中國儀器儀表工程科技2035發(fā)展趨勢研究

王雪，張莉

（1. 清華大學，北京 100084；2. 中國儀器儀表學會，北京 100088）

中國儀器儀表工程科技2035發(fā)展趨勢研究

王雪1，張莉2

（1. 清華大學，北京 100084；2. 中國儀器儀表學會，北京 100088）

儀器儀表工程科技是智能制造、科學研究、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、國防建設(shè)等必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)和裝備核心。儀器儀表工程科技作為實現(xiàn)國家創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略的重要支撐，其發(fā)展水平?jīng)Q定新興信息產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)、新能源和新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文分析了儀器儀表領(lǐng)域2035年的發(fā)展目標，圍繞新型儀器儀表的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，從智能儀器儀表、醫(yī)療儀器和微機電系統(tǒng)（MEMS）三個領(lǐng)域闡述了未來我國儀器儀表工程科技領(lǐng)域的發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)，提出了2035年我國儀器儀表工程科技領(lǐng)域的總體趨勢。

儀器儀表；智能儀器儀表；醫(yī)療儀器；微機電系統(tǒng)；趨勢分析

一、前言

儀器儀表工程科技是智能制造、科學研究、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、國防建設(shè)等必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)和裝備核心。著名科學家王大珩院士曾經(jīng)將其形象地比喻為工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”，科學研究的“先行官”，軍事上的“戰(zhàn)斗力”以及現(xiàn)代社會活動的“物化法官”[1]。

儀器儀表工程科技作為實現(xiàn)國家創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略的重要支撐，其發(fā)展水平?jīng)Q定了新興信息產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)、新能源和新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。面向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的新型儀器儀表的發(fā)展是實現(xiàn)測量信息智能感知、決策控制的重要手段，是智能制造裝備的重要組成部分。儀器儀表工程科技的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家創(chuàng)新水平和制造能力的重要標志[3～5]。

儀器儀表所涉及的技術(shù)領(lǐng)域眾多，對新技術(shù)高度敏感，是現(xiàn)代工業(yè)中更新?lián)Q代快、新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展極快速的領(lǐng)域之一。其關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)涉及數(shù)學、力學、材料學、工業(yè)學、電子學、信息學、控制論、人工智能等多種學科的綜合性交叉應(yīng)用以及許多邊緣科學。

儀器儀表產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、制造涉及敏感機理、敏感材料、工藝技術(shù)、工藝裝備、測試技術(shù)等基礎(chǔ)研究，攻關(guān)難度較大。其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅涉及產(chǎn)品的技術(shù)水平，而且與工程應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān)。

儀器儀表應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研和人類生活的各個方面。針對不同的應(yīng)用需求須開展專用技術(shù)研究，并為用戶制定個性化的解決方案。

儀器儀表領(lǐng)域的上述特點，決定了儀器儀表工程科技發(fā)展對專業(yè)型人才和復合型人才的高要求和大需求。

綜上所述，提出我國面向2035年的儀器儀表工程科技的發(fā)展目標，提出若干具有重大需求、符合重大發(fā)展趨勢的重點任務(wù)，突出重點和新亮點，進一步深化研究其發(fā)展路徑，對行業(yè)發(fā)展和政府決策具有借鑒意義。

儀器儀表工程科技的研究前沿，目前主要集中在高靈敏度“源”與“探測器”、新型傳感技術(shù)、智能感知系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)、微機電系統(tǒng)（MEMS）共性技術(shù)。在應(yīng)用技術(shù)上需要突破無損、快速、在線檢測技術(shù)，痕量精準定量檢測技術(shù)，全集成基因檢測系統(tǒng)等。以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳感器與信號處理、控制電路、微執(zhí)行器相互集成，形成具有一定完整功能的微系統(tǒng)已成為業(yè)界的研究熱點和投入重點，其規(guī)模效應(yīng)和應(yīng)用拓展的前景，將給個人消費、交通運輸、工業(yè)控制、軍事國防等眾多領(lǐng)域帶來革命性的影響[6,7]。

本文采用德爾菲法開展技術(shù)預測，對面向2035年儀器儀表工程科技領(lǐng)域需重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)等做出研判，得出我國儀器儀表工程科技2035的發(fā)展趨勢。

二、發(fā)展目標

我國儀器儀表工程科技發(fā)展將通過跟蹤信息技術(shù)、納米技術(shù)和生物技術(shù)等高新技術(shù)來實現(xiàn)發(fā)展，研究前沿技術(shù)和新興技術(shù)，突破關(guān)鍵儀器，有效地縮小與國外產(chǎn)品的差距；成體系、成系統(tǒng)地發(fā)展儀器儀表產(chǎn)業(yè)相關(guān)的材料、元器件、設(shè)備，構(gòu)建門類齊全、結(jié)構(gòu)相對合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，打造具有世界先進技術(shù)水平的儀器儀表產(chǎn)品體系；堅持高質(zhì)量和高標準的發(fā)展原則，突破長期制約我國儀器設(shè)備發(fā)展的可靠性和穩(wěn)定性問題，增強我國儀器設(shè)備的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力。

