第1章 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.1.1 研究背景

高科技产业是美国国家科学院在1971年出版的《技术与国家贸易》一书中正式提出的概念，此后英国女首相撒切尔夫人执政期间（1979—1990年）将高科技产业（High-Tech Industries）正式列入英国的国家发展纲要中，在世界范围内第一次将高科技正式作为一项产业列入国家发展计划。与此同时，1982年日本的新闻周刊发表了《日本的高技术》、商业周刊发表了《高技术专集》两篇文章，两文的刊出标志着高科技产业的概念正式在亚洲得到推广。世界范围内对高新技术产业的普遍认识是：高科技产业是研究和开发高技术密集型的产业。根据我国的国民经济产业分类代码，我国的高科技产业包括医药制造业，航空、航天器及设备制造业，计算机及办公设备制造业，医疗仪器设备及仪器仪表制造业，信息化学品制造业六大产业。

1．高科技产业先进国家和地区

因为世界经济发展的不均衡性，高科技产业在不同国家的出现和蓬勃发展具有不同的时代背景和特征，但都快速带动了相关产业链条的发展和整个国家经济的进步，如美国、日本、欧洲等。

1）美国的高科技发展

“二战”以后日本经济逐渐恢复元气并在国际市场竞争中越来越强劲，到20世纪70年代末，美国的钢铁、汽车制造、纺织品等传统制造领域开始全面落后于日本，正是在这种背景下美国开始以高科技为中心进行大规模的产业结构调整，形成了大批的高科技产业。在此过程中，信息基础在整个产业结构调整和升级中发挥了巨大的作用，美国传统的工业随之被现代电子信息技术所代替。美国高科技产业的发展体现了很多鲜明的特征，如高效益、高投入、高竞争、高潜能和高风险。在整个高科技产业浪潮中，常规的工业部门之间的界限变得更加模糊，体现出了不同产业、部门之间的交叉融合性。摩尔定律不断得以应验，高新技术转化为产品以及产品的更新换代周期逐年缩短。在短短十余年间，传统的产业发展观念和决策方式得到颠覆性的改进，推动了系统化的方法和智能化产品的产生。由于高新技术产业的产业附加值较高，比制造业平均水平高出7个百分点以上，因此美国高新技术产业占美国GDP的比重不断提升，在较短时间内迅速突破了40%。在高科技产业中的微电子技术、能源、生物工程及纳米技术等方面，美国公司掌握了核心技术、极具全球范围内的竞争实力，从而带动了美国经济的发展。

2）日本的高科技产业发展

日本在20世纪80年代推行“自主研究和创造型”科技战略，例如在原创性的尖端科技研发和应用方面取得较大的突破。短短十余年间，日本高科技产业企业在生命学、纳米工程、通信系统、环境工程等高科技产业领域取得革命性进展，在规模、水平和覆盖工业领域方面已经全面地超过了西欧。

日本高科技产业的发展是与日本政府的规划与调控政策密不可分的，其很多高科技产业是在政府主导下引进国外成果基础上逐渐发展的。当1970年IBM进入日本市场后，日本计算机市场60%的份额为外国公司所有，其中IBM占有40%的市场份额。日本通产省认为集成电路对微电子技术的发展十分关键，是制约日本电子信息等高科技产业的核心要素之一。因此，在其主导下成立了以富士通、日立、东芝、三菱和日本电气等五大高科技公司，以及日本工业技术研究院等研发机构为班底的超大规模集成电路研发联合体（VLSI）。在日本通产省主导下，该项目运行了10年，取得了超过1000项技术专利并形成了一系列具有世界竞争力的实体产品。例如，1986年日本半导体产品超过美国，在世界市场的占有率高达45.5%，而存储芯片在1989年占据世界市场的53%，远远高于美国37%的市场份额。除了VLSI计划外，日本政府也主导了其他多项高科技产业发展计划，如半导体“飞鸟计划”“SOC基础技术开发计划”以及“未来计划”等产业计划，电脑、工作站、主机、机器人、灵活制造系统、通信设备、纳米材料等高科技产业链世界领先。

