從“工業(yè)4.0”看工業(yè)計(jì)量的未來

李少壯，張澤光，李洪波，張學(xué)濤，李偉

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

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從“工業(yè)4.0”看工業(yè)計(jì)量的未來

李少壯，張澤光，李洪波，張學(xué)濤，李偉

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

摘要：工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展推動著計(jì)量測試技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。本文就“工業(yè)4.0”時(shí)代的計(jì)量測試技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行分析，從計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)與測量的數(shù)字化、產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)制造與使用、產(chǎn)品的計(jì)量性設(shè)計(jì)以及云計(jì)量必將成為“工業(yè)4.0”的技術(shù)支撐等不同方面進(jìn)行解讀，對工業(yè)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展趨勢做出預(yù)判。

關(guān)鍵詞：計(jì)量測試；工業(yè)計(jì)量；工業(yè)4.0；云計(jì)量

0引言

我國工業(yè)技術(shù)發(fā)展正處在快速上升的階段，為了實(shí)現(xiàn)制造業(yè)向智能高端制造的轉(zhuǎn)型、由制造業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，《中國制造2025》給出了具體的發(fā)展要求和模式[1]，為我國工業(yè)技術(shù)發(fā)展指引了方向。分析計(jì)量測試技術(shù)發(fā)展趨勢，準(zhǔn)確把握工業(yè)計(jì)量技術(shù)發(fā)展方向，適時(shí)開展先進(jìn)計(jì)量測試技術(shù)與裝備的研發(fā)，是計(jì)量工作者的歷史責(zé)任。本文試圖從“工業(yè)4.0”著手，對工業(yè)計(jì)量的發(fā)展做概要分析。

1步入“工業(yè)4.0”時(shí)代

18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期，隨著機(jī)械生產(chǎn)代替手工勞動，社會生產(chǎn)組織模式由個(gè)體作坊式生產(chǎn)演進(jìn)到專業(yè)分工協(xié)作基礎(chǔ)上的工廠化、規(guī)模化、社會化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)社會結(jié)構(gòu)從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型發(fā)展為以工業(yè)生產(chǎn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式具有了明顯的規(guī)?；?yīng)。與之相適應(yīng)，關(guān)于量值的定義與測量需求日益顯性化，既往基于人類感官、直覺、模糊的信息有了規(guī)范量化表達(dá)的要求。基于以自然界易于得到的實(shí)物為參照樣板的量值表述，逐漸轉(zhuǎn)為人工制造的、規(guī)范一致的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)來表述。在貿(mào)易活動的推動下，國際計(jì)量技術(shù)組織誕生并直接引導(dǎo)了近代計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。1875年5月20日，20個(gè)國家的政府代表在法國巴黎簽署《米制公約》，確認(rèn)國際間共同使用以“米”為基礎(chǔ)的計(jì)量單位制度。這一時(shí)期，在今天被稱為是“工業(yè)1.0”時(shí)代。

19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)中期，社會勞動的專業(yè)化分工進(jìn)一步發(fā)展普及，產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)組織方式日漸成熟。以工業(yè)生產(chǎn)流水線為標(biāo)志，產(chǎn)品大批量生產(chǎn)模式使得社會生產(chǎn)效率得以大幅度提高，社會生產(chǎn)力得以空前解放。專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)需求，推動了計(jì)量技術(shù)進(jìn)步與精密儀器技術(shù)的發(fā)展，以精密機(jī)械、光學(xué)儀器儀表為代表的量儀技術(shù)和計(jì)量基礎(chǔ)理論得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，特別是第二次世界大戰(zhàn)及二戰(zhàn)后期，計(jì)量技術(shù)得到空前發(fā)展。這一時(shí)期在今天被稱為是“工業(yè)2.0”時(shí)代。