2025年戰(zhàn)略目標為突破物理量獲取與傳感技術(shù)，延伸儀器儀表的應(yīng)用范圍，解決環(huán)境污染監(jiān)測、核能輻射安全監(jiān)測、物質(zhì)成分分析、生物化學分析、新能源和綠色能源發(fā)展等難題；利用量子力學、納米電子學、太赫茲（THz）電磁學、物聯(lián)網(wǎng)測量技術(shù)和人工智能信息處理等新興學科的研究成果解決制約儀器儀表技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破和工程化應(yīng)用，為科學研究、能源開發(fā)、生命健康等提供高端儀器設(shè)備。2035年戰(zhàn)略目標為我國發(fā)展所需的高端儀器儀表基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，完善高端儀器技術(shù)體系；構(gòu)建以“網(wǎng)絡(luò)為中心”的遠程測量與故障診斷平臺以及嵌入式測量平臺；突破儀器儀表故障預測與健康管理技術(shù)，實現(xiàn)儀器儀表的零故障、自修復、免維修等智能化功能。我國儀器儀表技術(shù)水平總體達到世界先進水平，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性達到世界先進水平[8,9]。

三、發(fā)展趨勢

面向2035年，量子計算機與量子通信、干細胞與再生醫(yī)學、合成生物和人造葉綠體、納米科技和量子點技術(shù)、石墨烯材料等方向誘人的應(yīng)用前景，以及新材料、生命科學、空間利用、海洋開發(fā)、新能源等領(lǐng)域的開拓，都對儀器精度提出了更高層次的要求[3]。

先進制造正向結(jié)構(gòu)功能一體化、材料器件一體化的方向發(fā)展，極端制造技術(shù)向極大（如航母、極大規(guī)模集成電路等）和極?。ㄈ缥⒓{芯片等）方向迅速推進。人機共融的智能制造模式、智能材料與3D打印結(jié)合形成的4D打印技術(shù)，將推動工業(yè)品由大批量集中式生產(chǎn)向定制化分布式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，從而引領(lǐng)“數(shù)碼世界物質(zhì)化”和“物質(zhì)世界智能化”。儀器儀表作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)支撐，必將適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)的需求，產(chǎn)生新的測量方法[10]。

（一）智能儀器儀表領(lǐng)域

發(fā)展傳感器融合感知技術(shù)，實現(xiàn)振動、溫度、壓力、噪聲、應(yīng)變、圖像等多參量的監(jiān)測；發(fā)展多源自供電微功耗連續(xù)傳感器，從根本上解決測量前端的電源供給問題；充分利用無線通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)全天候、全空間的傳感和監(jiān)測，實現(xiàn)不受空間、環(huán)境限制的傳感[11]。

與人工智能方法相結(jié)合，突破一批關(guān)鍵的本體檢測技術(shù)，提高儀器儀表本體的管控智能化程度，構(gòu)建自診斷等高級智能功能。構(gòu)建本體現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動跟蹤的收集能力，打造儀器儀表全生命周期質(zhì)量跟蹤體系[12]。

構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感測量架構(gòu)，從頂層應(yīng)用到底層傳感，搭建端到端的大數(shù)據(jù)傳輸鏈路和大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。突破儀器儀表單機本地化運行現(xiàn)狀，構(gòu)建儀表無縫接入現(xiàn)場總線或者集散型分布式系統(tǒng)（DCS）網(wǎng)絡(luò)的連接能力，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)融合接入儀表技術(shù)。提高儀表數(shù)據(jù)信息的豐富程度，在儀表本身擴展主變量信息以外，提升數(shù)據(jù)源的多樣化程度，提高數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)規(guī)模，形成支持大數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)的多元服務(wù)和龐大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

突破兼容多種有線和無線通信的匯聚網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，從數(shù)據(jù)鏈路上整合多種通信方式，提高智能儀器儀表的組網(wǎng)能力和通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的豐富程度。構(gòu)筑工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)打通儀器儀表傳感網(wǎng)的最后一公里，促進儀器儀表更高端的智能化服務(wù)和智能功能發(fā)展，凸顯儀器儀表的工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)價值。

