人類(lèi)自21世紀開(kāi)始,全面步入信息時(shí)代,掀起了又一次新的具有時(shí)代特征和現實(shí)意義的信息化浪潮。信息技術(shù)與傳統產(chǎn)業(yè)的深度融合,成為以技術(shù)創(chuàng )新為主導,以應用為目標的一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命,為傳統產(chǎn)業(yè)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(chǎng)空間和發(fā)展機遇。通過(guò)創(chuàng )新形成并呈現出以數字技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算、3D與虛擬現實(shí)、人工智能、新材料、“互聯(lián)網(wǎng)+”等眾多先進(jìn)技術(shù)為基礎,跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的多產(chǎn)業(yè)相互協(xié)同,區域、領(lǐng)域、行業(yè)、日常生活相互滲透,產(chǎn)業(yè)與資本更加融合以及市場(chǎng)應用牽引下的產(chǎn)業(yè)大變革時(shí)期。
信息技術(shù)是采集、管理和處理信息的技術(shù)總稱(chēng),是建立在硬件基礎上的有序數據處理技術(shù)。主要包括傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)。信息系統是包括輸入、存儲、處理、輸出和控制軟硬件整體,是以處理信息流為目的的人機一體化系統。信息技術(shù)的發(fā)展,對于人與社會(huì )的進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了重要作用,給人們思想觀(guān)念和生活方式都帶來(lái)了巨大的沖擊和變化,產(chǎn)生了深刻的影響。同時(shí),對于改變生產(chǎn)方式、提高生產(chǎn)力水平發(fā)揮了積極的作用。以信息技術(shù)應用程度來(lái)衡量一個(gè)國家的信息化水平,已成為體現一個(gè)國家綜合國力的重要標志。
傳感器是創(chuàng )新發(fā)展的基礎與核心
傳感器與計算機、通信被稱(chēng)為信息系統的三大支柱,傳感器技術(shù)優(yōu)劣成為衡量一個(gè)國家科技水平和是否處在國際戰略競爭制高點(diǎn)的重要標志,是發(fā)達國家高度重視和爭相發(fā)展的核心基礎技術(shù)。傳感器廣泛應用于冶金、石油、化工、電力、交通、水利、新能源、電子、環(huán)保、家電、航天、航空、軍工武器裝備等國民經(jīng)濟及國防、科研等各個(gè)領(lǐng)域,關(guān)乎并影響技術(shù)創(chuàng )新以及國防、經(jīng)濟和社會(huì )安全,對于當前產(chǎn)業(yè)結構調整與轉型升級發(fā)揮著(zhù)重要作用,對于占領(lǐng)戰略型新興產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)具有十分重要的戰略意義。
美國人認為,人類(lèi)步入21世紀,全面步入信息時(shí)代,從一定意義上講,就是進(jìn)入了傳感器時(shí)代。傳感器與通信、計算機被稱(chēng)作為現代信息系統的三大支柱,傳感器技術(shù)發(fā)展與應用成為衡量一個(gè)國家信息化程度的重要標志,同時(shí)也是衡量一個(gè)國家科技發(fā)展水平的重要標志。傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內外公認為是具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透力強、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。
在現代控制系統中,傳感器處于連接被測對象和測試系統的接口位置,構成了系統信息輸入的主要“窗口”,提供著(zhù)系統進(jìn)行控制、處理、決策、執行所必須的原始信息,直接影響和決定著(zhù)系統的功能。傳感器可以直接接觸被測對象,也可以間接接觸。許多控制系統功能因控制對象的信息難以采集與獲取而無(wú)法實(shí)現,成為系統技術(shù)發(fā)展與提升的障礙,也成為大數據的來(lái)源和采集以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與發(fā)展的最大障礙。
如果把計算機比喻為人的大腦,通信比喻為人的神經(jīng)系統,那么傳感器就是“五官”和“皮膚”,承擔著(zhù)感知并獲取自然環(huán)境中的一切信息數據的功能。西方發(fā)達國家正因為重視傳感器等技術(shù),逐步形成了全球高新技術(shù)發(fā)展以及軍工武器裝備的基礎技術(shù)的應用差異。
