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竞争激烈:全球工业互联网领域专利申请超55万件
时间:2023-05-15   访问量:95

工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合的产物,驱动制造业向数字化、网络化、智能化方向发展,实现产业变革与创新。2017年,习近平总书记在十九届中央政治局第二次集体学习时强调,要深入实施工业互联网创新发展战略。工业互联网已连续五年写入政府工作报告,充分彰显出工业互联网创新发展的重要性和紧迫性。日前,据工业和信息化部发布相关数据显示,工业互联网已覆盖45个国民经济大类、覆盖工业大类的85%以上,核心产业规模超过1.2万亿元。工业互联网对提升产业链现代化水平,推动经济高质量发展具有十分重要的意义

为加快工业互联网关键核心技术攻关,助力突破制约性的技术瓶颈,对相关专利申请情况进行了统计分析,结果表明:工业互联网领域技术发展整体呈现中美引领、全球竞争激烈的局面,中国工业互联网技术不断实现赶超和实破,创新水平跻身世界前列;但在工业智能传感器、工业机理模型、可信计算、边缘协议解析等技术分支下,面临较为严峻的技术壁垒。

一、工业互联网全球专利概况

工业互联网的技术领域主要包括工业互联网平台、工业互联网网络及终端、工业互联网边缘计算和工业互联网安全等4大领域68个重要技术分支。截至2022年9月底,全球专利申请量55.4万件,特别是,2012年后相关专利申请量明显增加,目前仍呈现快速增长趋势。在全球范围内,中国和美国专利申请量均为14.9万件,分别占比27%,并列第一;欧洲专利申请量4.3万件,占比8%(德国2.2万件,占比4%);日本和韩国专利申请量分别为1.7万件,分别占比3%。

在工业互联网4大技术领域下,工业互联网平台专利申请量27万件,占比49%;工业互联网网络及终端专利申请量21.7万件,占比39%;工业互联网安全专利申请量10.1万件,占比18%;工业互联网边缘计算专利申请量2.8万件,占比5%。(注:一件专利申请中包含多个技术分支下的技术方案,会在不同技术分支下进行重复统计。下同。)在全球主要申请人中,美国IBM专利申请量2.3万件,排名第一,其专利技术主要集中在工业互联网平台领域(占比83%);中国华为专利申请量1.4万件,其专利技术主要集中在工业互联网网络及终端领域(占比78%);美国高通专利申请量1.3万件,其专利技术主要集中在工业互联网网络及终端领域(占比83%)。其他排名前列的企业还有德国西门子、美国苹果、美国微软、韩国LG、美国英特尔、日本欧姆龙、美国费希尔罗斯蒙特等。

二、工业互联网主要技术领域专利状况

(一)工业互联网平台

在工业互联网平台技术领域下,中国专利申请量10万件,占比36%,美国专利申请量9.5万件,占比34%。在不同技术分支下,工业软件、云计算和工业机理模型专利申请量分别为14.2万件、6.2万件和3.4万件,分别占比52%、23%和12%,综合占比较高,技术发展相对成熟。但数字孪生和工业微服务技术起步较晚,专利申请量分别仅为8404件和3740件,是近几年新兴的技术热点。

在工业机理模型技术分支下,美国是最大的技术原创国,专利申请量1.7万件,并面向中国、欧洲和日本布局大量专利,中国专利申请量不足1万件,且海外布局专利较少。特别是,在利用机器学习和神经网络技术构建工业机理模型方面存在明显短板,我国在该技术下专利申请量占比仅为16%。此外,值得注意的是,工业机理模型是工业机理和数学模型的结合,通常包含算法,但在包含算法的权利要求撰写上还存在较为突出的问题,由于撰写缺陷而不能被授予专利权的情形还时有发生。

在数字孪生技术分支下,2015年以前,专利申请量仅为个位数,2016年后呈现明显增长趋势,是近年来的一项新兴技术。该技术通过数据与模型集成融合构建起综合决策能力,成为实现工业智能化的关键核心技术,全球专利申请量排名前三位分别是中国(3396件,占比49%)、美国(2015件,占比24%)、德国(1034件,占比13%)。中国在专利申请数量上占据一定优势,但是专利布局时间较晚,德国西门子早在2015年就已进行专利布局。

在工业微服务技术分支下,2016年全球专利申请量仅为81件,2021年全球专利申请量高达1119件,增长近13倍。该技术是以单一功能组件为基础,通过模块化组合方式实现“松耦合”应用开发软件架构,已成为当前技术研发和专利布局的热点,将成为开发工业APP的主流方式。美国在该技术分支下的专利申请量占有绝对优势,全球范围内仅英特尔(348件)、IBM(204件)、强力物联网投资组合2016公司(118件)、甲骨文(111件)、通用电气(102件)、思科(100件)等6家美国企业专利申请量超过百件。

(二)工业互联网网络及终端

在工业互联网网络及终端技术领域下,美国专利申请量9万件,占比41%,中国专利申请量7.8万件,占比35%。在不同技术分支下,网络互联和工业智能传感器专利申请量分别为19.5万件、2.6万件,分别占比90%、12%,综合占比较高。