3）欧洲的高科技产业

欧洲具有高度市场化的产品市场，企业经营管理和技术手段世界领先，同时具有全球化运营管理的信息网络和渠道，因此欧盟孕育了大批高科技跨国公司。例如，德国是世界主要工业发达国家之一，在激光技术、电子技术、纳米材料、生物科技以及信息通讯等科技领域均处于世界一流水平，是仅次于美国的全球第二大技术出口国。很多欧洲小国也凭借高科技产业的发展弥补了在资源禀赋和工业基础上面的劣势，以科技导向性产业实现产业结构的高端化，提升经济效益。例如，芬兰在政府主导下，集中优势将资源集中在推动国民经济快速增长的关键领域，将全国研发经费的一半应用于信息产业。在20世纪90年代，芬兰经济萎靡不振，失业率从3%迅速增加到17%，短短3年内GDP下滑了将近10%。在这种背景下，芬兰调整产业战略，加大了对电子通信产业的扶植和倾斜力度，10年之后芬兰一跃成为世界信息科技产业最发达的国家之一。其中，诺基亚公司一家高科技产品企业占国民生产总值的比重将近4%，贡献芬兰全国产品出口总量的20%以上。芬兰政府将高科技产业作为最优先发展的地位，在信息科学、能源科学、新材料、环境工程与海洋工程、空间科学以及生命科学等领域都在世界占有一席之地。

从这些高科技产业发达和发展迅速的国家来看，各级政府在经济结构转型过程中对高科技产业发展期于众望，从规划、扶植和引导等方面倾注了大量资源，随之带来的是高科技产业的迅速发展并带动了产业结构调整和经济快速发展。在技术更新换代日益增快的今天，具有高技术、高附加值特征的高科技产业是各国经济发展的首选产业。

2．高科技产业的典型特征

“二战”以来产生了以电子信息、新能源、航空航天、新材料、生物科技以及电子信息等为代表的高科技产业，与传统的产业发展不同，高科技产业年增长率是传统产业年增长率的3～5倍，具有高智力性、能耗小和产品附加值高等特征，这些特征决定了各级政府在高科技产业发展规划中的政策与传统产业的宏观规划和调控政策将有所不同。从总体上来说，高科技产业与传统产业相比具有如下鲜明特征。

1）成本较高

高科技产业具有知识和技术密集的特征，对社会经济发展具有重要的价值。例如，欧美发达国家中信息产业的产值已经占到其总GDP的40%～60%。由于高科技产业是探索型产业，在研发阶段就投入大量的高科技研发人才和试验资源，与此同时，高科技产品的试验失败率也较高，市场反应难以估计，因此，高科技产业的研发成本较高且失败风险较大。从成本分类上，高科技产业的主要成本结构包括固定成本（前期产品开发导致的研发费用）和生产成本（每生产一单位产品所投入的资源量）。这两部分成本中，固定成本投入主要以人力资源形式支出，一旦研发失败，则这部分固定成本就无法收回。当产品研发后，产品研发成本会分担到每一份产品上，所以每单位产品的边际成本会随着产能的增加而逐渐降低。基于这样的成本结构和成本特征，很多企业在涉足高科技产业或地区探索依靠高科技实现产业转型时需要慎之又慎，找对高科技产业发展的方向和契机。

2）竞争异常激烈

在传统产业中，生产材料、资本和渠道是企业获取竞争优势的有效途径。然而，高科技产业的基础在于技术和人才，以及随之带来的产品标准化程度。高科技产业具有鲜明的产品标准化特征，产品的标准化程度与企业在市场中的垄断性、利润呈正相关。高科技企业新产品推出后会有两种情形：企业的技术高于行业标准或行业准则并且难以被其他企业所模仿，在这种情况下该企业就可以利用技术壁垒获取垄断利润；当企业研发的新产品技术领先程度不足于形成长时间的垄断地位时，高科技企业往往选择申请专利等技术保护措施短时间内设置其他企业技术标准壁垒。因此，高科技产业的竞争非常激烈，微小的竞争优势带来巨大的潜在收益。

