李少壯，張澤光，李洪波，張學濤，李偉

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

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從“工業(yè)4.0”看工業(yè)計量的未來

李少壯，張澤光，李洪波，張學濤，李偉

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

摘要：工業(yè)技術的應用發(fā)展推動著計量測試技術的持續(xù)進步。本文就“工業(yè)4.0”時代的計量測試技術發(fā)展特點進行分析，從計量標準量值復現(xiàn)與測量的數(shù)字化、產(chǎn)品的智能化設計制造與使用、產(chǎn)品的計量性設計以及云計量必將成為“工業(yè)4.0”的技術支撐等不同方面進行解讀，對工業(yè)計量技術的發(fā)展趨勢做出預判。

關鍵詞：計量測試；工業(yè)計量；工業(yè)4.0；云計量

0引言

我國工業(yè)技術發(fā)展正處在快速上升的階段，為了實現(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)技術發(fā)展指引了方向。分析計量測試技術發(fā)展趨勢，準確把握工業(yè)計量技術發(fā)展方向，適時開展先進計量測試技術與裝備的研發(fā)，是計量工作者的歷史責任。本文試圖從“工業(yè)4.0”著手，對工業(yè)計量的發(fā)展做概要分析。

1步入“工業(yè)4.0”時代

18世紀60年代至19世紀中期，隨著機械生產(chǎn)代替手工勞動，社會生產(chǎn)組織模式由個體作坊式生產(chǎn)演進到專業(yè)分工協(xié)作基礎上的工廠化、規(guī)?；?、社會化生產(chǎn)，經(jīng)濟社會結(jié)構從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎轉(zhuǎn)型發(fā)展為以工業(yè)生產(chǎn)為基礎，經(jīng)濟發(fā)展模式具有了明顯的規(guī)模化效應。與之相適應，關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)范量化表達的要求?；谝宰匀唤缫子诘玫降膶嵨餅閰⒄諛影宓牧恐当硎觯饾u轉(zhuǎn)為人工制造的、規(guī)范一致的實物標準來表述。在貿(mào)易活動的推動下，國際計量技術組織誕生并直接引導了近代計量標準技術的發(fā)展進步。1875年5月20日，20個國家的政府代表在法國巴黎簽署《米制公約》，確認國際間共同使用以“米”為基礎的計量單位制度。這一時期，在今天被稱為是“工業(yè)1.0”時代。

19世紀后半期至20世紀中期，社會勞動的專業(yè)化分工進一步發(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、標準化的生產(chǎn)需求，推動了計量技術進步與精密儀器技術的發(fā)展，以精密機械、光學儀器儀表為代表的量儀技術和計量基礎理論得到了深入的研究和廣泛的應用，特別是第二次世界大戰(zhàn)及二戰(zhàn)后期，計量技術得到空前發(fā)展。這一時期在今天被稱為是“工業(yè)2.0”時代。

20世紀70年代以來，隨著計算機技術的普及應用和個人計算機的小型化，自動控制技術在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，推動了生產(chǎn)過程的自動化。在社會生產(chǎn)活動專業(yè)分工進一步細化的基礎上，伴隨著高新技術的進步和世界貿(mào)易的發(fā)展，基于對過程信息的認知和固化，計量測試技術日漸融入工業(yè)生產(chǎn)流程；與此同時，在對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的量值保證活動中，依據(jù)標準量值的使用與管理，生產(chǎn)過程管理實現(xiàn)了可靠的基于單參數(shù)的量值統(tǒng)一；同時依賴質(zhì)量管理理論與技術手段的發(fā)展完善，工業(yè)制造技術體系進一步完善。計量工作的重點逐步由傳統(tǒng)的保證計量標準器量值一致轉(zhuǎn)向保證工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準確，以激光技術、新型傳感技術、數(shù)字儀表和計算機的結(jié)合為標志，計量檢測已成為生產(chǎn)過程中無所不在的一種工業(yè)基礎能力。這一階段的技術發(fā)展也被稱為第三次工業(yè)革命，或被稱為“工業(yè)3.0”時代。

進入21世紀以來，在計算機信息技術與互聯(lián)網(wǎng)技術的推動下，在系統(tǒng)論的指導下，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、能夠支持個性化需求的全新業(yè)態(tài)。依托信息物理網(wǎng)絡(Cyber-Physical System，CPS)，通過產(chǎn)品模型化定義和數(shù)字化描述，計量測試工作與工業(yè)生產(chǎn)活動進一步融合，對產(chǎn)品設計與生產(chǎn)流程的過程管理正逐步被植入于產(chǎn)品的計量性設計保障所替代或補充完善，因而極大提高了產(chǎn)品的科學性和可靠性，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)模型的實時測量、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——實施“工業(yè)4.0”攻略的建議》，把德國學術界和產(chǎn)業(yè)界關于“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)技術發(fā)展的趨勢和相關表現(xiàn)。其核心思想可歸納為三個方面。

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、智能化的漸進發(fā)展的過程中，工業(yè)機器人、智能制造單元等應用日漸普及，智能制造模式已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)制造方式發(fā)展進步的主要方向。

