工業(yè)4.0時(shí)代的計(jì)量測控技術(shù)

計(jì)量是工業(yè)的基礎(chǔ)，是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，計(jì)量測試技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)程中的具有重要意義和發(fā)展前景。

新工業(yè)革命——工業(yè)4.0

2013年4月，在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，德國首發(fā)《實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書》，力推創(chuàng)新概念“工業(yè)4.0”。同年12月，德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了“工業(yè)4.0”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。

德國學(xué)術(shù)界產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。該戰(zhàn)略通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)-信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型?！肮I(yè)4.0”項(xiàng)目主要分成三大主題：智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流。

2014年10月，李總理在訪德期間簽訂了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略合作框架，顯示出高層對制造業(yè)4.0升級(jí)改造的強(qiáng)力支持，工業(yè)4.0將上升到國家戰(zhàn)略高度。

工業(yè)4.0 將確保多批次，小產(chǎn)量狀態(tài)下產(chǎn)業(yè)的獲利能力，確保工藝流程的靈活性和資源利用率。這種生產(chǎn)模式成功后，能夠提供品種更豐富的個(gè)性化、功能更齊全的多樣性、性能更穩(wěn)定的高質(zhì)量、使用更人性化的產(chǎn)品，中國依靠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的、高性價(jià)比產(chǎn)品的吸引力將會(huì)降低。

計(jì)量工業(yè)4.0的發(fā)展方向

門捷列夫曾說過：“沒有測量，就沒有科學(xué)?！?/p>

計(jì)量是一項(xiàng)古老而又新興的事業(yè)，它隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。同時(shí)它在一定意義上也標(biāo)志著一個(gè)國家現(xiàn)代化水平的高低。計(jì)量工作既是工業(yè)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，又是提高生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

科學(xué)技術(shù)是推動(dòng)工業(yè)革命的重要?jiǎng)恿?，?jì)量測試技術(shù)做為基礎(chǔ)科學(xué)，在前三次工業(yè)革命中發(fā)揮了重要的作用。

在工業(yè)4.0時(shí)代，不僅需要更加專業(yè)的計(jì)量技術(shù)人才，因?yàn)橛?jì)量專業(yè)性很強(qiáng)，在某一單個(gè)領(lǐng)域還需要向著更高、更準(zhǔn)的方向發(fā)展。

無論是工業(yè)4.0，還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，“互聯(lián)互通”是推動(dòng)這一輪工業(yè)革命的核心要素?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)都需要大量的信息，而這些信息的產(chǎn)生都是來自儀器儀表或直接來自于各種傳感器。智能制造、智能生產(chǎn)，沒有計(jì)量測試便無從談起。

系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)程傳輸、嵌入式軟件將成為計(jì)量儀器的重要組成部分，控制程序與儀器將不可分隔。

我國計(jì)量工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

國家質(zhì)檢總局局長支樹平指出，雖然新中國建立以來我國計(jì)量事業(yè)取得顯著的成績和進(jìn)步，但和國際進(jìn)水平相比還有一定差距。表現(xiàn)在國家新一代計(jì)量基準(zhǔn)持續(xù)研究能力不足;量子計(jì)量基準(zhǔn)相關(guān)研究尚處于攻堅(jiān)階段，與發(fā)達(dá)國家仍有很大差距;社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)遲緩，部分領(lǐng)域量傳溯源能力仍存在空白;法律法規(guī)和監(jiān)管體制滯后于社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，監(jiān)管手段不完備，計(jì)量人才特別是高精尖人才缺乏。

在工業(yè)4.0的時(shí)代潮流中，根據(jù)我國工業(yè)和信息化部制定和發(fā)布的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖規(guī)劃，智能制造裝備的發(fā)展重點(diǎn)突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是九大關(guān)鍵智能基礎(chǔ)共性技術(shù)包括：新型傳感技術(shù)、模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)、故障診斷與健康維護(hù)技術(shù)、高可靠實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、功能安全技術(shù)、特種工藝與精密制造技術(shù)、識(shí)別技術(shù)等。

二是八項(xiàng)核心智能測控裝置與部件包括：新型傳感器及其系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線、智能儀表、精密儀器、工業(yè)機(jī)器人與專用機(jī)器人、精密傳動(dòng)裝置、伺服控制機(jī)構(gòu)、液氣密元件及系統(tǒng)。

