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            首頁 > 智能制造

            新一代智能制造系統技術主題國際態勢分析

            www.cechina.cn2020.10.10閱讀 3472

              智能制造(Intelligent Manufacturing,IM)的發展包括產品、制造、模式、基礎等多個維度,具體包含智能產品和智能裝備的研制、智能感知技術的應用、智能終端和公共平臺的建設、智能生產模式的轉變、智能化集成制造系統的開發等,可看作是先進制造技術與人工智能(Artificial Intelligence, AI)等的集成發展。因此 IM 與 AI 相互交融,互相推動,AI 為 IM 的發展提供基礎,IM 是 AI 實際應用的主戰場和試金石。但是,不管是 AI 還是 IM 都是動態不斷發展的,昨天的 AI(AI 1.0)、IM(IM 1.0)與今天的 AI(AI 2.0)、IM(IM 2.0)大相徑庭、有本質上的差別。AI 概念早在 1956 年就正式提出來了,而 IM 在 80 年代末得到發展,隨著德國工業4.0、美國工業互聯網、《中國制造 2025》等相繼提出和實施,IM 逐漸成為世界大國爭奪制造業制高點的熱點問題,不管是 IM,還是與之相關的 AI,都得到了世界各國政府、企業界和學術界的廣泛關注。
              當前,我國產業結構轉型升級已經到了緊要關頭,勞動密集型發展思路已經面臨嚴峻挑戰和雙向的擠壓:一方面低端制造業向低成本國家轉移,另一方面高端制造業向發達國家回流。對此, 我國先后發布了《關于積極推進“互聯網”行動的指導意見》和《中國制造 2025》等一系列頂層設計文件,以推動我國制造業轉型升級?!笆濉?是“中國制造”向“中國智造”轉型升級的關鍵時期,在工信部發布《智能制造“十三五”發展規劃》中指出,到 2025 年智能制造支撐體系基本建立,初步實現重點產業智能轉型。
              本研究分析了智能制造主題SCI 發文和專利申請情況,通過分析發現智能制造起源于上世紀七十年代初,隨著時間的發展,直到九十年代初才有了量的發展,研究熱度持續增長。從文獻和專利的區域分布來看,美國在論文發表中占據較大優勢,但是在專利申請方面,日本、韓國和中國當前發展勢頭良好。
              文獻分析
              為檢索出與“智能制造系統”相關的研究與綜述論文,根據用戶提供的文獻,構建檢索策略 ,在ISI Web of Science-SCI 數據庫中,共檢索到4142 篇論文(檢索時間2018 年9 月)。其中,期刊論文(Article)3871 篇,綜述性論文(Review)142 篇。并對檢索出的數據采用TDA 和Excel 等工具進行分析,結果如下。
              01研究產出分析
             ?。?)年代分布
              從檢出結果看,1973 年日本人ITO, H,第一次提出了“自動機器人”這個概念,從圖1 中可以看出,縱觀整個研究歷史,前期發文量少, 都只有幾篇,研究進展緩慢,進入90 年代,發文量明顯增加,穩步增長,到2015 年以后增長比較迅猛,2018 年目前已經發表論文530 篇, 智能制造在現今已經引起人們越來越多的關注。

              圖1 新一代智能制造系統技術領域SCI論文年代分布

             ?。?)國家(地區)分布
              全球共有94 個國家和地區開展了智能制造的研究,其前二十位的國家排名見下圖(圖2)。發文量前十位的國家分別是美國、中國、英國、韓國、德國、加拿大、日本、意大利、中國臺灣、法國,上述十個國家在智能制造的主題中發文量占總量的82.28%。