上世紀70年代初,西方忽視了傳感器技術(shù)發(fā)展,呈現出“大腦發(fā)達”而“五官遲鈍”的尷尬狀態(tài),致使計算機以及通信技術(shù)受到嚴重制約和影響。從上世紀70年代中期開(kāi)始,各國相繼加快傳感器發(fā)展。從上世紀80年代初開(kāi)始,美國、日本、德國、法國、英國等紛紛制定相關(guān)計劃并列為長(cháng)遠發(fā)展規劃的重點(diǎn),傾注人力、物力和重點(diǎn)投資進(jìn)行研究開(kāi)發(fā),以年20%~30%的速度高速發(fā)展,長(cháng)期予以重點(diǎn)支持,使傳感器技術(shù)明顯提高,并于2003年將其列為21世紀最具影響和改變世界的十大新技術(shù)之一。美國聯(lián)邦政府研究報告中指出,自2010年開(kāi)始預算為69億美元用于傳感器基礎技術(shù)與應用研究,其稱(chēng)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(shí)代,90年代是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代;21世紀全面進(jìn)入傳感器時(shí)代。通過(guò)傳感器,把物質(zhì)世界連接起來(lái),并賦予一個(gè)電子神經(jīng)系統?!?/p>
目前全球傳感器約有2.6萬(wàn)余種,隨著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新,新品種和類(lèi)型不斷出現。而我國目前約有1.4萬(wàn)種,約占全球的1/2,其中大多為常規類(lèi)型和品種,在醫療、科研、微生物、化學(xué)分析等特種高技術(shù)領(lǐng)域仍有大量的品種短缺和空白。
全球從事傳感器研制與生產(chǎn)的廠(chǎng)家有6500多家,其中美國、歐洲、日本均超過(guò)1000家,俄羅斯有800多家,其他國家和地區有2700多家。在市場(chǎng)銷(xiāo)售方面,美國居首位,占總銷(xiāo)售額的35%、日本約20%、德國約15%,三國占據了世界市場(chǎng)的70%。預計未來(lái)5年增長(cháng)率將超過(guò)15%,仍然是高增長(cháng)行業(yè)。
傳感器具有技術(shù)密集、滲透力強、多品種、小批量、使用靈活、應用領(lǐng)域廣泛等行業(yè)特征,基礎性和協(xié)同性特點(diǎn)突出,特別適合“大眾創(chuàng )業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng )新”,隨著(zhù)《中國制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計劃以及大數據、云計算、智慧城市的發(fā)展,作為信息獲取基本單元的傳感器產(chǎn)業(yè)戰略地位日益凸顯。
產(chǎn)業(yè)化面臨市場(chǎng)機遇和挑戰
市場(chǎng)、技術(shù)和政策三大因素將驅動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。隨著(zhù)電子、材料、物理、化學(xué)等多方面發(fā)展,特別是MEMS工藝技術(shù)的成熟和應用,滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的多功能、微型化、數字化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化傳感器不斷涌現,形成傳感器發(fā)展新熱點(diǎn)。
目前,傳感器技術(shù)從單一的物性型向功能、技術(shù)復合集成以及微型化、多功能、數字化、智能化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展成為未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要趨勢。我國已有1700余家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用,產(chǎn)業(yè)門(mén)類(lèi)基本齊全,敏感元件和傳感器年總產(chǎn)量已超過(guò)20億只,傳感器產(chǎn)品達到10大類(lèi)、42小類(lèi)、6000多個(gè)品種。其中,聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、RFID六大類(lèi)別的主流產(chǎn)品,已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)基礎和市場(chǎng)應用需求空間,可形成產(chǎn)業(yè)化規模生產(chǎn)。而且,在各行業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應用需求的帶動(dòng)下,不同系統技術(shù)協(xié)同和智能化標準要求所迫,網(wǎng)絡(luò )化、智能化傳感器將成為今后技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一大趨勢。
在應用方面,無(wú)論是航空航天飛行器、火車(chē)、高鐵、汽車(chē),還是移動(dòng)終端,包括機器人,都是一個(gè)多技術(shù)融合與聚集的“平臺”,是一個(gè)安裝傳感器的“平臺”,它的優(yōu)劣取決于裝了多少個(gè)傳感器,沒(méi)有傳感器就沒(méi)有大數據。
