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智能化傳感器如何促進信息化創新與發展?

人類自21世紀開始,全麵步入信息時代,掀起了又一次新的具有時代特征和現實意義的信息化浪潮。信息技術與傳統產業的深度融合,成為以技術創新為主導,以應用為目標的一場產業革命,為傳統產業結構調整和轉型升級奠定了良好的基礎,提供了廣闊的市場空間和發展機遇。通過創新形成並呈現出以數字技術、物聯網、大數據、雲計算、3D與虛擬現實、人工智能、新材料、“互聯網+”等眾多先進技術為基礎,跨行業、跨領域的多產業相互協同,區域、領域、行業、日常生活相互滲透,產業與資本更加融合以及市場應用牽引下的產業大變革時期。

信息技術是采集、管理和處理信息的技術總稱,是建立在硬件基礎上的有序數據處理技術。主要包括傳感技術、計算機技術、通信技術。信息係統是包括輸入、存儲、處理、輸出和控製軟硬件整體,是以處理信息流為目的的人機一體化係統。信息技術的發展,對於人與社會的進步和經濟發展發揮了重要作用,給人們思想觀念和生活方式都帶來了巨大的衝擊和變化,產生了深刻的影響。同時,對於改變生產方式、提高生產力水平發揮了積極的作用。以信息技術應用程度來衡量一個國家的信息化水平,已成為體現一個國家綜合國力的重要標誌。

傳感器是創新發展的基礎與核心

傳感器與計算機、通信被稱為信息係統的三大支柱,傳感器技術優劣成為衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰略競爭製高點的重要標誌,是發達國家高度重視和爭相發展的核心基礎技術。傳感器廣泛應用於冶金、石油、化工、電力、交通、水利、新能源、電子、環保、家電、航天、航空、軍工武器裝備等國民經濟及國防、科研等各個領域,關乎並影響技術創新以及國防、經濟和社會安全,對於當前產業結構調整與轉型升級發揮著重要作用,對於占領戰略型新興產業的製高點具有十分重要的戰略意義。

美國人認為,人類步入21世紀,全麵步入信息時代,從一定意義上講,就是進入了傳感器時代。傳感器與通信、計算機被稱作為現代信息係統的三大支柱,傳感器技術發展與應用成為衡量一個國家信息化程度的重要標誌,同時也是衡量一個國家科技發展水平的重要標誌。傳感器產業已被國內外公認為是具有發展前途的高技術產業,以其技術含量高、經濟效益好、滲透力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。

在現代控製係統中,傳感器處於連接被測對象和測試係統的接口位置,構成了係統信息輸入的主要“窗口”,提供著係統進行控製、處理、決策、執行所必須的原始信息,直接影響和決定著係統的功能。傳感器可以直接接觸被測對象,也可以間接接觸。許多控製係統功能因控製對象的信息難以采集與獲取而無法實現,成為係統技術發展與提升的障礙,也成為大數據的來源和采集以及物聯網技術與發展的**障礙。

如果把計算機比喻為人的大腦,通信比喻為人的神經係統,那麽傳感器就是“五官”和“皮膚”,承擔著感知並獲取自然環境中的一切信息數據的功能。西方發達國家正因為重視傳感器等技術,逐步形成了全球高新技術發展以及軍工武器裝備的基礎技術的應用差異。

上世紀70年代初,西方忽視了傳感器技術發展,呈現出“大腦發達”而“五官遲鈍”的尷尬狀態,致使計算機以及通信技術受到嚴重製約和影響。從上世紀70年代中期開始,各國相繼加快傳感器發展。從上世紀80年代初開始,美國、日本、德國、法國、英國等紛紛製定相關計劃並列為長遠發展規劃的重點,傾注人力、物力和重點投資進行研究開發,以年20%~30%的速度高速發展,長期予以重點支持,使傳感器技術明顯提高,並於2003年將其列為21世紀**影響和改變世界的十大新技術之一。美國聯邦政府研究報告中指出,自2010年開始預算為69億美元用於傳感器基礎技術與應用研究,其稱之為“Sensor Revolution”(傳感器革命)。美國人認為:“上世紀80年代是計算機時代,90年代是互聯網時代;21世紀全麵進入傳感器時代。通過傳感器,把物質世界連接起來,並賦予一個電子神經係統。”

