基于主成分聚类分析的我国物联网产业发展潜力评价研究

周晓唯，杨 露

（陕西师范大学 国际商学院，陕西 西安 710062）

一、引 言

发展物联网产业具有重要的意义。首先，物联网产业具有广阔的市场需求，是经济发展的新增长点。其次，物联网产业的发展有利于提高企业的自主创新能力。第三，物联网产业的发展将改变传统的经济发展方式，推动经济发展方式的转变。加快物联网等一批战略性新兴产业的发展，是推动经济发展方式转变、增强经济内生增长动力的有效途径。

近几年随着物联网技术的发展，物联网产业也成为国内外学术研究的一个热点，主要集中在以下几个方面：在物联网应用方面，Michael Chui、Markus Loffler and Roger Roberts（2010）在其文章中指出物联网可以广泛应用于公司管理，加强对员工行为的感知，同时也指出，可以利用物联网的传感器驱动的决策分析，将其应用于石油和天然气行业，可以降低开发成本，提高石油开采交易的流动性［1］。Florian Michahelles、Stephan Karpischek（2010）通过物联网对人们生活所带来影响及作用进行的描述，论述了物联网（IOT）已经开始获得广泛的接受，并日益通过应用于手机、网络家电和设备等来改善人们的生活［2］。马鑫、黄全义（2010）等重点描述了物联网在公共安全领域中的应用，并指出将物联网技术与公共安全相结合具有重要意义。王娟、杨海（2010）分析说明了基于物联网的商品零售企业物流管理，其文中指出物联网的应用可以提升物流效率、控制物流成本，同时从整体上提高了企业以及相关领域的信息化水平，达到带动整个产业发展的目的。

在物联网应用存在的问题方面，Yong Ki Lee、Lejla Batina（2010）在其文章中探讨了物联网技术中的RFID系统关于隐私安全保护的问题，主要指出因物联网技术可广泛应用于跟踪系统、医疗应用、智能交通系统等，但原始标签很容易被攻击者访问，因此隐私保护问题就显得尤为重要。Luigi Atzori、Antonio Iera（2010）对物联网发展情况进行了详细描述，在结论中具体指出，物联网技术产生已经完全改变了我们的生活，使得科学技术改变了人与人之间的相互作用，但目前虽然物联网的技术已经相对成熟，但其扩展性发展和应用还存在一定的问题［3］。焦泉（2010）从知识产权方面对物联网的发展提出创新思路，指出通过掌握物联网核心技术标准，提前布局知识产权；强化知识产权国家战略，进一步完善知识产权制度；充分利用知识产权资源，多申报技术专利；充分利用法律武器，维护自身知识产权利益。从以上四个方面来重视整个物联网产业链的知识产权创新保护［4］。

罗瑞华、尹磊（2010）对我国物联网产业发展路径进行了分析研究，提出促进我国物联网产业发展的相关建议，主要是加大物联网基础技术和核心技术研究的投入；建立产业孵化基地，通过试点示范项目推广应用；健全物联网产业政策环境，促进产业链健康发展。在政府应如何支持物联网产业发展的研究方面，Rolf H.Weber（2009）阐述了对于物联网这样的新兴产业应当创造合理的政策环境，指出物联网作为一个新兴的、全球性的、基于互联网的信息服务体系的技术结构，在促进全球网络供应链的商品交换中起着不容忽视的作用［5］，正处于起步阶段的物联网的发展需要政府创造一个与其相适应的制度环境来保障其发展。刘婧、杨晓冬（2010）从政府视角分析了政府在实现物联网产业过程中的对策问题，得出政府应当制定物联网发展的中长期科技战略规划；建立健全相关法律法规；提供有效的政策支持；提高自主创新能力；积极培养科技人才。

陈曦和翟国方（2010）、马有明（2010）、吴珊（2010）、刘学敏（2010）分别对长春市、浙江省、无锡市和京津冀物联网产业的发展情况及战略目标进行了分析，为其他省市发展物联网产业提供了经验借鉴。

虽然现阶段对物联网及物联网产业研究的文章较多，但因物联网产业发展的时间不长，其模式和发展路径还在摸索和探讨的阶段，对物联网产业发展潜力进行评价的文章还没有。本文通过用主成分分析的方法，通过对物联网产业发展影响因素的分析，选取具有代表性的全国八省，从产业发展潜力层面进行了物联网产业发展能力的排序及综合评价研究，并利用聚类分析的方法将选取的目标省份按照物联网产业发展潜力分为三类。通过分析，论证了物联网产业发展的现时情况及趋势，对物联网产业的发展规划，以及如何带动发展相对落后的省份提供必要的理论依据和参考。

