發佈日期:2018-04-09

西門子重點智慧製造專利技術分析—以美國市場為例

作者:樊晉源

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▶【延伸閱讀 | STPI 電子書城】 探討西門子重點領域專利佈局與分析

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一、前言

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從21世紀開始,網路時代逐漸成為新的發展技術核心,而透過網路時代所帶給人類的便利,也進一步將人類整體之社會發展達到前所未有之便利地步,但支撐此一發展的同時,其背後重點生產技術發展及相關工業發展也顯得更為重要,畢竟龐大之社會發展衍生出更多之需求,而這類型需求包含的背後是需要更為大量之生產能量及服務能量,這股能量之衝擊對現有之生產技術及服務技術也產生更大之壓力,這股壓力更進一步迫其思考如何面對新世代之競爭,並有效提升技術及服務之能量,以期能夠面對新時代之來臨。

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在這個時間點,「工業4.0」的概念逐漸席捲而來,嚴格說來「工業4.0」並非新的觀點,其主要之重點即在於透過網路,有效連結各類型機械,使機械間可以互相溝通,透過機械間互相溝通,將可以有效提升生產效率及生產品質,並進一步達成更佳之生產效率、更完美之生產品質;這部份說來就類似與傳統之「物聯網」及「自動化」互相結合之概念,透過「物聯網」技術,進一步將原本追求之「自動化」做到極致,使得機器不在僅僅只是單純之機器,更可以有效感知周遭之環境及其他機器之運作效率,進一步提升整體之運作能量,達到產能最佳化、品質卓越化之前題。

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為了有效達成工業4.0之生產亦或服務模式,各國均積極面對或思考對策,其中德國更是值得特別研究之國家,德國在2012年7月藉由提出之高科技戰略行動計畫中,首先明確定義出著名之「工業4.0」,這也是工業4.0名詞首次出現,而工業4.0的始祖德國,除了針對相關研究及工業計畫項目進行補助,也更進一步針對民間企業龍頭進行合作與思考,其中德國企業中尤其以 BOSCH、Siemens這兩家領導廠商對於此一概念最為配合,這兩家企業均積極配合德國政府投入工業4.0相關計畫;其中Siemens西門子企業可說是現階段德國廠商中,推行工業4.0之製造核心,更是最為重點之模範企業,因此當我國現在正推行智慧製造及相關概念時,需要有效參考西門子企業相關之產品及專利技術佈局,透過此一步驟思考西門子企業對我國相關廠商及相關技術之影響,並從中思考相對策略及相對佈局。有鑑於此,本研究特別針對西門子相關廠商之重點專利佈局進行分析,並期望針對西門子在各國之重點專利方向進行概述,期望相關研究可提供專家學者有所了解。

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本研究主要分為兩部份,整理概述如下:第一部份主要是針對西門子公司整體之概況及相關案例做一初步介紹,這一部份除了西門子公司成立之歷史,現階段營收狀況及相關運用在智慧製造,工業4.0相關之產品介紹也會做出詳盡的介紹,讓大家對於西門子的產業發展狀況有所了解,第二部份將針對西門子在美國之專利佈局,即各領域重點專利進行分析,探詢出西門子高價值專利,並進一步針對西門子之智慧製造及相關工業4.0之專利進行分析,針對其現階段在此一領域與此一狀況之佈局態勢做一整理,並從中掌握西門子相關智慧製造技術之脈絡及整體運用,並透過西門子思考現階段我國重點技術核心。

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二、西門子相關智慧製造產品介紹

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德國西門子股份公司(Siemens AG)成立於1847年,總部設立於德國柏林和慕尼黑,其營運業務涵蓋全球一百九十餘國,屬於跨國的大型綜合企業。無論在能源、醫療、工業、基礎建設、城市業務等領域,皆能見其蹤影,尤其電機和電子領域更是在全球業界扮演先驅的角色。

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西門子公司致力於產品的研發和製造、設計與安裝精密的系統與計畫,並針對客戶需求提供整合解決方案的服務。自2014年10月起,西門子被劃分為十個集團(如表1所示),此外還有跨領域業務,包含全球共享服務中心和房地資產管理部門。

