物聯網核心技術鏈演進及其產業政策研究

黃衛東 岳中剛

根據美國權威咨詢機構Forrester預測,到2020年,全球物物互聯的業務規模與人類之間的通信業務相比,將達到30∶1,物聯網被視為全球下一個萬億元級規模的新興產業。物聯網的技術創新和產業發展引起了美國、歐盟、日本等發達國家的廣泛關注,它們紛紛制定各種產業政策,引導和推動物聯網的研究、應用和產業發展,如美國的“智慧地球”、歐盟的“物聯網行動計劃”、日本的“U-Japan”。目前我國也提出了“感知中國”的戰略規劃,將物聯網發展提高到國家戰略性新興產業的高度。

在高新技術產業領域,技術創新已成為決定企業和國家競爭力的重要因素,技術先進性和技術產業化制約著發展中國家的跨越式發展。在物聯網技術研究方面我國與世界先進水平同步,由于新興高科技產業技術進步與商業模式選擇的多樣性,選擇空間的廣闊性,具有巨大的發展空間。

一、物聯網核心技術鏈演進特征與產業化問題

(一)技術鏈演化與產業鏈形成

技術鏈與產業鏈的關系一直是一個復雜的命題。一方面,技術的進步導致該環節價值回報的增加,回報率高的環節會吸引較多的企業進入,進而改變該環節的市場結構和競爭行為,從而使產業鏈發生變化,即技術鏈的完備是產業鏈形成的必要條件;另一方面,產業鏈中每個環節的需求特征、對該環節的技術變化可能產生重要的拉動作用,例如能源成本大幅度提高將會鼓勵節能和替代能源的技術研發和運用,即產業鏈需求推進技術進步。

對高新技術而言,產業鏈的形成和技術演化更為密切,核心技術演進的不同時期產業鏈形成的表現形式也不同。在核心技術取得突破性進展時,產業系統大量吸收技術創新成果,生產率快速上升,價值回報高,使產業得以迅速成長和規模擴張,促進新的產業興起和產業鏈形成;當技術鏈成熟度較高時,改良性的技術創新為主體,生產率提高速率和成本降低速率趨于減緩,產業升級的實質是產業由低技術水平和低附加值狀態向新技術水平和高附加值狀態轉變的過程,更多地體現為資源的優化配置和產業鏈完善過程。

盡管技術創新可以推動技術鏈的演化,但從技術鏈到產業鏈之間存在斷點,并不是每一項技術成果都可以實現產業化,最優的技術不一定能映射為最有前景的產業,這中間既有技術演化中產業選擇的路徑依賴性,也有產業引導機制的作用。技術鏈與產業鏈需要有效的銜接,才能實現有效的技術產業化轉化。從技術鏈到產業鏈的完整技術創新演進過程,實質上也是一個多種資源的優化配置過程,產業管理機構在技術創新激勵、產業聯盟構建、產業標準制定等方面的政策設計至關重要。

(二)物聯網核心技術鏈演進特征分析

物聯網作為高新技術產業,分析它的核心技術演進與產業化問題也需遵循上述原則。我們從四個維度展示物聯網核心技術鏈演進特征的可能趨勢:物聯網核心技術構成;互聯網技術演進與產業發展相關性以及啟示和可借鑒之處;美國、歐盟的預測與分析;以運營商(中國移動)視角的預測作為個案分析。

從核心技術構成來說,物聯網主要由感應識別末梢、傳輸網絡、分布式智能處理單元三個部分組成。感應末梢即利用二維碼、射頻識別(RFID)、傳感器、全球定位系統、激光掃描儀等信息傳感設備實現隨時隨地的數據采集;傳輸網絡是通過將多種聯網技術與互聯網的融合,將物件的信息實時準確地傳遞出去;智能處理是利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術,協同各系統共同運作,對海量的數據和信息進行分析和處理,同時使物件可以依照環境狀況自動分析、判斷所獲取的信息,并執行相關的操作。從產業鏈角度切入,與物聯網感知、網絡、應用三層體系相對應的分別為制造(傳感器件制造、器件芯片制造、網絡設備制造)、運營(網絡服務、網絡運營)和應用(軟件開發、應用服務,如環境監測、物流、交通、智能電網、居家安保等)三個環節,技術與非技術研發以及標準制定將貫穿整個產業鏈。就產業的帶動效應而言,物聯網的發展將對射頻識別技術相關產品、紅外感應器、激光掃描器、全球定位系統等信息傳感設備制造業,具有直接帶動效應。物聯網產業鏈較長,涉及通信網絡、信息系統集成、自動控制等多個領域,其間接帶動效應亦不容小覷。