目前全球傳感器約有2.6萬餘種,隨著技術創新,新品種和類型不斷出現。而我國目前約有1.4萬種,約占全球的1/2,其中大多為常規類型和品種,在醫療、科研、微生物、化學分析等特種高技術領域仍有大量的品種短缺和空白。

全球從事傳感器研製與生產的廠家有6500多家,其中美國、歐洲、日本均超過1000家,俄羅斯有800多家,其他國家和地區有2700多家。在市場銷售方麵,美國居首位,占總銷售額的35%、日本約20%、德國約15%,三國占據了世界市場的70%。預計未來5年增長率將超過15%,仍然是高增長行業。

傳感器具有技術密集、滲透力強、多品種、小批量、使用靈活、應用領域廣泛等行業特征,基礎性和協同性特點突出,特別適合“大眾創業、萬眾創新”,隨著《中國製造2025》、“互聯網+”行動計劃以及大數據、雲計算、智慧城市的發展,作為信息獲取基本單元的傳感器產業戰略地位日益凸顯。

產業化麵臨市場機遇和挑戰

市場、技術和政策三大因素將驅動傳感器產業快速發展。隨著電子、材料、物理、化學等多方麵發展,特別是MEMS工藝技術的成熟和應用,滿足市場需求的多功能、微型化、數字化、係統化、網絡化、智能化傳感器不斷湧現,形成傳感器發展新熱點。

目前,傳感器技術從單一的物性型向功能、技術複合集成以及微型化、多功能、數字化、智能化、係統化、網絡化發展成為未來技術和產業發展主要趨勢。我國已有1700餘家企事業單位從事傳感器的研製、生產和應用,產業門類基本齊全,敏感元件和傳感器年總產量已超過20億隻,傳感器產品達到10大類、42小類、6000多個品種。其中,聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、RFID六大類別的主流產品,已經具備產業化技術基礎和市場應用需求空間,可形成產業化規模生產。而且,在各行業領域物聯網應用需求的帶動下,不同係統技術協同和智能化標準要求所迫,網絡化、智能化傳感器將成為今後技術與產業發展的又一大趨勢。

在應用方麵,無論是航空航天飛行器、火車、高鐵、汽車,還是移動終端,包括機器人,都是一個多技術融合與聚集的“平台”,是一個安裝傳感器的“平台”,它的優劣取決於裝了多少個傳感器,沒有傳感器就沒有大數據。

高鐵的快速發展將為傳感器帶來巨大市場,按照國家規劃,到2030年鐵路運營達20萬公裏(2015年為12.1萬公裏),其中高鐵運營達4.5萬公裏(2015年為1.9萬公裏),高鐵裝有數量龐大的傳感器來完成車輛、軌道線路、自然環境等的監測,隨著中國中車“軌道交通安全保障技術項目”的研發與實施,將成為高端智能傳感器的新的增長點。

再以汽車為例,普通轎車所用傳感器數量超過100隻/車,**轎車所用傳感器超過200隻/車,按照“到2020年新能源汽車保有量達到500萬輛”的國家規劃,新能源汽車將為傳感器帶來快速增長的巨大市場。

再例如,機器人中有內傳感器和外傳感器之分,內傳感器就是內部之間的活動關節相互之間的關係,要通過傳感器獲取大量數據並傳輸;外傳感器是通過它的五官和外界窗口來實現。不同類型和功能的機器人,其性能和功能的優劣,無疑是看其安裝了多少傳感器,同時看其安裝了什麽類別和品質的傳感器而已。

傳感器不僅可以決定這些“平台”技術高低和性能優劣,同時也可以通過獲取聲音、溫濕度、壓力、流量、磁場、氣體、形態圖樣等各種參數指標的變化,來監控“平台”自身運行狀態和安全狀況,使得“平台”能夠安全可靠、健康穩定地有效運行。再結合係統體係構架、軟件服務模型形成完整的“智能”與“智慧”係統,滿足工業領域的智能管理需求。現階段物聯網示範工程包括智能電網、智能交通、環境監測、公共安全、智能家居、智能醫院、智能高鐵、戰場感知、機場圍界、食品加工、感知石化、智慧農業、現代物流、智能樓宇、生物製藥、政府公務、智能消防、工業監測、老人護理、社區醫療、花卉栽培、水係監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等400多個示範工程項目正式列入物聯網目錄,都是應用各類傳感器技術與產品的主要市場,無疑為傳感器技術創新發展提供了充分的想象空間。

