国际云制造关键技术专利分析及启示

赵程程

[提要] 从“工业4.0”到“中国制造2025”、“互联网+”，我国制造业急需一种新型制造模式与手段——“云制造”，进而推动经济增长方式的转变，加快建成全球科技创新中心。本研究提出云制造是国际智能制造业发展的新趋势，分析云制造关键技术的国际研发情况、技术发展趋势，明确云制造的研究前沿与发展方向，并针对目前上海云制造发展现状，提出战略性借鉴和参考。

关键词：云制造；关键技术；专利分析

基金项目：上海工程技术大学科研启动项目（校启：2015-68）

中图分类号：F49 文献标识码：A

原标题：国际云制造关键技术专利分析及对上海的启示

收录日期：2016年11月10日

一、引言

当前，在经济全球化背景下，为了进一步强化竞争优势，诸多发达国家，尤其是跨国制造型企业采用了更加智能化、柔性生产模式。与此同时，围绕着提升企业竞争能力，一场以“制造智能化、信息化”为特征的制造业变革一直在我国积极、持续的展开。从“工业4.0”到“中国制造2025”、“互联网+”，我国制造业急需一种新型制造模式与手段，进而推动经济增长方式的转变，加快建成全球科技创新中心。针对此，本次研究提出“云制造”——制造业信息化新模式，并对国内外云制造核心技术研发情况与发展趋势进行了分析。

云制造是一种基于网络（如互联网、物联网、电信网、广电网和无线宽带网等），按照用户需求组织网上制造资源（制造云），为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。该技术是将现有网络化制造和服务技术同云计算、云安全、高性能计算、物联网等技术融合，实现各类制造资源（制造硬设备、计算系统、软件、模型、数据、知识等）统一的、集中的智能化管理和经营，为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的各类制造活动服务。随着技术的提升，云制造不仅可以促进生产模式的扁平化，更能促进企业创新，而且可以满足市场个性化、灵敏的定制需求。

为实现云制造的资源共享和服务模式，云制造融合了云计算、物联网、高性能计算、服务计算、智能科学等信息技术与信息化制造（信息化设计、生产加工、试验、仿真、经营管理、集成）等多种新兴技术。各种技术在云制造中的功能或作用如下：（1）云计算技术为制造所需各类信息的智能处理和决策提供了使能服务与新制造模式；（2）物联网技术为制造领域中各类物与物之间的互联和实现制造智慧化提供了使能技术；（3）高性能计算技术为求解复杂制造问题和开展大规模协同制造提供了使能技术；（4）面向服务的技术为快速构造虚拟化制造服务环境提供了使能技术；（5）智能科学技术为制造资源/能力的智能化提供了使能技术；（6）信息化制造技术是云制造的基础技术。

二、云制造核心技术国际专利分析

通过上述对云制造的关键技术体系的分析，以及与相关领域专家探讨，课题组选择了RFID、传感器芯片、无线通信、物联网应用、高精度定位、生物信号分析和视频分析等云制造关键技术，从专利的申请趋势、申请区域、技术构成和主要竞争者等方面进行分析。国际专利主要以德温特专利数据库为研究对象，国内专利情况以中国知识产权局专利数据库为研究分析对象。

（一）RFID国际专利情况。RFID，即无线射频识别，又称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。该技术是当前物联网的核心技术之一，也是应用最为广泛的技术。

·技术主题关键词：RFID；Radio Frequency Identification；RF

·检索整理得专利数：38，634件（截至检索日期2015年4月，下同）

1、总体趋势。每年申请的RFID专利数量始终没有突破50件，技术发展缓慢。2005年超过了1，500件，从此申请的RFID专利数量快速上升。2010～2014年专利数量略有波动，但累计总数一直攀升。（图1）

2、区域专利分布情况。将近十年RFID领域申请专利进行统计分析，发现专利数最多的是美国专利，占了全球总数的近1/3；其次为日本专利，也占近两成。中国专利申请数量排在第五位。（图2）

（二）传感器芯片国际专利情况。国家标准GB7665-87对传感器的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。由于传感器专利数量十分庞大，在德温特专利数据库中用“sensor”（传感器）作为关键词出现专利达90余万件，无法进行分析。因此，选择传感器芯片作为检索主题。

·技术主题关键词：传感器芯片（注：由于德温特数据库中有关传感器专利超过了30万，分析处理工作量太大，因此课题组选择了传感器芯片作为了研究对象）

·检索整理得专利数：36，931件

1、总体趋势。传感器芯片技术的专利早在1971年就已经申请，在20世纪70年代都处于萌芽发展阶段。但到了80年代后，传感器芯片申请专利逐步增长，并且在2006年时出现快速向上的趋势。总体来讲，传感器芯片技术比RFID专利更早，且年增长率更加平均。（图3）

2、区域专利分布情况。传感器芯片申请专利数量最多的为中国专利，其次为日本专利，美国专利排第三。虽然中国申请的专利数量排名第一，但也不能认为中国在传感器芯片领域占据主导地位，因为其中的专利也有可能是国外企业在中国的申请，从另一方面说明中国传感器市场具有巨大潜力。（图4）

（三）无线通信技术国际专利情况。无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又统称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。在无线通信技术领域，主要关注与物联网相关的近场通信技术（NFC）、超宽带技术（UWB）、IEEE802.11标准相关的无线技术等。

·技术主题关键词：近场通信（NFC）；超宽带（UWB）；wifi；蓝牙；zigbee；IEEE802.11

·检索整理得专利数：64，471件

1、总体趋势。2000年以前，无线通信技术的申请专利数量一直处于非常低的水平。但从2007年开始，增长速度较快，到2014年跃升至10，121件的年申请量，发展迅猛。（图5）