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表1 西門子旗下集團

集團 營運內容
發電與天然氣集團 發電與天然氣集團大型燃氣與發電機、分布式發電、蒸汽輪機、壓縮機、儀表控制與電氣。
風力發電與
可再生能源集團
風力發電與可再生能源之運作。
發電服務集團 發電與天然氣服務、分布式發電與壓縮機服務。
能源管理集團 中低壓設備與系統、中低壓產品、變壓器、高壓產品、輸電解決方案、能源自動化、智能電網解決方案及服務。
樓宇科技集團 控制產品與系統管理
交通集團 交通管理、交鑰匙項目及電氣化、幹線交通、城市交通、客戶服務。
數位化工廠
技術集團
工廠自動化、運動控制、控制電氣產品、產品生命周期管理軟體、運動控制M3專屬事業、電動汽車動力總成、工廠自動化汽車業務拓展、工業客戶服務。
過程工業與
驅動技術集團
大型傳動、過程自動化、石油天然氣和船舶、機械傳動、冶金技術。
金融服務集團 司庫、商業融資、風險投資、項目及結構融資。
醫療業務集團
(獨立運營)
影像和治療、臨床產品、診斷、客戶解決方案。
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西門子是首批在中國獲得網絡安全認證的公司之一,根據西門子2016年的財務報告,公司在研發方面的投入高達47億歐元,佔全年收入的5.9%左右,這個比例也於德國製造業(數據來自德國聯邦技術部)的平均值相當。在2016年度全球研發投入100強企業排行榜,西門子名列第八位。且西門子在人工智慧、智慧製造、智慧機械部分也做了很多努力,根據德國冠科知識產權事務所(Grunecker)提供相關數據顯示,2010~2015年西門子專利數名列前茅,整體表現非常卓越。

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近年來西門子除了傳統工業設備之相關投入之外,也逐漸開始工業軟體和數字化服務部份嶄露頭角,特別是關係智慧製造重點的物聯網操作系統,此一系統即是西門子著名之工業雲平台MindSphere。為了有效推展工業4.0及智慧製造相關議題,西門子在2006年耗資35億美元收購了產品生命週期軟件(PLM)與服務商Unigraphics(UGS,也就是今天的Siemens PLM Software),此外西門子也陸續在世界各國收購了各種不同的軟體技術公司。現階段時西門子已穩居全球十大軟體公司。「百年製造經驗+綜合競爭實力最強的工業軟體體系+工業雲平台」這個組合,就是西門子領先了許多公司的最大優勢。

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圖1 MindSpher

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圖1即是MindSphere,其本質為開放式的生態系統,公司可透過此一平台,有效將各類系統進行串連,並收集、整合和分析來自用戶端、供應商、資訊化系統和自動化系統的相關數據,匯總形成企業的一個龐大之數據中心,並藉此強化其公司整體之數據分析及智慧機械化之相關技術處理能量。

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圖2 MindSphere架構

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圖2則為MindSphere架構,工業公司可將此平台作為自有數位服務-如預防性維護、能源資料管理或資源最佳化方面的基礎。其為一全面、符合成本效益的資料寄存平台(data hosting platform)結合了裝置管理、方便的連線能力、必要的資料儲存及提供虛擬化資料管理有關的基礎設施,可實現大量數據智慧化快速評估,由此即可建立完整的、容易應用的產品性能大數據結果,也因為西門子本身在電氣化、自動化及數位化領域的各種優勢,讓其Mindsphere可以針對不同行業及各種不同規模的企業來高效率的收集和分析工業現場的巨量資料。

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MindSphere將自身定義為作業系統,MindSphere向下為連接各類設備提供了統一的介面,實現不同設備之間的互聯互通;向上為各種各樣的應用軟體提供良好的開發、運營環境。使用者從MindSphere上獲取應用程式和服務就像從智慧手機的應用商店裡獲取App一樣簡單。能夠如此成功運用此工業雲平台是因西門子在眾多行業都擁有非常廣泛的產品線,從工廠裡的控制器(PLC),車輛上的感測器、其他感測器系統到燃氣輪機、樓宇以及醫療設備等等,每條產品線都有可觀的裝機量,因此再靠著現有產品在市場上的覆蓋率,MindSphere則可以從西門子自有產品中獲取巨量資料。同時,作為工業通訊技術的領先廠商,西門子也能對協力廠商類似產品提供通訊支援,這表示西門子同樣可以從大量協力廠商設備中標準、經濟的採集及更新其資料庫。