分析互聯網技術演進與產業發展的歷程,可以看出,從技術鏈到產業鏈之間存在斷點,即技術鏈和產業鏈之間并不是簡單的一一映射關系。互聯網真正實現產業價值、完成技術與商業模式的融合用了近十年的時間,物聯網的發展也可能經歷類似的歷程。

美國、歐盟以及中國在關于物聯網的戰略規劃中對產業技術演進、產業化過程和應用領域進行了預測(參見表1和表2),同時提出影響物聯網發展的因素主要集中在商業模式、應用普及以及產業政策推動方面。[1]

表1 美國、歐盟物聯網規劃中技術演進與產業化應用進程

續前表

表2 中國移動物聯網規劃中技術與產業化應用進程

歐洲智能系統集成技術平臺組織(EPoSS)在《Internet of Things in 2020》中預測,物聯網的技術演進將經歷四個階段:2010年之前廣泛應用于零售、物流和制藥等領域;2010-2015年實現物與物之間的互聯;2015-2020年進入半智能化階段,物聯網與互聯網走向融合;2020年之后進入全智能化階段,無線傳感網絡得到規模應用,將進入泛在網的發展階段。

中國移動作為國內物聯網產業的積極推動者,從運營商角度對物聯網的發展路徑也進行了預測,認為物聯網發展將經過機器通信(M2M)、物聯網及泛在網三個發展階段。目前,許多物聯網技術尚處在開發測試階段,離物與物之間普遍鏈接、不同系統相互融合的遠期目標還存在一定差距。無論是歐美還是我國,更多的是基于技術發展趨勢,對相應階段的應用愿景進行描述,僅僅用以表明相關產業應用物聯網技術的可行性和技術開發應用重點,并沒有解決產業可持續發展的商業模式、參與主體的激勵機制以及競爭規則等問題。

二、從物聯網技術演化到產業鏈形成的助推機制

(一)基于技術演化的物聯網產業鏈政策引導機制

對于物聯網技術的最新進展和該產業所處的最新階段,技術鏈對產業鏈形成具有源頭作用和基礎性意義,同時,技術演進也為產業選擇提供多樣性,實現技術鏈與產業鏈的有效銜接,完成技術產業化。而在技術創新激勵、產業聯盟構建、產業標準制定等方面的政策設計構成了物聯網產業發展的引導機制。

關于產業政策對于技術創新與演進的影響一直是理論界爭論的話題。20世紀80年代以前,發達國家的學者普遍認為,技術創新與演進是市場自發形成的調節系統,并且是不可預測的。如首次提出創新理論的熊彼特在《經濟發展理論》中,將創新定義為“新的生產函數的建立”或“企業對生產要素的新的組合”。尼爾森和溫特1982年提出了自然軌道理論[2],用以描述技術發展積累和演化特征。多斯1988年發展和完善了自然軌道的思想,并受到庫恩科學范式的啟發,提出了技術范式的概念[3],認為技術演進將沿著技術模式內在的技術特性、問題的求解探索和積累的經驗所形成的相對有序路徑發展。20世紀80年代以來,以阿羅和羅默為代表的新經濟增長理論開始關注技術創新中政府行為作用,提出技術創新等知識和信息具有公共產品的一些特征,政府可以通過稅收或研發補貼等政策,促進技術創新,進而提高經濟增長率和社會福利。這樣,技術創新與演進的視角逐漸從純粹的市場行為轉向市場激勵與產業政策的聯系和互動上,并由此延伸發展為“國家創新系統”理論。“國家創新系統”這一概念是由弗里曼1987年在研究日本創新系統時首次提出的,他特別強調政府在提高產業競爭力和推動技術創新方面的作用,將國家創新系統界定為“由公共和私人部門機構組成的網絡,他們的活動和相互作用促成、引進、改變和擴散了各種新技術”。此后,國家創新系統理論的研究者從不同視角強調創新系統內部各要素與產業政策之間的互動,而且互動程度影響著產業創新績效和整個經濟體系的創新能力,如波特2002年提出將政府納入分析國家競爭優勢的鉆石模型體系[4],認為產業政策盡管不能幫助企業創造競爭優勢,但若運用在已經具備關鍵要素的產業層面上,則可以促進和強化本國產業的創新優勢。