此外,傳感器不僅可以探知宏觀世界和微觀世界,甚至可以感知到我們生命的各種信息,獲取人體生理參數指標等大數據,如血糖、血脂、血氧、脈象、心電、腦壓、腦電、體溫。我國已“快速、跑步進入老齡化社會”,家庭服務未來將是一個很大的問題。科技助老成為今後創新的又一大方向。相關機構研究,未來從可穿戴到家庭智能終端,以及服務型機器人會形成8萬億元到10萬億元的市場規模。

未來服務型機器人的功能是很強大的,生活指導、娛樂遊戲、慢病護理、健康管控、應急救助等等各盡所需。因此,找到個性化的健康樣本值和分析模型是應用技術創新的難點和關鍵,是通往“智能”與“智慧”的瓶頸,也是創新的目標、任務與方向。結合係統體係構架、服務模式就形成了完整的“智能”與“智慧”係統,滿足不同人體的健康管理需求。這種模型和模式的構架是物聯網技術以及實現智能化智能製造的一個關鍵要點和難點,同時也是智能傳感器亟須解決的核心問題。按照層級化的觀點,智能傳感器無疑是一種係統集成和網絡構架下的共性基礎技術,也是當前係統應用和技術創新的又一個“瓶頸”。

為了打破產業與應用之間障礙,解決產業對接市場和共性技術產業化問題,在“十三五”期間,我國製定了國家傳感器產業長期的發展戰略,工信部製定的“智能傳感器產業三年行動指南(2017-2019年)”即將出台,明確了傳感器產業發展目標和方向就是智能化傳感器,並製定了相應的產業發展路線圖,確定了MEMS(微機電係統)工藝和集成電路工藝相結合的產業發展路徑以及以市場應用為主導的政策扶持原則。這些規劃與政策推動將成為實現產業安全、自主、可控的產業化發展必然選擇,既可以促進我國傳感器產業的快速健康發展,又可以提升我國產業自主發展的能力與核心競爭力。

國內產業發展中深度矛盾與問題

長期以來,我國傳感器產業化未能受到高度重視,與市場需求和作用不相適應,企業均處於小規模生產階段,存在工藝老化、結構不合理等問題,缺乏產業化生產的基礎條件。核心技術與產品停留在實驗室或小批量生產的初級階段,難以形成和產生規模經濟效益。在國內已有的1700多家企業、大專院校、科研機構中,都有不同程度的研發、小批量生產製造傳感器產品。由於非專業型、非主流產品的企業比例較高,產值相對較低,重視程度不夠,因此,產值過億元的企業僅占總數的5%,產品種類齊全的專業廠家不足3%。與國外相比,在產品品質、工藝水平、生產裝備、企業規模、市場占有率和綜合競爭能力等方麵存在較大差距。新品研製仍落後近10年,而產業化水平落後10~15年。據行業統計和預測,我國2014年敏感元件與傳感器銷售額突破1200億元。2015年需求量可達約652.9億隻,增長率大於18%,突破1300億隻。大約有60%依賴進口,核心芯片約80%以上依賴進口,物聯網中使用的MEMS傳感器幾乎全部依賴進口。致使我國持續增長的龐大市場被國外長期控製與壟斷,不僅造成經濟利益的損失,而且對於國家政治、經濟、軍事等信息安全造成嚴重影響和威脅。同時,嚴重製約和影響我國物聯網、大數據、雲計算、“互聯網+”,乃至智慧城市,特別是軍工與武器裝備水平的整體發展與提高,現實問題與矛盾尤為突出。