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為了建構智慧製造及工業4.0,西門子現階段主要是以MindSphere做為一重點核心,並透過相關產品完整其智慧製造相關供應鏈,整體而言MindSphere主要做為其資料傳輸重點,可說是其大腦,至於其他相關產品,則主要是居於輔助相關之位置,主要目的即在於協助西門子成為現階段工業4.0即智慧製造之重點輸出示範廠,並進一步期望西門子發揮帶頭之相關效應,將工業4.0與智慧製造之相關觀點可以帶入全世界,所以嚴格說來現階段西門子在德國所扮演的角色偏重於領頭羊,其目的即在於將德國廠商最新之示範技術帶入世界,使全世界均瞭解並可以使用西門子相關之最新智慧製造技術,這也代表西門子技術具有一定之水準,而其相關專利則可參考第三章。

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三、相關專利分析

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前章節主要針對西門子之重點專智慧製造技術進行概述,本章節將針對西門子在智慧製造之相關專利進行細部分析,協助讀者思考西門子在智慧製造之相關佈局,並進一步分析西門子相關未來專利佈局之可能發展方向。

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本節首先針對西門子相關智慧製造專利進行分析,西門子智慧製造專利主要搜尋方式利用西門子在產品面相關資訊,並透過其相關產品資料,針對重點關鍵字搭配Derwent Innovation的Smart Search進行篩選,基本上Derwent Innovation的Smart Search主要是依據一系列智慧原則進行篩選,其基本篩選原則可參照Derwent相關資料進行參考 ,在確定篩選出相關技術之後,進一步針對其成果進行分析。

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透過Derwent Innovation之相關技術,本研究在美國部分共篩選出2,103篇製造相關專利,並進一步運用IPC技術分類號及搭配Smart Search功能,共分別篩選出381篇專利,這381篇專利是可能應用至智慧製造領域的,更近一步透過關鍵字搭配Smart Search功能,更近一步篩選出20篇專利,此20篇專利主要均是在內文中有提到相關智慧製造、物聯網、雲端技術、相關發明事項的專利,這初步研究發現,真正在美國製造相關專利中,僅有不到1%的專利,跟智慧製造相關。

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美國市場可說是西門子現階段重點佈局市場之一,不過依照前一章節分析,可發現美國市場近年來在西門子技術佈局下發展逐漸呈現停滯,進一步針對技術領域也可發現西門子在美國市場布局重點幾乎都是以醫療產業為主,相關製造領域表現較少,不過也有2,103篇,這2,103篇專利主要申請年代如圖3所示

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圖3 西門子相關製造部分專利申請趨勢

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透過圖形,可發現西門子相關製造專利近幾年在美國市場仍有不錯的申請表現,2014年均達到高峰,但是在2014年之後,整體申請趨勢呈現快速下滑,這部分西門子似乎顯示出西門子在製造領域對於美國市場不再重視。

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進一步針對西門子製造領域之相關技術進行分析,可發覺現階段西門子在製造領域主要之專利技術,是以下列10種技術為主,這部份煩請參照圖4:

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圖4 西門子相關美國專利技術分類

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現階段這10種技術分類,主要參照IPC 之定義,分別整理如下:”F02M 51/06”以電力操作為特點之燃料噴射裝置專門用之噴射器、”F02M 61/06”燃料噴射器閥係裝在具有針狀或塞狀伸長部之閥座端上、”F01D 5/18”機械葉片相關空心葉片;”F01D 5/14”在葉片上加熱、隔熱或冷卻裝置、”G06F 17/50”專門適用於特定功能的數位計算設備或數據加工設備或數據處理方法之相關電腦輔助設計,相關專利中以G06F系列相關專利似乎較為符合智慧製造之需求,以上主要為排名前五名之技術分類,至於其他技術分類包含了”F02M 63/00”,其定義為燃料噴射裝置、”G06F 19/00”用於特定應用的數據計算或數據加工設備或數據處理方法、”F02M 51/00”電力操作為特點之燃料噴射裝置、”G06F 9/44”具導線連接者,如插板應用至圓點應用僅含程式指令之記錄載體者與圓點應用內儲程式者,即應用處理裝置的內部儲存接收並儲存程式,”G06F 17/30”專門適用於特定功能的數位計算設備或數據加工設備或數據處理方法做為資訊檢索;及其資料庫結構之運用。這10類IPC中,尤其以G06F與智慧製造之關聯性較大,因此進一步從中擷取G06F之相關專利進行分析。透過相關資料,可發現共計約381筆專利,這381筆專利主要之申請高峰期分別為2004年之前及2010這兩個時期,詳細部分可參考圖5

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圖5 西門子相關美國專利技術分類

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進一步透過專利地圖,針對這兩個時期之申請相關技術進行探討,可發現這兩個時期之發展技術剛好有互補之效應,西門子在2004-2010這段時間所發展的專利,主要以圖中白色的點為主,這部分主要包含醫學技術相關運用、智慧製造生命週期預測、與機器協同設計,這些均是西門子在智慧製造相關產品之重點發展方向,也是其中重點關鍵,因此對於西門子來說這些技術在美國市場佈局很早,基本上非常早期就已經針對相關技術進行保護並申請專利進行佈局。這也是西門子第一階段在智慧製造高峰期之狀況與核心。西門子第二階段則是以黑色的點為主,此一時期鎖定在2010年之後,這些點的分布狀態嚴格說來與第一階段非常類似,但是唯一差別在於西門子似乎對於某些地方更為積極佈局,這些領域可看出分別就是智慧製造領域與機器協同設計領域,這部分均可說是西門子在美國佈局之重點,也證明西門子在美國市場近年來逐漸將重心轉移至智慧製造部份,尤其是第二階段中,美國市場的專利佈局很大一部份出現在life cycle的關鍵字領域,這間接代表西門子團隊似乎對於其產品生命週期極為注重,尤其在美國市場領域更是頗為重視。

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至於西門子在美國市場的重點20篇專利,嚴格說來均是分布在life cycle 這一塊,但技術布局更為先進,這20篇重點專利主要包含技術在四大塊,分別為無線通訊系統、CAD系統、資源循迴及早期預警部分,其中可發現西門子在lifecycle這部份逐漸與其網路通訊,雲端進行搭配,這部份更可判斷西門子已經有所突破,不單單僅是單純的一些運用,其重點專利已經有所整合。

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透過此一系列分析,可發現西門子現階段美國均著重於智慧製造中通訊相關重點,而通訊領域更可說是現階段智慧製造之核心,這部分也顯示西門子逐漸在此一領域中加強佈局美國市場,而美國市場更可說是世界最為競爭之重點市場,這部份發展未來值得關注。

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圖6 西門子相關美國市場專利佈局圖(白點為2004-2010、黑點為2010之後專利)

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四、結論

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現階段智慧製造相關技術已逐漸成為新年度之市場主流,各國均逐漸投入重大資本在此一領域,面對如此競爭,我國也必須積極思考相對應之策略。現階段西門子在美國佈局之重點,已逐漸由早期之醫療與醫學相關技術,邁向智慧製造及智慧運算,通訊相關技術領域,這也顯示出未來西門子之市場布局重點已經逐漸成形。展望未來,我國如要發展技術,建議也可針對西門子相關領域狀況進行專利搜尋,並從中思考相關技術之突破。

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參考文獻

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  10. 至頂網(2017)。數字化雙胞胎與MindSphere 讓我們談談西門子的數字化企業理念,取自https://kknews.cc/zh-hk/tech/j69prml.html
  11. 樊晉源 (2017)。探討西門子重點領域專利佈局與分析 國家實驗研究院 科技政策研究與資訊中心公務計畫報告