              圖2 新一代智能制造系統技術SCI論文國家(地區)分布

              從國家角度看,美國在該主題的研究中占有一定的優勢,其發文量占全部論文的23.49%, 位居第二的是中國, 其發文量占全部論文的19.82%,說明智能制造在中國已經引起足夠重視,也已經是中國研究的一個熱點。第三位是英國,其發文量占全部論文的7.77%。
             ?。?)機構分布
              表1 列出了全球發表的關于智能制造的前二十位發文機構(排名二十、二十一、二十二的機構發文量相等,所以選取了二十二位機構)。其中中國(包括香港特區、臺灣?。┕灿?2 家發文機構,美國5 家,新加坡2 家,韓國、新西蘭、瑞典各一家,從以上可看出中國對智能制造的研究機構還是有相當數量的,非常注重此課題的研究。發文排名前五的機構分別是:北京航空航天大學、上海交通大學、中國香港大學、韓國科學技術院、中國科學院,中國占了4 席。前二十位的發文機構都是高校和科研院所。

              表1 新一代智能制造系統技術SCI論文研究機構分布情況


              美國的發文量雖居全球第一,但在前二十位機構中,占了5 席,中國的研究機構占了十二席。說明我國 30 多年的工業化進程令世人矚目,短期內已建立起門類齊全,獨立完整的制造業體系,中國制造也登上了歷史舞臺, 成為全世界關注的焦點。但正如其他工業化國家所經歷的發展歷程一樣,中國制造目前也面臨著低端市場比較優勢減弱、創新與升級轉型乏力、大批量規?;a模式難以為繼等挑戰。為順利完成制造業轉型升級,由制造業大國轉變為制造業強國,中國于2015 年出臺了制造強國中長期發展戰略規劃《中國制造2025》,全面部署推進我國制造強國戰略實施。
             ?。?)期刊分布
              該主題發表的論文涉及期刊800余種,發文量最多的前10種期刊分別是:INTERNATIONALJOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY (253篇)、ROBOTICS AND COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING (182篇)、INTERNATIONAL JOURNAL O F P R O D U C T I O N R E S E A R C H ( 1 6 2 篇) 、J O U R N A L O F I N T E L L I G E N T MANUFACTURING (138篇)、INDUSTRIAL ROBOT AN INTERNATIONAL JOURNAL (112篇)、INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING (108篇)、COMPUTERS IN INDUSTRY (85 篇)、JOURNAL OF MANUFACTURING S Y S T E M S ( 7 9 篇) 、C O M P U T E R S INDUSTRIAL ENGINEERING (68篇)、IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATION SCIENCE AND ENGINEERING(67篇)。

              表2 新一代智能制造系統技術論文發表期刊分布情況


              從期刊的分布來看,技術領域涉及期刊眾多, 并且發文較為均衡。
              02國家(地區)被引頻次分析
              對全球發表的關于智能制造研究論文的被引頻次進行分析,以國家進行累積加和,并計算其篇均被引頻次( 表3)??偙灰螖岛推灰蔚母叩驼f明研究的影響力大小,其中,總被引次數表示國家在該研究領域的影響力,篇均被引次數表示發表論文的被關注的程度。

              表3 新一代智能制造系統技術SCI論文國家/地區被引情況


              從總被引頻次來看,前10 位依次是美國、中國、英國、韓國、加拿大、德國、新西蘭、土耳其、日本、葡萄牙。美國總被引頻次達17647, 遙遙領先于其它國家;其篇均被引頻次排在第四位。中國發文量和總被引頻次都居第2 位,但篇均被引頻次居12 位。新西蘭的發文量雖居第20 位,但是篇均被引頻次位居第1 位,值得關注。

              圖3 新一代智能制造系統技術SCI論文前10個國家發文量-篇均被引頻次分析

              以發文量前10 位國家的國家名稱、發文量及其篇均被引頻次三個指標作氣泡圖,氣泡大小表示篇均被引頻次高低。由圖3 可以直觀看出, 美國的發文量和篇均被引頻次都居首位,篇均被引為18.08。中國發文量為世界第2 位,篇均被引頻次居中,為第5 位。
              03該領域研究技術主題分析
              根據檢索出的文獻,通過TDA 分析工具對關鍵詞進行分析,排除無效概念,得到智能制造系統涉及的高頻關鍵詞。該技術領域高頻詞主要集中于:機器人、互聯網、智能、實驗、精確、服務、挑戰、資源、管理、云制造、物聯網、智能制造(系統)、云計算、大數據、市場等。