高鐵的快速發(fā)展將為傳感器帶來(lái)巨大市場(chǎng),按照國家規劃,到2030年鐵路運營(yíng)達20萬(wàn)公里(2015年為12.1萬(wàn)公里),其中高鐵運營(yíng)達4.5萬(wàn)公里(2015年為1.9萬(wàn)公里),高鐵裝有數量龐大的傳感器來(lái)完成車(chē)輛、軌道線(xiàn)路、自然環(huán)境等的監測,隨著(zhù)中國中車(chē)“軌道交通安全保障技術(shù)項目”的研發(fā)與實(shí)施,將成為高端智能傳感器的新的增長(cháng)點(diǎn)。
再以汽車(chē)為例,普通轎車(chē)所用傳感器數量超過(guò)100只/車(chē),高級轎車(chē)所用傳感器超過(guò)200只/車(chē),按照“到2020年新能源汽車(chē)保有量達到500萬(wàn)輛”的國家規劃,新能源汽車(chē)將為傳感器帶來(lái)快速增長(cháng)的巨大市場(chǎng)。
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(dòng)關(guān)節相互之間的關(guān)系,要通過(guò)傳感器獲取大量數據并傳輸;外傳感器是通過(guò)它的五官和外界窗口來(lái)實(shí)現。不同類(lèi)型和功能的機器人,其性能和功能的優(yōu)劣,無(wú)疑是看其安裝了多少傳感器,同時(shí)看其安裝了什么類(lèi)別和品質(zhì)的傳感器而已。
傳感器不僅可以決定這些“平臺”技術(shù)高低和性能優(yōu)劣,同時(shí)也可以通過(guò)獲取聲音、溫濕度、壓力、流量、磁場(chǎng)、氣體、形態(tài)圖樣等各種參數指標的變化,來(lái)監控“平臺”自身運行狀態(tài)和安全狀況,使得“平臺”能夠安全可靠、健康穩定地有效運行。再結合系統體系構架、軟件服務(wù)模型形成完整的“智能”與“智慧”系統,滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的智能管理需求?,F階段物聯(lián)網(wǎng)示范工程包括智能電網(wǎng)、智能交通、環(huán)境監測、公共安全、智能家居、智能醫院、智能高鐵、戰場(chǎng)感知、機場(chǎng)圍界、食品加工、感知石化、智慧農業(yè)、現代物流、智能樓宇、生物制藥、政府公務(wù)、智能消防、工業(yè)監測、老人護理、社區醫療、花卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等400多個(gè)示范工程項目正式列入物聯(lián)網(wǎng)目錄,都是應用各類(lèi)傳感器技術(shù)與產(chǎn)品的主要市場(chǎng),無(wú)疑為傳感器技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展提供了充分的想象空間。
此外,傳感器不僅可以探知宏觀(guān)世界和微觀(guān)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(jìn)入老齡化社會(huì )”,家庭服務(wù)未來(lái)將是一個(gè)很大的問(wèn)題??萍贾铣蔀榻窈髣?chuàng )新的又一大方向。相關(guān)機構研究,未來(lái)從可穿戴到家庭智能終端,以及服務(wù)型機器人會(huì )形成8萬(wàn)億元到10萬(wàn)億元的市場(chǎng)規模。
未來(lái)服務(wù)型機器人的功能是很強大的,生活指導、娛樂(lè )游戲、慢病護理、健康管控、應急救助等等各盡所需。因此,找到個(gè)性化的健康樣本值和分析模型是應用技術(shù)創(chuàng )新的難點(diǎn)和關(guān)鍵,是通往“智能”與“智慧”的瓶頸,也是創(chuàng )新的目標、任務(wù)與方向。結合系統體系構架、服務(wù)模式就形成了完整的“智能”與“智慧”系統,滿(mǎn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)以及實(shí)現智能化智能制造的一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)和難點(diǎn),同時(shí)也是智能傳感器亟須解決的核心問(wèn)題。按照層級化的觀(guān)點(diǎn),智能傳感器無(wú)疑是一種系統集成和網(wǎng)絡(luò )構架下的共性基礎技術(shù),也是當前系統應用和技術(shù)創(chuàng )新的又一個(gè)“瓶頸”。
為了打破產(chǎn)業(yè)與應用之間障礙,解決產(chǎn)業(yè)對接市場(chǎng)和共性技術(shù)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題,在“十三五”期間,我國制定了國家傳感器產(chǎn)業(yè)長(cháng)期的發(fā)展戰略,工信部制定的“智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南(2017-2019年)”即將出臺,明確了傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標和方向就是智能化傳感器,并制定了相應的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線(xiàn)圖,確定了MEMS(微機電系統)工藝和集成電路工藝相結合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑以及以市場(chǎng)應用為主導的政策扶持原則。這些規劃與政策推動(dòng)將成為實(shí)現產(chǎn)業(yè)安全、自主、可控的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必然選擇,既可以促進(jìn)我國傳感器產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展,又可以提升我國產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展的能力與核心競爭力。