上述理論揭示了產業政策對技術創新與演進的重要意義,但這些理論大多是基于技術創新由發達國家引領的情境,而較少涉及發展中國家如何通過產業政策實現技術創新的“趕超發展”。國內一些學者提出了基于發達國家產業技術演進路徑進行技術追趕[5][6],也有學者對此提出質疑,認為發展中國家在技術先進性和技術產業化兩方面都存在著“先天問題”[7]。由于我國在物聯網技術研發方面與國際同步,產業政策的必要性和有效性將彰顯。或者說,對于物聯網產業,技術鏈與產業鏈之間的有效對接尤其需要產業政策的支持。

(二)制約物聯網技術產業化的問題分析

綜觀互聯網發展的歷程,政府在其中起到了關鍵的推動作用。而與互聯網相比,物聯網不僅在技術上更加復雜,而且與整個城市與社會的變革息息相關。因此,構建物聯網產業生態系統,需要政府采取有力的產業激勵政策,并構建良好的產業發展環境,這需要從多個維度進行全方位的考慮。

(1)產業標準問題。任何產業沒有一個既定的標準都很難取得突破性的發展。物聯網作為一種概念導入階段的新興技術,首先需要制定完善的標準體系。目前國際上已形成了五大標準組織,分別代表了不同團體或國家的利益。EPCglobal是由北美產品統一編碼組織(UCC)和歐洲產品編碼組織(EAN)聯合成立的,在全球擁有上百家成員,得到了眾多大型跨國公司的支持。而A IM、ISO、UID代表了歐美國家和日本,IP-X的成員則以非洲、大洋洲、亞洲等國家為主。我國在UHF頻段標準制定方面發展緩慢,雖然國家已經為UHF規劃了兩個頻段,但標簽數據編碼體系、中間件和系統集成技術、數據共享體制和測試平臺等標準尚未完全解決,RFID產品在不同企業應用中,無論是在頻率、編碼、存儲規則等方面,都因缺乏可以遵循的統一標準而不盡相同,導致讀寫器和標簽間不能通用,從而影響企業與企業、企業與行業之間的交流和合作,很大程度上阻礙了物聯網技術的產業化發展。物聯網作為一個多設備、多網絡、多應用、互聯互通、互相融合的大網,所有的接口、通信協議都需要有統一的產業標準來協調,必須根據具體的國情,及時推出有利于打造自主產業鏈的產業標準體系和市場準入制度。

(2)市場應用問題。得益于通信技術和互聯網技術的發展,手機終端和電腦產品快速普及,并且消費者對手機、電腦等的內在需求也十分強烈,而物聯網所面對的消費者群體基本以行業用戶為主。無論歐美還是中國,RFID市場經驗表明,必須有政府或大企業的推動才能獲得發展,在整個市場發展過程中,成本不僅來自于電子標簽和傳感器,也包含接收設備、系統集成、計算機通信、數據處理平臺等綜合系統的建設。美國管理信息系統專家諾蘭基于200多個公司、部門發展信息系統的實踐經驗,提出了六階段的諾蘭模型:初始階段、傳播階段、控制階段、集成階段、數據管理階段和成熟階段。前三個階段為信息化不斷傳播和在組織局部應用的過程,而集成階段則是在前三個階段累積的無數個信息化孤島或者個體的基礎上,開始使用數據庫和遠程通信技術,努力整合現有的信息系統。依據諾蘭模型,我們認為物聯網的發展目前處于第三階段并逐步向第四階段過渡,當前階段的發展將主要以政府和大型企業投資拉動為主,通過在需求緊迫和相關行業典型應用如交通監控、機場安全等領域中推動,實現物聯網的典型應用并逐步推動物聯網標準、應用規范的發展,使得物聯網具備大規模商業化應用的基礎。