20世紀(jì)70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用和個(gè)人計(jì)算機(jī)的小型化，自動控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，推動了生產(chǎn)過程的自動化。在社會生產(chǎn)活動專業(yè)分工進(jìn)一步細(xì)化的基礎(chǔ)上，伴隨著高新技術(shù)的進(jìn)步和世界貿(mào)易的發(fā)展，基于對過程信息的認(rèn)知和固化，計(jì)量測試技術(shù)日漸融入工業(yè)生產(chǎn)流程；與此同時(shí)，在對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的量值保證活動中，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量值的使用與管理，生產(chǎn)過程管理實(shí)現(xiàn)了可靠的基于單參數(shù)的量值統(tǒng)一；同時(shí)依賴質(zhì)量管理理論與技術(shù)手段的發(fā)展完善，工業(yè)制造技術(shù)體系進(jìn)一步完善。計(jì)量工作的重點(diǎn)逐步由傳統(tǒng)的保證計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器量值一致轉(zhuǎn)向保證工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，以激光技術(shù)、新型傳感技術(shù)、數(shù)字儀表和計(jì)算機(jī)的結(jié)合為標(biāo)志，計(jì)量檢測已成為生產(chǎn)過程中無所不在的一種工業(yè)基礎(chǔ)能力。這一階段的技術(shù)發(fā)展也被稱為第三次工業(yè)革命，或被稱為“工業(yè)3.0”時(shí)代。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，在系統(tǒng)論的指導(dǎo)下，使得基于大數(shù)據(jù)積累的智能工程成為工業(yè)生產(chǎn)活動的主要形式，并日益展現(xiàn)出一種高度靈活、能夠支持個(gè)性化需求的全新業(yè)態(tài)。依托信息物理網(wǎng)絡(luò)(Cyber-Physical System，CPS)，通過產(chǎn)品模型化定義和數(shù)字化描述，計(jì)量測試工作與工業(yè)生產(chǎn)活動進(jìn)一步融合，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)流程的過程管理正逐步被植入于產(chǎn)品的計(jì)量性設(shè)計(jì)保障所替代或補(bǔ)充完善，因而極大提高了產(chǎn)品的科學(xué)性和可靠性，使得產(chǎn)品制造和使用過程的智能化成為可能，產(chǎn)品全生命周期和全制造流程的數(shù)字化推動了基于系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)測量、智能檢測。2013年9月，德國聯(lián)邦教育研究部正式發(fā)布《把握德國制造業(yè)的未來——實(shí)施“工業(yè)4.0”攻略的建議》，把德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)于“人類社會發(fā)展中的第四次工業(yè)革命”的共識推向社會。這就是今天人們熱議的“工業(yè)4.0”。

2“工業(yè)4.0”的核心思想

世界各地的人們正在使用各種各樣的名詞來描述“工業(yè)4.0”這種工業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢和相關(guān)表現(xiàn)。其核心思想可歸納為三個(gè)方面。

2.1　制造與使用過程的智能化是“工業(yè)4.0”的核心

在自動化、信息化、智能化的漸進(jìn)發(fā)展的過程中，工業(yè)機(jī)器人、智能制造單元等應(yīng)用日漸普及，智能制造模式已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)制造方式發(fā)展進(jìn)步的主要方向。

智能制造生產(chǎn)模式，是一種使產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程與產(chǎn)品應(yīng)用過程高度融合的一種生產(chǎn)方式。對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用保障活動進(jìn)行系統(tǒng)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)，挖掘產(chǎn)品生產(chǎn)制造和使用消費(fèi)過程中的信息，用以改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程，目的是使得產(chǎn)品能更經(jīng)濟(jì)、高效地滿足消費(fèi)需求。產(chǎn)品的生產(chǎn)與服務(wù)過程本身就是信息消費(fèi)與再生產(chǎn)過程，產(chǎn)品的使用消費(fèi)過程同時(shí)成為產(chǎn)品改進(jìn)改型的生產(chǎn)活動過程。這是一種由個(gè)性化定制設(shè)計(jì)與智能化生產(chǎn)制造支撐起來的、基于對歷史數(shù)據(jù)積累和大數(shù)據(jù)深度挖掘的社會化服務(wù)保障模式，是基于信息網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字模型的社會生產(chǎn)組織模式。