智能制造生產(chǎn)模式，是一種使產(chǎn)品設計制造過程與產(chǎn)品應用過程高度融合的一種生產(chǎn)方式。對產(chǎn)品設計、制造與應用保障活動進行系統(tǒng)化的規(guī)劃設計，挖掘產(chǎn)品生產(chǎn)制造和使用消費過程中的信息，用以改進產(chǎn)品設計與制造過程，目的是使得產(chǎn)品能更經(jīng)濟、高效地滿足消費需求。產(chǎn)品的生產(chǎn)與服務過程本身就是信息消費與再生產(chǎn)過程，產(chǎn)品的使用消費過程同時成為產(chǎn)品改進改型的生產(chǎn)活動過程。這是一種由個性化定制設計與智能化生產(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保障模式，是基于信息網(wǎng)絡和數(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：支持個性化需求而實行個性化設計、定制生產(chǎn)；生產(chǎn)制造功能單元與流水線可以適應生產(chǎn)任務需求而動態(tài)重組；基于物流的資源配置；可支撐產(chǎn)品設計、資源配置、訂貨、計劃、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、實現(xiàn)更具時效性的生產(chǎn)，即時響應市場客戶需求，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比為核心，產(chǎn)品制造活動終端的質(zhì)量評價將更多的被制造過程中技術裝備和技術方法的可靠性所替代，生產(chǎn)活動過程的管理與服務保障將占據(jù)越來越重要的位置，過程的不同將直接決定產(chǎn)品或服務的差異。

2.2　信息是智能化的基礎

來源于主體和過程的信息，是智能化的基礎。系統(tǒng)論的發(fā)展完善，使得人們廣泛接受了關于社會的整體性原則、結(jié)構功能原則、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)論的認識，“在任意的一個時刻，全世界的每一個角落、每一個事件都是處在同一個系統(tǒng)中；在地球上的任意一個角落，其過去、現(xiàn)在與未來因時間的連續(xù)性而不可分割?！?/p>

信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡，就是將物理設備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自我管理等五大功能，進而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡世界與現(xiàn)實物理世界的融合。它可以將信息、設備、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)品及相關服務，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)品設計制造使用要遵循的基本原則，隨著模型的數(shù)字化，產(chǎn)品的設計制造將更加科學化，測量技術的融入將極大提高產(chǎn)品的可靠性，特別是傳感技術的發(fā)展，促進了測量技術的融入，信息技術不斷推動著產(chǎn)品技術進入智能時代。

在全球的信息網(wǎng)絡、物流網(wǎng)絡、市場服務網(wǎng)絡等等日益一體化的現(xiàn)實面前，通過信息網(wǎng)絡與產(chǎn)品制造系統(tǒng)的融合來改變當前的工業(yè)生產(chǎn)與服務模式，已經(jīng)成為企業(yè)提高產(chǎn)品附加值、增強市場競爭力的重要手段[2]。依托信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡，不同的生產(chǎn)設備之間，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整體，產(chǎn)品與生產(chǎn)設備之間，通過信息平臺、物流平臺聯(lián)絡構建成為一個高速運轉(zhuǎn)的產(chǎn)品制造和技術服務體系。信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡的標志性的技術已經(jīng)逐漸獲得應用，智能裝備[3]、智能制造、個性化定制、高效率生產(chǎn)正在越來越多地進入工業(yè)制造現(xiàn)場。

2.3　計量性設計將計量融入全過程

計量性設計[4]是指將產(chǎn)品使用過程中所有的計量需求，按照系統(tǒng)論的要求，在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、試驗、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)字化設計和數(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)品設計時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)化測量方案和實施過程；另一方面，對產(chǎn)品質(zhì)量控制的實物對象正從制造完成后的實物產(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，并通過設計、制造、測量、驗證的閉環(huán)“數(shù)字脈絡”的建設，實現(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，要求計量校準技術保障的服務對象從只針對少量關鍵零部件的特定環(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，測量設備運行模式從單一系統(tǒng)獨立向多系統(tǒng)綜合集成轉(zhuǎn)變，測量手段從人工干預測量向自動化檢測轉(zhuǎn)變。

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

3“工業(yè)4.0”時代的工業(yè)計量

測量是科學的基礎，正如繪制出世界上第一份元素周期表的俄羅斯科學家門捷列夫所言“沒有測量就沒有科學”。計量測試技術伴隨著科學實驗的發(fā)展而發(fā)展，是科學研究和工業(yè)制造的基礎性學科，體現(xiàn)了人們認知世界的科學性——如果對科學研究缺乏預見性，那么就需要通過大量的實驗，進行數(shù)據(jù)分析從而不斷演化和迭代，找到科學的規(guī)律或結(jié)論。正是以計量測試技術的發(fā)展為先導，現(xiàn)代科學技術與工業(yè)技術獲得了快速的發(fā)展。