              圖4 新一代智能制造系統技術SCI論文主題分布

              從該技術領域的熱點關鍵詞來看,技術領域主要圍繞智能制造進行研究,涉及產品、生產與服務等。智能制造云和工業互聯網是支撐智能制造的基礎。
              04小結
              本部分對新一代智能制造系統技術的國際基礎性研究進行了文獻分析,通過分析從整體上把握該領域國際發展態勢,為科學決策提供支撐。
              本部分對DNA 存儲技術的國際基礎性研究進行了文獻分析,通過分析從整體上把握該領域國際發展態勢,為科學決策提供支撐。
             ?。?) 智能制造系統的國際發展態勢
              智能制造目前已呈現出日新月異的變化,世界主要制造業強國都以智能制造作為抓手搶占制造業制高點,我國部署的“中國制造2025”也是如此。未來只有將新一代人工智能、信息通信技術與制造技術深度融合,才能把握智能制造的發展方向,更好地服務于人類工作和生活。從SCI 論文收錄情況來看,智能制造始于上世紀七十年代,九十年代文獻量才明顯增加,2015 年以后,呈快速增長趨勢。全球共有90 多個國家(地區)對該主題進行研究,美國是研究最多的國家,具有很大的優勢。中國也緊隨其后,論文量增長迅速,在世界排名第二位。國內機構中,北京航空航天大學、上海交通大學、香港大學、中國科學院、香港理工大學、華中科技大學、清華大學、天津大學、華南理工大學、浙江大學、國立清華大學(臺灣)、廣東工業大學,在前二十位機構中占了12 席。
             ?。?) 智能制造系統主要研究內容
              從該技術領域的熱點關鍵詞來看,技術領域主要圍繞智能制造進行研究,涉及產品、生產與服務等。智能制造云和工業互聯網是支撐智能制造的基礎。
              專利分析
              在ISI Derwent Innovations Index(DII) 數據庫中1,共檢索到10891 條專利文獻(檢索時間2018 年9 月)。對檢索出的數據采用DDA、DI 和Excel 等工具進行分析,結果如下。
              01總體情況分析
             ?。?)專利申請國家(地區)和時間分布
              從全球新一代智能制造系統技術專利申請來看(圖5),新一代智能制造系統的相關專利技術起步于20 世紀80 年,前期專利申請數量較少, 年度專利申請數量極少超過10 件以上。1998 年以后該技術領域的專利申請量開始快速增長, 2000 年后專利申請量就突破了百件,2008 年該技術領域專利申請達到第一個峰值,當年申請量超過700 件。隨后經過幾年專利申請量的盤整,2011 年開始,專利申請量又開始快速增長, 2017 年的專利申請峰值達到了1407 件。中國在該技術領域布局起步較晚,2006 年前后才有相關專利申請,2012 年以后,中國在該技術領域的專利申請快速增加,2017 年,國內在該技術領域的申請量達到790 件。

              圖5 新一代智能制造系統技術國內外專利申請時間演化圖

              圖6 技術領域專利技術來源國家(地區)分布

              從整體專利申請態勢來看,技術領域的布局熱度增加是從20 世紀90 年代末開始,當前該技術領域的專利技術申請布局還處于不斷上升的趨勢。
             ?。?)專利技術國家(地區)分布
              從專利技術的國家(地區)來源來看,日本的專利技術最多,占總數的29% ;其次是中國, 占總數的28% ;排名第三的是韓國,占總數的18%。從專利技術的市場分布來看,專利主要分布于中國、日本、美國和韓國。從圖6 和圖7 可以看出,亞洲是新一代智能制造系統技術的主要技術來源地區和市場。其中,日韓對外進行技術輸出,屬于技術輸出國。中國技術主要布局于國內,技術輸入輸出不明顯。美國在該技術領域屬于技術輸入者。