智能制造已經(jīng)呈現(xiàn)出的特征包括：支持個(gè)性化需求而實(shí)行個(gè)性化設(shè)計(jì)、定制生產(chǎn)；生產(chǎn)制造功能單元與流水線可以適應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)需求而動態(tài)重組；基于物流的資源配置；可支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)、資源配置、訂貨、計(jì)劃、生產(chǎn)、物流等生產(chǎn)活動過程統(tǒng)一協(xié)調(diào)、一體化組織的信息物理平臺。為了追求更高的生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)更具時(shí)效性的生產(chǎn)，即時(shí)響應(yīng)市場客戶需求，智能制造生產(chǎn)模式將更加注重過程控制。以提高產(chǎn)品的全壽命周期綜合效費(fèi)比為核心，產(chǎn)品制造活動終端的質(zhì)量評價(jià)將更多的被制造過程中技術(shù)裝備和技術(shù)方法的可靠性所替代，生產(chǎn)活動過程的管理與服務(wù)保障將占據(jù)越來越重要的位置，過程的不同將直接決定產(chǎn)品或服務(wù)的差異。

2.2　信息是智能化的基礎(chǔ)

來源于主體和過程的信息，是智能化的基礎(chǔ)。系統(tǒng)論的發(fā)展完善，使得人們廣泛接受了關(guān)于社會的整體性原則、結(jié)構(gòu)功能原則、相互聯(lián)系原則、有序性原則、目的性原則、動態(tài)性原則等基本概念。基于系統(tǒng)論的認(rèn)識，“在任意的一個(gè)時(shí)刻，全世界的每一個(gè)角落、每一個(gè)事件都是處在同一個(gè)系統(tǒng)中；在地球上的任意一個(gè)角落，其過去、現(xiàn)在與未來因時(shí)間的連續(xù)性而不可分割?！?/p>

信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，就是將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自我管理等五大功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。它可以將信息、設(shè)備、人員以及各類資源緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造新的有形產(chǎn)品及相關(guān)服務(wù)，并將產(chǎn)品生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃爝^程[2]。系統(tǒng)論原則是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造使用要遵循的基本原則，隨著模型的數(shù)字化，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造將更加科學(xué)化，測量技術(shù)的融入將極大提高產(chǎn)品的可靠性，特別是傳感技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了測量技術(shù)的融入，信息技術(shù)不斷推動著產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)入智能時(shí)代。

在全球的信息網(wǎng)絡(luò)、物流網(wǎng)絡(luò)、市場服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等等日益一體化的現(xiàn)實(shí)面前，通過信息網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)品制造系統(tǒng)的融合來改變當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)模式，已經(jīng)成為企業(yè)提高產(chǎn)品附加值、增強(qiáng)市場競爭力的重要手段[2]。依托信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不同的生產(chǎn)設(shè)備之間，工廠內(nèi)部縱向之間甚至工廠與工廠橫向之間，正在通過數(shù)據(jù)交互，以前所未有的速度連接到一起并成為一個(gè)整體，產(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備之間，通過信息平臺、物流平臺聯(lián)絡(luò)構(gòu)建成為一個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)品制造和技術(shù)服務(wù)體系。信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)志性的技術(shù)已經(jīng)逐漸獲得應(yīng)用，智能裝備[3]、智能制造、個(gè)性化定制、高效率生產(chǎn)正在越來越多地進(jìn)入工業(yè)制造現(xiàn)場。

2.3　計(jì)量性設(shè)計(jì)將計(jì)量融入全過程

計(jì)量性設(shè)計(jì)[4]是指將產(chǎn)品使用過程中所有的計(jì)量需求，按照系統(tǒng)論的要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用階段全面規(guī)劃與融入，以保證產(chǎn)品全壽命過程各環(huán)節(jié)的量值準(zhǔn)確，確保量值溯源鏈完整和使用過程中的隨行保障。

