǐng)分布情況

智能芯片領(lǐng)域全球?qū)＠?guī)模在11萬項(xiàng)左右，美國和中國是智能芯片專利領(lǐng)域的兩大主要優(yōu)先權(quán)國家，其中美國在人工智能芯片領(lǐng)域仍然具有絕對(duì)優(yōu)勢；智能傳感器全球?qū)＠?guī)模在16萬項(xiàng)左右，是基礎(chǔ)層中專利規(guī)模較大、發(fā)展較為成熟的技術(shù)領(lǐng)域。中國在智能傳感器方面距離美國、日本等國家差距非常大，呈現(xiàn)出明顯的短板；大數(shù)據(jù)與云計(jì)算領(lǐng)域，全球?qū)＠?guī)模5萬余項(xiàng)，在基礎(chǔ)層中數(shù)量最少，發(fā)展格局較為不穩(wěn)定，競爭者分散。從各國專利數(shù)量來看，中國在大數(shù)據(jù)與云計(jì)算方面優(yōu)勢明顯。

2.人工智能技術(shù)層

根據(jù)圖5所示的技術(shù)層相關(guān)專利分布情況來看，機(jī)器視覺、語音識(shí)別是技術(shù)層中專利布局較多的技術(shù)分支，其次為人機(jī)交互、自然語言處理以及算法模型，生物識(shí)別技術(shù)的專利積累量相對(duì)較少。

算法模型相關(guān)專利目前有6萬余項(xiàng)。在專利國家分布方面可以看出中國與美國不分伯仲，但較為重要的算法框架等開放平臺(tái)多掌握在以谷歌、IBM、微軟為主的科技巨頭手中，中國鮮少有擁有算法開放平臺(tái)的企業(yè)，目前美國仍是人工智能算法模型領(lǐng)域發(fā)展水平最高的國家。

全球語音識(shí)別相關(guān)專利累計(jì)10萬余項(xiàng)，美國和日本在語音識(shí)別領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量領(lǐng)先其它國家，中國在語音識(shí)別領(lǐng)域?qū)＠麅?yōu)勢不明顯。

機(jī)器視覺在技術(shù)層的各分支技術(shù)中專利積累量最大，將近12萬項(xiàng)。通過國家分布來看，美國在機(jī)器視覺領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量擁有絕對(duì)優(yōu)勢，中國和日本在數(shù)量上與美國差距較大。中國在機(jī)器視覺專利方面競爭力不足。

圖4 基礎(chǔ)層技術(shù)分支各國專利布局情況

圖5 技術(shù)層技術(shù)分支各國專利布局情況

自然語言處理技術(shù)相關(guān)專利全球積累量為8萬余項(xiàng)，而美國仍占據(jù)較大優(yōu)勢，其次為日本，中國在自然語言理解領(lǐng)域競爭顯示出一定弱勢。

生物識(shí)別技術(shù)在技術(shù)層各分支中專利積累量最少，僅為3萬余項(xiàng)，在其中，中國占據(jù)大多數(shù)份額，從專利數(shù)量top10企業(yè)分布也可看出，中國企業(yè)占據(jù)四席，在生物識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域中國擁有較大的競爭優(yōu)勢。

人機(jī)交互領(lǐng)域，全球相關(guān)專利累計(jì)量將近8萬項(xiàng)，其中中國擁有將近4萬項(xiàng)專利，中國在人機(jī)交互領(lǐng)域?qū)＠姓加休^大優(yōu)勢。

從圖6展示的技術(shù)層分支領(lǐng)域各國家專利布局雷達(dá)圖來看，美國各分支技術(shù)發(fā)展較為全面，僅在生物識(shí)別領(lǐng)域有所薄弱。中國在人機(jī)交互、生物識(shí)別等方面發(fā)展較好，而自然語言處理、語音識(shí)別等領(lǐng)域較為弱勢。日本在語音識(shí)別和自然語言處理領(lǐng)域內(nèi)有一定優(yōu)勢。

3.人工智能應(yīng)用層

中國擁有海量的搜索數(shù)據(jù)和廣泛的市場，因此人工智能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用場景相結(jié)合的應(yīng)用層是中國人工智能發(fā)展的一大優(yōu)勢，從行業(yè)上看，人工智能已經(jīng)在醫(yī)療、安防、交通、家居以及制造方面實(shí)現(xiàn)了深度融合發(fā)展。根據(jù)圖7顯示的應(yīng)用層技術(shù)分支各國專利布局，智能駕駛、智能制造以及智能醫(yī)療是目前專利技術(shù)申請(qǐng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

全球范圍內(nèi)智能醫(yī)療相關(guān)的專利達(dá)到5.9萬余項(xiàng)，美國在此領(lǐng)域擁有將近3萬項(xiàng)專利，擁有較大競爭優(yōu)勢。中國在智能醫(yī)療領(lǐng)域競爭力較為欠缺。

智能安防相關(guān)專利申請(qǐng)總量達(dá)2.6萬余項(xiàng)。智能安防離不開機(jī)器視覺的應(yīng)用，而美國的機(jī)器視覺專利技術(shù)在世界范圍內(nèi)領(lǐng)先，同時(shí)在智能安防領(lǐng)域，也占據(jù)全球?qū)＠孜坏奈恢谩Ｖ袊谥悄馨卜李I(lǐng)域擁有七千余項(xiàng)專利，具備一定的競爭力。

