張慧婧,胡思思,劉美蓉,曹 晨,黃琳琳
(1.中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心,湖北武漢 430071;2.科技大數(shù)據(jù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071;3.華中科技大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園,湖北武漢 430223)
當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局,國(guó)際環(huán)境日益復(fù)雜,全球科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈。隨著工業(yè)化和信息化的深度融合,智能制造已逐漸成為全球各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域。德國(guó)《國(guó)家工業(yè)戰(zhàn)略2030》、美國(guó)《先進(jìn)制造業(yè)美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》、日本《第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃(2016—2020)》以及歐洲《工業(yè)5.0 的使能技術(shù)》等一系列計(jì)劃的密集出臺(tái),無不將智能制造作為搶占全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新格局制高點(diǎn)的重要抓手。中國(guó)是制造業(yè)大國(guó),但還不是制造強(qiáng)國(guó)。智能制造業(yè)的快速發(fā)展直接關(guān)系著中國(guó)在未來全球制造業(yè)中的地位,對(duì)于加快發(fā)展中國(guó)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系,鞏固壯大實(shí)體經(jīng)濟(jì)根基,構(gòu)建新發(fā)展格局起到了至關(guān)重要的作用[1]。智能制造裝備作為智能制造的核心組成部分,是具有感知、決策、執(zhí)行功能的各類制造裝備的統(tǒng)稱[2],包括增材制造裝備、工業(yè)機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床等細(xì)分領(lǐng)域,是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成和深度融合的重要體現(xiàn)。2021 年7 月《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于新時(shí)代推動(dòng)中部地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的意見》明確指出,要充分發(fā)揮中部地區(qū)承東啟西、連南接北的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和資源要素豐富、市場(chǎng)潛力巨大、文化底蘊(yùn)深厚等比較優(yōu)勢(shì),著力構(gòu)建以先進(jìn)制造業(yè)為支撐的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系。裝備制造業(yè)是湖北省的重要支柱產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè),湖北省必須充分發(fā)揮作為科教大省的優(yōu)勢(shì),加快推進(jìn)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,加速實(shí)現(xiàn)由裝備大省向強(qiáng)省的轉(zhuǎn)變,才能在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中搶占先機(jī)、贏得主動(dòng)。
本研究將incoPat 數(shù)據(jù)庫(kù)作為檢索數(shù)據(jù)庫(kù),通過“增材制造設(shè)備”“3D 打印設(shè)備”“光固化成型設(shè)備”“三維打印設(shè)備”“聚合物噴射設(shè)備”“熔融層積設(shè)備”“選區(qū)激光熔化成型設(shè)備”“選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備”“激光熔覆成型設(shè)備”“電子束熔化設(shè)備”“工業(yè)機(jī)器人”“重大成套設(shè)備制造”“智能測(cè)控裝備制造”“高端數(shù)控機(jī)床”“高級(jí)數(shù)控機(jī)床”“精密數(shù)控機(jī)床”“五軸數(shù)控機(jī)床”“智能零件”等關(guān)鍵詞制定相關(guān)檢索式,并通過國(guó)際專利分類號(hào)(IPC)、聯(lián)合專利分類體系(CPC)分類號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,得到全球智能制造裝備有關(guān)專利文獻(xiàn)共129 476 篇。其中,中國(guó)智能制造裝備有關(guān)專利文獻(xiàn)49 061 篇,湖北省智能制造裝備有關(guān)專利文獻(xiàn)1 477 篇。檢索截止日期為2021 年8 月31 日。
目前,全球智能制造裝備領(lǐng)域的發(fā)展梯隊(duì)相對(duì)固定,相關(guān)跨國(guó)企業(yè)主要集中在美國(guó)、德國(guó)及日本等工業(yè)化發(fā)達(dá)的國(guó)家。從智能制造裝備領(lǐng)域的全球?qū)@暾?qǐng)數(shù)量來看,中國(guó)、日本、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家排名前列;從全球技術(shù)輸入輸出量情況來看(見表1),除日本和德國(guó)的相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量大于專利公開數(shù)量,為技術(shù)輸入型國(guó)家之外,美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)家及地區(qū)均為相關(guān)專利技術(shù)的輸入國(guó);從專利公開國(guó)別和專利申請(qǐng)國(guó)別來看,中國(guó)既是相關(guān)專利公開數(shù)量最多的國(guó)家,也是領(lǐng)域內(nèi)專利申請(qǐng)數(shù)量最多的國(guó)家。由此可見,中國(guó)不僅是全球智能制造裝備專利布局的主要市場(chǎng),也是進(jìn)行智能制造裝備專利布局的主要國(guó)家。