首先伴隨著產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造工藝手段的發(fā)展，產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)從二維信息向三維信息轉(zhuǎn)變。一方面在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)力求能并行確立基于三維空間表述的檢測規(guī)劃，依據(jù)產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，自動生成檢測規(guī)程并通過仿真分析優(yōu)化測量方案和實(shí)施過程；另一方面，對產(chǎn)品質(zhì)量控制的實(shí)物對象正從制造完成后的實(shí)物產(chǎn)品向制造與裝配全過程中量值的測量、協(xié)調(diào)、控制、管理轉(zhuǎn)變，并通過設(shè)計(jì)、制造、測量、驗(yàn)證的閉環(huán)“數(shù)字脈絡(luò)”的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字量值的統(tǒng)一。

其次，生產(chǎn)活動現(xiàn)場測量方式的變化，要求計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)保障的服務(wù)對象從只針對少量關(guān)鍵零部件的特定環(huán)境離線檢測活動向制造全過程便攜式或植入式在線測量轉(zhuǎn)變，測量設(shè)備運(yùn)行模式從單一系統(tǒng)獨(dú)立向多系統(tǒng)綜合集成轉(zhuǎn)變，測量手段從人工干預(yù)測量向自動化檢測轉(zhuǎn)變。

在飛機(jī)等航空產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，計(jì)量檢測活動正在逐漸由相對獨(dú)立的一個(gè)工作環(huán)節(jié)，日漸融入于制造活動的全流程中。計(jì)量測試正逐漸成為與產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程各個(gè)環(huán)節(jié)融為一體的一種基本要求和能力[5]。

3“工業(yè)4.0”時(shí)代的工業(yè)計(jì)量

測量是科學(xué)的基礎(chǔ)，正如繪制出世界上第一份元素周期表的俄羅斯科學(xué)家門捷列夫所言“沒有測量就沒有科學(xué)”。計(jì)量測試技術(shù)伴隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展而發(fā)展，是科學(xué)研究和工業(yè)制造的基礎(chǔ)性學(xué)科，體現(xiàn)了人們認(rèn)知世界的科學(xué)性——如果對科學(xué)研究缺乏預(yù)見性，那么就需要通過大量的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析從而不斷演化和迭代，找到科學(xué)的規(guī)律或結(jié)論。正是以計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。

計(jì)量測試技術(shù)理論的發(fā)展伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化大生產(chǎn)的發(fā)展而不斷進(jìn)步完善，隨著飛機(jī)、衛(wèi)星等大型復(fù)雜系統(tǒng)工程研發(fā)與應(yīng)用，計(jì)量測試技術(shù)貫穿于系統(tǒng)研制的全過程，隨著系統(tǒng)的不斷完善而日漸融入系統(tǒng)本身成為系統(tǒng)的一部分。

傳統(tǒng)的計(jì)量工作任務(wù)主要是提高量值復(fù)現(xiàn)能力，以傳遞量值基準(zhǔn)為目的，借助計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具為社會提供可靠的量值服務(wù)。在國家法制計(jì)量的框架內(nèi)，量值傳遞是將國家測量標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位通過各等級測量標(biāo)準(zhǔn)傳遞到工作計(jì)量器具，這是國家政府對社會組織、企業(yè)以及個(gè)人參與社會經(jīng)濟(jì)活動提供的基本保障以及技術(shù)要求。工業(yè)計(jì)量工作的任務(wù)則是為工程實(shí)踐活動提供數(shù)據(jù)獲取方法與技術(shù)裝備，保證數(shù)據(jù)的可靠，通過連續(xù)的比較鏈，使產(chǎn)品性能參數(shù)量值溯源到國家測量標(biāo)準(zhǔn)，它是企業(yè)自身的要求，是企業(yè)生產(chǎn)過程中的自主行為，是對社會的一種承諾或保證。

在基本物理量的量值復(fù)現(xiàn)能力不斷提升基礎(chǔ)上，工業(yè)現(xiàn)場檢測能力與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)能力快速趨近，計(jì)量測試技術(shù)的應(yīng)用推廣與工業(yè)生產(chǎn)活動深度融合；在信息化應(yīng)用服務(wù)不斷擴(kuò)展的同時(shí)，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐對計(jì)量檢測與校準(zhǔn)活動的大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用已成為產(chǎn)品與工程服務(wù)的重要內(nèi)容；計(jì)量檢測服務(wù)模式在技術(shù)方法與手段標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展的基礎(chǔ)上，借助數(shù)字化技術(shù)的支撐，正逐步向模型化、虛擬化的數(shù)字計(jì)量、云計(jì)量模式發(fā)展[6]。

