综合运用多种专利情报分析方法，对中美两国物联网产业的成长历程、发展现状以及变化趋势进行了分析、预测和对比研究。结果表明，美国物联网技术发展即将进入技术生命周期理论中的饱和期，基础技术成熟，其专利布局基本完成，底层技术专利优势明显，专利技术主题覆盖范围大。中国物联网技术仍处于生命周期中的成熟期，成长迅速，产业基础较好，发展空间巨大，但技术研究主要集中在应用层面，且范围不够广;技术创新不足，核心技术匮乏，缺乏国际化的专利布局，从事企业规模不够大，大规模成功应用的案例还没有。研究旨在为中国物联网产业专利战略的规划和技术发展方向的确立提供参考。
引言
    物联网(The Internet of Things)的产生和发展是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命，它是新一代信息技术的重要组成部分。其定义为通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。业内专家认为，物联网的发展一方面可以提高经济效益，大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。中国也正在高度关注、重视物联网的研究。工业和信息化部会同有关部门，正在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。
    本文拟从专利技术视角，运用专利情报分析方法，从申请趋势、技术领域、区域分布、竞争机构、核心技术等方面分析中、美两国物联网的发展概况，比较两国存在的研究差异，判断目前两国所处的技术发展阶段，预测物联网技术未来在中美两国的发展方向和趋势，以期为中国物联网的研究和发展提供信息参考。
1 分析方法与数据来源
    1. 1 分析方法
    专利情报分析是指对来自专利说明书和专利公报中大量的、个别的专利信息进行加工及组合，并利用统计方法或技术手段使这些信息具有纵览全局及预测的功能，并且通过分析将原始的专利信息从量变到质变，使它们由普通的信息上升为有价值的情报。本文针对物联网的技术特点及中美两国的实际情况，从物联网相关专利的申请总量和专利的分布情况等几个方面展开分析，采用的专利情报分析方法主要包括:申请趋势分析、技术成长曲线分析、技术主题分析、重点技术领域分析、重要研究机构分析等。
    1. 2 数据来源
    根据上海市知识产权信息平台物联网专题数据库给出的提示和相关文献的检索，确定本研究的检索关键词为:物联网、电子标签、射频识别、二维码、无线通信、全球定位、传感器、IPV6。按小类确定专利分类号，如表1所示，确保最大范围地包含该产业发明创造所涉及到的领域，同时剔除不涉及的领域，提高检索的准确度。将关键词和分类号逻辑与结合构建检索式，分别在中国国家知识产权局(SIPO)专利数据库和美国专利商标局(USPTO)专利数据库检索获得两国的专利信息数据。检索的结果为:SIPO中物联网专利共32629件;USPTO中物联网专利共46809件。

 
表1 按小类确定的专利分类号
2 中美两国物联网专利情报对比分析
    物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机，而物联网(the Internet of Things)这个概念是1999年MIT Auto-ID中心的Ashton教授在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出。美国作为物联网概念提出以及应用实践最早的国家，对于物联网的研究、发展和应用非常的重视。现任美国总统奥巴马在2009年上台后明确提出“物联网经济促进论”，将基于传感网的“智慧地球”计划上升至国家战略。此外，美国还在全球推行EPC标准体系，力图主导全球物联网的发展，确保美国在国际上的信息控制地位。
    中国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究，研发水平处于世界前列。2009年8月，温家宝总理视察无锡新区时提出“感知中国”中心战略。其后，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。对中国来说，物联网的发展不仅有助于中国工业化和信息化的融合，也有助于中国抢占信息产业第三次浪潮的制高点。
    2.1 专利申请趋势和成长曲线分析
    中美两国历年来物联网相关专利申请量的变化情况如图1所示。作为最早产生物联网概念的国家，美国由1970年Load Cushion的申请开启了物联网技术发展之路。经过22年的缓慢增长，1993年其年申请量突破百件。从2001年开始，也就是“智慧地球”国家战略化两年后，物联网相关技术专利的申请在美国呈现出爆炸性的发展，每年的申请量都在千件以上，2008年更是达到了峰值5603件，之后出现了一定的回落，但仍保持在每年2000件以上。
    另一方面，中国从1985年开始就有了物联网相关专利的申请。发展的势头基本上落后美国约3~5年，2001-2005年为高速发展期，2006-2010年稳中有升，表现出良好的成长性。2011年专利申请量有所回落，很重要的一个原因是专利申请公开的滞后性，即2010年申请的专利至公开需要一段审查时间。
 
