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马爱文:工业4.0给计量测试带来6点思考

—— 中国计量测试学会秘书长马爱文

行业聚焦点中国仪表网2015年01月30日 16:55人气:7082

  【中国仪表网 行业聚焦点】工业革命又称产业革命,每一次工业革命都对产业的发展、社会的进步、人类的文明起着重要的促进作用,并且每一次工业革命的时期都在缩短,速度在加快,能量也在不断加大。2013年4月,德国在汉诺威工业博览会上正式推出工业4.0的概念,即第四次工业革命。李克强总理访问德国时,也强调要加强中德“工业4.0”合作。工业4.0到底为计量测试发展带来了哪些机遇和挑战?

  
  一、计量测试在工业革命中的地位和作用
  
  科学技术是推动工业革命的重要动力,计量测试技术做为基础科学,在前三次工业革命中发挥了重要的作用。
  
  (一)计量的统一和力学的发展为第一次工业革命打下了基础
  
  16世纪末,文艺复兴运动的扩展促进了人的思想解放,也对科学研究产生了重要影响。伽利略基于观察、实验以及实验与数学相结合的科学研究,发现了自由落体定律。牛顿在伽利略研究的基础上发现了万有引力定律和物体运动三定律,这三者共同形成了经典力学体系。经典力学的建立,也促进了光学、电磁学等学科与力学的统一。而蒸汽机、科尔尼锅炉的发明以及将蒸汽机应用于火车,都是基于对力学、温度的研究和测试基础之上的。而当时英国度量衡的高度统一,也为工厂之间的分工协作打下了良好的基础。
  
  (二)电的发明和应用成为第二次工业革命的主要驱动力
  
  从1732年美国富兰克林主张电为一流体学说,到19世纪初电磁感应现象的发现、电报的发明等,人类经历了漫长的对电的研究和应用过程。也正是对电的测量与研究以及对电特性的广泛应用,大大推动了工业企业的自动化进程,提高了工业企业的生产效率。所以人们习惯称第二工业革命为电气时代。为纪念科学家对电及其特性的发现以及对电测量所做出的卓越贡献,国际上以相关科学家的名字来定义电学的有关计量单位。如:以法国科学家库仑的名字做为电量的计量单位;以意大利科学家伏特的名字做为电压的计量单位;以法国科学家安培的名字做为电流的计量单位;以英国科学家焦耳的名字做为电能的计量单位。
  
  (三)计量领域的扩展以及计量精度的不断提高为第三次工业革命提供了强有力的技术支撑
  
  第三次科技革命是涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。这是一场全方位、多领域的技术革命。在这次革命中,电的应用和测量仍是主角,但长度、力学、温度、电磁、光学等都在各个领域发挥了重要作用,并且量值的测量向着极大、极小,极高、极低等两极发展。如在长度计量测试领域,随着对计量测试技术的改造和研究,纳米测量应运而生并快速发展。线纹计量从一维测试向二维测试转变,促进了集成电路中高精度电路板的校准和溯源仪器的精度不断提高。真空激光干涉技术的应用将测长精度提高到20nm/m。膜厚计量快速发展,并广泛应用于半导体、微电子、通讯、电镀、核物理研究等行业。时间频率计量,精度已达1600万年不差一秒,并被广泛应用于航空航天、北斗导航、计算机时钟等各个行业。电磁测试向弱磁方向发展,为航空航天等发挥了重要推动作用。
  
  二、工业4.0的主要内容及展望
  
  在《保障德国制造业的未来:关于实施“工业4.0”战略的建议》这份报告中认为:“工业4.0”即第四次工业革命的核心是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新。美国于2005年末曾对信息物联网和服务互联网与制造业的融合做出综合性的概括,称之为虚拟网络——实体物理系统(Cyber-physicalSystem,CPS)。“工业4.0”与美国的“CPS”异曲同工。
  
  (一)智能是第四次工业革命的主要特征
  
  第四次工业革命中,资本和贸易在产业发展中的地位和作用将逐渐下降,信息、技术作为未来产业发展不可或缺的生产要素,越来越发挥着基础性和引领性作用。把智能手机的智能应用于所有工业领域就是工业4.0的目标。“智能”将成为第四次工业革命的主要特征。在未来的智能工厂中,产品信息都将被输入到产品零部件本身,它们会根据自身生产需求,直接与生产系统和设备沟通,发出下一道生产工序指令,指挥设备进行自组织生产。这种自主生产模式能够满足每位用户的“定制”需求。如:作为全球最主要的飞机引擎制造商的美国通用电气公司(GE),正在用智能飞机引擎让飞机更智能。飞机引擎上的各种传感器会收集飞机在空中飞行时的各种数据,这些数据传输到地面,经过智能软件系统分析,可以精确检测飞机运行状况,甚至预测飞机故障,提示做预防性保养等,以提升飞机安全性以及引擎使用寿命。这其实只是智能的一个表现例子。在未来的工业企业,“智能”将成为“心脏”和“大脑”。
  