(3)自主技術問題。制約物聯網產業快速發展的關鍵問題是技術創新,物聯網領域與多項技術交叉融合,包括無線射頻、集成電路、網絡通信、計算機軟硬件、系統集成等,任何一個技術環節的滯后均會影響物聯網產業發展。就中國的現狀而言,由于國內集成電路設計水平的限制,市場上采用的超高頻電子標簽芯片大都來自TI、NXP、HITACHI、Intel等外國公司,而在結合硬件和軟件的嵌入式以及中間件領域,國內尚無產品可以與SAP、SUN、BEA(目前已被甲骨文收購)等展開競爭,自主技術處于絕對弱勢。

(4)互聯互通問題。從網絡結構上分析,物聯網實質上就是通過現有網絡(主要是互聯網)將眾多RFID應用系統連接起來,并在廣域網范圍內對物品身份進行識別的分布式系統。以RFID為例,無論是在交通、出入控制、電子支付還是在物流和鐵路等領域,都是在行業系統內部和企業內部的閉環應用,而物聯網則要求實現開環系統的應用。鑒于目前的產業發展水平,作為物聯網應用的重要部分之一,基于RFID的閉環系統應用仍將持續相當長的時間。此外,開環的應用還涉及不同行業之間的利益機制,以及人們關注的信息安全問題。從我國“三網融合”中業務融合、網絡融合和監管融合并未取得實質性進展的現實可以推測,行業的互聯互通將是物聯網產業能否實現規模化發展面臨的主要問題。

(三)發達國家物聯網產業政策經驗分析

綜觀發達國家的物聯網相關規劃或行動方案,規范法律制度、爭奪標準話語權、構建產業聯盟、完善創新機制等,成為各國產業政策設計的重要突破點。

(1)制定遠景規劃,以確定物聯網發展的目標與路徑。2009年,歐盟執委會發表了歐盟物聯網行動方案,明確歐洲在構建物聯網過程中的主導作用。行動計劃主要有管理、隱私及數據保護、潛在危險、關鍵資源、標準化、研發創新、管理機制、環境問題、統計數據和進展監管等一系列工作,以描述物聯網技術應用前景,并提出要加強歐盟政府對物聯網的管理,消除物聯網發展的障礙。美國非常重視物聯網的戰略地位,在國家情報委員會(NIC)發表的《2025年對美國利益潛在影響的關鍵技術》報告中,將物聯網列為六種關鍵技術之一。美國國家科學基金會的“全球網絡環境研究(GENI)”把在下一代互聯網上組建傳感器子網作為其中重要一項內容。韓國通信委員會也在2009年出臺了《物聯網基礎設施構建基本規劃》,提出2012年要實現的目標:“通過構筑世界最先進的物聯網基礎設施,建設成為未來廣播通信融合領域超一流的信息通信技術強國”,同時確定了重點建設的四大領域:構建物聯網基礎設施、發展物聯網服務、研發物聯網技術、營造物聯網擴散環境等。

(2)聚焦關鍵領域,深化物聯網技術的研發與實踐。2009年,美國總統奧巴馬簽署生效的《2009年美國恢復與再投資法案》中提出在智能電網、衛生醫療信息技術應用和教育信息技術進行大規模投資,以此三大領域來實現與物聯網技術的互動發展。如IBM已經開發出涵蓋智能電力、智能醫療、智能交通、智能銀行、智能城市等多項物聯網應用方案。日本IT戰略部在2009年7月頒布了日本新一代信息化戰略“I-Japan”,提出到2015年,運用數字化技術推進政務改革,使行政流程簡化、高效、規范、透明,同時推動電子病歷、遠程醫療、遠程教育等應用的發展。與之相對應,日本總務省提出的“U-Japan x ICT”政策,將U-Japan政策的重心從之前的單純關注居民生活品質提升拓展到帶動產業及地區發展,即通過各行業、地區與ICT的深化融合及有效應用,進而實現產業變革,推動新應用的發展,達到生活方式變革,實現無所不在的網絡社會環境。歐盟將物聯網相關技術的研發納入歐盟第7期科研框架計劃(EP7),通過政府與企業伙伴合作模式支持相關項目建設,并提出利用e-health、e-accessibility、應對氣候變遷、消除社會數字鴻溝等一系列有助于提升社會福利的先導項目來推動物聯網的部署。如歐洲合作研發機構校際微電子中心(IMEC)利用GPS、RFID技術開發出遠程環境監測、先進工業監測等系統。