3.1　計(jì)量基本量與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的歸一化

傳統(tǒng)的計(jì)量，其量值傳遞是依托物化的具有一定的實(shí)體特性的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)器具，按照標(biāo)準(zhǔn)化的程序或方法，進(jìn)行核驗(yàn)性質(zhì)的量值確認(rèn)。標(biāo)準(zhǔn)原器作為確認(rèn)量值的基準(zhǔn)，其物化形式與量值的定義密切相關(guān)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是量子技術(shù)的發(fā)展，使得標(biāo)準(zhǔn)量具的量值直接向自然基準(zhǔn)溯源。隨著量值傳遞用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具和傳遞環(huán)節(jié)的減少以及工程應(yīng)用數(shù)據(jù)的積累，人工物化的量值載體正逐漸淡出日常的工程領(lǐng)域，借助于數(shù)字化的精密儀器而使量值單位直接向自然基準(zhǔn)量溯源已成為計(jì)量技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的大趨勢。新技術(shù)的發(fā)展不斷提升了標(biāo)準(zhǔn)量值的復(fù)現(xiàn)能力，并推動著基本量的定義和溯源向自然基準(zhǔn)靠攏，呈現(xiàn)出國際單位制中基本量逐漸歸一化的趨勢。在計(jì)量科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿，標(biāo)準(zhǔn)量值的復(fù)現(xiàn)技術(shù)因量值傳遞方式的變化而出現(xiàn)新的發(fā)展需求。當(dāng)前科學(xué)家們正在努力嘗試對當(dāng)前唯一的一個(gè)依據(jù)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)原器實(shí)施量值傳遞的量值基準(zhǔn)“千克”進(jìn)行重新定義，以期實(shí)現(xiàn)質(zhì)量單位量值向硅原子數(shù)量(普朗克常數(shù))進(jìn)行溯源[7]。在數(shù)字化與信息化技術(shù)的支撐下，通過標(biāo)準(zhǔn)化定義，從自然基準(zhǔn)向產(chǎn)品量值的傳遞將以數(shù)字串的方式實(shí)現(xiàn)“云”計(jì)量。

3.2　工程測試技術(shù)手段的數(shù)字化

以汽車、船舶、飛機(jī)的生產(chǎn)制造活動為代表，針對大批量、復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐過程，模型化、數(shù)字化的技術(shù)手段與裝備的應(yīng)用，降低了成本消耗，提升了產(chǎn)品質(zhì)量控制能力，極大地提升了生產(chǎn)作業(yè)效率。波音公司在787客機(jī)中采用了室內(nèi)GPS組合測量網(wǎng)的裝配模式，飛機(jī)的部件定位測量通過固定安裝在廠房墻壁及天花板上的室內(nèi)GPS測量系統(tǒng)構(gòu)建的測量網(wǎng)來完成，這種基于多站和固定參考點(diǎn)的組合測量模式作為一種典型的數(shù)字化檢測技術(shù)手段，正在越來越多的獲得應(yīng)用[5，8]。

在系統(tǒng)論的指導(dǎo)下，建立輸入/輸出關(guān)系明確的數(shù)字化測量模型，明確界定影響輸入/輸出量關(guān)系的各種因素，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化測量，為各系統(tǒng)的聯(lián)通與整合提供基礎(chǔ)支撐。

3.2.1計(jì)量測試設(shè)備的數(shù)字化改造

傳統(tǒng)的機(jī)械、光學(xué)等基于模擬量表述的計(jì)量測試手段向數(shù)字化方式發(fā)展，以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的傳感器、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)分析與處理計(jì)算機(jī)軟件等為基礎(chǔ)，計(jì)量檢測技術(shù)裝備的數(shù)字控制、自動執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苋找嫱陚?，檢測與數(shù)據(jù)處理過程中人工作業(yè)量不斷減少，檢測、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的記錄與使用由人工判讀、手工記錄讀數(shù)的方式，向計(jì)算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫管理方式轉(zhuǎn)變，人員主觀因素可能帶來的不確定因素在檢測活動中日益降低，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