3）风险无处不在

高科技产业是高投入和高回报的行业，很多高科技公司如苹果、谷歌、脸书等都在不同的行业创造出了高额的利润。然而，与高额附加值相对应的是高科技产业在技术开发和市场推广方面的巨大风险：一方面，高科技产业面临巨大的技术风险。高科技产业是主要依靠自身的研发来获得核心发展优势的，由于技术研发本身就具有成功与失败的不确定性，而产品设计理论模型到实体产品之间也有一个精密加工制造的过程，生产过程也面临一定的加工风险。总之，高科技产业在技术研发与技术实现方面具有较大的风险。另一方面，与传统的产品一样高科技产品也面临市场推广的风险。由于消费者需求变化非常快，看高科技产品的研发过程又有一定的时延，实体产品成型后能否紧跟市场需求变化具有很大的不确定性。因此，高科技产品的技术研发和市场推广方面均面临极大的风险。

4）产业聚集效应

产业聚集是经济活动发展到一定程度后的必然产物，通过产业溢出的外部经济效应为整个产业链条发展提供良好的互补和互利环境。产业集群理论是20世纪20年代出现的经济理论，并于90年代被哈佛商学院竞争战略领域学者迈尔克·波特正式提出。与传统产业的产业聚集不同，高科技产业的产业聚集多以创新和知识为依托，企业之间依靠信息为纽带相互联系，从而自发或不自发地形成了覆盖一定地理区域范围的高科技技术产业区。例如，美国硅谷的微电子高科技产业集群，汇集了类型多样、发展重点不一的大中小科技创新企业，孕育了全球电子与软件百强企业中近五分之一的成员。正是良好的产业聚集效应，美国大型客机公司中有将近三分之一都在硅谷设立全球总部。高科技产业的聚集模式可以分为基于供应链整合的主导集群模式、基于价值链分化的高科技产业集群模式，以及基于技术模仿与扩散的高科技产业集群模式，不同的产业集群模式与该产业对技术、知识、市场等产业特征密切相关。

高科技产业具有高智力、高收益的独特特征，是实现经济快速转型升级的潜在利器。也正是因为高科技产业在发展过程中投入巨大且面临沉没风险，因此，在城市政策中对高科技产业的引导和合理规划与扶植是当地高科技产业健康发展的有力保障。

3．高科技产业产能过剩问题

全球经济进入智慧型知识经济时代，高科技产业是世界主要工业国家实现经济发展的重要依托产业。因此，从宏观上看，高科技产业的产业规划是政府产业政策中的重要工作内容。然而，高科技产业的高风险和高投入特征使政府产业政策在制定过程中必须保持非常高的精准度。信息产业是高科技产业最主要的组成部分，目前发达国家信息产业产值已占国民经济总产值的40%～60%，经济总产值增长部分的65%与半导体产业有关，半导体产业已经成为全球信息化、网络化的基础性产业（见图1-1）。以下从高科技信息半导体产业的特点出发，分析高科技产业精准规划的必要性。

2011年，世界半导体产业规模达到了3068亿美元，而随着世界产业转移的进行，我国已成为全球半导体产业的主要增长地区。根据iSuppli公司的预测，我国半导体市场的巨大需求将在未来5年内推动全球半导体行业保持6%或7%的年均增速。因此，本书是以高科技半导体产业为行业背景进行研究的。