在网络互联技术分支下,中国在相关技术上具备一定的专利布局优势,其中,在现场总线(占比41%)、5G通信(占比42%)、工业以太网(占比42%)以及TSN(占比32%)等相关技术上的专利申请量均全球排名第一,在光纤通信(占比16%)、OPC/OPC-UA(占比29%)以及IPV6(占比9%)等相关技术上的专利申请量全球占比较低。特别是,光纤通信和IPV6是网络互联的关键核心技术,光纤通信专利申请量从2017年开始快速增长,尤其2019年(4066件)较2018年(3057件)增长近1.5倍,IPV6技术已是全球公认的下一代互联网商业应用解决方案,且在这两个技术分支下均有超60%的专利申请来自美国。

在工业智能传感器技术分支下,全球专利申请量排名前十位的申请人全部为国外企业,关键核心技术基本集中在美欧日韩等国家和地区,其中,美国专利申请量1.5万件,约为中国专利申请量(0.5万件)的3倍,且差距不断扩大。特别是,在MEMS传感器、CMOS传感器、光谱传感器等主要智能传感器中,美国专利申请量均为全球第一;在其他智能传感器中,韩国专利申请量较多,处于全球领先地位。

(三)工业互联网边缘计算

在工业互联网边缘计算领域下,中国专利申请量1.2万件,占比45%,美国专利申请量1万件,占比38%。在不同技术分支下,边缘协议解析、边缘智能专利申请量分别为1.27万件、1.26万件,分别占比37.7%、37.3%,综合占比较高,是专利布局的热点,重点解决工业互联网设备的异构接入和边缘侧智能计算。

在边缘协议解析技术分支下,专利申请量在近几年呈现快速增长的趋势,技术方向主要是为解决各厂商多类型设备接入、多源数据类型解析及格式统一问题,为边缘侧或云端的数据汇聚、存储、分析及可视化展示等操作提供基础。中国在该技术分支下的专利布局存在明显不足,专利申请量(2749件,占比22%)不足美国专利申请量(6931件,占比54%)的一半。

在边缘智能技术分支下,中国具有一定的专利布局优势,专利申请量(7139件,占比57%)远高于美国(3013件,占比24%),专利技术主要集中在边缘技术与语义处理、机器学习等智能算法的结合方面。在该技术分支下,国外申请人主要集中在企业,但我国申请人主要集中在高校,国内专利申请量排名前十的申请人中,企业仅占据3席,需积极开展产学研联合创新,推动人工智能赋能产业升级。

(四)工业互联网安全

在工业互联网安全领域下,美国专利申请量3.4万件,占比37%,中国专利申请量3.2万件,占比35%。在不同技术分支下,工业区块链、OT安全、入侵检测和可信计算专利申请量分别为5.4万件、2.2万件、1.9万件和1.3万件,分别占比50%、20%、17%和12%,综合占比较高,其中,工业区块链、可信计算是技术研发的热点和难点。

在工业区块链技术分支下,专利申请量不断攀升,专利竞争格局日趋激烈,中国专利申请量2.4万件,占比45%,美国专利申请量1.9万件,占比35%,此外,韩国、德国、日本等国家也正加快进行工业与区块链技术的结合探索。阿里巴巴集团、平安科技在工业区块链领域的全球专利申请量分别以1751件和1256件,排名第一和第二,成为全球领先的企业。

在可信计算技术分支下,技术研发的热点主要集中在可信环境、安全过程、安全机制、智能数据分析、管理安全、主机安全、有效性确认、验证处理等方面。可信计算的主要思路是从硬件底层开始加强通信系统的安全性,美国作为全球芯片占有量遥遥领先的国家,为其可信计算技术带来天然的发展优势。例如,在2020—2021年间,英特尔专利申请量均保持在150件左右,旨在通过利用远程计算机中的可信硬件来解决安全的远程计算问题;辉达专利申请量均突破200件,其CPU加速计算已使工业企业实现工业级AI应用,从而利用海量传感器和操作数据来优化运营,缩短分析时间、降低成本。

三、小结

工业互联网产业链长、技术分布复杂,我国专利申请在数量上占据一定优势,但在质量上还有较大的进步空间,特别是,我国专利申请的技术方案大部分集中在应用领域,在底层基础核心技术方面较为欠缺,同时,还存在权利要求保护范围不适当、布局领域单一等问题。

针对协议解析、边缘计算、工业机理模型中的技术短板,要加快对工业数据相关的技术创新,特别是对实现工业数据在多源设备、异构系统之间有序流动的设备协议兼容、标准兼容、协议转换、工业APP跨平台调用与订阅等相关技术上的研发布局。同时,针对国内相关技术创新和专利申请集中于高校、产业化不足的突出问题,鼓励企业、高校、科研机构,围绕生产中实际重点问题开展协同攻关。

研究成果来源于国家知识产权局2022年工业互联网领域的专利分析和预警课题报告。



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