基于專利地圖的智能制造行業分析

曹 蕾，來堯靜

(南京工業大學經濟與管理學院，江蘇 南京 211816)

隨著智能技術、智能材料和智能產品等的大量涌現，智能化已成為21世紀的重要標志之一，并在各方面影響著人們的生活。近年來，高速發展的智能制造產業已成為各國占領制造業制高點的重點產業。美、歐、日等發達國家和地區將智能制造列為支撐未來可持續發展的重要智能技術[1]；“中國制造2025”以建設制造業強國為主攻方向，將智能制造裝備納入戰略性新興產業的重要領域。智能制造是制造業數字化、網絡化、智能化的主導趨勢和必然結果，蘊含豐富的科學內涵[2]，智能制造的興起奠定了科學發展的方向，是知識創新的必然趨勢。企業如何對自身擁有的數據、信息進行歸納總結，如何客觀地把握技術發展方向，對技術進行前瞻性判斷，是提升企業核心競爭力的關鍵，也是智能制造技術發展的關鍵[3]。

國內許多學者對智能制造業進行了深刻的理論研究。熊有倫[4]認為智能制造的本質是應用人工智能理論和技術解決制造中的問題，如何挖掘、保存、傳遞、利用制造過程中長期積累下來的大量經驗、技能和知識是現代企業迫在眉睫的問題；歐陽華兵[5]針對智能制造4個關鍵共性技術——GPS(global positioning system,全球定位系統)、先進感知技術、智能生產調度與優化技術、智能服務技術進行了深入分析與探討；周靜紅[6]基于信息化時代的智能制造發展趨勢提出了新一輪高職人才培養方式并進行了深入的研討；方毅芳[7]認為智能制造系統是由智能設計、生產、管理、產品、服務5個要素構成的生產模式的標準化體系；張慧穎等[8]利用專利信息庫，從專利文獻、專利數據的角度對智能制造關鍵領域的專利申請量、技術熱點等方面進行比較分析，并提出有力的發展建議。本文以“智能制造”為主題，從專利管理地圖和專利技術地圖兩方面進行分析。

1 從專利看智能制造的整體形象

1.1 專利地圖

專利地圖是一種處理和分析專利信息的工具，以易于理解的圖表形式呈現。如今，為了從專利信息中獲取技術開發的方向及確定技術的應用領域，專利地圖成為重要的工具。

國內大多數學者根據專利分析目的的不同將專利地圖分為專利管理地圖、專利技術地圖和專利權利地圖，不同類型的專利地圖在專利分析過程中發揮的作用也不相同。近些年，隨著計算機技術的不斷發展，專利信息分析方式也從人工分析轉為計算機分析，使得專利地圖的運用更加普遍，人們將充分利用專利信息非結構性的特點，為相關的技術領域編制并提供專利地圖，為開展行業內的技術競爭提供參考[9]。除此之外，專利地圖法也在發展中不斷完善，與其他研究方法融合，克服了忽視專利信息關聯性分析的不足。

1.2 智能制造行業發展總體趨勢

本文以檢索式TS=(Intelligent Manufacturing) OR TS=(Intelligent Manufacturing Technology)在德溫特專利數據庫進行專利檢索并下載，得到專利5 794件。專利數量位于前列的國家或地區依次是：中國5 164件、美國487件，日本188件。需要說明的是本次檢索的時間跨度為1995年—2017年，但由于專利從申請到公開一般有十幾個月的滯后[10]，故2017年專利的實際數量會有變化，這里列出的數據僅供參考。

如圖1所示，全球智能制造專利申請量在1995年—2017年間總體呈上升趨勢。2008年之前每年的專利數量僅有幾十件，此階段為全球智能制造技術發展的萌芽階段；2008年—2012年專利數量每年穩步增長，全球智能制造技術處于平緩增長期；2012年之后隨著全球第四次工業革命的推動，專利數量從2012年的291件增長到2015年的1 316件，年平均增長率達65.4%，全球智能制造技術進入快速成長階段；2016年后專利申請量增長速度有所放緩，智能制造技術進入發展成熟階段但依然有很大的發展潛力。技術生命周期是決定技術是否有必要繼續發展的依據，是引導技術系統更替的標尺[11]。從技術生命周期看，智能制造技術目前處于發展期，并保持較快的發展速度，具有較大的潛力和良好的發展前景。

圖1 1995年—2017年專利申請量擬合S曲線圖

如圖2所示，我國智能制造技術的發展進程與全球大體一致。2012年我國智能制造技術從萌芽階段進入平緩增長期；2012年以后伴隨著我國制造業轉型升級和政府的有力推動以及對知識產權保護的重視，我國智能制造技術發展勢頭迅猛，進入快速成長階段，專利數量從2012年的250件增長到2015年的1 262件，年平均增長率為71.5%，高于全球同期平均水平；2016年后專利申請量增長速度有所放緩，進入發展新常態模式。

圖2 各年份主要國家專利申請情況

對專利權人的分析是專利地圖法的一個重要環節，通過對專利權人的專利申請量排名，可以清楚了解該技術領域內的主要競爭者[12]。中國智能制造技術的發展雖然較美國、日本起步晚，但2008年以后，美國和日本專利申請數量上升速度較慢、幅度較小，中國相關專利申請量增速較快，并位居榜首。通過對全球智能制造產業專利權人申請情況進行分析發現，排名前十的都是中國的企業/高校，如圖3所示，由此可見，中國在智能制造技術方面已占據全球重要的位置，相對于美國和日本有突出優勢。