高科技产业主要涵盖高技术水平、高资本投入、高市场风险、高技术变革的行业领域，以下以半导体制造为例概述其典型的产业特征。

（1）设备昂贵。半导体制造系统中的机台是非常昂贵的。以一座产能为3.5万片/月的8英寸（200mm）半导体晶圆厂为例，该系统包含了300～400个加工机台，以及若干条大型物料传送系统和大量辅助生产设备，总造价约为100亿元人民币。而建设一座自动化的12英寸（300mm）晶圆厂，则需要高达150亿元人民币的巨额投资。与此同时，半导体加工设备折旧极高，一个8英寸晶圆产线五六年都难以实现盈利。因此，精准的半导体工厂产能预测与管理能够减少设备闲置和巨额资金的浪费。这是半导体企业关注的焦点。

（2）制造工艺复杂。半导体制造是要在以半导体材料硅或砷化镓为衬底的单晶圆薄片上制造出几十个甚至几百个特定的集成电路芯片，加工流程往往包括200～600个加工工序，使用设备的种类有60～80种，设备台数多达上百台。由于技术和资金问题，每个工厂可能只做一个或几个工序，因此，半导体制造链是一个异常复杂的网络结构。

（3）不确定性显著。由于半导体制造过程对制造环境和工艺参数非常敏感，半导体行业的成品率往往是不确定的。成品率的变化势必影响投料计划和产品的销售策略，因此，产出率的随机性给半导体产品企业生产控制和销售管理带来了巨大困扰。

（4）需求替代性。产出的不确定性导致了产出品具有不同性能。按照性能高低将产品分为不同等级进行销售。当低等级的产品缺货时，高等级的产品可以用来满足低等级的产品需求。

（5）较短的产品生命周期。半导体产品的产品生命周期一般比较短（一年或两年），甚至有些半导体产品（如太阳能光伏、微电子、纳米等产业）在第一个半年内将损失它整个生命周期的60%以上的价值（Mallik,2007）。

动态变化的市场需求、较长的制造提前期、昂贵的生产准备成本、技术的不断革新，这将意味着半导体等高科技产品制造行业需要更多的资金投入，承担更大的市场风险。Gurnani（2005）提到，IBM在纽约的一家芯片加工厂不当的生产决策导致其1.5亿美元的损失。因此，精准的生产和销售控制策略有助于缓解产销决策面临的困境，减少资金浪费，降低失败风险。因此，通过合理的生产决策方法可以提高生产的精准度，从而有利于提升半导体制造行业的利润，具有巨大的现实意义。一个城市高科技产业企业的产能总和即是当地该行业的产业总产能，关系到地区经济的发展，是城市政府经济管理和规划的对象。从产业的角度上看，美国、德国、日本和韩国等很多工业发达国家的产业聚集城市都出现了不同产业的产能过剩现象，给经济发展带来了不少负面影响。21世纪初，我国告别了短缺经济时代，产能过剩问题逐渐成为影响我国经济的巨大隐患，短短十几年的时间内发生了三次比较严重且具有普遍性的城市产能过剩现象。

（1）20世纪80年代聚焦轻工业的重复建设。改革开放前，我国着力发展重工业，导致轻重工业之间存在严重的失衡。改革开放后，各级政府激励轻工业发展来满足人民多样化的需求。因此，在以利改税等刺激性政策下，轻工业投资比重从1978年的9.3%迅速提高到了1980年的14.9%，得到了前所未有的快速发展。然而由于缺乏全国性的系统规划，各主要工业城市都跟风筹建轻工业，大量重复建设项目上马，从而导致了我国第一次普遍性的城市轻工业产能冗余。

（2）20世纪90年代基础工业的重复建设。20世纪90年代初，国家制订了国民经济发展的“十年规划”和“八五计划”，明确地提出了国民经济的具体发展目标，即在20世纪末我国的GDP总量要比80年代GDP总量翻两番。此后，各个城市制定和落实了相应的改革开放与经济开发的相应激励政策。随着相应各个城市投资规模的急剧增长，新一轮的基础工业重复建设变得比较严重。