3.2.2復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)量測試數(shù)字化

針對復(fù)雜系統(tǒng)的測量是多參數(shù)多子系統(tǒng)的綜合，是多傳感器、多測量系統(tǒng)的系統(tǒng)集合，需要按照系統(tǒng)模型的輸入/輸出關(guān)系，將各傳感器和測量系統(tǒng)基于數(shù)字模型的量值溯源鏈之間的關(guān)系，進(jìn)行系統(tǒng)模型的數(shù)字化集成。這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化測量的前提，也是智能化的基礎(chǔ)。

3.3　融入工業(yè)流程

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造的一體化，計(jì)量測試技術(shù)全面融入產(chǎn)品制造和使用，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的計(jì)量性確認(rèn)到生產(chǎn)制造過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取與評估，正如同水與空氣融于生物體生命過程一樣，計(jì)量測試已日漸融入于工業(yè)產(chǎn)品的全壽命過程。

隨著對系統(tǒng)認(rèn)知的不斷深入，計(jì)量測試與設(shè)計(jì)制造日漸一體化發(fā)展，計(jì)量測試從產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初融入產(chǎn)品，計(jì)量測試功能植入于產(chǎn)品，成為產(chǎn)品的一部分，使得產(chǎn)品性能參數(shù)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)成為可能。

工業(yè)計(jì)量的根本任務(wù)是保證工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。一方面，隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，數(shù)據(jù)源在可能影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的眾多因素中扮演的角色越加突出，傳感器件的性能及其分析評價(jià)能力正逐步成為決定工業(yè)計(jì)量發(fā)展水平與應(yīng)用能力的核心技術(shù)能力。隨著傳感器的小型化和智能化，先進(jìn)傳感技術(shù)已成為工業(yè)計(jì)量的核心技術(shù)。無線、網(wǎng)絡(luò)化的傳感器件，智能傳感器件、傳感系統(tǒng)，以及新型無源傳感技術(shù)的發(fā)展，將使得測量系統(tǒng)與傳感器更加緊密的結(jié)合在一起，而傳感技術(shù)與信息處理技術(shù)的結(jié)合使得測量系統(tǒng)與傳感器一體化成為可能，這將大大地減少測量環(huán)節(jié)，提高測量的可靠性。另一方面，隨著自然科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，人類對自然界的認(rèn)知不斷拓展，從微觀世界到宏觀宇宙，可感知的空間在延伸，基本量的單一化趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具隨著基本量的量子化而歸一化，標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的形式、種類、數(shù)量將大幅度縮減，工程量的檢測手段與技術(shù)裝備更趨豐富的同時(shí)，量值溯源中間環(huán)節(jié)將大大減少，由于中間環(huán)節(jié)的減少，工業(yè)生產(chǎn)活動中的量值溯源過程更直接、可靠性更高、量值的準(zhǔn)確度與量值基準(zhǔn)更加趨近。

在我國政府發(fā)布的《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2013-2020)》中，明確提出“要加強(qiáng)實(shí)用型、新型和專用計(jì)量測試技術(shù)研究，把加快新型傳感器技術(shù)、功能安全技術(shù)等新型計(jì)量測試技術(shù)和測試方法研究做為發(fā)展目標(biāo)之一[9]”，提出“將計(jì)量測試嵌入到產(chǎn)品研發(fā)、制造、質(zhì)量提升、全過程工藝控制中，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵量準(zhǔn)確測量與實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，并加強(qiáng)儀器儀表核心零部件、核心控制技術(shù)研究，培育具有核心技術(shù)和核心競爭力的儀器儀表品牌產(chǎn)品?！盵9]

3.4　云計(jì)量和虛擬計(jì)量

“云計(jì)量”是基于互聯(lián)網(wǎng)“云”計(jì)算的一種虛擬計(jì)量技術(shù)[10]。通過標(biāo)準(zhǔn)化定義，實(shí)現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)串為虛擬標(biāo)準(zhǔn)、通過“云”平臺實(shí)時(shí)向產(chǎn)品提供計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