圖3 國際智能制造產業專利權人申請情況

1.3 智能制造專利技術應用/領域

專利技術分析主要是基于IPC(international patent classification)來發掘行業內的核心技術，從而掌握技術演進路徑，分析國際智能制造行業的技術發展方向[12]。本文選取每年專利申請量位居前列的技術作為比較對象進行比較，結果如圖4所示，由圖可知，從IPC技術領域看，國際智能制造技術專利主要集中在智能設計(G05B/ G06K)、生產(H05B)、管理和服務(G06F)的全生命周期等重點領域。

圖4 國際智能制造領域前十位IPC重點技術分布

在專利IPC趨勢氣泡圖(圖5)中，氣泡的大小代表專利數量的多少，氣泡越大說明該技術的專利數量越多，因此可以從這些數據推知哪些是技術研發活動的活躍區域，也就是全球智能制造的重點技術領域。如圖5所示，智能工廠全面控制系統(G05B-019/418)和集成電路芯片結構的細節(G06K-019/077)專利申請量的變化趨勢為逐年波動上升，持續發展不曾間斷，并且長期名列前茅，說明其是全球智能制造的重點技術領域。除集成可柔性制造單元、建設數字化車間和工廠使生產系統的柔性自動化不斷提高外，向著具有感知、決策、執行等數據處理功能特征的智能化系統發展也是近年來發展的熱點[13]。

圖5 全球智能制造專利IPC趨勢

對全球智能制造行業整體技術態勢了解之后，從我國智能制造技術發展的角度出發，有利于認清形勢，確立自身的技術優勢，找到存在的不足。通過對圖6與圖4的對比分析，可以看出我國智能制造技術發展的重點領域與全球基本吻合，主要集中在智能產品、生產過程、管理、服務這幾個領域，重點技術為控制調節系統、建筑材料、集成電路制造。

圖6 中國智能制造領域重點技術IPC前十位

在專利數量上我國雖占據了全球專利的九成以上，但其中PCT(patent cooperation treaty)專利數量較少，這表明我國專利的數量雖多但質量不高，因此在注重數量的同時也要注重專利的質量。

在經濟全球化的背景下，競爭對手無處不在，只有隨時掌握競爭對手的動態才能在國際競爭中長期處于不敗之地，美國和日本作為該領域內的主要競爭者，自然要對其進行重點分析。如圖7所示，美國智能制造技術研發熱點涉及H01L(具有特殊應用電路中的半導體器件)、G05B(一般的控制或調節系統)和G06F(電數字數據處理)；如圖8所示，日本智能制造技術研發熱點則高度集中在H01L(具有特殊應用電路中的半導體器件)。

圖7 美國智能制造專利前十位IPC重點技術

圖8 日本智能制造專利前十位IPC重點技術

從以上技術研發熱點分布看，美國側重于機床制造和數控系統的智能化和精密化，同時對3D打印技術和工業機器人的技術研發也處于高度活躍的狀態；日本核心技術發展的特點和趨勢都與計算機技術、傳感器技術息息相關，因此可以判斷日本在工業機器人市場依然處于技術壟斷的地位。對比我國智能制造重點研發技術，智能化和高端化相對落后，這就需要提高技術轉換的意識，結合自身的能力水平，發揮優勢，搶占制高點。

2 發展與建議

本文以專利地圖為工具，從專利管理地圖和專利技術地圖兩方面入手，對全球智能制造業進行了分析，同時也較為全面地分析了我國智能制造行業的現狀，具有一定的借鑒意義。為推進智能制造業可持續發展，本文提出如下幾點建議：

1)針對當前全球智能制造行業技術發展的現狀和趨勢，以政府牽頭深化國際交流、開展產業戰略研究和合作是重中之重。近年來美、日、德等工業發達國家雖然在專利申請數量上相對較少，但他們作為智能制造裝備產業的開拓和發展先驅，有多年的技術積累且產業集中度極高。因此，政府應鼓勵我國企業并購具有品牌和核心技術的外企，鼓勵智能制造企業在自貿區建立國際總部，積極實施知識產權共享、共建產業園區，努力整合全球優勢資源，完善全球化戰略布局。

2)目前，我國的智能裝備和先進軟件如工業機器人、智能控制技術、集成電路芯片制造裝備等，在很大程度上都依賴進口。因此，國內智能制造技術研發單位在核心技術的研究中，要努力突破瓶頸，在技術引進的過程中提高原始創新能力，在找出專利申請空白點的同時找準新技術的研發方向，擴大專利覆蓋面，重點突破智能制造裝備集成和工業軟件創新。在技術研發上要注重穩扎穩打，有重點地提高我國專利的質量，提高核心技術的研發能力。同時也要重視PCT專利申請，追上國際水平。

3)通過對專利權人的分析可以看出，我國智能制造專利申請的重心多在企業，鮮有高校等科研機構。與發達國家相比，我國的專利申請企業規模較小，自主品牌相對薄弱，導致產業規模和研發能力都與發達國家存在一定的差距。因此，政府需加大對高校科研的投入，培養復合型創新人才，大力推進科研院所的基礎科研工作，積極推動產業技術聯盟建設和企業的產業化進程，切實加強對“產學研”合作的支持，提高我國智能制造核心技術的競爭力，打造完整的智能制造產業鏈，實現我國制造業跨越式發展。