二、物联网产业发展潜力影响因素的评价指标体系构建

（一）评价指标选取依据

波特的“钻石模型”理论，以产业结构“五力竞争模型”为基础，逐步形成了适应经济全球化环境的产业国际竞争力分析框架和方法，该模型主要用来分析一国中的产业为何能持续创新，为何能通过改善从而形成其特有的竞争优势，该理论认为一国的国内经济环境对产业创造自身的竞争优势有着很大影响，其中起决定性作用的因素是要素状况、需求状况、相关与支持性产业和企业战略、企业结构与企业竞争，政府和机遇则被认为是次要影响因素。

（二）评价指标的选取

本文依据“钻石模型”的基本理论，通过分析六大影响因素，从中选择五大影响因素进行量化分析，而机遇因素因具有较强的不确定性、偶发性和主观性，仅在文中做定性分析。本文选取了在信息产业发展上具有代表性的全国八省来进行主成分聚类分析，北京、上海、广东是信息技术的发展大省，并且具有很强的科研能力和技术水平，并且广东省成立无线射频（RFID）标准化技术委员会，北京、上海创建了射频识别（RFID）园区；辽宁省是东北地区高新技术产业的发展典范，其沈阳市、大连市等在最近几年的发展中更是在东北地区起着举足轻重的作用；湖北省是带动中部经济发展命脉的大省，武汉市更是建立了光谷发展基地，加上湖北省强大的交通运输能力，实力可见一斑；四川省在西南地区经济的发展起着带头作用，其中成都高新技术开发区作为高端科技研发基地，将是物联网产业发展的关键孵化基地；江苏省中科院与无锡市共建中国“物联网研究发展中心”，江苏昆山周庄建设了物联网配套传感器产业基地；陕西省于2010年5月28日，成立了物联网产业联盟，根据西安市科技局统计，西安市近几年的8100项科技成果数据中，有5%-8%的科技成果与物联网有直接关联，其中部分已成为国内领先、国际先进的技术。因此这八个省份之间在物联网产业发展方面具有可比性。具体的评价指标选取见表1。

表1 物联网产业发展直接影响因素评价指标选取列表

三、物联网产业发展潜力评价的主成分聚类分析法

因在研究我国物联网产业发展的问题时，为了能对亟待解决的问题有一个比较全面完整的把握和认识，选取的评价指标较多，不同的评价指标之间可能存在着或多或少的交叉、互补与重合。主成分分析法是利用降维的思想，通过研究指出评价指标体系的内在结构关系，把多指标转化成少数几个互相独立而且包含原有指标大部分信息（85%以上）的综合指标的多元统计方法，它的优点是其确定的权数是基于数据分析而得到指标之间的内在结构关系，不受主观因素的影响，而且得到的综合指标（主成分）之间彼此独立，减少了信息的交叉，这使得评价分析的结果更具有客观性和确定性［6］。聚类分析法用数学关系的方法通过考量各变量（特征）的总体差异程度来确定亲疏关系，从而实现数据的自动分类。本文将主成分分析法和聚类分析法相结合，对我国物联网产业发展潜力进行综合评价研究。

