智能化传感器营造“双生态”产业环境 促进多技术融合及协同发展

2017-01-12 09:55 测控要闻   来源:中国电子报

导读人类自21世纪开始,全面步入信息时代,掀起了又一次新的具有时代特征和现实意义的信息化浪潮。信息技术与传统产业的深度融合,成为以技术创新为主导,以应用为目标的一场产业革命,为传统产业结构调整和转型升级奠定了良好的基础,提供了广阔的市场空间和发展机遇。通过创新形成并呈现出以数字技术、物联网、大数据、云计算、3D与虚拟现实、人工智能、新材料、“互联网+”等众多先进技术为基础,跨行业、跨领域的多产业相互协同,区域、领域、行业、日常生活相互渗透,产业与资本更加融合以及市场应用牵引下的产业大变革时期。  

人类自21世纪开始,全面步入信息时代,掀起了又一次新的具有时代特征和现实意义的信息化浪潮。信息技术与传统产业的深度融合,成为以技术创新为主导,以应用为目标的一场产业革命,为传统产业结构调整和转型升级奠定了良好的基础,提供了广阔的市场空间和发展机遇。通过创新形成并呈现出以数字技术、物联网大数据云计算、3D与虚拟现实、人工智能、新材料、“互联网+”等众多先进技术为基础,跨行业、跨领域的多产业相互协同,区域、领域、行业、日常生活相互渗透,产业与资本更加融合以及市场应用牵引下的产业大变革时期。

信息技术是采集、管理和处理信息的技术总称,是建立在硬件基础上的有序数据处理技术。主要包括传感技术、计算机技术、通信技术。信息系统是包括输入、存储、处理、输出和控制软硬件整体,是以处理信息流为目的的人机一体化系统。信息技术的发展,对于人与社会的进步和经济发展发挥了重要作用,给人们思想观念和生活方式都带来了巨大的冲击和变化,产生了深刻的影响。同时,对于改变生产方式、提高生产力水平发挥了积极的作用。以信息技术应用程度来衡量一个国家的信息化水平,已成为体现一个国家综合国力的重要标志。

传感器是创新发展的基础与核心

传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱,传感器技术优劣成为衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志,是发达国家高度重视和争相发展的核心基础技术。传感器广泛应用于冶金、石油、化工、电力、交通、水利、新能源、电子、环保、家电、航天、航空、军工武器装备等国民经济及国防、科研等各个领域,关乎并影响技术创新以及国防、经济和社会安全,对于当前产业结构调整与转型升级发挥着重要作用,对于占领战略型新兴产业的制高点具有十分重要的战略意义。

美国人认为,人类步入21世纪,全面步入信息时代,从一定意义上讲,就是进入了传感器时代。传感器与通信、计算机被称作为现代信息系统的三大支柱,传感器技术发展与应用成为衡量一个国家信息化程度的重要标志,同时也是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业,以其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

在现代控制系统中,传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置,构成了系统信息输入的主要“窗口”,提供着系统进行控制、处理、决策、执行所必须的原始信息,直接影响和决定着系统的功能。传感器可以直接接触被测对象,也可以间接接触。许多控制系统功能因控制对象的信息难以采集与获取而无法实现,成为系统技术发展与提升的障碍,也成为大数据的来源和采集以及物联网技术与发展的最大障碍。

如果把计算机比喻为人的大脑,通信比喻为人的神经系统,那么传感器就是“五官”和“皮肤”,承担着感知并获取自然环境中的一切信息数据的功能。西方发达国家正因为重视传感器等技术,逐步形成了全球高新技术发展以及军工武器装备的基础技术的应用差异。