此外,我國在國家戰略規劃和產業政策上沒有提到相應高度予以足夠的重視和扶持培育、資源配置偏離行業發展、政策關注度不夠也是傳感器產業化與國際相比存在較大差距的主要原因之一。長此已久,產業分散、規模偏小、缺少龍頭企業帶動和領軍人才的**作用,產業鏈不完整,產業融合與聚集度不高,產業空心化加重,與發達國家相比存在較大差距。突出問題與矛盾如下:

一是資源匹配和關注度不夠,貸款難、融資成本高的問題長期存在。整體技術裝備落後,自動化生產與檢測水平較低,其生產過程被稱為製造“工業工藝品”產品質量差。而工藝技術裝備的投資需求較大,企業無力進行技術改造和設備能力提升。這些問題直接影響科研和生產工藝技術整體能力提高,嚴重影響產業化進程。

二是科技成果轉化難度較大,科技研發與產業生產脫節。技術創新資源在科研院所,不在企業手中,企業自主創新能力不夠,形成的科技成果轉化缺乏轉化的通道和橋梁,成果和產業化形成兩張皮,實際應用水平較低,科研成果與產業化結合機製和體係不夠健全,產業發展後勁不足和持續性不夠。

三是人才流動導向偏離,缺乏領軍人物影響力和示範帶動作用。首先是基礎理論研究和技術開發科研人員偏少;其次是人才培養的專業化、批量化、實用性與傳感器產業化偏離較大;**是人才的流向不能流入傳感器這樣的中小企業,人才的聚集度不高,缺乏領軍人才的培育和優秀企業家**作用的發揮。

四是產業政策扶持力度不夠,企業稅費負擔過重。傳感器產業技術含量較高,人才、技術密集,開發成本大於其他行業,企業負擔過重,在同等高科技中享有稅收等政策較少,企業規模小,各項產業政策扶持條件適應性不夠,難於獲得項目資金支持。

五是長期受到進口產品衝擊,市場公平性秩序混亂和壁壘太高。成熟領域配套市場長期被國外壟斷和擠壓,導致國內企業在生產規模、品種、質量、價格上缺乏競爭優勢,市場反應速度、個性化服務能力不足,缺少規模效應和拉動作用。此外,市場推廣與產品銷售成本過大,約束條件和要求過多,準入門檻偏高,也是進入良性循環的製約因素。

營造“雙生態”產業環境

促進多技術融合及協同發展

業內普遍認為,受市場壟斷和技術封鎖的製約,傳感器產業化發展要想從發達國家獲取核心技術和關鍵工藝是不可能的,需要產業與行業發展的頂層設計,製定出國家層麵的統籌規劃和戰略性政策予以扶持。具體建議內容為以下基本原則和措施:

一是提升戰略地位,加強統籌規劃,把傳感器定為“國家產業發展重點目標”,列為“國家戰略”項目,在“十三五”規劃中列為重點支持、優先發展的內容。設立“傳感器產業化發展專項資金”,激勵中小企業發展專業性強、有特色、有特長技術的產品,鼓勵並推動中小企業朝著產業化方向發展。

二是搭建並促進由政府、大學、科研院所、企業共同建立的國家、行業技術研發、檢測和標準知識產權公共服務平台。建立傳感器標準委員會,製定傳感器標準體係,加快標準建設。推動並聯合企業、大專院校、科研院所、行業協會、支撐機構,成立產業聯盟。

三是打造良好的傳感器產業生態環境,創建中國國際傳感器產業園。優化產業發展環境,形成行業資源優勢互補,促進產學研結合,創造上下遊整合契機。通過產業聚集、整合、並購,在國內產業優勢突出和相對集中地區,打造技術、產品特色明確,產業鏈完整,具有國際化市場能力的國際傳感器產業園——中國“傳感穀”。形成常態化支持與服務和政、產、學、研、用、服六維一體的產業結構完整的功能,以實現產業聚集和規模效應,形成產業鏈完備、結構合理、具有國際影響力和年產值規模的產業聚集區,促進產業化發展及行業整體能力提升。其目的就是使創新真正發揮效能,使產業真正形成特色,使地區具有國際化競爭的品牌和優勢,樹立起國際化市場的理念,立足國際化市場,把地區建設成為具有國際化優勢與特色的地區名片。

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