图1 中美两国物联网技术专利申请曲线
    “技术生命周期理论”认为技术的成长经历四个阶段:萌芽期、成长期、成熟期、饱和期。整个周期以图形表示就像S型曲线，如同人类的生命周期，因此又被称为“成长曲线”。本文根据中美两国物联网相关专利历年的申请量，运用Logistic Curve Model预测模拟中美两国物联网技术发展的成长曲线。选择LogletLab2软件计算Logistic增长模式，采用的模型公式为:

    
    其中，P(t)为专利累积数;α代表S曲线斜率，即技术成长率;β代表成长曲线中转折点的时间点;k则代表成长的饱和水平，并定义[k×10%，k×90%]为成长区间，也就是成长期转为成熟期所需的时间。

 
图2 物联网技术Logistic成长曲线
    得到中美两国物联网技术发展的成长曲线，如图2所示。可以看出，虽然物联网技术在中美两国经历的发展时间大不相同，但目前均处于相同的发展阶段-成熟期。相比较而言美国的物联网专利技术已经接近饱和期，而中国还处于成熟期的正中，还有相当的改进和发展的空间。从预测的情况来看物联网技术在中国的发展将在2015年左右进入饱和期，比美国晚3年左右。最终中美两国的物联网相关专利量将分别达到4．7万件和5．4万件左右。也就是说，对于中国，物联网技术的发展留给我们的时间相当紧迫，但是发展空间还是十分巨大的。
    2.2 专利技术领域分布分析
    按照IPC大类对中美两国的物联网专利进行统计分析可以了解两国专利技术主题申请情况。如图3所示，无论中国还是美国，物联网专利研究重点都集中在G部(物理)和H部(电学)，相关专利都占到了各自全部专利的90%以上。显然，目前物联网的技术原理研究(G部)及其在电学方面的应用研究(H部)是两大主要研究内容，在生活需要、作业运输、固定物建筑等领域的相关研究应用还未深入展开。对比两国的具体情况发现，中国更偏重于电学应用方面的研究，而美国的专利则更集中在工作原理方面。

图3 物联网专利IPC按大类分
    详细分析两国在各自侧重技术主题中的具体信息发现，中国在基本电气元件和电通信技术领域申请了大量的专利，其申请量占了该部的86%，集中在通信、数字信息传输、半导体器件、传输、电话通信和直接将化学能转为电池这几个方面(图4(a));而美国在物联网工作原理方面申请的专利集中在G01(测量、测试)、G06(计算、推算、计数)、G08(信号装置)三个领域，申请量占了该部的94%，其中信号装置、无线电定向、电数字数据处理、测量距离、数据识别五大领域的专利申请突破千件(图4(b))。显然，美国作为物联网的产生和最早应用的国家在底层技术方面拥有非常大的专利优势，比如物联网使用传感器和RFID设备芯片结构等基础硬件技术。而中国申请涉及的技术主题则多是使用底层芯片进行数据的读取和存储等物联网设备的二次开发。这一方面是因为作为物联网产业的后进国家，国内更侧重物联网应用的研发;另一方面也反映出中国芯片设计制造能力较薄弱的现状，需要引起足够的重视并加以改进。


 
图4 物联网技术研究重点
    2.3 专利地区分布分析
    2.3.1 各国在华申请专利统计分析。
    目前在中国物联网相关专利共申请32629件，其中发明专利申请17726件，发明授权6247件，实用新型8462件，外观设计194件，发明专利略低于实用新型专利，但高于中国国内累计授权专利中，发明专利数量只占实用新型专利42%，说明物联网技术在中国属于源头创新的新科技。
    从申请(专利权)人的国别看，共有55个国家和地区在中国申请专利，说明各国都很重视中国市场，通过专利申请实现各自在中国市场上的专利战略部署。图5列出了申请量100件以上的国家和地区。其中，国内的申请量为20771件，占64%，表现出一定的“本国优势”。作为物联网技术较为发达的国家，日本、美国、韩国分别以4424、2626、1959件专利申请位列第二、三、四位，并且这三个国家都是与中国贸易关系非常紧密的国家。紧随其后的是欧洲的发达国家，如果将欧盟作为一个整体，那么其在华专利申请量甚至还要超过美国，也反映出了欧盟对于物联网领域和中国市场的重视。 
图5 在中国申请量超百件的国家和地区
2.3.2国内省市申请专利统计分析。
    具体到国内各地区的专利申请情况(如图6所示)，其在整体上