表1 智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@闹饕獓?guó)家分布
由表2 可以看出,智能制造裝備領(lǐng)域的全球前20 位專利申請(qǐng)人中,日本企業(yè)有13 家,占據(jù)半壁江山。其中,日本發(fā)那科公司和三菱電機(jī)株式會(huì)社的專利申請(qǐng)數(shù)量居于全球前兩位,且其專利申請(qǐng)數(shù)量之和占前20 位主要申請(qǐng)人專利申請(qǐng)總數(shù)的47%??梢娙毡局悄苤圃煅b備企業(yè)龍頭效應(yīng)顯著,技術(shù)實(shí)力全球領(lǐng)先。
表2 智能制造裝備領(lǐng)域全球?qū)@那?0 位申請(qǐng)人
表2 (續(xù))
圖1 顯示了2011-2020 年中國(guó)智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)數(shù)量情況。從申請(qǐng)趨勢(shì)來看,2013 年起,中國(guó)智能制造裝備技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期,相關(guān)專利申請(qǐng)量年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到20%以上,企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化制造、組裝和封裝流程。隨著中國(guó)對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)(裝備)重視度的不斷提高,以及國(guó)內(nèi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度的日益完善,在智能制造裝備領(lǐng)域中國(guó)自主布局以及國(guó)外在華申請(qǐng)的相關(guān)專利數(shù)量將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。
圖1 中國(guó)智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)數(shù)量年度分布
近年來,中國(guó)出臺(tái)了一系列相關(guān)規(guī)劃以支持智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,如《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020 年)》《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等均以加快發(fā)展智能制造裝備產(chǎn)業(yè)為重要任務(wù),布局規(guī)劃制造強(qiáng)國(guó)的推進(jìn)路徑。在空間布局上,中國(guó)智能制造裝備基本形成了以長(zhǎng)三角和環(huán)渤海地區(qū)為核心、珠三角和東北為兩翼、西部地區(qū)為支撐、中部地區(qū)快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)空間格局[3]。如表3 所示,從中國(guó)地理區(qū)域來看,華東地區(qū)專利布局?jǐn)?shù)量最多,共有相關(guān)專利23 995 件;華南地區(qū)排名第二,擁有相關(guān)專利7 605 件;華北地區(qū)排名第三,相關(guān)專利數(shù)量為4 302 件;其后依次是華中地區(qū)、西南地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)。
表3 2011—2020 年中國(guó)智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)人的區(qū)域分布 單位:件
近年來,國(guó)內(nèi)各地充分結(jié)合自身在科技、市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)配套和政策支撐等方面的有利條件,培育了一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)集群(見表4)。
表4 中國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的區(qū)域發(fā)展主要情況
湖北省在智能制造裝備領(lǐng)域的專利申請(qǐng)最早見于1992 年;2003 年,湖北省申請(qǐng)了3 件相關(guān)專利,正式開啟了智能制造裝備的探索之路。如圖2 所示,2004—2016 年是湖北省智能制造裝備技術(shù)的緩慢發(fā)展期,相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量在100 件以下,年均增長(zhǎng)量不到6 件;2017—2020 年,在國(guó)家和地方的大力支持下,湖北省高端裝備制造產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展,相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量急速增長(zhǎng),年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到16.3%。
圖2 湖北省智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)趨勢(shì)
全國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)專利分布如表5 所示。截至2021 年8 月,湖北省智能制造裝備領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量為1 477 件,占全國(guó)申請(qǐng)總量的3%,全國(guó)排名第10 位。由此可見,湖北省在智能制造裝備領(lǐng)域的專利產(chǎn)出處于全國(guó)中游水平,技術(shù)研發(fā)實(shí)力不夠突出,是制造大省但并非強(qiáng)省。
表5 湖北省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)專利申請(qǐng)量的國(guó)內(nèi)比較