(3)推廣標準建設,加強和協調物聯網的管理與運用。在控制國際互聯網標準的基礎上,美國在物聯網的國際標準制定方面取得優勢地位,其主導的EPCglobal標準已經被許多國家采納。2010年,傳感器網絡國際標準工作組(WGSN)成立后的第一次會議在英國倫敦召開,主要討論傳感器網絡的參考架構、智能電網標準等有關內容,美國等國家提出的智能電網標準獲得通過。在標準推廣方面,美國大范圍地進行信息化戰略部署,推進信息技術領域的企業重組,在爭取持續完全控制下一代互聯網(IPv6)服務器的同時,在全球推行EPC標準體系,以此主導全球物聯網的發展。物聯網標準制定者將制定編碼、解析及傳輸協議等規則,擁有編碼解析主服務器、中央數據庫,實際控制了全球生產流通企業注冊、物品編碼的發放,掌握了信息流向,掌握了產業話語權,可以控制和掌握全球所有商品和商品流通。同時,所有工業、經濟、商品流通等重要信息也就無一例外地被物聯網運行者(編碼解析服務器擁有者)輕易和全面地獲取。為此,歐盟執委會提出將評估現有物聯網相關標準并推動制定新的標準,持續監測歐洲標準組織、國際標準組織以及其他標準組織的物聯網標準制定進度,使物聯網標準的制定在各相關方的積極參與下,以一種開放、透明、協商一致的方式達成,確保物聯網的可信度、接受度和安全性,使物聯網在一個分布式管理架構下得以有效運行。

三、我國物聯網自主化發展的產業政策選擇

隨著國內勞動力市場“劉易斯拐點”的出現,勞動力成本加速上升將是未來的發展趨勢,勞動力成本上升對國內外貿依存度高的經濟增長結構形成沖擊,同時也將提高整個社會經濟的運行成本。物聯網的發展將提高整個社會的自動化和智能化的水平,有效抵御勞動力成本上升給產業發展帶來的影響,對于維持或提高產業競爭力與利潤率水平都具有積極作用。培育發展物聯網產業,必須注重市場主導與政府推動相結合,在充分發揮市場配置資源基礎性作用的同時,通過實施相應的產業政策,進一步消除制約產業發展的體制性障礙,引導、保障和促進產業的快速發展。

(一)構建產業聯盟,形成自主技術發展軌道

基于物聯網產業生態系統的復雜性,任何一家企業都不可能控制整個產業鏈,也較難通過單一產品的推進或引進某條生產線的方式來實現整個產業規模乃至相關產業鏈的跳躍式發展。因此,物聯網相關企業的合作聯動發展,對于構建自主化的物聯網產業鏈至關重要。政府要加強產業政策的引導,促進產業聯盟的形成和發展,以掌握核心技術為目標,對產業聯盟的開放式創新活動進行普遍性支持。為了避免產業投資的“潮涌現象”,政府應建立從創意、研發、孵化到市場推廣的端到端的智慧應用公共技術服務平臺,提供從技術研發到市場投入的平臺環境,營造研發創新的產業環境,推動企業集成創新,以較低的風險實現較大范圍的資源調配,從而成為企業優勢互補、擴展發展空間、提高產業競爭力、實現物聯網產業趕超戰略的重要手段。

(二)創新政府采購機制,促進物聯網產業化應用

對于市場尚未成熟的物聯網產業,可以通過政府采購機制,推動新技術的實踐應用。政府公共服務領域內對物聯網的率先應用將有效推動本土技術能力的提升以及在標準化過程中取得先發優勢,同時為物聯網服務以及贏利模式的探索提供有效途徑。為此,我國應依托全球最大的物聯網市場,以政府購買等方式,推動具有先發優勢的領先企業在公共服務領域進行示范性應用,如高速公路電子不停車收費(ETC)系統,以此內生地培育國內物聯網市場,從而帶動整個產業以及關鍵技術的形成。