（一）建立原始数据变量矩阵

设有p个被分类对象，每个对象有k个指标因子，由此所得的观测数值为（F1，F2，F3，…，Fr），则初始样本矩阵为 X*={x*ij}p×k。

（二）原始数据的标准化处理

因原始数据的单位存在不统一的问题，为消除量纲和数量级影响，先对所有的数据进行标准化处理，处理方法为：

（三）计算数据变量的相关系数矩阵R

在标准化数据矩阵xij的基础之上，计算数据变量的相关系数矩阵 R=(rij)p×k，则

（四）计算相关系数矩阵R的特征根和特征向量

计算相关系数矩阵R的特征方程为 ||R-λI=0，求出所有的特征根λ1≥λ2≥λ3≥...≥λp≥0，以及对应的单位特征向量 μ1,μ2,μ3,...,μp。

（五）确定主成分的个数

一般选取特征根值大于1的主成分个数，或者选取累计方差贡献率大于0.85时的k个主成分。前k个因子的累计方差贡献率的计算公式为：

（六）计算p个被分类对象在前k个主成分上的得分

（七）聚类分析

根据选取的主成分得分的数据，利用系统聚类的方法对选取的各样本进行聚类分析。

四、基于主成分聚类的我国物联网产业发展潜力评价实证研究

本文运用SPSS17.0作为统计分析软件，采用主成分聚类的分析方法对我国物联网产业发展进行综合评价研究。物联网产业发展直接影响因素评价指标的原始数据见表2。

表2 物联网产业发展直接影响因素评价指标原始数据

对表2的数据根据公式（1）进行标准化处理，由此计算计算出各数据变量的相关系数矩阵R，以及相关系数的特征值、贡献率和累计贡献率，具体见表3。

根据表3可以看出，前4个特征根分别为11.312、4.257、3.049、1.846均大于1，且累计贡献率达到97.446%，表示4个因子共解释了原有变量总方差的97.446%，并且根据因子的碎石图（见图1），可以看出确定4个主成分来代替上述21个评价指标是较为理想的。第一主成分的贡献率达53.866%，是最大的，说明第一个主成分最为重要，其次为第二主成分，以此类推。根据特征值、贡献率、累计贡献率提取的4个主成分，其因子的载荷矩阵具体可见表4。

通过表4可以看出，第一主成分在X3、X4、X6、X9、X10、X11、X12、X16、X17、X18、X19、X20、X21的指标上的载荷较大，反映了全国八省的生产要素情况，相关产业及支持产业情况，企业战略、组织结构与竞争情况以及政府的作用，可以认为第一主成分为我国物联网产业发展潜力评价的综合能力因子。第二主成分在X5、X7、X8、X13的指标上的载荷较大，反映了初级生要素需求、高级生产要素需求以及人们的需求情况，可以认为第二主成分为生产要素因子。X14、X15在第三主成分的指标上的载荷较大，可以认为是需求状况因子。X1、X2在第四主成分的指标上的载荷较大，可以认为是劳动力需求因子。

采用回归法估计因子得分系数，得出四个主成分因子的得分系数矩阵，具体见表5，由公式（4）可计算出个主成分得分，见表6。

由于提取的第一主成分的贡献率只有53.866%，为了弥补第一主成分的方差不够大的情况，本文用最终的主成分得分代替原始的数据进行系统的聚类分析，得到聚类谱系图，具体见图2。

从聚类谱系图可以看出，上海、江苏、北京、广东的相似性较高，较早地聚成一类；四川和湖北的相似性较高，聚成了一类；陕西和辽宁的相似性较高，聚成了一类。由此可分为3类，即发展潜力优势区：【上海、江苏、北京、广东】；发展潜力良好区：【四川、湖北】；发展潜力潜在区：【辽宁、陕西】。

最后根据实际情况，以四个主成分因子的方差贡献率为权数，得出最终的分数，由此计算出全国八省物联网产业发展的排序情况。

图1 因子碎石图

图2 聚类分析谱系图

表3 相关系数的特征值、贡献率、累计贡献率情况Total Variance Explained

表4 因子载荷矩阵

表5 因子得分矩阵

表6 各主成分的得分情况以及综合排名

五、结论及对策建议

广东省的物联网产业发展潜力的得分为1.129，远高于其它八个省份，发展实力排在第一位，在选取的21个评价指标中，广东省有11项位居榜首，其余的9项指标也都排在2-4位，排名均很靠前。故通过表6中显示的第一主成分的得分可以看出，广东省在物联网产业发展的综合能力排名第一，可见其物联网产业发展潜力的巨大，因此广东省在发展其物联网产业时，应继续保持其示范和带动的作用，积极响应广东省物联网产业发展“五个1000”的目标，重点突破物联网的核心技术，推动物联网技术在城市管理、传统产业、民生等领域的应用，抢占物联网产业发展的高端，带动周边省市的物联网产业发展。

同广东同样处于发展潜力优势区的江苏、北京、上海的综合实力排名分别位居2、3、4位，可以看出这三省在物联网产业的发展方面同样具有不容小觑的示范带动作用，江苏在选取的21个评价指标中有4项位列第一，北京、上海分别有3项指标位居第一。可以看出，江苏省在物联网产业发展的高级人力资源、物联网产业发展支持和物联网产业的需求方面具有优势，因此江苏省的发展应该结合其具有高级人力资源的优势，通过高校及科研机构规划“物联网”的建设，同时找到其发展的劣势如信息通信产业的新增固定资产不足，加大省级资助的力度，带动物联网产业项目的总投入，在江南沿海地区形成规模示范作用，带动物联网产业的区域性发展。北京在物联网产业的生产要素、相关产业及支持性产业方面具有优势，应发挥其优势所在，继续保持，同时加大其他方面的发展，利用北京中关村这个中国物联网产业中心的巨大优势，联合天津等新一批物联网重点发展城市，形成物联网产业发展的规模效应。上海在物联网产业发展的科研财政支出以及需求方面具有一定优势，因此上海应利用其是我国物联网技术和应用的主要发源地这一优势，结合其扎实的技术研发实力、大量的技术人才与产业聚合效应来发展其物联网产业，同时，带动浙江、安徽、福建等省市的物联网产业发展。