從以上這兩個(gè)發(fā)展重點(diǎn)不難看出，傳感技術(shù)和傳感器的研究是其中的重點(diǎn)項(xiàng)目，而其他重點(diǎn)項(xiàng)目的研究，如機(jī)器人、液氣密系統(tǒng)等都離不開計(jì)量測試的使用和計(jì)量測試精度和能力的保障。傳感器和傳感技術(shù)是計(jì)量測試的一種表現(xiàn)形式，傳感器及傳感技術(shù)的發(fā)展將成為第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

新工業(yè)革命的計(jì)量測控技術(shù)

第四次工業(yè)革命以“智能制造、智能生產(chǎn)”為核心，以互聯(lián)為手段，以計(jì)量測試為重要的核心技術(shù)。第四次工作革命也是大數(shù)據(jù)時(shí)代，是信息技術(shù)時(shí)代，是把一切測試信息進(jìn)行綜合采集、綜合分析并加以綜合運(yùn)用，在運(yùn)用的過程中再進(jìn)行新的采集、新的分析、新的應(yīng)用的過程。

在這個(gè)過程中，及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量測試無處不在，無時(shí)不在，無所不在。這對計(jì)量測試技術(shù)的挑戰(zhàn)是全面的、綜合的、全方位的。

1、應(yīng)從更高準(zhǔn)確性、可靠性、一致性上思考如何進(jìn)一步提高計(jì)量測試能力問題。

計(jì)量測試技術(shù)的準(zhǔn)確性、一致性和可靠性是實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)。如現(xiàn)代銀行系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)銀行收支情況在某一節(jié)點(diǎn)時(shí)必須一致，即帳目不致于出現(xiàn)偏差不平衡，需要銀行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間精度必須在10-6以上，而如果全世界的工業(yè)要實(shí)現(xiàn)4.0，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對接平衡，肯定要高于這個(gè)精度，因?yàn)閿?shù)據(jù)更多，涉及的行業(yè)、部門、產(chǎn)業(yè)、企業(yè)更為繁雜。目前時(shí)間的計(jì)量精度雖已達(dá)到了10-15以上，但這只是實(shí)驗(yàn)室中的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能否得到實(shí)際應(yīng)用？能否滿足要求？這只是工業(yè)4.0對時(shí)間這一個(gè)參數(shù)的要求，對于長度、溫度、電磁、無線傳輸?shù)榷继岢隽耸裁礃拥男枨?？我們能否滿足？第四次工業(yè)革命的到來，一定需求更高精度的計(jì)量測試為其提供測試技術(shù)保證。

2、應(yīng)從傳感技術(shù)的快速發(fā)展來思考儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題以及對傳感器的量值傳遞和溯源問題

無論智能生產(chǎn)還是智能工廠，傳感器將是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的直接根源。東德某玻璃制造企業(yè)，一個(gè)玻璃全自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)線上就安裝了3000多個(gè)測量傳感器，保證著整個(gè)系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行。這些傳感器代表了傳統(tǒng)的檢測儀表。那么如何保證這些傳感器的準(zhǔn)確、可靠？如何對他們進(jìn)行量值傳遞和溯源？能否實(shí)現(xiàn)傳感器的自校準(zhǔn)功能？測量傳感器加上軟件系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了原來儀表的功能，未來的檢測儀表是否將被各式各樣的傳感器或傳感系統(tǒng)所替代？儀器儀表行業(yè)將何去何從？

3、應(yīng)從嵌入式軟件全方位應(yīng)用及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展來思考計(jì)量相關(guān)軟件的檢定、校準(zhǔn)或檢測問題

無論是工業(yè)4.0，還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，“互聯(lián)互通”是推動(dòng)這一輪工業(yè)革命的核心要素。近幾年互聯(lián)互通技術(shù)快速發(fā)展，也帶動(dòng)了軟件業(yè)的快速發(fā)展。系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)程傳輸、嵌入式軟件將成為測試儀器的重要組成部分，軟件與儀器將不可分隔。

現(xiàn)代的計(jì)量測試儀表大都可以直接與互聯(lián)網(wǎng)相通。現(xiàn)在較為成熟的像電能智能抄表系統(tǒng)，已把互聯(lián)網(wǎng)做為其中的重要組成部分。而現(xiàn)在的計(jì)量檢定、計(jì)量校準(zhǔn)一般只針對儀器設(shè)備，或者說只針對其中的計(jì)量檢測部分，很少涉及對軟件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性等進(jìn)行測試。這種管理方式在未來必須發(fā)生改變。

