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新一代智能制造系统技术主题国际态势分析

www.cechina.cn2020.10.10阅读 3333

  智能制造(Intelligent Manufacturing,IM)的发展包括产品、制造、模式、基础等多个维度,具体包含智能产品和智能装备的研制、智能感知技术的应用、智能终端和公共平台的建设、智能生产模式的转变、智能化集成制造系统的开发等,可看作是先进制造技术与人工智能(Artificial Intelligence, AI)等的集成发展。因此 IM 与 AI 相互交融,互相推动,AI 为 IM 的发展提供基础,IM 是 AI 实际应用的主战场和试金石。但是,不管是 AI 还是 IM 都是动态不断发展的,昨天的 AI(AI 1.0)、IM(IM 1.0)与今天的 AI(AI 2.0)、IM(IM 2.0)大相径庭、有本质上的差别。AI 概念早在 1956 年就正式提出来了,而 IM 在 80 年代末得到发展,随着德国工业4.0、美国工业互联网、《中国制造 2025》等相继提出和实施,IM 逐渐成为世界大国争夺制造业制高点的热点问题,不管是 IM,还是与之相关的 AI,都得到了世界各国政府、企业界和学术界的广泛关注。
  当前,我国产业结构转型升级已经到了紧要关头,劳动密集型发展思路已经面临严峻挑战和双向的挤压:一方面低端制造业向低成本国家转移,另一方面高端制造业向发达国家回流。对此, 我国先后发布了《关于积极推进“互联网”行动的指导意见》和《中国制造 2025》等一系列顶层设计文件,以推动我国制造业转型升级。“十三五” 是“中国制造”向“中国智造”转型升级的关键时期,在工信部发布《智能制造“十三五”发展规划》中指出,到 2025 年智能制造支撑体系基本建立,初步实现重点产业智能转型。
  本研究分析了智能制造主题SCI 发文和专利申请情况,通过分析发现智能制造起源于上世纪七十年代初,随着时间的发展,直到九十年代初才有了量的发展,研究热度持续增长。从文献和专利的区域分布来看,美国在论文发表中占据较大优势,但是在专利申请方面,日本、韩国和中国当前发展势头良好。
  文献分析
  为检索出与“智能制造系统”相关的研究与综述论文,根据用户提供的文献,构建检索策略 ,在ISI Web of Science-SCI 数据库中,共检索到4142 篇论文(检索时间2018 年9 月)。其中,期刊论文(Article)3871 篇,综述性论文(Review)142 篇。并对检索出的数据采用TDA 和Excel 等工具进行分析,结果如下。
  01研究产出分析
  (1)年代分布
  从检出结果看,1973 年日本人ITO, H,第一次提出了“自动机器人”这个概念,从图1 中可以看出,纵观整个研究历史,前期发文量少, 都只有几篇,研究进展缓慢,进入90 年代,发文量明显增加,稳步增长,到2015 年以后增长比较迅猛,2018 年目前已经发表论文530 篇, 智能制造在现今已经引起人们越来越多的关注。

  图1 新一代智能制造系统技术领域SCI论文年代分布

  (2)国家(地区)分布
  全球共有94 个国家和地区开展了智能制造的研究,其前二十位的国家排名见下图(图2)。发文量前十位的国家分别是美国、中国、英国、韩国、德国、加拿大、日本、意大利、中国台湾、法国,上述十个国家在智能制造的主题中发文量占总量的82.28%。

  图2 新一代智能制造系统技术SCI论文国家(地区)分布

  从国家角度看,美国在该主题的研究中占有一定的优势,其发文量占全部论文的23.49%, 位居第二的是中国, 其发文量占全部论文的19.82%,说明智能制造在中国已经引起足够重视,也已经是中国研究的一个热点。第三位是英国,其发文量占全部论文的7.77%。
  (3)机构分布
  表1 列出了全球发表的关于智能制造的前二十位发文机构(排名二十、二十一、二十二的机构发文量相等,所以选取了二十二位机构)。其中中国(包括香港特区、台湾省)共有12 家发文机构,美国5 家,新加坡2 家,韩国、新西兰、瑞典各一家,从以上可看出中国对智能制造的研究机构还是有相当数量的,非常注重此课题的研究。发文排名前五的机构分别是:北京航空航天大学、上海交通大学、中国香港大学、韩国科学技术院、中国科学院,中国占了4 席。前二十位的发文机构都是高校和科研院所。