通過互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)與計(jì)量工作的緊密結(jié)合，使得計(jì)量工作相關(guān)的各個(gè)環(huán)節(jié)，集成在同一信息物理平臺上，實(shí)現(xiàn)技術(shù)服務(wù)與與市場需求的高度融合，為用戶提供更便捷、高效的服務(wù)體驗(yàn)。同時(shí)，也為計(jì)量科學(xué)技術(shù)的研究活動提供最優(yōu)質(zhì)的資源和最廣大的應(yīng)用市場，推動工業(yè)計(jì)量技術(shù)水平的不斷提升。由于信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的迅猛增長，人類活動形成的各種信息作為網(wǎng)絡(luò)信息的重要組成部分，將構(gòu)成以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)平臺的網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，一方面這些數(shù)據(jù)信息的積累使得網(wǎng)絡(luò)愈加的智慧和聰明，另一方面對大數(shù)據(jù)的挖掘應(yīng)用也使得數(shù)據(jù)成為了新的生產(chǎn)要素，支撐數(shù)字化、量化的人工智能決策。量值溯源可通過數(shù)字量值比較，減少各等級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞環(huán)節(jié)，提高溯源準(zhǔn)確性。

在對產(chǎn)品、過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化表述和再現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程中重要而不可或缺的環(huán)節(jié)。由先進(jìn)測量軟件支撐的測量數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、產(chǎn)品檢測模型和工藝模型的分析構(gòu)建技術(shù)，已經(jīng)成為工業(yè)計(jì)量技術(shù)發(fā)展中日漸重要的內(nèi)容。同時(shí)，信息物理網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)發(fā)展，必將進(jìn)一步推動海量數(shù)據(jù)管理及遠(yuǎn)程服務(wù)、云端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正與應(yīng)用，并極大地拓展在線專家系統(tǒng)和知識系統(tǒng)的應(yīng)用與服務(wù)空間，網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力也將得到進(jìn)一步的發(fā)展。這些可以預(yù)期的技術(shù)發(fā)展，以及已經(jīng)廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化感知、信息無線傳輸技術(shù)等，將使遠(yuǎn)程計(jì)量從虛擬快速轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，正在為云計(jì)量的運(yùn)用和普及創(chuàng)造條件。

在計(jì)量測試過程標(biāo)準(zhǔn)化、模型化技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字模型的數(shù)據(jù)評價(jià)與驗(yàn)證和測量過程的模擬仿真技術(shù)正在得到快速發(fā)展[11]，具有一定程度人工智能的計(jì)量檢測技術(shù)裝備正在逐步走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。傳統(tǒng)的以人工作業(yè)方式實(shí)施的數(shù)據(jù)采集活動，工作效率難以提高，更難以滿足過程可控、可追溯的要求。隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，依賴智能測控部件或裝置——工業(yè)機(jī)器人、傳感器件、數(shù)據(jù)傳輸總線、精密儀器與傳動部件等，構(gòu)建智能化的測量活動執(zhí)行系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的及時(shí)反饋、數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)上的預(yù)先保障性數(shù)據(jù)獲取與評估，正在顯現(xiàn)出越來越清晰的現(xiàn)實(shí)可行性。

依托信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)量檢測技術(shù)保障與服務(wù)可以擺脫對特定技術(shù)裝備、操作人員的依賴，一方面可借助專家在線指導(dǎo)而組織更貼近應(yīng)用現(xiàn)場的技術(shù)裝備、人員開展服務(wù)，另一方面可組織調(diào)動云端資源開展遠(yuǎn)程保障，實(shí)現(xiàn)云端、虛擬的計(jì)量服務(wù)。2013年，德國Zeiss集團(tuán)利用所研制的一套名為PiWeb的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了跨國公司內(nèi)部不同地區(qū)、工廠機(jī)器測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享，實(shí)現(xiàn)了全球不同工廠數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測，這從一個(gè)側(cè)面也展示了對遠(yuǎn)程計(jì)量的現(xiàn)實(shí)需求。