 
图6 国内各省市物联网专利申请量
    呈现东-中-西分布格局。经济发达的省市专利量居多，如广东、北京、上海、江苏、浙江，申请总和占国内申请总量的62%。这些省市都将物联网产业纳入本省市的战略规划，以创新联盟、示范工程等形式积极开展物联网建设。除了高校的参与，中兴通讯股份有限公司、华为技术有限公司、深圳市远望谷信息技术股份有限公司、佛山市顺德区顺达电脑厂有限公司等企业也有很强的实力。而内蒙、宁夏、青海等西部省份的专利申请则远远落后。
    2.3.3各国在美国申请专利统计分析。

 
图7 在美国申请量超过百件的国家和地区
    数据表明，共有73个国家和地区在美国申请了物联网相关专利，其中大部分国家同时也在中国申请了物联网相关专利。这一方面说明了美国在物联网专利方面的地位还是要领先于中国，另一方面也说明了大家都非常重视中、美国两国的物联网市场。在全部的4万多件专利中，美国本国的申请量为18697件，占40%(第一位)。虽然也体现出了一定的“本国优势”，但远远不像中国国内专利表现得那么明显，这就说明了当前美国物联网市场各国的参与度还是要大大领先于中国。日本、韩国分别以11382、5571件的申请量位列第二、三位。同样的，如果将几个欧洲发达国家按照欧盟来统一考量，其申请量也将排在前三位。这也正显示了这些国家和地区目前在世界上物联网技术上的领先地位。一个尤其值得注意的问题是，中国在美国申请的物联网相关专利只有407件，仅排在第十位。尚不及美国在中国申请量的1/6，更不要说与中国在国内的申请量20771件比较了。可见中国在物联网领域的研发和技术创新方面具有国际水准的发明专利还是很少，那些已在国内申请专利的中国申请人尚没有将自己的发明创造拿到美国去获得认可和保护。这一方面是企业专利意识薄弱和技术战略模糊的表现，另一方面也是中国技术实力不足和国际化运作经验缺乏的结果。
    2.4 竞争机构分析
    经统计，先后有11247家机构在中国申请过物联网相关专利。在申请量排名前20的机构中(见图8)，国内机构占了40%，大多位列中段。其中大学6所，企业有2家，显然目前中国物联网技术研究主要仍集中在高校，与其余12家外国机构全部是企业的情况相比，中国企业的研发参与程度很低。另外，在12家外国机构中，日本机构最多达到7家。韩国企业有4家排在前20位，其中韩国的三星电子株式会社以520件专利位列第一，明显领先其他企业。这主要归因于三星对RFID标签方面的大量研究，并且在制定RFID标签相关国际标准方面处于主导地位，其专利申请主题既涉及物联网设备的硬件结构方面，也涉及物联网的应用方面，对物联网产业链有比较广泛的覆盖。国内申请人排名第一的是中兴通讯股份有限公司，目前已经有物联网相关专利申请364件，申请专利的发明主题涉及手机防盗、支付、家庭物联网的设置、RFID标签的分发、访问、通信等硬件终端的管理、使用和配置，但是偏重应用层面，在基础硬件方面研究的不多，如电路板、通信模块等基础硬件的核心技术掌握在外国申请人手中。