國內產(chǎn)業(yè)發(fā)展中深度矛盾與問(wèn)題
長(cháng)期以來(lái),我國傳感器產(chǎn)業(yè)化未能受到高度重視,與市場(chǎng)需求和作用不相適應,企業(yè)均處于小規模生產(chǎn)階段,存在工藝老化、結構不合理等問(wèn)題,缺乏產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎條件。核心技術(shù)與產(chǎn)品停留在實(shí)驗室或小批量生產(chǎn)的初級階段,難以形成和產(chǎn)生規模經(jīng)濟效益。在國內已有的1700多家企業(yè)、大專(zhuān)院校、科研機構中,都有不同程度的研發(fā)、小批量生產(chǎn)制造傳感器產(chǎn)品。由于非專(zhuān)業(yè)型、非主流產(chǎn)品的企業(yè)比例較高,產(chǎn)值相對較低,重視程度不夠,因此,產(chǎn)值過(guò)億元的企業(yè)僅占總數的5%,產(chǎn)品種類(lèi)齊全的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家不足3%。與國外相比,在產(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、生產(chǎn)裝備、企業(yè)規模、市場(chǎng)占有率和綜合競爭能力等方面存在較大差距。新品研制仍落后近10年,而產(chǎn)業(yè)化水平落后10~15年。據行業(yè)統計和預測,我國2014年敏感元件與傳感器銷(xiāo)售額突破1200億元。2015年需求量可達約652.9億只,增長(cháng)率大于18%,突破1300億只。大約有60%依賴(lài)進(jìn)口,核心芯片約80%以上依賴(lài)進(jìn)口,物聯(lián)網(wǎng)中使用的MEMS傳感器幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。致使我國持續增長(cháng)的龐大市場(chǎng)被國外長(cháng)期控制與壟斷,不僅造成經(jīng)濟利益的損失,而且對于國家政治、經(jīng)濟、軍事等信息安全造成嚴重影響和威脅。同時(shí),嚴重制約和影響我國物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”,乃至智慧城市,特別是軍工與武器裝備水平的整體發(fā)展與提高,現實(shí)問(wèn)題與矛盾尤為突出。
此外,我國在國家戰略規劃和產(chǎn)業(yè)政策上沒(méi)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(yè)發(fā)展、政策關(guān)注度不夠也是傳感器產(chǎn)業(yè)化與國際相比存在較大差距的主要原因之一。長(cháng)此已久,產(chǎn)業(yè)分散、規模偏小、缺少龍頭企業(yè)帶動(dòng)和領(lǐng)軍人才的引領(lǐng)作用,產(chǎn)業(yè)鏈不完整,產(chǎn)業(yè)融合與聚集度不高,產(chǎn)業(yè)空心化加重,與發(fā)達國家相比存在較大差距。突出問(wèn)題與矛盾如下:
一是資源匹配和關(guān)注度不夠,貸款難、融資成本高的問(wèn)題長(cháng)期存在。整體技術(shù)裝備落后,自動(dòng)化生產(chǎn)與檢測水平較低,其生產(chǎn)過(guò)程被稱(chēng)為制造“工業(yè)工藝品”產(chǎn)品質(zhì)量差。而工藝技術(shù)裝備的投資需求較大,企業(yè)無(wú)力進(jìn)行技術(shù)改造和設備能力提升。這些問(wèn)題直接影響科研和生產(chǎn)工藝技術(shù)整體能力提高,嚴重影響產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
二是科技成果轉化難度較大,科技研發(fā)與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)脫節。技術(shù)創(chuàng )新資源在科研院所,不在企業(yè)手中,企業(yè)自主創(chuàng )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(chǎn)業(yè)化形成兩張皮,實(shí)際應用水平較低,科研成果與產(chǎn)業(yè)化結合機制和體系不夠健全,產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足和持續性不夠。