同時(shí)，由于軟件的存在，傳感器的廣泛應(yīng)用，一個(gè)系統(tǒng)對多個(gè)參數(shù)、多類參數(shù)同時(shí)進(jìn)行測量的可能性大大增加。軟件的可靠性、互通互聯(lián)技術(shù)能力將成為影響第四次工業(yè)革命的重要因素。那么我們現(xiàn)在是否有軟件的測評能力？能否對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)？能否對所有的參數(shù)同時(shí)進(jìn)行在線檢定？

4、應(yīng)從多學(xué)科融合的角度來思考計(jì)量人才的培養(yǎng)問題

在工業(yè)4.0時(shí)代，不僅需要更加專業(yè)的計(jì)量技術(shù)人才，因?yàn)橛?jì)量專業(yè)性很強(qiáng)，在某一單個(gè)領(lǐng)域還需要向著更高、更準(zhǔn)的方向發(fā)展。但工業(yè)4.0時(shí)代更是一個(gè)大融合的時(shí)代，從表面上看是物物相聯(lián)、人機(jī)相聯(lián)、制造與服務(wù)相聯(lián)等，但深層看，是多學(xué)科的融合，多領(lǐng)域的融合，是多種技術(shù)的相互滲透。任何產(chǎn)品中都包含著軟件和無線網(wǎng)絡(luò)，包含著電子、機(jī)械、化工、材料等多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，有的還包含農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及管理知識(shí)。工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展向著多通道、多參數(shù)、全方位、系統(tǒng)化發(fā)展。多學(xué)科綜合性人才的需求越來越大，對人才綜合素質(zhì)的要求越來越高。因此，需要具有跨學(xué)科經(jīng)驗(yàn)的人才才能擔(dān)當(dāng)相關(guān)的工作，進(jìn)行準(zhǔn)確的操作、維護(hù)等。創(chuàng)新一般不發(fā)生在一個(gè)專業(yè)的領(lǐng)域，更多出現(xiàn)在跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的邊緣學(xué)科。在總結(jié)為什么第三次科技革命首發(fā)于美國原因時(shí)，社會(huì)普遍認(rèn)為：美國的“實(shí)用主義哲學(xué)”以及“實(shí)驗(yàn)技術(shù)以軍民結(jié)合、理工結(jié)合為特色”發(fā)揮了重要作用。

5、應(yīng)從計(jì)量檢定、校準(zhǔn)的扁平化來思考計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)置及發(fā)展方向問題

隨著第四工業(yè)革命的到來，特別是隨著無線傳輸、空間加載、遠(yuǎn)程診斷以及互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，以后的量傳溯源或許不再需要一級(jí)級(jí)傳遞，而是通過現(xiàn)代科技手段，如無線傳輸，計(jì)量檢定、校準(zhǔn)就可以直接溯源到最高計(jì)量基準(zhǔn)。計(jì)量檢定、校準(zhǔn)的扁平化問題將會(huì)越來越突出。那么，具有中國特色的大區(qū)計(jì)量測試中心的量傳職能是否會(huì)萎縮？有些量值可以直接溯源到國家級(jí)或省級(jí)技術(shù)機(jī)構(gòu)，那么地市級(jí)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和縣級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)還會(huì)有什么樣的檢定、校準(zhǔn)任務(wù)？這些都對現(xiàn)行的計(jì)量量傳溯源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，也直接影響著全國計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)置和計(jì)量資源的配置。

6、應(yīng)從工程控制系統(tǒng)的角度來思考計(jì)量的行政管理問題

工業(yè)4.0是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程，也是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ炭刂葡到y(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)將社會(huì)方方面面的信息進(jìn)行綜合、分析，并產(chǎn)生新的指令，同時(shí)也為社會(huì)治理提供決策依據(jù)。社會(huì)治理必須與第四次工業(yè)革命的進(jìn)程緊密結(jié)合。國家城市能源計(jì)量中心建設(shè)是工業(yè)系統(tǒng)與管理體系相結(jié)合的一個(gè)很好的開端，雖然還很不完善，但以后這樣的系統(tǒng)在第四次工業(yè)革命中會(huì)出現(xiàn)很多。錢學(xué)森曾提出將工程控制理論應(yīng)用于社會(huì)管理中。做為計(jì)量行政管理部門，如何將工程控制系統(tǒng)的理念應(yīng)用于計(jì)量社會(huì)管理，如何提前謀劃，提前布局，如何利用第四次工業(yè)革命來提高計(jì)量管理的效率和能力。

一場“新工業(yè)革命”正在上演，而“互聯(lián)網(wǎng)+雙創(chuàng)+中國制造2025”，是這場革命最大的能量源。新時(shí)代的智能計(jì)量測控技術(shù)在這場革命中發(fā)生嶄新的變化。

審核編輯 ：李倩