  表1 新一代智能制造系统技术SCI论文研究机构分布情况


  美国的发文量虽居全球第一,但在前二十位机构中,占了5 席,中国的研究机构占了十二席。说明我国 30 多年的工业化进程令世人瞩目,短期内已建立起门类齐全,独立完整的制造业体系,中国制造也登上了历史舞台, 成为全世界关注的焦点。但正如其他工业化国家所经历的发展历程一样,中国制造目前也面临着低端市场比较优势减弱、创新与升级转型乏力、大批量规模化生产模式难以为继等挑战。为顺利完成制造业转型升级,由制造业大国转变为制造业强国,中国于2015 年出台了制造强国中长期发展战略规划《中国制造2025》,全面部署推进我国制造强国战略实施。
  (4)期刊分布
  该主题发表的论文涉及期刊800余种,发文量最多的前10种期刊分别是: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 新一代智能制造系统技术论文发表期刊分布情况


  从期刊的分布来看,技术领域涉及期刊众多, 并且发文较为均衡。
  02国家(地区)被引频次分析
  对全球发表的关于智能制造研究论文的被引频次进行分析,以国家进行累积加和,并计算其篇均被引频次( 表3)。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小,其中,总被引次数表示国家在该研究领域的影响力,篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。

  表3 新一代智能制造系统技术SCI论文国家/地区被引情况


  从总被引频次来看,前10 位依次是美国、中国、英国、韩国、加拿大、德国、新西兰、土耳其、日本、葡萄牙。美国总被引频次达17647, 遥遥领先于其它国家;其篇均被引频次排在第四位。中国发文量和总被引频次都居第2 位,但篇均被引频次居12 位。新西兰的发文量虽居第20 位,但是篇均被引频次位居第1 位,值得关注。

  图3 新一代智能制造系统技术SCI论文前10个国家发文量-篇均被引频次分析

  以发文量前10 位国家的国家名称、发文量及其篇均被引频次三个指标作气泡图,气泡大小表示篇均被引频次高低。由图3 可以直观看出, 美国的发文量和篇均被引频次都居首位,篇均被引为18.08。中国发文量为世界第2 位,篇均被引频次居中,为第5 位。
  03该领域研究技术主题分析
  根据检索出的文献,通过TDA 分析工具对关键词进行分析,排除无效概念,得到智能制造系统涉及的高频关键词。该技术领域高频词主要集中于:机器人、互联网、智能、实验、精确、服务、挑战、资源、管理、云制造、物联网、智能制造(系统)、云计算、大数据、市场等。

  图4 新一代智能制造系统技术SCI论文主题分布

  从该技术领域的热点关键词来看,技术领域主要围绕智能制造进行研究,涉及产品、生产与服务等。智能制造云和工业互联网是支撑智能制造的基础。
  04小结
  本部分对新一代智能制造系统技术的国际基础性研究进行了文献分析,通过分析从整体上把握该领域国际发展态势,为科学决策提供支撑。
  本部分对DNA 存储技术的国际基础性研究进行了文献分析,通过分析从整体上把握该领域国际发展态势,为科学决策提供支撑。
  (1) 智能制造系统的国际发展态势
  智能制造目前已呈现出日新月异的变化,世界主要制造业强国都以智能制造作为抓手抢占制造业制高点,我国部署的“中国制造2025”也是如此。未来只有将新一代人工智能、信息通信技术与制造技术深度融合,才能把握智能制造的发展方向,更好地服务于人类工作和生活。从SCI 论文收录情况来看,智能制造始于上世纪七十年代,九十年代文献量才明显增加,2015 年以后,呈快速增长趋势。全球共有90 多个国家(地区)对该主题进行研究,美国是研究最多的国家,具有很大的优势。中国也紧随其后,论文量增长迅速,在世界排名第二位。国内机构中,北京航空航天大学、上海交通大学、香港大学、中国科学院、香港理工大学、华中科技大学、清华大学、天津大学、华南理工大学、浙江大学、国立清华大学(台湾)、广东工业大学,在前二十位机构中占了12 席。
  (2) 智能制造系统主要研究内容
  从该技术领域的热点关键词来看,技术领域主要围绕智能制造进行研究,涉及产品、生产与服务等。智能制造云和工业互联网是支撑智能制造的基础。
  专利分析
  在ISI Derwent Innovations Index(DII) 数据库中1,共检索到10891 条专利文献(检索时间2018 年9 月)。对检索出的数据采用DDA、DI 和Excel 等工具进行分析,结果如下。
  01总体情况分析
  (1)专利申请国家(地区)和时间分布
  从全球新一代智能制造系统技术专利申请来看(图5),新一代智能制造系统的相关专利技术起步于20 世纪80 年,前期专利申请数量较少, 年度专利申请数量极少超过10 件以上。1998 年以后该技术领域的专利申请量开始快速增长, 2000 年后专利申请量就突破了百件,2008 年该技术领域专利申请达到第一个峰值,当年申请量超过700 件。随后经过几年专利申请量的盘整,2011 年开始,专利申请量又开始快速增长, 2017 年的专利申请峰值达到了1407 件。中国在该技术领域布局起步较晚,2006 年前后才有相关专利申请,2012 年以后,中国在该技术领域的专利申请快速增加,2017 年,国内在该技术领域的申请量达到790 件。