上世纪70年代初,西方忽视了传感器技术发展,呈现出“大脑发达”而“五官迟钝”的尴尬状态,致使计算机以及通信技术受到严重制约和影响。从上世纪70年代中期开始,各国相继加快传感器发展。从上世纪80年代初开始,美国、日本、德国、法国、英国等纷纷制定相关计划并列为长远发展规划的重点,倾注人力、物力和重点投资进行研究开发,以年20%~30%的速度高速发展,长期予以重点支持,使传感器技术明显提高,并于2003年将其列为21世纪最具影响和改变世界的十大新技术之一。美国联邦政府研究报告中指出,自2010年开始预算为69亿美元用于传感器基础技术与应用研究,其称之为“SensorRevolution”(传感器革命)。美国人认为:“上世纪80年代是计算机时代,90年代是互联网时代;21世纪全面进入传感器时代。通过传感器,把物质世界连接起来,并赋予一个电子神经系统。”

目前全球传感器约有2.6万余种,随着技术创新,新品种和类型不断出现。而我国目前约有1.4万种,约占全球的1/2,其中大多为常规类型和品种,在医疗、科研、微生物、化学分析等特种高技术领域仍有大量的品种短缺和空白。

全球从事传感器研制与生产的厂家有6500多家,其中美国、欧洲、日本均超过1000家,俄罗斯有800多家,其他国家和地区有2700多家。在市场销售方面,美国居首位,占总销售额的35%、日本约20%、德国约15%,三国占据了世界市场的70%。预计未来5年增长率将超过15%,仍然是高增长行业。

传感器具有技术密集、渗透力强、多品种、小批量、使用灵活、应用领域广泛等行业特征,基础性和协同性特点突出,特别适合“大众创业、万众创新”,随着《中国制造2025》、“互联网+”行动计划以及大数据、云计算、智慧城市的发展,作为信息获取基本单元的传感器产业战略地位日益凸显。

产业化面临市场机遇和挑战

市场、技术和政策三大因素将驱动传感器产业快速发展。随着电子、材料、物理、化学等多方面发展,特别是MEMS工艺技术的成熟和应用,满足市场需求的多功能、微型化、数字化、系统化、网络化、智能化传感器不断涌现,形成传感器发展新热点。

目前,传感器技术从单一的物性型向功能、技术复合集成以及微型化、多功能、数字化、智能化、系统化、网络化发展成为未来技术和产业发展主要趋势。我国已有1700余家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用,产业门类基本齐全,敏感元件和传感器年总产量已超过20亿只,传感器产品达到10大类、42小类、6000多个品种。其中,声敏、力敏、光敏、气敏、磁敏、RFID六大类别的主流产品,已经具备产业化技术基础和市场应用需求空间,可形成产业化规模生产。而且,在各行业领域物联网应用需求的带动下,不同系统技术协同和智能化标准要求所迫,网络化、智能化传感器将成为今后技术与产业发展的又一大趋势。

在应用方面,无论是航空航天飞行器、火车、高铁、汽车,还是移动终端,包括机器人,都是一个多技术融合与聚集的“平台”,是一个安装传感器的“平台”,它的优劣取决于装了多少个传感器,没有传感器就没有大数据

高铁的快速发展将为传感器带来巨大市场,按照国家规划,到2030年铁路运营达20万公里(2015年为12.1万公里),其中高铁运营达4.5万公里(2015年为1.9万公里),高铁装有数量庞大的传感器来完成车辆、轨道线路、自然环境等的监测,随着中国中车“轨道交通安全保障技术项目”的研发与实施,将成为高端智能传感器的新的增长点。

再以汽车为例,普通轿车所用传感器数量超过100只/车,高级轿车所用传感器超过200只/车,按照“到2020年新能源汽车保有量达到500万辆”的国家规划,新能源汽车将为传感器带来快速增长的巨大市场。

再例如,机器人中有内传感器和外传感器之分,内传感器就是内部之间的活动关节相互之间的关系,要通过传感器获取大量数据并传输;外传感器是通过它的五官和外界窗口来实现。不同类型和功能的机器人,其性能和功能的优劣,无疑是看其安装了多少传感器,同时看其安装了什么类别和品质的传感器而已。