 
图8 物联网相关申请量前20家的机构
    另一方面，共有16846家机构在美国申请该领域的专利。在排名前20的机构中美国机构共14家，占总数的70%，且均为企业。这说明美国在物联网技术领域的研发机构比较多、研究较深并且处于行业的领先地位，更重要的是企业成为技术创新的主体，这有利于复杂技术的开发及成果的市场转化。中国没有任何机构出现在美国前20家机构名单中，说明就目前物联网技术而言，中国尚未能在美国争取到保护位置。
    IBM公司和讯宝公司各自以绝对的优势分别位列第一、二位。IBM公司掌握了RFID射频标签和传感器的完整解决方案，拥有物联网专利千余件。IBM的物联网解决方案已经在肉制品食品跟踪、园艺植物生产运输监管、汽车生产运输等多方面得到应用。讯宝公司则是无线传感方面的世界领先公司，其生产的物联网计算机、工业采集器、条码扫描仪等物联网硬件产品，是公认的物联网高端产品。
    2.5 专利地图及重点技术专利分析
    为了进一步比较中美两国在物联网领域的研究热点，我们使用Thomson Innovation软件，绘制了中美两国物联网领域的专利地图。这种采用先进的文本挖掘技术对专利进行自动聚类的方法，可以得出清晰的可视化结果。如图9所示，海拔高的区域即为该领域的研究热点。
    可以看出，两国的专利申请情况在专利主题内容、分布以及相互联系方面都有比较大的差异。美国专利申请主题比较多，有图像像素阵列、无线电台通信、磁场检测、光接受检测、光纤光、信号装置触控等主题，而高频研究热点却只有无线通讯设备。中国申请的数量不如美国多，但高频研究热点比较集中，主要围绕射频识别标签、位移传感器、电极敏感制备、层基体制造、光纤光、节点网络无线、网络无线通信、无线通信频率。相比较而言，美国专利覆盖的范围更广，技术更加分散，相互之间的联系不是非常的紧密;而中国在物联网领域的专利分布呈现出一种“局域性”，即技术重点更加突出，相互之间的联系更加紧密。这也从另一个侧面反映出中国物联网发展“基础薄，速度快”的特点。
    利用该软件进一步分析发现，专利US4445118A(Navigation system and method)、US4468793A(Globalposition system (GPS)multiplexed receiver)、US4578678A(High dynamic global positioning systemreceiver)是本领域内最核心的专利，被引次数达到万次以上，研究内容主要是导航系统和方法、全球定位系统(GPS)多元化的接收器。这也是后续物联网发展的技术基础。而在近年的技术发展中，专利US7356343B2(Emergency location transceivers(ELT))、US7466975B2(GPS and non GPS positionfinder，emergency，MIMO，spread spectrum，CDMA，GSM and OFDM)、US7260369B2(Location finder，tracker，communication and remote control system)、US7236883B2(Aiding in a satellite positioning system)发挥了重要作用，被引次数超过百次，申请技术涉及紧急地点收发器(ELT)、GPS和非GPS测位仪、MIMO、扩展视谱、CDMA、GSM和OFDM、通信和遥控系统等领域，是目前物联网技术研究的基础技术，为后续的创新活动提供支撑。

 
图9 物联网技术专利地图
3 结论及建议
    a.从专利申请量和成长曲线的角度来看，与美国的即将进入饱和期不同，中国的物联网技术发展还处于稳步增长的成熟期，虽然时间紧迫，但还是具有很大的发展空间。因此各级政府和企业应当统一思路，加大对物联网的政策与资金扶持力度，为物联网发展创造宽松的环境;各类科技部门积极进行物联网方面的研究与完善工作，继续保持研发热情，不断提升科研能力。
    b.从专利申请的技术主题来看，中国在物联网技术的应用开发方面发展迅速，但对于基础理论的研究和核心技术的掌握则大大落后于美国。芯片设计制造能力较薄弱，核心专利不多，这些缺陷必将严重阻碍物联网在中国的发展。因此，今后应当加强物联网领域尤其是底层芯片、标签基础结构、数据读取存储和应答方法等基础性技术的研发，掌握一定的自主知识产权;对于难以规避的底层技术要尽早寻求专利许可，避免陷入被收取高昂专利费的被动局面。同时尽快研究制定并形成统一规范的技术标准和体系，保证物联网技术的健康可持续性发展。
    c.从研究的主体看，国内目前物联网技术的研究主要集中在高校，企业申请的专利数量不足以形成规模效应，且商业运作模式不成熟。为了复杂技术的有效开发和成果的市场转化，建议强化企业在物联网领域技术创新中的主体地位，对一些有基础、优势明显的企业，通过项目承接、技术创新、资本运作、规模扩张、战略联盟等方式提升企业的研发实力。就全国而言，产业规模不够，相关产业链的稳固性和延伸性也不够，所以相关经营者还要根据市场经济规律探索出一套有效的商业运作模式。
    d.对比中美两国物联网技术专利地图，中国在物联网领域的专利分布呈现出一种“局域性”，即技术重点更加突出，相互之间的联系更加紧密。但是研究的范围和涉及的领域明显落后于美国。这也从另一个侧面反映出中国物联网发展“基础薄，速度快”的特点。为了在下一轮技术发展中取得主动权，中国亟待新的技术突破口。结合近年来增长比较快的技术主题:涉及通信技术的二次电波应答器和无线传播收发、应答、转发。中国在通信技术上拥有实力较强的国际级大公司，这些新兴热点领域可作为中国物联网技术发展的突破口。