  图5 新一代智能制造系统技术国内外专利申请时间演化图

  图6 技术领域专利技术来源国家(地区)分布

  从整体专利申请态势来看,技术领域的布局热度增加是从20 世纪90 年代末开始,当前该技术领域的专利技术申请布局还处于不断上升的趋势。
  (2)专利技术国家(地区)分布
  从专利技术的国家(地区)来源来看,日本的专利技术最多,占总数的29% ;其次是中国, 占总数的28% ;排名第三的是韩国,占总数的18%。从专利技术的市场分布来看,专利主要分布于中国、日本、美国和韩国。从图6 和图7 可以看出,亚洲是新一代智能制造系统技术的主要技术来源地区和市场。其中,日韩对外进行技术输出,属于技术输出国。中国技术主要布局于国内,技术输入输出不明显。美国在该技术领域属于技术输入者。

  图7 技术领域专利技术市场国家(地区)分布

  从整体的布局情况看,亚洲国家对于该技术领域布局积极,欧美国家的布局数量稍显逊色。
  (3)主要申请人分析
  从检索结果看,约有6000 多家机构活跃在新一代智能制造系统技术研发领域。排名前10 名的机构中,机构性质全部属于企业,说明该技术领域属于应用性非常强的领域。从专利的数量来看,该技术领域的专利申请超过百件的有7 家机构。其中,三星电子(SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD)、爱普生(SEIKO EPSON CORP) 和安川电机(YASKAWA ELECTRIC CORP)专利申请数量排名前三。从专利申请的延续时间和近三年占比来看,大部分机构的技术延续性较好,近三年申请占比较少, 说明这些机构前期布局较多,并且技术研发一直保持着延续性。

  表4 新一代智能制造系统技术主题的主要专利申请人


  从具体机构主要申请区域布局来看,排名靠前的机构都有向外布局的态势,除了本国的布局之外,日韩的机构对美国的布局较为密集。
  (5)中国专利权人情况分析
  中国在该技术领域布局的专利权人和国外相比有较大差异, 国内排名前十的机构基本上都是高校/ 科研机构,而国外在该技术领域排名靠前的基本上都是企业为主。国内申请数量篇排名前三的机构分别是:清华大学(UNIV TSINGHUA) 共74 件、华南理工大学(UNIV SOUTH CHINA TECHNOLOGY) 共45 件和哈尔滨工业大学(HARBIN INST TECHNOLOGY)共30 件。

  表5 新一代智能制造系统技术主题的国内主要专利申请人


  国内机构近三年专利申请占比较高,说明国内主要机构在该技术领域布局时间较晚。
  (5)新一代智能制造系统技术主题分析
  基于专利题名和摘要关键词绘制新一代智能制造系统技术主题布局专利地图,由图8 可以看出,新一代智能制造系统技术研发主题主要集中晶片、半导体晶圆、云平台、驾驶、外科手术、电动汽车、虚拟的、硅片输送、图像、视频摄像机、减速器、PDA、负载锁定室、建筑结构、激光束、电解质、图像传感器、机器人、手术器械、导航系统、数据存储单元、自动化制造、液晶显示装置和云计算等。

  图8 新一代智能制造系统技术专利申请布局专利地图

  从新一代智能制造系统技术研发主题关键词可以看出,智能制造技术涉及层面非常宽泛,集成了先进制造技术、信息技术、大数据技术以及人工智能技术等。
  02小结
  本部分对新一代智能制造系统技术主题进行了专利文献分析。全球专利文献中关于新一代智能制造系统技术主题的专利技术布局源20 世纪80 年,前期专利申请数量较少,九十年代末期专利申请数量开始迅速增加,截止2018 年,该技术领域专利申请的仍然保持着较为强劲的上升势头。
  全球关于新一代智能制造系统技术主题的相关技术布局区域涉及30 多个国家/ 地区。其中, 亚洲国家近些年对于该技术领域布局积极,日韩等亚洲先进国家也积极对外进行技术输出。欧美国家的布局数量稍显逊色,近些年布局动力不足。从专利权人角度来看,该技术领域专利的应用性极高,排名靠前的机构全部属于企业性质。而国内与国际情况恰恰相反,国内布局机构大部分是高校/ 科研机构性质。
  新一代智能制造系统技术主题主要围绕智能制造开展技术布局,涉及层面非常宽泛,集成了先进制造技术、信息技术、大数据技术以及人工智能技术等一系列先进技术。