如表6 所示,湖北省智能制造裝備領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要集中在武漢市、襄陽(yáng)市和十堰市,這3 個(gè)城市相關(guān)專利的申請(qǐng)數(shù)量之和占全省申請(qǐng)總量的77%。其中,武漢市相關(guān)專利申請(qǐng)量占全省比例超過50%,為技術(shù)研發(fā)的核心區(qū);襄陽(yáng)市和十堰市相關(guān)專利的申請(qǐng)量分別占全省的10%和7%左右,是技術(shù)研發(fā)的輻射區(qū)。這3 個(gè)城市的智能制造裝備企業(yè)主要聚集在國(guó)家級(jí)、省級(jí)高新技術(shù)開發(fā)區(qū),如武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)集聚了武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司、華工科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司、武漢華中數(shù)控股份有限公司等眾多智能制造裝備相關(guān)企業(yè),主攻數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、激光設(shè)備等領(lǐng)域。
表6 湖北省智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)量排名前10 位的城市
如表7 所示,湖北省智能制造裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)量排名前20 位的申請(qǐng)人中,高檔數(shù)控機(jī)床相關(guān)專利的申請(qǐng)人數(shù)量最多,其次是工業(yè)機(jī)器人,第三是增材制造。其中,華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、武漢大學(xué)在工業(yè)機(jī)器人、高端數(shù)控機(jī)床和增材制造三大領(lǐng)域均有專利布局;武漢科技大學(xué)、中冶南方工程技術(shù)有限公司在工業(yè)機(jī)器人和高檔數(shù)控機(jī)床有專利布局;三峽大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)在增材制造和高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域有專利布局。
表7 湖北省智能制造裝備領(lǐng)域擁有專利數(shù)量排名前20 位的申請(qǐng)人
表7 (續(xù))
湖北省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)中,有關(guān)高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的專利技術(shù)研究重點(diǎn)主要集中在數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床測(cè)量、激光加工用高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)床用夾具等細(xì)分方向;工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人對(duì)機(jī)械手、焊接機(jī)器人等研究方向的關(guān)注度較高;增材制造設(shè)備領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人主要側(cè)重于打印平臺(tái)、打印材料、送粉系統(tǒng)等細(xì)分領(lǐng)域的研究。從專利申請(qǐng)的技術(shù)布局來看(見圖3),主要專利申請(qǐng)人的專利產(chǎn)出集中在B25J9(程序控制機(jī)械手)、G05B19(程序控制系統(tǒng)。特殊應(yīng)用見有關(guān)位置,例如A47L15/46;附帶或內(nèi)裝有在預(yù)定時(shí)間間隔操作任一器件的裝置的時(shí)鐘入G04C23/00;記錄或讀取數(shù)字信息的記錄載體入G06K;信息存儲(chǔ)器入G11;在程序執(zhí)行完成后自動(dòng)終止運(yùn)行的時(shí)間或時(shí)間程序開關(guān)入H01H43/00)、B23Q11(適用于保持刀具或機(jī)床部件良好的工作狀態(tài)或者適用于工件冷卻的安裝在機(jī)床的附件;專門組合于或配置于或?qū)iT適用于有關(guān)機(jī)床的安全設(shè)備(有關(guān)鏜床或鉆床的入B23B47/24,B23B47/32 優(yōu)先;一般安全設(shè)備入F16P)和B22F3(由金屬粉末制造工件或制品,其特點(diǎn)為用壓實(shí)或燒結(jié)的方法;所用的專用設(shè)備)4 個(gè)細(xì)分領(lǐng)域。各申請(qǐng)人側(cè)重點(diǎn)不同,如華中科技大學(xué)和武漢大學(xué)側(cè)重于金屬粉末工件智能制造的研究,相關(guān)專利被集中歸入B22F3;武漢理工大學(xué)和武漢華中數(shù)控股份有限公司側(cè)重于程序控制系統(tǒng)研究,相關(guān)專利被集中歸入G05B19。
圖3 湖北省智能制造裝備領(lǐng)域主要專利申請(qǐng)人的技術(shù)布局
湖北省近年來不斷出臺(tái)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)政策,以扶持和促進(jìn)全省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,但與廣東省、江蘇省、浙江省等國(guó)內(nèi)其他制造強(qiáng)省相比還存在較大差距。
《數(shù)字中國(guó)發(fā)展報(bào)告(2020 年)》表明,北京市、浙江省、上海市的信息化發(fā)展綜合水平領(lǐng)跑全國(guó),廣東省、江蘇省、天津市緊隨其后,而湖北省排名全國(guó)第8 位,其中產(chǎn)業(yè)數(shù)字化水平全國(guó)排名第7 位、信息服務(wù)應(yīng)用水平全國(guó)排名第10 位,信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)水平并未入圍全國(guó)前十[15]。由此可見,湖北省信息化發(fā)展水平與其他先進(jìn)省份還存在顯著差距。具體而言,一方面,湖北省信息化建設(shè)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、尋址方式、應(yīng)答機(jī)制等方面尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),使得湖北省智能化全面升級(jí)和改造仍然面臨著信息孤島、數(shù)據(jù)壁壘等問題和挑戰(zhàn)[16];另一方面,兩化融合發(fā)展分化明顯,一半以上的工業(yè)企業(yè)仍處于信息基礎(chǔ)、單項(xiàng)覆蓋等較低階段[17]。
湖北省智能制造裝備企業(yè)雖然在共性基礎(chǔ)技術(shù)上有一定突破,但仍面臨中高端裝備供給不足、智能化的軟硬件缺乏自主研發(fā)技術(shù)、自主生產(chǎn)能力整體較弱、對(duì)外依存度較高等問題[18]。如在零部件制造領(lǐng)域,機(jī)器人控制器、傳感器等零部件的性能與國(guó)外相比仍有一定差距,中高精度減速機(jī)、伺服電機(jī)、末端執(zhí)行器等核心零部件仍是“卡脖子”環(huán)節(jié)。