（3）21世纪后的重复建设。在经历了20世纪末期的亚洲金融危机后，从2002年开始我国经济发展进入了新一轮经济发展快速通道。其间，各地城市兴建了各类、各种开发区，大力发展汽车、水泥、钢铁、有色金属等基础重工业，与此同时带动了煤炭、电力、石油、运输等相关产业的快速增长。从2010年开始，我国就超越了美国成为世界第一工业大国，在500余种主要工业产品中220多种的产能我国高居世界第一。然而，我国工业总体产能利用率逐年降低，截至2015年，主要城市的工业总产能利用率已经低于80%，部分工业产业的产能利用率低于70%。根据国际通用的标准，即产能利用率超过90%为产能不足，产能处于79%～90%视为正常水平，而若产能低于79%则被视为产能过剩，当产能低于75%时产能处于严重过剩的状态。基于此可以判断，各大城市工业总体处于产能过剩的阶段，甚至个别行业处于严重产能过剩的状况。截至目前，这些产业的重复建设导致的国民经济发展困境仍没有完全解除，而成为下一步深化改革的重点。

近些年来，主要城市的高科技等新兴产业发展非常迅速，客观上带动了国民经济的快速发展。根据2016年公布上一年度年报的2214家我国高科技产业企业可以发现，生物医药、通信计算机、精密加工与装备制造等新兴高科技产业业绩比较好，其中80%以上主营业务同比增长，70%以上净利润同比增长，在国民经济“换挡运行”的经济新常态下体现了高科技产业支撑国民经济发展的潜力。同时应该看到，2016年前半年高科技产业在所在城市的投资增长了14.2%，产业规模也急剧膨胀。然而，在新兴的风电、硅钢、光伏太阳能等高科技产业短时间内呈现“产能过剩”的经历上看，此轮的高科技产业投资也具有很大的产能过剩风险。与传统产业不同，高科技产业具有非常强的技术特征和资本密集特征，一旦产能过剩则会带来不可逆转的损失。例如，在600多个大中城市中，有300多个将光伏产业作为优先发展的产业，其中100多个建立了光伏产业基地。目前，光伏产业装机总容量接近4500万千瓦，甚至比世界其他所有国家的总装机容量还要多。而从光伏产业装机利用率上看，各城市的装机产能利用率普遍在70%上下，而低于200兆瓦/年的光伏发电企业产能利用低至50%左右。在目前密集的高科技产业投资情况下，使产业投资总量可控、未来运行有效、产业效益较高，是各城市在进行高科技产业有效产能管理上面临的紧迫问题。

总之，在很多城市中无论传统行业还是新兴高科技产业已经出现了产能过剩的现象，可将其归因于两点：首先，城市政府在社会经济发展过程中没能适当地发挥相应的政策引导和运行监管的作用，特别是在地方性行业产能评估和产业政策制定与执行方面过度追求短期效应，弱化了社会经济系统的可控性并加剧了产能过剩。其次，市场本身也具有一定的缺陷，市场信息在传递过程中具有一定的滞后性和放大效应，市场波动带来的风险比较大。从现有文献看，对高科技产业的产能过剩的研究存在两点不足：一是多数研究从宏观和传统行业视角入手研究城市产能过剩问题，而从微观视角展开研究的文献较少；二是从市场、体制等维度分析城市产能过剩形成机制的研究较多，而更近一步对最佳产能本身做出判断与分析的研究文献较少。因此，本书从微观角度出发，按照供给侧和需求侧相匹配的角度展开研究，判断城市最优的产能并在此基础上提出城市进行行业产能规划的技术工具，为政府制定和执行措施与策略提供理论支持。

在具体内容构架上，本书以半导体产业为背景，研究多产品产出、多销售周期、需求向下替代、生产和需求具有随机性的高科技产业企业的生产和销售决策问题，最后提出这些决策方法对城市制订行业产能规划的启示。技术性研究内容包括：运用随机动态规划理论研究不同生产方式时的高科技产业企业生产系统产能决策理论；基于客户生命周期价值理论的高科技企业产能决策理论。本书进行的产能决策理论研究，研究成果将有效地对不确定性条件下产业的生产和分销提供了一套决策技术，同时对于政府分析产业发展潜能和最优差能提出相应的宏观规划措施，具有重要的学术价值和现实意义。