发展良好区的四川和湖北的物联网产业发展潜力综合实力分别排名第5和第6位，四川省和湖北省在选取的21个评价指标中分别都有2项排名为第2位，其他指标都比较靠后。四川省在信息产业的新增固定资产和相关产业发展方面具有相对优势，而在电子信息的创新能力、初级生产要素配给和高新技术开发区的盈利能力方面表现的较为不好，因此，根据分析，四川省应当利用其优势所在，根据2010年5月印发的《成都市物联网产业发展规划(2010-2012)》认真部署物联网产业的发展，加大物联网产业的创新能力，对其发展所需的劳动、土地和资本应配备充足，加大物联网产业的生产规模和盈利能力。湖北省在物联网产业发展的高级人力资源和电子及通信设备制造业的政府资金配给上具有相对优势，而在初级生产要素、需求状况、创新能力方面的排名都很靠后，因此湖北省发展物联网产业应认真认识到自身的不足，利用武汉光谷的实力以及在光电技术方面的优势，为物联网产业发展提供更为有力的保障，同时借助武汉众多的高校、科研院，提高其研发能力，通过掌握物联网的核心技术，形成产学研科技结合的特色发展。四川和湖北同样应该利用其现有条件，带动周边如重庆、湖南等省市的发展，在区域发展上形成一定优势。

而排在发展潜力潜在区的辽宁省和陕西省排名都较低，分别排在第7和第8位，作为发展的潜在区，应以学习发展优势区的发展方式为主，并结合自身发展的特点，形成自身独特的发展模式。辽宁省在物联网产业技术的发展、相关产业及支持性产业发展以及企业发展战略和政府投资方面的排名都很落后，辽宁省属于东北老工业基地，因此要发展物联网这一类新兴战略性产业，老工业基地应当依托其装备制造的优势，结合物联网产业发展的特点，联合吉林和黑龙江，利用沈阳国际软件园这一基地优势，建立物联网产业联盟、云计算产业联盟，发展东北地区领先的物联网产业。陕西省在其物联网产业发展的综合能力、生产要素指标、需求状况的排名也都比较靠后，因此优化生产要素结构、拉动国内外市场需求，对陕西省物联网产业发展起着至关重要的作用。应该加大培养创新应用性人才的队伍，选择技术相对成熟、在全国具有引领示范效应的物联网产业项目进行申报，如西安正在积极申报的“智慧城市”等一批示范项目，由此可以争取国家政策、资金的支持，带动上下游产业发展，加快物联网产业链的形成。陕西省要在全国信息产业发展格局和振兴规划的框架下，找准信息产业发展的定位，以培育产业集群竞争力为目标，通过合理引导完善相关机制［7］，促进共同发展。在积极响应国家发展物联网政策的同时，应及时了解和掌握国际信息技术发展现状和动态，寻求信息产业新的发展机遇。借鉴国际信息技术发展的先进经验，提高技术能力，加快科研开发速度，不断消化再创新，实现陕西省以及西部地区物联网产业的快速发展。

［1］ Michael Chui，Markus Löffler，Roger Roberts.The Internet of Things［J］.McKinsey Quarterly，2010，（2）：1-9.

［2］ Florian Michahelles，Stephan Karpischek，Albrecht Schmidt.What Can the Internet of Things Do for the Citizen?［J］.Pervasive Computing，2010，（10）：102-104.

［3］ Luigi Atzori，Antonio Iera，Giacomo Morabito.The Internet of Things:Asurvey［J］.ComputerNetworks，2010，54：2287-2805.

［4］ 焦泉.论物联网的知识产权保护与创新［J］.现代经济探讨，2010，（6）:32-34.

［5］ Rolf H Weber.Internet of things-Need for a new legal environment?［J］.computer law&security review，2009，（25）：522-527.

［6］ 王湃，南玉范.SPSS在区域科技综合实力评价中的应用［J］.中国管理信息化，2006，（11）：86-87.

［7］ 张忠德.陕西省电子信息产业集群发展研究［J］.改革与战略，2010，（11）：137-140.