4結(jié)束語

隨著測量技術(shù)與產(chǎn)品的高度融合，產(chǎn)品的智能化程度不斷提高，“工業(yè)4.0”時(shí)代的計(jì)量已經(jīng)并將更緊密地與系統(tǒng)論、數(shù)字化、模型化、設(shè)計(jì)制造一體化、傳感器、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化定義、數(shù)據(jù)串、數(shù)據(jù)鏈、云計(jì)量等名詞概念聯(lián)系在一起，新時(shí)代工業(yè)計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展已日益凸現(xiàn)出以下特征：

1)伴隨著計(jì)量科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)因基本量的量子化而歸一化，將大大減少量值溯源環(huán)節(jié)，提高量值溯源精度；

2)隨著系統(tǒng)化研究的深入，對系統(tǒng)的預(yù)見性大大增強(qiáng)，系統(tǒng)的科學(xué)性和工程化不斷提高，在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)以傳統(tǒng)方式實(shí)施的計(jì)量測試保障活動日益減少，以至不用計(jì)量或很少計(jì)量，最終實(shí)時(shí)云計(jì)量將成為未來工業(yè)產(chǎn)品和民生計(jì)量的主流；

3)隨著對系統(tǒng)認(rèn)知精細(xì)化水平的提高，計(jì)量測試與產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工程一體化發(fā)展，計(jì)量測試從設(shè)計(jì)之初融入產(chǎn)品，成為產(chǎn)品的一部分，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)主動校準(zhǔn)成為“工業(yè)4.0”的特點(diǎn)；

4)隨著標(biāo)準(zhǔn)化水平的提高和數(shù)字化測量的發(fā)展，使得遠(yuǎn)程計(jì)量、虛擬計(jì)量從理想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，正在為云計(jì)量的運(yùn)用和普及創(chuàng)造條件，目前時(shí)間量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的云計(jì)量；

5)隨著傳感器的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與測量系統(tǒng)的一體化，使得中間環(huán)節(jié)不斷減少，將大大提高系統(tǒng)測量和執(zhí)行的可靠性，為系統(tǒng)的模塊化和高度集成化提供了支撐。

伴隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，以云計(jì)量為典型特征的計(jì)量服務(wù)新模式必將成為計(jì)量測試服務(wù)的主流?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，只要是在有無線電信號的地方，人們就能得到標(biāo)準(zhǔn)定義的有關(guān)各種參量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)串，系統(tǒng)將根據(jù)需要自主進(jìn)行系統(tǒng)參量的外部校準(zhǔn)，那時(shí)我們將真正的步進(jìn)智能時(shí)代。云計(jì)量作為未來“工業(yè)4.0”的重要支撐，必將得到快速的發(fā)展應(yīng)用。愿我國的工業(yè)計(jì)量測試技術(shù)在“工業(yè)4.0”時(shí)代能實(shí)現(xiàn)“彎道超車”式的快速發(fā)展，助力中國制造早日躋身國際先進(jìn)行列。

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Looking at the Future of Industry Measurement from Industry 4.0

LI Shaozhuang，ZHANG Zeguang，LI Hongbo，ZHANG Xuetao，LI Wei

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：The development of industrial technology is driving the improvement of measurement & testing technology.This paper analyzes the new requirement of intelligent manufacture on measurement and test with the coming of industrial 4.0 era from different aspects，such as the emersion of measurement standard value，the guarantee of the on-site test，the measurement of intelligent products，the control of manufacturing process and new sensor technology.Based on these，predictions on the development trend of industrial measurement technology are made.

Key words：measurement & testing technology；industry measurement；industry 4.0；cloud measurement

作者簡介：李少壯(1967-)，男，高級工程師，從事計(jì)量管理與測試技術(shù)研發(fā)工作；張澤光(1962-)，男，高級工程師，主要從事力學(xué)計(jì)量及測試技術(shù)研究。

收稿日期：2015-11-18

中圖分類號：TB9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0001-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.01