（二）醫(yī)療儀器領(lǐng)域

推進醫(yī)療產(chǎn)品科技與巔覆性技術(shù)的發(fā)展。在醫(yī)學影像領(lǐng)域，重點發(fā)展應(yīng)用分子成像、腦磁成像、熒光成像、太赫磁成像、電阻抗成像、激光成像、虛擬成像等未來新技術(shù)的產(chǎn)品。在急救領(lǐng)域，重點發(fā)展自適應(yīng)呼吸機、智能中央監(jiān)護及遠程監(jiān)護。在手術(shù)與康復領(lǐng)域，重點發(fā)展智能化骨科手術(shù)和腦外科手術(shù)智能化定位導航機器人、智能護理機器人、有感知的智能假肢及輔具設(shè)備。在臨床檢驗領(lǐng)域，重點發(fā)展第三代測序技術(shù)及新型的測試技術(shù)；建立基于基因檢測的個人健康管理信息系統(tǒng)；建立人類基因組數(shù)據(jù)庫；發(fā)展自主研發(fā)的基因數(shù)據(jù)讀取與分析處理軟件系統(tǒng)；構(gòu)建基于人體特征參量的體域網(wǎng)；基于大規(guī)模云計算的人工智能方法，發(fā)展可穿戴的人體健康體征辨識參數(shù)檢測監(jiān)控設(shè)備；開展基因庫資源應(yīng)用研究。在有源植入物領(lǐng)域，重點發(fā)展電磁兼容性更好的無線心臟起博器、神經(jīng)刺激器、治療與監(jiān)測用植入性生物芯片等。

平臺性技術(shù)相應(yīng)發(fā)展較快，如醫(yī)療經(jīng)驗挖掘技術(shù)、智慧醫(yī)療技術(shù)、面向醫(yī)療的智能技術(shù)、云診斷技術(shù)、醫(yī)療資源智能化運營平臺技術(shù)，以及專家系統(tǒng)和醫(yī)療路徑描述體系。

（三）MEMS領(lǐng)域

進一步研究并重點突破MEMS一體化設(shè)計與仿真技術(shù)、先進功能材料的MEMS制造技術(shù)、芯片級MEMS集成技術(shù)、MEMS可靠性技術(shù)、MEMS測試與標準化技術(shù)等。研制各類國產(chǎn)微納制造、檢測設(shè)備。

面向儀器儀表工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略優(yōu)先布局研究方向，包括高可信度的系統(tǒng)級MEMS正向設(shè)計理論、復雜三維MEMS制造工藝方法、單片MEMS集成方法、極端條件下的MEMS應(yīng)用方法、MEMS集成射頻前端技術(shù)、微型導航定位授時技術(shù)、MEMS智能傳感微系統(tǒng)技術(shù)、MEMS執(zhí)行器技術(shù)等。

四、基礎(chǔ)研究方向

（一）智能儀器儀表領(lǐng)域

研究傳感層相關(guān)設(shè)備、鏈路、數(shù)據(jù)安全處理與功能的安全技術(shù)；研究適應(yīng)于全生命周期數(shù)據(jù)管理的智能儀器儀表；研究儀表適應(yīng)工況的本地和遠端自學習調(diào)整功能；研究儀表的本地、遠端數(shù)據(jù)冗余功能；研究儀表的遠程升級及回溯功能；研究儀表的自動預防性檢測與維護功能；研究基于人工智能的高精度測量方法；提高各種儀表本體測量能力和測量精度，研究儀表本體硬件診斷和軟件診斷技術(shù)等[13]。

研究儀器網(wǎng)絡(luò)化的構(gòu)建技術(shù)。研究傳輸層通信技術(shù)，研究可以支撐儀器儀表的服務(wù)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)融合的全生命周期數(shù)據(jù)傳輸手段，重點研究支撐大數(shù)據(jù)流傳輸?shù)墓I(yè)新型高速兩線制通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信卡、通信芯片、通信安全。研究匯聚層設(shè)備、通信核心技術(shù)，研究可支撐多鏈路診斷分析等特色各異的服務(wù)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)聚合與分離的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口卡及網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)技術(shù)。研究適應(yīng)于傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的主站數(shù)據(jù)處理、路由處理和流量控制、數(shù)據(jù)安全和優(yōu)先級通信調(diào)度技術(shù)等。研究骨干層通信調(diào)度和傳輸技術(shù)，研究支撐控制網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)分離的數(shù)據(jù)交換、分發(fā)設(shè)備，研究數(shù)據(jù)隔離等網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。研究基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全通信技術(shù)，研究基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造系統(tǒng)的安全傳輸和冗余。

