工業(yè)4.0時代的計量測控技術

計量是工業(yè)的基礎，是社會發(fā)展的基礎，報告會以“計量測試——新工業(yè)革命的引擎”為大會主題。論述交流了計量測試技術在現(xiàn)代工業(yè)進程中的發(fā)展趨勢和前景。

新工業(yè)革命——工業(yè)4.0

2013年4月，在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國首發(fā)《實施“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協(xié)會發(fā)布了“工業(yè)4.0”標準化路線圖。

德國學術界產(chǎn)業(yè)界認為，“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命。該戰(zhàn)略通過充分利用信息通訊技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)-信息物理系統(tǒng)相結合的手段，將制造業(yè)向智能化轉型?！肮I(yè)4.0”項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，***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升級改造的強力支持，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性化、功能更齊全的多樣性、性能更穩(wěn)定的高質量、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、高性價比產(chǎn)品的吸引力將會降低。

計量工業(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?！?/p>

計量是一項古老而又新興的事業(yè)，它隨著社會生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展而發(fā)展。同時它在一定意義上也標志著一個國家現(xiàn)代化水平的高低。計量工作既是工業(yè)企業(yè)提高經(jīng)濟效益的重要手段，又是提高生產(chǎn)和產(chǎn)品質量的保證。

科學技術是推動工業(yè)革命的重要動力，計量測試技術做為基礎科學，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時代，不僅需要更加專業(yè)的計量技術人才，因為計量專業(yè)性很強，在某一單個領域還需要向著更高、更準的方向發(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)，沒有計量測試便無從談起。

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

我國計量工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

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

在工業(yè)4.0的時代潮流中，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)展重點突出表現(xiàn)在兩個方面：

一是九大關鍵智能基礎共性技術包括：新型傳感技術、模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設計、先進控制與優(yōu)化技術、系統(tǒng)協(xié)同技術、故障診斷與健康維護技術、高可靠實時通信網(wǎng)絡技術、功能安全技術、特種工藝與精密制造技術、識別技術等。

二是八項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)機器人與專用機器人、精密傳動裝置、伺服控制機構、液氣密元件及系統(tǒng)。

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

新工業(yè)革命的計量測控技術

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，以計量測試為重要的核心技術。第四次工作革命也是大數(shù)據(jù)時代，是信息技術時代，是把一切測試信息進行綜合采集、綜合分析并加以綜合運用，在運用的過程中再進行新的采集、新的分析、新的應用的過程。

在這個過程中，及時、準確、可靠的計量測試無處不在，無時不在，無所不在。這對計量測試技術的挑戰(zhàn)是全面的、綜合的、全方位的。

1、應從更高準確性、可靠性、一致性上思考如何進一步提高計量測試能力問題。

計量測試技術的準確性、一致性和可靠性是實現(xiàn)第四次工業(yè)革命的基礎。如現(xiàn)代銀行系統(tǒng)，要實現(xiàn)全球范圍內(nèi)銀行收支情況在某一節(jié)點時必須一致，即帳目不致于出現(xiàn)偏差不平衡，需要銀行計算機系統(tǒng)的時間精度必須在10-6以上，而如果全世界的工業(yè)要實現(xiàn)4.0，實現(xiàn)實時對接平衡，肯定要高于這個精度，因為數(shù)據(jù)更多，涉及的行業(yè)、部門、產(chǎn)業(yè)、企業(yè)更為繁雜。目前時間的計量精度雖已達到了10-15以上，但這只是實驗室中的數(shù)據(jù)，在計算機系統(tǒng)中能否得到實際應用？能否滿足要求？這只是工業(yè)4.0對時間這一個參數(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量測試為其提供測試技術保證。

2、應從傳感技術的快速發(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)，一個玻璃全自動生產(chǎn)系統(tǒng)線上就安裝了3000多個測量傳感器，保證著整個系統(tǒng)的正常有效運行。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確、可靠？如何對他們進行量值傳遞和溯源？能否實現(xiàn)傳感器的自校準功能？測量傳感器加上軟件系統(tǒng)，就實現(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、應從嵌入式軟件全方位應用及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展來思考計量相關軟件的檢定、校準或檢測問題