1.1.2 研究目的和意义

产能过剩是世界经济发展过程中常见的现象，高科技产业在发达国家也逐渐出现了产能过剩。例如，在21世纪初期美国高科技产业发展较好的主要城市累积了非常严重的产能过剩，企业的生产能力产能利用率从1995—2000年的81.5%迅速下降，至2003年降低到了73.6%。从城市治理的角度，政府一方面鼓励企业兼并重组和破产等企业改革；另一方面推行科技自由贸易，加速科学技术商品化和科技产品出口，从而有效地分解了过剩产能。现阶段我国主要城市的高科技产业产能过剩现象与21世纪初美国主要城市的高科技产能过剩有几个共同的特征，例如：高科技产业的进入壁垒和投资难度都较低；高科技产业受惠于产业政策，在快速发展过程中渐渐失衡；市场需求在很短的时间内骤降、供需错配问题突出。

高科技产业产能规划难以制订是由其生产过程复杂、需求多变等行业特点决定的，以下以半导体制造为例介绍其复杂程度。半导体制造是要在以半导体材料硅或砷化镓为衬底的单晶圆薄片上制造出几十个甚至几百个特定的集成电路芯片，加工流程往往包括200～600个加工工序（见图1-2），使用设备的种类有60～80种，设备台数多达上百台。随着技术的进步，产品的技术含量越来越高，其生产工序也日趋复杂，其加工条件（温度、湿度与含尘量等）越来越苛刻。

正是由于高度复杂的生产制造工艺以及对工艺参数、制造环境的高度敏感性，产品成品后，不同批次，甚至同一批次的产品性能不尽相同，有些产品具有较大缺陷。因此，这些产品被贴以“残次品”“一级品”“二级品”或“高性能”“低性能”等标签进行销售。如上文所述，不同等级的产品具有替代性（Bassok and Akella, 1999）。由于越来越短的产品生命周期、昂贵的设备成本和运行成本，以及高度的需求不确定性，企业进行采用精准的产能策略和分销计划显得尤为重要。本书关注具有如上特征的高科技产品生产系统进行建模和优化，从生产理论、随机优化理论、运筹学和随机仿真等多学科交叉的角度展开研究，重点分析高科技产业企业的两阶段决策问题，即确定产能计划和需求满足策略，旨在为城市在进行高科技产业产能决策中提供定量化的产业分析工具。在微观研究中，技术研究目标包括以下两方面。

（1）将产能决策和考虑需求替代销售决策进行集成研究，来提升高科技产品企业的利润。由于销售策略影响生产策略，因此，通过寻求不同条件下的最优销售策略，进而决策最优的产能决策。通过在不同系统条件的建模和求解，得到能够最大化企业利润时的生产和销售策略。

（2）本书构建的核心模型是随机动态规划问题，求解面临巨大的计算负荷。本书研究的目的之二在于在建模和求解的关键技术方面有所突破，通过发掘新的求解方法，有效地对大规模复杂问题进行快速求解。

总之，研究鉴于产品贬值性、需求连续性和利润的长期性等，研究目标在于能够解决半导体等相关产业的产销策略决策难题，并在建模和求解方法上具有创新意义。

本书以高科技半导体产业为行业背景进行研究，力图实现在产能决策上的技术突破，为高科技产业（如光电子、液晶显示、芯片等）产能规划提供理论支持。同时，由于其他行业也具有替代、不确定性等特征（例如，农产品瓜果企业的原料受气候、温度、虫害、储存条件等影响，其产出品具有不同品质等级）。因此，也力求研究成果能够在其他产业（如农蔬、餐饮业、医疗、租赁、服装等）得以推广应用。