2、区域专利分布情况。从近十年来看，整体上美国专利在这一领域占据着主要地位，申请的数量份额超过30%。中国紧随其后，占有两成。（图6）

（四）物联网组网技术国际专利情况。物联网这一名词是近几年才提出的，国外相关的概念多为无线传感网、迈适网和M2M。因此，选择这些词组合检索物联网网络技术方面的专利。

·技术主题关键词：无线传感网wireless sensor networks；迈适网a suitable network；自组织网ad hoc network；物联网Internet of things；M2M machine to machine

·检索整理得专利数：863，396件

1、总体趋势。该领域申请的专利数量也从2001年开始出现明显增加，到2008年开始激增。（图7）

2、区域专利分布情况。在该领域，美国和中国的申请专利数量分列第一、第二位，分别达到总体的34%和25%。（图8）

三、云制造国内专利情况分析

·技术主题关键词：无线传感网；迈适网；自组织网；物联网；M2M；RFID；Radio Frequency Identification；RF；传感器芯片；近场通信（NFC）；超宽带（UWB）；wifi；蓝牙；zigbee；IEEE802.11；高精度定位；位置定向；距离测量；生物信号分析/处理；生物医学信号分析/处理；视频分析/处理；视觉分析/处理；图像分析/处理等领域专利总和

·检索整理得专利数：整理得有效专利3，760件（发明专利543）

（一）总体趋势。2009年起，申请数据急剧上升，趋势与全球走向相符合。受到全球经济危机的影响，2013年申请数量有所下降。（图9）

（二）区域专利分布情况。2014年数据显示，云制造中国专利中江苏省申请的专利数量排名第一；广东排名第二；上海排名第六，占总数的7.50%，略微落后于四川省和浙江市。（图10）

（三）上海云制造发展现状。上海是国内云制造研发实力、产业化、应用水平最高的地区之一。在产业联盟、标准建设方面，中科院上海微系统所早在2005年就在上海科委领导下，牵头组建了传感网上海联盟，当时已有12家联盟成员，初步形成产学研一体的组织，而目前上海中科院微系统所正牵头推进中国无线传感网标准化工作，并已代表中国参加了国际传感网标准工作组。在产业基础方面，上海是国内电子信息产业的重要基地，拥有包括传感器、芯片、通信设备、系统集成等完整的物联网产品研发、设计、制造产业群，同时也有物流、医药、电信服务等物联网应用需求比较强的行业客户，产业发展所需上中下游配套完善。上海云制造产业链环节上的主要企业和研究机构如表1所示。（表1）

上海已确定将“互联网+”融入到制造业作为下一步智能制造发展的重点之一，究其根本，即是云制造。虽然，目前上海政府并没有颁布关于云制造明确的政策。但“十二五”期间，上海出台了一系列的政策大力发展云制造的核心技术——云计算、物联网、信息技术与信息化制造等，都为“互联网+”融入制造业，带动传统制造业转型奠定了技术基础。

四、上海推动云制造的举措建议

上海是国内云计算、物联网、信息技术研发实力、产业化、应用水平最高的地区之一。这为上海发展云制造奠定了技术基础。2015年，“互联网+”行动计划的实施为上海发展云制造提供了政策保障。未来，上海如何将以云计算、物联网等新一代信息技术与制造业的融合创新，全面发展云制造。课题组提出以下几点建议：

一是为中小制造型企业构建中小企业云制造公共服务平台。与当前广泛应用的淘宝、当当等C2C、B2B平台不同，中小企业云制造公共服务平台为制造企业提供的不仅是产品买卖，更多的是基于制造能力的协同业务，实现外部资源与企业生产制造过程等核心业务紧密协作。上海政府可为中小企业打造云制造公共服务平台，提供一系列支持服务，包括在制造资源注册、资源需求发布、资源供需多向搜索、资源能力评估、交易信用评估、资源交易管理、协同制造管理和结算管理，为注册企业提供制造过程全生命周期的服务工具。

二是为高端装备制造业企业打造面向复杂产品的集团企业云制造服务平台。该云制造服务模式的重点在于支持制造资源动态共享与协同，强调企业内或集团内制造资源和制造能力的整合与服务，优化企业或集团资源和能力使用率，减少重复资源和能力的重复建设，降低成本，提高竞争力。下一阶段，上海发展高端装备制造业或可借助面向复杂产品的集团企业云制造服务平台，进而提高制造资源和能力相对分散的跨单位、跨部门、跨学科的协同效率。目前，国内航天二院构建了面向航天复杂产品的集团企业云制造服务平台，用以提高多部门在生产制造方面的协同，并在此方面积累了较为成熟的经验。

三是把握技术发展的脉搏，定期发布云制造发展报告。云制造作为智能制造的新兴领域，技术发展的迅猛程度是日新月异。为此，一方面政府应鼓励制造型企业定期跟踪国际云制造技术的发展趋势，结合企业发展战略，及时调整技术研发重点；另一方面政府也应鼓励高校、研究机构对云制造核心技术进行跟踪、预测，定期发布行业报告，为行业发展提供指导意见。

四是联合信息技术企业与制造企业，做大做强云制造。云制造的发展应避免多、小、散、乱的局面。一方面鼓励技术领先的国际企业在沪设立研发中心和生产基地，扩大知识资源和人才资源溢出；另一方面鼓励具备云计算、物联网、信息技术研发实力的本土企业与生产制造型企业联手，扶持搭建云制造服务平台。依托产业园区的环境优势，加强资源聚集效应，加快培育一定支配地位、较大规模和先进技术的云制造重点企业，提高产业价值链的控制力。

主要参考文献：

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