三是人才流動(dòng)導向偏離,缺乏領(lǐng)軍人物影響力和示范帶動(dòng)作用。首先是基礎理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)科研人員偏少;其次是人才培養的專(zhuān)業(yè)化、批量化、實(shí)用性與傳感器產(chǎn)業(yè)化偏離較大;最后是人才的流向不能流入傳感器這樣的中小企業(yè),人才的聚集度不高,缺乏領(lǐng)軍人才的培育和優(yōu)秀企業(yè)家引領(lǐng)作用的發(fā)揮。
四是產(chǎn)業(yè)政策扶持力度不夠,企業(yè)稅費負擔過(guò)重。傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量較高,人才、技術(shù)密集,開(kāi)發(fā)成本大于其他行業(yè),企業(yè)負擔過(guò)重,在同等高科技中享有稅收等政策較少,企業(yè)規模小,各項產(chǎn)業(yè)政策扶持條件適應性不夠,難于獲得項目資金支持。
五是長(cháng)期受到進(jìn)口產(chǎn)品沖擊,市場(chǎng)公平性秩序混亂和壁壘太高。成熟領(lǐng)域配套市場(chǎng)長(cháng)期被國外壟斷和擠壓,導致國內企業(yè)在生產(chǎn)規模、品種、質(zhì)量、價(jià)格上缺乏競爭優(yōu)勢,市場(chǎng)反應速度、個(gè)性化服務(wù)能力不足,缺少規模效應和拉動(dòng)作用。此外,市場(chǎng)推廣與產(chǎn)品銷(xiāo)售成本過(guò)大,約束條件和要求過(guò)多,準入門(mén)檻偏高,也是進(jìn)入良性循環(huán)的制約因素。
營(yíng)造“雙生態(tài)”產(chǎn)業(yè)環(huán)境
促進(jìn)多技術(shù)融合及協(xié)同發(fā)展
業(yè)內普遍認為,受市場(chǎng)壟斷和技術(shù)封鎖的制約,傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展要想從發(fā)達國家獲取核心技術(shù)和關(guān)鍵工藝是不可能的,需要產(chǎn)業(yè)與行業(yè)發(fā)展的頂層設計,制定出國家層面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(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)目標”,列為“國家戰略”項目,在“十三五”規劃中列為重點(diǎn)支持、優(yōu)先發(fā)展的內容。設立“傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展專(zhuān)項資金”,激勵中小企業(yè)發(fā)展專(zhuān)業(yè)性強、有特色、有特長(cháng)技術(shù)的產(chǎn)品,鼓勵并推動(dòng)中小企業(yè)朝著(zhù)產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
二是搭建并促進(jìn)由政府、大學(xué)、科研院所、企業(yè)共同建立的國家、行業(yè)技術(shù)研發(fā)、檢測和標準知識產(chǎn)權公共服務(wù)平臺。建立傳感器標準委員會(huì ),制定傳感器標準體系,加快標準建設。推動(dòng)并聯(lián)合企業(yè)、大專(zhuān)院校、科研院所、行業(yè)協(xié)會(huì )、支撐機構,成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
三是打造良好的傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境,創(chuàng )建中國國際傳感器產(chǎn)業(yè)園。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境,形成行業(yè)資源優(yōu)勢互補,促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結合,創(chuàng )造上下游整合契機。通過(guò)產(chǎn)業(yè)聚集、整合、并購,在國內產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢突出和相對集中地區,打造技術(shù)、產(chǎn)品特色明確,產(chǎn)業(yè)鏈完整,具有國際化市場(chǎng)能力的國際傳感器產(chǎn)業(yè)園——中國“傳感谷”。形成常態(tài)化支持與服務(wù)和政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、服六維一體的產(chǎn)業(yè)結構完整的功能,以實(shí)現產(chǎn)業(yè)聚集和規模效應,形成產(chǎn)業(yè)鏈完備、結構合理、具有國際影響力和年產(chǎn)值規模的產(chǎn)業(yè)聚集區,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及行業(yè)整體能力提升。其目的就是使創(chuàng )新真正發(fā)揮效能,使產(chǎn)業(yè)真正形成特色,使地區具有國際化競爭的品牌和優(yōu)勢,樹(shù)立起國際化市場(chǎng)的理念,立足國際化市場(chǎng),把地區建設成為具有國際化優(yōu)勢與特色的地區名片。
來(lái)源:中國電子報