（二）醫(yī)療儀器領(lǐng)域

重點開展醫(yī)學影像新型成像機理、影像融合技術(shù)及遠程圖像診斷信息的系統(tǒng)研究。重點研究新型手術(shù)器械及儀器設(shè)備、應(yīng)用新技術(shù)的新型急救設(shè)備工程基礎(chǔ)技術(shù)，以及根據(jù)臨床疾病特征開展的新的智能化急救儀器設(shè)備基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)。開展先進治療的儀器設(shè)備機理與工程技術(shù)應(yīng)用和智能化醫(yī)用機器人的生物力學基礎(chǔ)應(yīng)用，開展軟體機器人技術(shù)、遠程手術(shù)技術(shù)、基于人工智能的醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、輔助介入治療技術(shù)、智能化仿生假肢及智能輔具的智能技術(shù)與生物力學基礎(chǔ)研究。開發(fā)預測重大疾病發(fā)病風險的生物芯片，發(fā)展全基因組測序技術(shù)和全系列、高通量、集成式、流程化的實驗室檢驗分析系統(tǒng)。開發(fā)基因讀取與分析系統(tǒng)以及基因資源應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。重點推進生物相融性更好的智能化記憶骨科植入物、血管支架及應(yīng)用生物材料的開發(fā)，研究智能化新型生物材料。對生物材料性能及其加工工藝與處理技術(shù)、生物相融性及生物力學基礎(chǔ)、有源植入物與生物融合基礎(chǔ)應(yīng)用，加大研究力度[13]。

（三）MEMS領(lǐng)域

重點突破MEMS領(lǐng)域的科學前沿研究。MEMS制造、器件與微系統(tǒng)的一體化正向設(shè)計至關(guān)重要，突破正向設(shè)計理論及方法，優(yōu)先開展跨尺度多能域系統(tǒng)的建模仿真、材料性能表征與工藝兼容性、惡劣環(huán)境下的失效機理與驗證方法等研究，解決MEMS器件建模仿真及正向設(shè)計理論和方法的科學前沿問題。

研究MEMS領(lǐng)域的核心技術(shù)工藝。開展單片集成、3D集成和混合集成方法研究，研究先進結(jié)構(gòu)與先進材料工藝，研究MEMS晶圓級封裝及在線監(jiān)控，解決MEMS器件與微系統(tǒng)的芯片級集成方法及核心關(guān)鍵工藝技術(shù)。

突破MEMS領(lǐng)域的重點應(yīng)用。MEMS器件與微系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性也必須重視，如面向發(fā)動機、燃氣輪機等MEMS器件與系統(tǒng)，面向戰(zhàn)術(shù)武器的超高精度、高過載的MEMS器件與系統(tǒng)，面向汽車工業(yè)的高可靠、高性能的MEMS器件與系統(tǒng)，面向未來物聯(lián)網(wǎng)的集成化、智能化MEMS器件與系統(tǒng)等方面都需要進一步加強研究，解決我國亟須突破的重大戰(zhàn)略需求問題。

五、結(jié)語

隨著MEMS技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也會不斷增加。微型化是未來儀器儀表發(fā)展的必然趨勢，微型儀器儀表將不僅具有傳統(tǒng)儀器儀表的功能，而且能在自動化、航天、軍事、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域起到獨特的作用。

多功能化是儀器儀表發(fā)展的重要趨勢，多功能的綜合型產(chǎn)品在各種測試功能上提供了較好的解決方案。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透，網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表的概念是對傳統(tǒng)測量儀器概念的突破。

人工智能技術(shù)將在儀器儀表領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，未來儀器儀表將進一步智能化，可以代替人的一部分腦力勞動，其在視覺、聽覺、思維等方面具有一定的類人能力。人工智能在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題，而且有望解決用傳統(tǒng)方式根本不能解決的問題，能夠極大地提高生產(chǎn)效率和能力。

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Development Trends for China’s Instrumentation Engineering Science and Technology to 2035

Wang Xue1, Zhang Li2
(1. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. China Instrument and Control Society, Beijing 100088, China)

Instrumentation is the fundamental technology and essential equipment for intelligent manufacturing, scientifc research, environmental monitoring, healthcare, national defense construction, and so forth. As an important support toward achieving a national innovation strategy, instrumentation development determines the level of strategic new industries, which include the innovative information industry, high-end equipment-manufacturing industry, energy industry, materials industry, and so forth. This paper analyzes development trends of instrumentation engineering science and technology to 2035. Within the requirements of digital, intelligent, and networked instruments, key technologies and future trends are depicted for three main aspects: intelligent instrumentation, medical instruments, and micro-electro-mechanical systems (MEMS). Development strategies and suggestions for China’s instrumentation engineering science and technology to 2035 are also put forward.

instrumentation; intelligent instrumentation; medical instrument; MEMS; trend analysis

TP393

A

2016-12-15；

2016-12-27

王雪，清華大學，教授，研究方向為精密測量與智能傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)等；E-mail: wangxue@mail.tsinghua.edu.cn

中國工程院咨詢項目“中國工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”(2015-ZD-14)

本刊網(wǎng)址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.01.015