湖北省智能制造裝備技術(shù)主要聚焦制造過程環(huán)節(jié),而在材料設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、信息管理等配套環(huán)節(jié)的技術(shù)布局較弱。除武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司、武漢華中數(shù)控股份有限公司等少數(shù)企業(yè)能夠提供智能制造整體解決方案以外,大部分企業(yè)還局限于單機(jī)智能化應(yīng)用領(lǐng)域,能夠提供多模式、全流程、全生命周期的工程總承包企業(yè)數(shù)量較少且能力較弱。
依托湖北省各地市重點(diǎn)發(fā)展的高新區(qū)、經(jīng)開區(qū)和工業(yè)園區(qū),鼓勵(lì)智能車間、智能工廠和智能場(chǎng)景的建設(shè),促進(jìn)制造業(yè)工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自主適應(yīng)控制等信息化技術(shù)的發(fā)展。大力實(shí)施工業(yè)強(qiáng)基工程,加強(qiáng)核心基礎(chǔ)零部件(元器件)、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的應(yīng)用推廣。通過對(duì)園區(qū)進(jìn)行資質(zhì)認(rèn)定、等級(jí)評(píng)估、補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)等方式,充分調(diào)動(dòng)智能制造相關(guān)園區(qū)的主觀能動(dòng)性,加強(qiáng)園區(qū)在創(chuàng)新資源集成、科技成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)供需對(duì)接等方面的紐帶作用,在湖北省打造國(guó)內(nèi)具有重大影響力的智能制造裝備先行區(qū)、示范區(qū)。湖北省各地方智能制造裝備產(chǎn)業(yè)可依托的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域如表8 所示。
表8 湖北省各地市智能制造裝備產(chǎn)業(yè)可依托的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域
緊密結(jié)合長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)、“一帶一路”建設(shè)、中部崛起等國(guó)家重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略要求,厚植湖北省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展沃土,圍繞產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)和核心技術(shù),引進(jìn)一批智能制造重點(diǎn)企業(yè)和系統(tǒng)集成商,或?qū)嵤└叨瞬①?gòu),做強(qiáng)長(zhǎng)板、補(bǔ)齊短板,有效增強(qiáng)湖北省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的自主可控。依托湖北省優(yōu)質(zhì)的教育資源,通過聯(lián)合培養(yǎng)、設(shè)置特色專業(yè)課程、技術(shù)交流合作、重大項(xiàng)目/工程攻關(guān)等多種方式,培養(yǎng)一批能夠帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展、企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的本土專業(yè)型人才和復(fù)合型人才。加快企業(yè)自主研發(fā)。鼓勵(lì)并加快推動(dòng)湖北省制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化健康發(fā)展的核心零部件企業(yè)、系統(tǒng)集成企業(yè)以及支持服務(wù)型企業(yè)結(jié)合自身特點(diǎn),自主部署一些研究性攻關(guān)課題,促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部的關(guān)鍵技術(shù)突破、技術(shù)開發(fā)或技術(shù)改進(jìn)。
加快產(chǎn)學(xué)研深度融合,積極促進(jìn)高校、科研機(jī)構(gòu)科研成果轉(zhuǎn)化,助推企業(yè)科技創(chuàng)新。通過推動(dòng)高端裝備制造、增材制造、工業(yè)機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床、人工智能、通信設(shè)備等不同領(lǐng)域的企業(yè)開展緊密合作、協(xié)同創(chuàng)新,同時(shí)加強(qiáng)技術(shù)轉(zhuǎn)化平臺(tái)、工業(yè)云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè),推動(dòng)科研成果的技術(shù)轉(zhuǎn)移,工業(yè)軟件、數(shù)據(jù)管理、工程服務(wù)等資源的開放共享,以及企業(yè)數(shù)據(jù)、市場(chǎng)數(shù)據(jù)的交換流通。湖北省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)可考慮的協(xié)同創(chuàng)新對(duì)象如表9 所示。
表9 湖北省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)可考慮的協(xié)同創(chuàng)新對(duì)象
充分發(fā)揮政府機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)作用,通過制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、出臺(tái)貼息減稅政策、實(shí)施重大項(xiàng)目、政府采購(gòu)支持等方式,為湖北省智能制造裝備企業(yè)的國(guó)產(chǎn)化高端產(chǎn)品的試用、替代、應(yīng)用、推廣等提供綠色通道,助推湖北智造的品牌建設(shè),提高核心產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)替代率。