趙程程

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

關鍵詞：云制造；關鍵技術；專利分析

基金項目：上海工程技術大學科研啟動項目（校啟：2015-68）

中圖分類號：F49 文獻標識碼：A

原標題：國際云制造關鍵技術專利分析及對上海的啟示

收錄日期：2016年11月10日

一、引言

當前，在經(jīng)濟全球化背景下，為了進一步強化競爭優(yōu)勢，諸多發(fā)達國家，尤其是跨國制造型企業(yè)采用了更加智能化、柔性生產(chǎn)模式。與此同時，圍繞著提升企業(yè)競爭能力，一場以“制造智能化、信息化”為特征的制造業(yè)變革一直在我國積極、持續(xù)的展開。從“工業(yè)4.0”到“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”，我國制造業(yè)急需一種新型制造模式與手段，進而推動經(jīng)濟增長方式的轉變，加快建成全球科技創(chuàng)新中心。針對此，本次研究提出“云制造”——制造業(yè)信息化新模式，并對國內外云制造核心技術研發(fā)情況與發(fā)展趨勢進行了分析。

云制造是一種基于網(wǎng)絡（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的一種網(wǎng)絡化制造新模式。該技術是將現(xiàn)有網(wǎng)絡化制造和服務技術同云計算、云安全、高性能計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術融合，實現(xiàn)各類制造資源（制造硬設備、計算系統(tǒng)、軟件、模型、數(shù)據(jù)、知識等）統(tǒng)一的、集中的智能化管理和經(jīng)營，為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質廉價的各類制造活動服務。隨著技術的提升，云制造不僅可以促進生產(chǎn)模式的扁平化，更能促進企業(yè)創(chuàng)新，而且可以滿足市場個性化、靈敏的定制需求。

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

二、云制造核心技術國際專利分析

通過上述對云制造的關鍵技術體系的分析，以及與相關領域專家探討，課題組選擇了RFID、傳感器芯片、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)應用、高精度定位、生物信號分析和視頻分析等云制造關鍵技術，從專利的申請趨勢、申請區(qū)域、技術構成和主要競爭者等方面進行分析。國際專利主要以德溫特專利數(shù)據(jù)庫為研究對象，國內專利情況以中國知識產(chǎn)權局專利數(shù)據(jù)庫為研究分析對象。

（一）RFID國際專利情況。RFID，即無線射頻識別，又稱電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。該技術是當前物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一，也是應用最為廣泛的技術。

·技術主題關鍵詞：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。每年申請的RFID專利數(shù)量始終沒有突破50件，技術發(fā)展緩慢。2005年超過了1，500件，從此申請的RFID專利數(shù)量快速上升。2010～2014年專利數(shù)量略有波動，但累計總數(shù)一直攀升。（圖1）

2、區(qū)域專利分布情況。將近十年RFID領域申請專利進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)專利數(shù)最多的是美國專利，占了全球總數(shù)的近1/3；其次為日本專利，也占近兩成。中國專利申請數(shù)量排在第五位。（圖2）

（二）傳感器芯片國際專利情況。國家標準GB7665-87對傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。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）作為關鍵詞出現(xiàn)專利達90余萬件，無法進行分析。因此，選擇傳感器芯片作為檢索主題。

·技術主題關鍵詞：傳感器芯片（注：由于德溫特數(shù)據(jù)庫中有關傳感器專利超過了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象）

·檢索整理得專利數(shù)：36，931件

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

2、區(qū)域專利分布情況。傳感器芯片申請專利數(shù)量最多的為中國專利，其次為日本專利，美國專利排第三。雖然中國申請的專利數(shù)量排名第一，但也不能認為中國在傳感器芯片領域占據(jù)主導地位，因為其中的專利也有可能是國外企業(yè)在中國的申請，從另一方面說明中國傳感器市場具有巨大潛力。（圖4）

（三）無線通信技術國際專利情況。無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領域中，發(fā)展最快、應用最廣的就是無線通信技術。在移動中實現(xiàn)的無線通信又統(tǒng)稱為移動通信，人們把二者合稱為無線移動通信。在無線通信技術領域，主要關注與物聯(lián)網(wǎng)相關的近場通信技術（NFC）、超寬帶技術（UWB）、IEEE802.11標準相關的無線技術等。

·技術主題關鍵詞：近場通信（NFC）；超寬帶（UWB）；wifi；藍牙；zigbee；IEEE802.11

·檢索整理得專利數(shù)：64，471件

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

2、區(qū)域專利分布情況。從近十年來看，整體上美國專利在這一領域占據(jù)著主要地位，申請的數(shù)量份額超過30%。中國緊隨其后，占有兩成。（圖6）

（四）物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術國際專利情況。物聯(lián)網(wǎng)這一名詞是近幾年才提出的，國外相關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)絡技術方面的專利。

·技術主題關鍵詞：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。該領域申請的專利數(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)域專利分布情況。在該領域，美國和中國的申請專利數(shù)量分列第一、第二位，分別達到總體的34%和25%。（圖8）