目前全球智能駕駛研究競賽處于白熱化階段。全球在智能駕駛領(lǐng)域的專利多達(dá)9萬余項(xiàng)，其中中國擁有3萬余項(xiàng)，位居全球首位。中國在智能駕駛專利領(lǐng)域已經(jīng)取得一定優(yōu)勢，并培育了領(lǐng)頭企業(yè)。

人工智能與制造業(yè)結(jié)合，形成新一代智能制造技術(shù)，改善作業(yè)環(huán)境的同時(shí)提升生產(chǎn)力，降低資源能耗成本。從全球?qū)＠?guī)模來看，智能制造領(lǐng)域相關(guān)專利達(dá)到6萬余項(xiàng)，其中中國擁有將近四萬項(xiàng)專利，中國在智能制造專利方面擁有絕對(duì)優(yōu)勢。

全球范圍內(nèi)智能家居相關(guān)專利數(shù)量近3萬項(xiàng)，其中中國和美國在本領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量較多。

圖8展示了各國應(yīng)用層技術(shù)布局雷達(dá)圖，各國家人工智能應(yīng)用發(fā)展重點(diǎn)各不相同。美國在智能醫(yī)療以及智能安防領(lǐng)域?qū)＠矫鎿碛休^大優(yōu)勢，中國在智能制造以及智能駕駛方面較為領(lǐng)先。

四、結(jié)論

本文利用專利數(shù)據(jù)反映全球人工智能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展整體態(tài)勢，同時(shí)針對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈中的主要分支技術(shù)進(jìn)行了專利熱度分析。研究結(jié)果表明：

圖6 技術(shù)層分支領(lǐng)域各國專利布局雷達(dá)圖

圖7 應(yīng)用層技術(shù)分支各國專利布局情況

圖8 各國應(yīng)用層技術(shù)布局雷達(dá)圖

第一，人工智能基礎(chǔ)層與技術(shù)和應(yīng)用層交替前進(jìn)、相互牽引著不斷演進(jìn)發(fā)展。從專利角度看，基礎(chǔ)層創(chuàng)新是對(duì)產(chǎn)業(yè)其革命作用的因素之一，基礎(chǔ)層專利的突破推動(dòng)了技術(shù)層和應(yīng)用層的創(chuàng)新。從產(chǎn)業(yè)層面，掌握基礎(chǔ)層的優(yōu)勢技術(shù)通常對(duì)構(gòu)建人工智能核心能力非常關(guān)鍵，技術(shù)層與應(yīng)用層發(fā)展暴露出的效率、能耗等方面的問題迫切需要從底層予以解決。目前，技術(shù)層和應(yīng)用層專利增長率遠(yuǎn)超基礎(chǔ)層，說明當(dāng)前人工智能基礎(chǔ)層創(chuàng)新亟待突破，產(chǎn)業(yè)需要新一輪革命性創(chuàng)新，當(dāng)前，諸多科技巨頭將目光瞄準(zhǔn)了類腦芯片、量子計(jì)算芯片等底層技術(shù)革新上，人工智能產(chǎn)業(yè)鏈研究重心正在向基礎(chǔ)層轉(zhuǎn)移。

第二，通過對(duì)人工智能產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分技術(shù)的專利分析，發(fā)現(xiàn)智能傳感是基礎(chǔ)層中專利熱度較高的領(lǐng)域，智能傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能中的重要作用已經(jīng)得到了各國認(rèn)可；技術(shù)層中，機(jī)器視覺、語音識(shí)別成為各國專利申請(qǐng)的焦點(diǎn)，不僅停留在技術(shù)創(chuàng)新中，機(jī)器視覺技術(shù)部分已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平，應(yīng)用空間及市場空間非常廣闊；應(yīng)用層中，智能制造與智能駕駛是兩大專利熱度較高的布局方向，智能制造已經(jīng)上升為多個(gè)國家的國家戰(zhàn)略，如德國的工業(yè)4.0，中國的《中國制造 2025》也將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定位于國家戰(zhàn)略高度。智能駕駛作為未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，市場規(guī)模廣闊，且相關(guān)法律法規(guī)逐漸成型，行業(yè)技術(shù)不斷完善，已經(jīng)成為人工智能技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。

第三，中國在基礎(chǔ)層專利創(chuàng)新發(fā)展欠佳，而在應(yīng)用層專利發(fā)展速度較快。雖然中國專利創(chuàng)新數(shù)量居于全球首位，但在較為核心的基礎(chǔ)層專利方面，與美國差距還較大。從中國人工智能發(fā)展質(zhì)量來看還遠(yuǎn)未達(dá)到樂觀的程度，牛津大學(xué)一項(xiàng)研究通過對(duì)比中美在人工智能硬件、數(shù)據(jù)、算法和商業(yè)系統(tǒng)等方面的能力，發(fā)展中國僅在數(shù)據(jù)方面占有一定優(yōu)勢。尤其是基礎(chǔ)層中的智能傳感器領(lǐng)域，較之美國和日本，中國顯現(xiàn)出明顯的創(chuàng)新短板。智能傳感作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代泛在感知的重要基礎(chǔ)，已逐漸成為衡量國家信息化程度的重要標(biāo)志，由于其存在著門檻相對(duì)芯片較低，但行業(yè)前景優(yōu)的特點(diǎn)，成為了各國以及各龍頭企業(yè)的重要布局方向，也是中國未來布局的重要方向之一。