  美国是国际智能制造思想的发源地之一,美国政府高度重视智能制造的发展,并且已经把它作为21世纪占领世界制造技术领先地位的基石。从上世纪90年代开始,美国国家科学基金会(NSF)就着重资助有关智能制造的诸项研究,项目覆盖了智能制造的绝大部分,包括制造过程中的智能决策、基于多施主(multi-agent)的智能协作求解、智能并行设计、物流传输的智能自动化等。2005年,美国国家标准与技术研究所(NIST)提出了“聪明加工系统(SmartMachiningSystem,SMS)”研究计划。智能制造被视为制造业转型的出路。
  
  (二)互联互通是第四次工作革命的重要手段
  
  工业4.0时代,数字化的灵活性将更加强烈地影响现实世界。软件将不再仅仅是为了控制仪器或者执行某步具体的工作程序而编写,也不再仅仅被嵌入到产品或生产系统里。要实现数字化与现实的交互,通过软件、电子及环境的结合,生产出全新的产品和服务。因此互联互通是必不可少的。对于工业来说,通过数字化企业平台,将虚拟和现实世界进行融合,实现从车间到公司管理层的双向信息流和数据协同优化,这是通往实现工业4.0的必由之路。
  
  有人预测,未来的产品价值将有三大变化趋势:原先硬件创造的价值正在被软件创造的价值所共享;网络连接让我们在软件创新方面有了新的选择,价值正在从产品向云转变;商业模式从产品转向了服务。物联网、互联网、传感网等,让未来工厂与世界只有“一线之隔”。GE公司2012年11月发布的《工业互联网——打破智慧与机器的边界》的报告中预测:在美国,如果工业互联网能够使生产率每年提高1%-1.5%,那么未来20年,它将使美国人的平均收入比当前水平提高25%-40%;如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半,那么工业互联网在此期间会为全球GDP增加10~15万亿美元。
  
  (三)传感器的研制和传感技术的创新将成为影响第四次工作革命进程的重要因素之一
  
  互联网、物联网都需要大量的信息,而这些信息的产生都是来自仪器仪表或直接来自于各种传感器。智能制造、智能生产,没有计量测试便无从谈起。根据我国工业和信息化部制定和发布的智能制造装备产业发展路线图规划,智能制造装备的发展重点突出表现在两个方面:一是九大关键智能基础共性技术包括:新型传感技术、模块化、嵌入式控制系统设计、先进控制与优化技术、系统协同技术、故障诊断与健康维护技术、高可靠实时通信网络技术、功能安全技术、特种工艺与精密制造技术、识别技术等。二是八项核心智能测控装置与部件包括:新型传感器及其系统、智能控制系统现场总线、智能仪表、精密仪器、工业机器人与专用机器人、精密传动装置、伺服控制机构、液气密元件及系统。
  
  从以上这两个发展重点不难看出,传感技术和传感器的研究是其中的重点项目,而其他重点项目的研究,如机器人、液气密系统等都离不开计量测试的使用和计量测试精度和能力的保障。传感器和传感技术是计量测试的一种表现形式,传感器及传感技术的发展将成为第四次工业革命的关键中的关键。
  
  三、工业4.0给计量测试带来的思考
  
  第四次工业革命以“智能制造、智能生产”为核心,以互联为手段,以计量测试为重要的核心技术。第四次工作革命也是大数据时代,是信息技术时代,是把一切测试信息进行综合采集、综合分析并加以综合运用,在运用的过程中再进行新的采集、新的分析、新的应用的过程。在这个过程中,及时、准确、可靠的计量测试无处不在,无时不在,无所不在。这对计量测试技术的挑战是全面的、综合的、全方位的。应从以下几个方面对计量测试进行思考:
  
  1.应从更高准确性、可靠性、一致性上思考如何进一步提高计量测试能力问题
  
  计量测试技术的准确性、一致性和可靠性是实现第四次工业革命的基础。如现代银行系统,要实现全球范围内银行收支情况在某一节点时必须一致,即帐目不致于出现偏差不平衡,需要银行计算机系统的时间精度必须在10-6以上,而如果全世界的工业要实现4.0,实现实时对接平衡,肯定要高于这个精度,因为数据更多,涉及的行业、部门、产业、企业更为繁杂。目前时间的计量精度虽已达到了10-15以上,但这只是实验室中的数据,在计算机系统中能否得到实际应用?能否满足要求?这只是工业4.0对时间这一个参数的要求,对于长度、温度、电磁、无线传输等都提出了什么样的需求?我们能否满足?第四次工业革命的到来,一定需求更高精度的计量测试为其提供测试技术保证。
  