(三)制定物聯網產業標準,提升產業發展的控制力

產業標準戰略不僅增強了發達國家在全球市場上的競爭優勢,而且誘導了技術后進國家在戰略路徑上的跟蹤模仿和過度依賴[8],抑制了這些國家自主創新能力的提高,使經濟發展越來越依附于發達國家的跨國公司。當前在物聯網產業領域,各國已經展開了激烈的主導設計競爭和產業標準競爭。我國要立足發展中大國的經濟社會發展現實情況和本土市場優勢,制定中國市場的產業標準,增強與國際標準組織談判的話語權。盡管我國在物聯網標準戰略方面并未取得“先發優勢”,但巨大的市場容量有利于消除中國標準被國際市場擱置的疑惑。即使失去了國際市場,國內巨大的市場容量也可以支撐足夠大的網絡規模,不僅可以為國內消費者提供足夠大的網絡效用,而且市場范圍越大,消費者需求多樣性程度越高,標準并存的可能性也就越大。如果中國標準擊敗了外國標準、占領了國內市場,將為采用中國標準的國外消費者帶來巨大的網絡效用,從而提高中國標準在國際市場的競爭力。關于物聯網標準的產業政策包括以下方面:一是把中國標準確定為國內市場推薦標準,鼓勵消費者、互補產品廠商支持中國標準;二是政府作為關鍵顧客,可以改變消費者預期;三是政府在研發上的支持,可以直接降低中國標準研發成本,降低研發風險;四是政府可以利用大國負責任的政治形象,向國際社會營銷中國標準。

(四)設立產業基金,以工業資本支持物聯網產業發展

物聯網產業作為戰略性新興產業,本身具有兩層含義:一是產業的戰略性,二是產業的新興性。所謂戰略性,是這一產業形成一定規模后能對經濟社會產生重要影響;二是應當具有特殊功能,對經濟社會發展具有深遠的戰略作用。所謂新興性,主要在于這些產業所應用的技術比較前沿,有些尚未成熟,同時技術的產業化也剛剛起步,尚未形成與成熟產業相當的產業規模。為此,可以效仿工業化階段“農業哺育工業”的相關政策措施,建立專項物聯網產業投資基金,以工業資本支持物聯網這一新興產業發展。通過引導資金參股設立創業投資企業,既有助于為物聯網關鍵產品及關鍵生產技術研發提供資金補貼,又有助于發揮政府資金的導向作用,引導社會資金投向園區初創期高新技術企業,加快科技成果的轉化,實現資本與技術的對接。

(五)實施政策傾斜,通過財政貨幣政策優先扶持物聯網產業

物聯網產業鏈演進路徑與一般產業不同,要實施跨越式發展,并占據發展先機,資金流的進入和稅收的減免是物聯網產業穩健發展的必不可少的一個重要條件。國內外經驗表明,金融資源流向哪個產業,便會催生哪個產業的大發展;國家政策導向對一個產業的發展至關重要。國家可以設立有特色的地方性科技銀行,通過信貸資金對物聯網進行資金支持,并大力發展金融創新產品,建立風險分擔機制,并通過政府貼息,減輕融資成本和負擔。在稅收方面,采取較其他產業更優惠的政策,實施減免措施,扶持物聯網產業做大做強。

[1]陳柳欽:《物聯網:國內外發展動態及亟待解決的關鍵問題》,載《決策咨詢通訊》,2010(5)。

[2]Richard R.Nelson,Sidney G.Winter,S.A n Evolutionary Theory of Econom ics Change.Boston:Harvard University Press,1982.

[3]Giovanni Dosi.“Source,Procedures and M icroeconomics of Innovation”.Journa l of Econom ic L iterature,1988,Vol.26,No.3.

[4]邁克爾·波特:《國家競爭優勢》,北京,華夏出版社,2002。

[5]楊德林、陳春寶:《沿技術軌道創新與高技術企業成長》,載《當代經濟科學》,1997(5)。

[6]杜越平、高雄、趙紅菊:《路徑依賴與企業順沿技術軌道的演化創新》,載《研究與發展管理》,2004(4)。

[7]楊志剛、吳貴生:《復雜產品技術能力成長的路徑依賴——以我國通信設備制造業為例》,載《科研管理》,2003(6)。

[8]王益民、宋琰紋:《全球生產網絡效應/集群封閉性及其“升級悖論”——基于大陸臺商筆記本電腦產業集群的分析》,載《中國工業經濟》,2007(4)。