無論是工業(yè)4.0，還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，“互聯(lián)互通”是推動這一輪工業(yè)革命的核心要素。近幾年互聯(lián)互通技術快速發(fā)展，也帶動了軟件業(yè)的快速發(fā)展。系統(tǒng)集成、遠程傳輸、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)代的計量測試儀表大都可以直接與互聯(lián)網(wǎng)相通?，F(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)在的計量檢定、計量校準一般只針對儀器設備，或者說只針對其中的計量檢測部分，很少涉及對軟件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性等進行測試。這種管理方式在未來必須發(fā)生改變。

同時，由于軟件的存在，傳感器的廣泛應用，一個系統(tǒng)對多個參數(shù)、多類參數(shù)同時進行測量的可能性大大增加。軟件的可靠性、互通互聯(lián)技術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？能否對整個系統(tǒng)進行檢定或校準？能否對所有的參數(shù)同時進行在線檢定？

4、應從多學科融合的角度來思考計量人才的培養(yǎng)問題

在工業(yè)4.0時代，不僅需要更加專業(yè)的計量技術人才，因為計量專業(yè)性很強，在某一單個領域還需要向著更高、更準的方向發(fā)展。但工業(yè)4.0時代更是一個大融合的時代，從表面上看是物物相聯(lián)、人機相聯(lián)、制造與服務相聯(lián)等，但深層看，是多學科的融合，多領域的融合，是多種技術的相互滲透。任何產(chǎn)品中都包含著軟件和無線網(wǎng)絡，包含著電子、機械、化工、材料等多項專業(yè)技術，有的還包含農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及管理知識。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。多學科綜合性人才的需求越來越大，對人才綜合素質的要求越來越高。因此，需要具有跨學科經(jīng)驗的人才才能擔當相關的工作，進行準確的操作、維護等。創(chuàng)新一般不發(fā)生在一個專業(yè)的領域，更多出現(xiàn)在跨學科、跨領域的邊緣學科。在總結為什么第三次科技革命首發(fā)于美國原因時，社會普遍認為：美國的“實用主義哲學”以及“實驗技術以軍民結合、理工結合為特色”發(fā)揮了重要作用。

5、應從計量檢定、校準的扁平化來思考計量技術機構的設置及發(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、遠程診斷以及互聯(lián)網(wǎng)的應用，以后的量傳溯源或許不再需要一級級傳遞，而是通過現(xiàn)代科技手段，如無線傳輸，計量檢定、校準就可以直接溯源到最高計量基準。計量檢定、校準的扁平化問題將會越來越突出。那么，具有中國特色的大區(qū)計量測試中心的量傳職能是否會萎縮？有些量值可以直接溯源到國家級或省級技術機構，那么地市級的計量技術機構和縣級計量技術機構還會有什么樣的檢定、校準任務？這些都對現(xiàn)行的計量量傳溯源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，也直接影響著全國計量技術機構的設置和計量資源的配置。

6、應從工程控制系統(tǒng)的角度來思考計量的行政管理問題

工業(yè)4.0是一個巨大的系統(tǒng)工程，也是一個嚴謹?shù)墓こ炭刂葡到y(tǒng)。這個系統(tǒng)將社會方方面面的信息進行綜合、分析，并產(chǎn)生新的指令，同時也為社會治理提供決策依據(jù)。社會治理必須與第四次工業(yè)革命的進程緊密結合。國家城市能源計量中心建設是工業(yè)系統(tǒng)與管理體系相結合的一個很好的開端，雖然還很不完善，但以后這樣的系統(tǒng)在第四次工業(yè)革命中會出現(xiàn)很多。錢學森曾提出將工程控制理論應用于社會管理中。做為計量行政管理部門，如何將工程控制系統(tǒng)的理念應用于計量社會管理，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。我們期待著新時代的智能計量測控技術在這場革命中發(fā)生嶄新的變化。