传感器不仅可以决定这些“平台”技术高低和性能优劣,同时也可以通过获取声音、温湿度、压力、流量、磁场、气体、形态图样等各种参数指标的变化,来监控“平台”自身运行状态和安全状况,使得“平台”能够安全可靠、健康稳定地有效运行。再结合系统体系构架、软件服务模型形成完整的“智能”与“智慧”系统,满足工业领域的智能管理需求。现阶段物联网示范工程包括智能电网智能交通环境监测、公共安全、智能家居、智能医院、智能高铁、战场感知、机场围界、食品加工、感知石化、智慧农业、现代物流、智能楼宇、生物制药、政府公务、智能消防、工业监测、老人护理、社区医疗、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等400多个示范工程项目正式列入物联网目录,都是应用各类传感器技术与产品的主要市场,无疑为传感器技术创新发展提供了充分的想象空间。

此外,传感器不仅可以探知宏观世界和微观世界,甚至可以感知到我们生命的各种信息,获取人体生理参数指标等大数据,如血糖、血脂、血氧、脉象、心电、脑压、脑电、体温。我国已“快速、跑步进入老龄化社会”,家庭服务未来将是一个很大的问题。科技助老成为今后创新的又一大方向。相关机构研究,未来从可穿戴到家庭智能终端,以及服务型机器人会形成8万亿元到10万亿元的市场规模。

未来服务型机器人的功能是很强大的,生活指导、娱乐游戏、慢病护理、健康管控、应急救助等等各尽所需。因此,找到个性化的健康样本值和分析模型是应用技术创新的难点和关键,是通往“智能”与“智慧”的瓶颈,也是创新的目标、任务与方向。结合系统体系构架、服务模式就形成了完整的“智能”与“智慧”系统,满足不同人体的健康管理需求。这种模型和模式的构架是物联网技术以及实现智能化智能制造的一个关键要点和难点,同时也是智能传感器亟须解决的核心问题。按照层级化的观点,智能传感器无疑是一种系统集成和网络构架下的共性基础技术,也是当前系统应用和技术创新的又一个“瓶颈”。

为了打破产业与应用之间障碍,解决产业对接市场和共性技术产业化问题,在“十三五”期间,我国制定了国家传感器产业长期的发展战略,工信部制定的“智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)”即将出台,明确了传感器产业发展目标和方向就是智能化传感器,并制定了相应的产业发展路线图,确定了MEMS(微机电系统)工艺和集成电路工艺相结合的产业发展路径以及以市场应用为主导的政策扶持原则。这些规划与政策推动将成为实现产业安全、自主、可控的产业化发展必然选择,既可以促进我国传感器产业的快速健康发展,又可以提升我国产业自主发展的能力与核心竞争力。

国内产业发展中深度矛盾与问题

长期以来,我国传感器产业化未能受到高度重视,与市场需求和作用不相适应,企业均处于小规模生产阶段,存在工艺老化、结构不合理等问题,缺乏产业化生产的基础条件。核心技术与产品停留在实验室或小批量生产的初级阶段,难以形成和产生规模经济效益。在国内已有的1700多家企业、大专院校、科研机构中,都有不同程度的研发、小批量生产制造传感器产品。由于非专业型、非主流产品的企业比例较高,产值相对较低,重视程度不够,因此,产值过亿元的企业仅占总数的5%,产品种类齐全的专业厂家不足3%。与国外相比,在产品品质、工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争能力等方面存在较大差距。新品研制仍落后近10年,而产业化水平落后10~15年。据行业统计和预测,我国2014年敏感元件与传感器销售额突破1200亿元。2015年需求量可达约652.9亿只,增长率大于18%,突破1300亿只。大约有60%依赖进口,核心芯片约80%以上依赖进口,物联网中使用的MEMS传感器几乎全部依赖进口。致使我国持续增长的庞大市场被国外长期控制与垄断,不仅造成经济利益的损失,而且对于国家政治、经济、军事等信息安全造成严重影响和威胁。同时,严重制约和影响我国物联网大数据、云计算、“互联网+”,乃至智慧城市,特别是军工与武器装备水平的整体发展与提高,现实问题与矛盾尤为突出。