  2.应从传感技术的快速发展来思考仪器仪表产业发展问题以及对传感器的量值传递和溯源问题
  
  无论智能生产还是智能工厂,传感器将是产生数据的直接根源。东德某玻璃制造企业,一个玻璃全自动生产系统线上就安装了3000多个测量传感器,保证着整个系统的正常有效运行。这些传感器代表了传统的检测仪表。那么如何保证这些传感器的准确、可靠?如何对他们进行量值传递和溯源?能否实现传感器的自校准功能?测量传感器加上软件系统,就实现了原来仪表的功能,未来的检测仪表是否将被各式各样的传感器或传感系统所替代?仪器仪表行业将何去何从?
  
  3.应从嵌入式软件全方位应用及互联网的快速发展来思考计量相关软件的检定、校准或检测问题
  
  无论是工业4.0,还是工业互联网,“互联互通”是推动这一轮工业革命的核心要素。近几年互联互通技术快速发展,也带动了软件业的快速发展。系统集成、远程传输、嵌入式软件将成为测试仪器的重要组成部分,软件与仪器将不可分隔。现代的计量测试仪表大都可以直接与互联网相通。现在较为成熟的像电能智能抄表系统,已把互联网做为其中的重要组成部分。而现在的计量检定、计量校准一般只针对仪器设备,或者说只针对其中的计量检测部分,很少涉及对软件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性等进行测试。这种管理方式在未来必须发生改变。同时,由于软件的存在,传感器的广泛应用,一个系统对多个参数、多类参数同时进行测量的可能性大大增加。软件的可靠性、互通互联技术能力将成为影响第四次工业革命的重要因素。那么我们现在是否有软件的测评能力?能否对整个系统进行检定或校准?能否对所有的参数同时进行在线检定?
  
  4.应从多学科融合的角度来思考计量人才的培养问题
  
  在工业4.0时代,不仅需要更加专业的计量技术人才,因为计量专业性很强,在某一单个领域还需要向着更高、更准的方向发展。但工业4.0时代更是一个大融合的时代,从表面上看是物物相联、人机相联、制造与服务相联等,但深层看,是多学科的融合,多领域的融合,是多种技术的相互渗透。任何产品中都包含着软件和无线网络,包含着电子、机械、化工、材料等多项专业技术,有的还包含农业、林业以及管理知识。工业系统的发展向着多通道、多参数、全方位、系统化发展。多学科综合性人才的需求越来越大,对人才综合素质的要求越来越高。因此,需要具有跨学科经验的人才才能担当相关的工作,进行准确的操作、维护等。创新一般不发生在一个专业的领域,更多出现在跨学科、跨领域的边缘学科。在总结为什么第三次科技革命首发于美国原因时,社会普遍认为:美国的“实用主义哲学”以及“实验技术以军民结合、理工结合为特色”发挥了重要作用。
  
  5.应从计量检定、校准的扁平化来思考计量技术机构的设置及发展方向问题
  
  随着第四工业革命的到来,特别是随着无线传输、空间加载、远程诊断以及互联网的应用,以后的量传溯源或许不再需要一级级传递,而是通过现代科技手段,如无线传输,计量检定、校准就可以直接溯源到最高计量基准。计量检定、校准的扁平化问题将会越来越突出。那么,具有中国特色的大区计量测试中心的量传职能是否会萎缩?有些量值可以直接溯源到国家级或省级技术机构,那么地市级的计量技术机构和县级计量技术机构还会有什么样的检定、校准任务?这些都对现行的计量量传溯源系统产生影响,也直接影响着全国计量技术机构的设置和计量资源的配置。
  
  6.应从工程控制系统的角度来思考计量的行政管理问题
  
  工业4.0是一个巨大的系统工程,也是一个严谨的工程控制系统。这个系统将社会方方面面的信息进行综合、分析,并产生新的指令,同时也为社会治理提供决策依据。社会治理必须与第四次工业革命的进程紧密结合。国家城市能源计量中心建设是工业系统与管理体系相结合的一个很好的开端,虽然还很不完善,但以后这样的系统在第四次工业革命中会出现很多。钱学森曾提出将工程控制理论应用于社会管理中。做为计量行政管理部门,如何将工程控制系统的理念应用于计量社会管理,如何提前谋划,提前布局,如何利用第四次工业革命来提高计量管理的效率和能力。现在是时候思考了。
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