三、云制造國內專利情況分析

·技術主題關鍵詞：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；近場通信（NFC）；超寬帶（UWB）；wifi；藍牙；zigbee；IEEE802.11；高精度定位；位置定向；距離測量；生物信號分析/處理；生物醫(yī)學信號分析/處理；視頻分析/處理；視覺分析/處理；圖像分析/處理等領域專利總和

·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。2009年起，申請數(shù)據(jù)急劇上升，趨勢與全球走向相符合。受到全球經(jīng)濟危機的影響，2013年申請數(shù)量有所下降。（圖9）

（二）區(qū)域專利分布情況。2014年數(shù)據(jù)顯示，云制造中國專利中江蘇省申請的專利數(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。上海是國內云制造研發(fā)實力、產(chǎn)業(yè)化、應用水平最高的地區(qū)之一。在產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、標準建設方面，中科院上海微系統(tǒng)所早在2005年就在上?？莆I導下，牽頭組建了傳感網(wǎng)上海聯(lián)盟，當時已有12家聯(lián)盟成員，初步形成產(chǎn)學研一體的組織，而目前上海中科院微系統(tǒng)所正牽頭推進中國無線傳感網(wǎng)標準化工作，并已代表中國參加了國際傳感網(wǎng)標準工作組。在產(chǎn)業(yè)基礎方面，上海是國內電子信息產(chǎn)業(yè)的重要基地，擁有包括傳感器、芯片、通信設備、系統(tǒng)集成等完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)、設計、制造產(chǎn)業(yè)群，同時也有物流、醫(yī)藥、電信服務等物聯(lián)網(wǎng)應用需求比較強的行業(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)和研究機構如表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于云制造明確的政策。但“十二五”期間，上海出臺了一系列的政策大力發(fā)展云制造的核心技術——云計算、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術與信息化制造等，都為“互聯(lián)網(wǎng)+”融入制造業(yè)，帶動傳統(tǒng)制造業(yè)轉型奠定了技術基礎。

四、上海推動云制造的舉措建議

上海是國內云計算、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術研發(fā)實力、產(chǎn)業(yè)化、應用水平最高的地區(qū)之一。這為上海發(fā)展云制造奠定了技術基礎。2015年，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的實施為上海發(fā)展云制造提供了政策保障。未來，上海如何將以云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術與制造業(yè)的融合創(chuàng)新，全面發(fā)展云制造。課題組提出以下幾點建議：

一是為中小制造型企業(yè)構建中小企業(yè)云制造公共服務平臺。與當前廣泛應用的淘寶、當當?shù)菴2C、B2B平臺不同，中小企業(yè)云制造公共服務平臺為制造企業(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，實現(xiàn)外部資源與企業(yè)生產(chǎn)制造過程等核心業(yè)務緊密協(xié)作。上海政府可為中小企業(yè)打造云制造公共服務平臺，提供一系列支持服務，包括在制造資源注冊、資源需求發(fā)布、資源供需多向搜索、資源能力評估、交易信用評估、資源交易管理、協(xié)同制造管理和結算管理，為注冊企業(yè)提供制造過程全生命周期的服務工具。

二是為高端裝備制造業(yè)企業(yè)打造面向復雜產(chǎn)品的集團企業(yè)云制造服務平臺。該云制造服務模式的重點在于支持制造資源動態(tài)共享與協(xié)同，強調企業(yè)內或集團內制造資源和制造能力的整合與服務，優(yōu)化企業(yè)或集團資源和能力使用率，減少重復資源和能力的重復建設，降低成本，提高競爭力。下一階段，上海發(fā)展高端裝備制造業(yè)或可借助面向復雜產(chǎn)品的集團企業(yè)云制造服務平臺，進而提高制造資源和能力相對分散的跨單位、跨部門、跨學科的協(xié)同效率。目前，國內航天二院構建了面向航天復雜產(chǎn)品的集團企業(yè)云制造服務平臺，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。

三是把握技術發(fā)展的脈搏，定期發(fā)布云制造發(fā)展報告。云制造作為智能制造的新興領域，技術發(fā)展的迅猛程度是日新月異。為此，一方面政府應鼓勵制造型企業(yè)定期跟蹤國際云制造技術的發(fā)展趨勢，結合企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，及時調整技術研發(fā)重點；另一方面政府也應鼓勵高校、研究機構對云制造核心技術進行跟蹤、預測，定期發(fā)布行業(yè)報告，為行業(yè)發(fā)展提供指導意見。

四是聯(lián)合信息技術企業(yè)與制造企業(yè)，做大做強云制造。云制造的發(fā)展應避免多、小、散、亂的局面。一方面鼓勵技術領先的國際企業(yè)在滬設立研發(fā)中心和生產(chǎn)基地，擴大知識資源和人才資源溢出；另一方面鼓勵具備云計算、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術研發(fā)實力的本土企業(yè)與生產(chǎn)制造型企業(yè)聯(lián)手，扶持搭建云制造服務平臺。依托產(chǎn)業(yè)園區(qū)的環(huán)境優(yōu)勢，加強資源聚集效應，加快培育一定支配地位、較大規(guī)模和先進技術的云制造重點企業(yè)，提高產(chǎn)業(yè)價值鏈的控制力。

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