此外,我国在国家战略规划和产业政策上没有提到相应高度予以足够的重视和扶持培育、资源配置偏离行业发展、政策关注度不够也是传感器产业化与国际相比存在较大差距的主要原因之一。长此已久,产业分散、规模偏小、缺少龙头企业带动和领军人才的引领作用,产业链不完整,产业融合与聚集度不高,产业空心化加重,与发达国家相比存在较大差距。突出问题与矛盾如下:

一是资源匹配和关注度不够,贷款难、融资成本高的问题长期存在。整体技术装备落后,自动化生产与检测水平较低,其生产过程被称为制造“工业工艺品”产品质量差。而工艺技术装备的投资需求较大,企业无力进行技术改造和设备能力提升。这些问题直接影响科研和生产工艺技术整体能力提高,严重影响产业化进程。

二是科技成果转化难度较大,科技研发与产业生产脱节。技术创新资源在科研院所,不在企业手中,企业自主创新能力不够,形成的科技成果转化缺乏转化的通道和桥梁,成果和产业化形成两张皮,实际应用水平较低,科研成果与产业化结合机制和体系不够健全,产业发展后劲不足和持续性不够。

三是人才流动导向偏离,缺乏领军人物影响力和示范带动作用。首先是基础理论研究和技术开发科研人员偏少;其次是人才培养的专业化、批量化、实用性与传感器产业化偏离较大;最后是人才的流向不能流入传感器这样的中小企业,人才的聚集度不高,缺乏领军人才的培育和优秀企业家引领作用的发挥。

四是产业政策扶持力度不够,企业税费负担过重。传感器产业技术含量较高,人才、技术密集,开发成本大于其他行业,企业负担过重,在同等高科技中享有税收等政策较少,企业规模小,各项产业政策扶持条件适应性不够,难于获得项目资金支持。

五是长期受到进口产品冲击,市场公平性秩序混乱和壁垒太高。成熟领域配套市场长期被国外垄断和挤压,导致国内企业在生产规模、品种、质量、价格上缺乏竞争优势,市场反应速度、个性化服务能力不足,缺少规模效应和拉动作用。此外,市场推广与产品销售成本过大,约束条件和要求过多,准入门槛偏高,也是进入良性循环的制约因素。

营造“双生态”产业环境促进多技术融合及协同发展

业内普遍认为,受市场垄断和技术封锁的制约,传感器产业化发展要想从发达国家获取核心技术和关键工艺是不可能的,需要产业与行业发展的顶层设计,制定出国家层面的统筹规划和战略性政策予以扶持。具体建议内容为以下基本原则和措施:

一是提升战略地位,加强统筹规划,把传感器定为“国家产业发展重点目标”,列为“国家战略”项目,在“十三五”规划中列为重点支持、优先发展的内容。设立“传感器产业化发展专项资金”,激励中小企业发展专业性强、有特色、有特长技术的产品,鼓励并推动中小企业朝着产业化方向发展。

二是搭建并促进由政府、大学、科研院所、企业共同建立的国家、行业技术研发、检测和标准知识产权公共服务平台。建立传感器标准委员会,制定传感器标准体系,加快标准建设。推动并联合企业、大专院校、科研院所、行业协会、支撑机构,成立产业联盟。

三是打造良好的传感器产业生态环境,创建中国国际传感器产业园。优化产业发展环境,形成行业资源优势互补,促进产学研结合,创造上下游整合契机。通过产业聚集、整合、并购,在国内产业优势突出和相对集中地区,打造技术、产品特色明确,产业链完整,具有国际化市场能力的国际传感器产业园——中国“传感谷”。形成常态化支持与服务和政、产、学、研、用、服六维一体的产业结构完整的功能,以实现产业聚集和规模效应,形成产业链完备、结构合理、具有国际影响力和年产值规模的产业聚集区,促进产业化发展及行业整体能力提升。其目的就是使创新真正发挥效能,使产业真正形成特色,使地区具有国际化竞争的品牌和优势,树立起国际化市场的理念,立足国际化市场,把地区建设成为具有国际化优势与特色的地区名片。

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