              圖7 技術領域專利技術市場國家(地區)分布

              從整體的布局情況看,亞洲國家對于該技術領域布局積極,歐美國家的布局數量稍顯遜色。
             ?。?)主要申請人分析
              從檢索結果看,約有6000 多家機構活躍在新一代智能制造系統技術研發領域。排名前10 名的機構中,機構性質全部屬于企業,說明該技術領域屬于應用性非常強的領域。從專利的數量來看,該技術領域的專利申請超過百件的有7 家機構。其中,三星電子(SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD)、愛普生(SEIKO EPSON CORP) 和安川電機(YASKAWA ELECTRIC CORP)專利申請數量排名前三。從專利申請的延續時間和近三年占比來看,大部分機構的技術延續性較好,近三年申請占比較少, 說明這些機構前期布局較多,并且技術研發一直保持著延續性。

              表4 新一代智能制造系統技術主題的主要專利申請人


              從具體機構主要申請區域布局來看,排名靠前的機構都有向外布局的態勢,除了本國的布局之外,日韓的機構對美國的布局較為密集。
             ?。?)中國專利權人情況分析
              中國在該技術領域布局的專利權人和國外相比有較大差異, 國內排名前十的機構基本上都是高校/ 科研機構,而國外在該技術領域排名靠前的基本上都是企業為主。國內申請數量篇排名前三的機構分別是:清華大學(UNIV TSINGHUA) 共74 件、華南理工大學(UNIV SOUTH CHINA TECHNOLOGY) 共45 件和哈爾濱工業大學(HARBIN INST TECHNOLOGY)共30 件。

              表5 新一代智能制造系統技術主題的國內主要專利申請人


              國內機構近三年專利申請占比較高,說明國內主要機構在該技術領域布局時間較晚。
             ?。?)新一代智能制造系統技術主題分析
              基于專利題名和摘要關鍵詞繪制新一代智能制造系統技術主題布局專利地圖,由圖8 可以看出,新一代智能制造系統技術研發主題主要集中晶片、半導體晶圓、云平臺、駕駛、外科手術、電動汽車、虛擬的、硅片輸送、圖像、視頻攝像機、減速器、PDA、負載鎖定室、建筑結構、激光束、電解質、圖像傳感器、機器人、手術器械、導航系統、數據存儲單元、自動化制造、液晶顯示裝置和云計算等。

              圖8 新一代智能制造系統技術專利申請布局專利地圖

              從新一代智能制造系統技術研發主題關鍵詞可以看出,智能制造技術涉及層面非常寬泛,集成了先進制造技術、信息技術、大數據技術以及人工智能技術等。
              02小結
              本部分對新一代智能制造系統技術主題進行了專利文獻分析。全球專利文獻中關于新一代智能制造系統技術主題的專利技術布局源20 世紀80 年,前期專利申請數量較少,九十年代末期專利申請數量開始迅速增加,截止2018 年,該技術領域專利申請的仍然保持著較為強勁的上升勢頭。
              全球關于新一代智能制造系統技術主題的相關技術布局區域涉及30 多個國家/ 地區。其中, 亞洲國家近些年對于該技術領域布局積極,日韓等亞洲先進國家也積極對外進行技術輸出。歐美國家的布局數量稍顯遜色,近些年布局動力不足。從專利權人角度來看,該技術領域專利的應用性極高,排名靠前的機構全部屬于企業性質。而國內與國際情況恰恰相反,國內布局機構大部分是高校/ 科研機構性質。
              新一代智能制造系統技術主題主要圍繞智能制造開展技術布局,涉及層面非常寬泛,集成了先進制造技術、信息技術、大數據技術以及人工智能技術等一系列先進技術。
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