計量測試技術理論的發(fā)展伴隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)化大生產(chǎn)的發(fā)展而不斷進步完善，隨著飛機、衛(wèi)星等大型復雜系統(tǒng)工程研發(fā)與應用，計量測試技術貫穿于系統(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)的計量工作任務主要是提高量值復現(xiàn)能力，以傳遞量值基準為目的，借助計量標準器具為社會提供可靠的量值服務。在國家法制計量的框架內(nèi)，量值傳遞是將國家測量標準所復現(xiàn)的計量單位通過各等級測量標準傳遞到工作計量器具，這是國家政府對社會組織、企業(yè)以及個人參與社會經(jīng)濟活動提供的基本保障以及技術要求。工業(yè)計量工作的任務則是為工程實踐活動提供數(shù)據(jù)獲取方法與技術裝備，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準，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現(xiàn)能力不斷提升基礎上，工業(yè)現(xiàn)場檢測能力與實驗室內(nèi)的標準量值復現(xiàn)能力快速趨近，計量測試技術的應用推廣與工業(yè)生產(chǎn)活動深度融合；在信息化應用服務不斷擴展的同時，信息網(wǎng)絡技術支撐對計量檢測與校準活動的大數(shù)據(jù)挖掘與應用已成為產(chǎn)品與工程服務的重要內(nèi)容；計量檢測服務模式在技術方法與手段標準化、模塊化發(fā)展的基礎上，借助數(shù)字化技術的支撐，正逐步向模型化、虛擬化的數(shù)字計量、云計量模式發(fā)展[6]。

3.1　計量基本量與計量標準的歸一化

傳統(tǒng)的計量，其量值傳遞是依托物化的具有一定的實體特性的標準物質(zhì)、標準器具，按照標準化的程序或方法，進行核驗性質(zhì)的量值確認。標準原器作為確認量值的基準，其物化形式與量值的定義密切相關。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是量子技術的發(fā)展，使得標準量具的量值直接向自然基準溯源。隨著量值傳遞用標準計量器具和傳遞環(huán)節(jié)的減少以及工程應用數(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量溯源已成為計量技術發(fā)展與應用的大趨勢。新技術的發(fā)展不斷提升了標準量值的復現(xiàn)能力，并推動著基本量的定義和溯源向自然基準靠攏，呈現(xiàn)出國際單位制中基本量逐漸歸一化的趨勢。在計量科學技術發(fā)展的前沿，標準量值的復現(xiàn)技術因量值傳遞方式的變化而出現(xiàn)新的發(fā)展需求。當前科學家們正在努力嘗試對當前唯一的一個依據(jù)實物標準原器實施量值傳遞的量值基準“千克”進行重新定義，以期實現(xiàn)質(zhì)量單位量值向硅原子數(shù)量(普朗克常數(shù))進行溯源[7]。在數(shù)字化與信息化技術的支撐下，通過標準化定義，從自然基準向產(chǎn)品量值的傳遞將以數(shù)字串的方式實現(xiàn)“云”計量。

3.2　工程測試技術手段的數(shù)字化

以汽車、船舶、飛機的生產(chǎn)制造活動為代表，針對大批量、復雜工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)實踐過程，模型化、數(shù)字化的技術手段與裝備的應用，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客機中采用了室內(nèi)GPS組合測量網(wǎng)的裝配模式，飛機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)構建的測量網(wǎng)來完成，這種基于多站和固定參考點的組合測量模式作為一種典型的數(shù)字化檢測技術手段，正在越來越多的獲得應用[5，8]。

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

3.2.1計量測試設備的數(shù)字化改造

傳統(tǒng)的機械、光學等基于模擬量表述的計量測試手段向數(shù)字化方式發(fā)展，以標準化、模塊化的傳感器、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)分析與處理計算機軟件等為基礎，計量檢測技術裝備的數(shù)字控制、自動執(zhí)行、網(wǎng)絡數(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，向計算機自動采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構標準化基礎上的數(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)更加準確可靠。

3.2.2復雜系統(tǒng)計量測試數(shù)字化

針對復雜系統(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系，進行系統(tǒng)模型的數(shù)字化集成。這是實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化測量的前提，也是智能化的基礎。

3.3　融入工業(yè)流程

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，設計與制造的一體化，計量測試技術全面融入產(chǎn)品制造和使用，從產(chǎn)品設計過程的計量性確認到生產(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)認知的不斷深入，計量測試與設計制造日漸一體化發(fā)展，計量測試從產(chǎn)品設計之初融入產(chǎn)品，計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)的實時校準成為可能。

工業(yè)計量的根本任務是保證工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)準確。一方面，隨著信息處理技術的發(fā)展進步，數(shù)據(jù)源在可能影響數(shù)據(jù)準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能力正逐步成為決定工業(yè)計量發(fā)展水平與應用能力的核心技術能力。隨著傳感器的小型化和智能化，先進傳感技術已成為工業(yè)計量的核心技術。無線、網(wǎng)絡化的傳感器件，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，而傳感技術與信息處理技術的結(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，隨著自然科學的發(fā)展進步，人類對自然界的認知不斷拓展，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)。實物計量標準器具隨著基本量的量子化而歸一化，標準量值傳遞用計量標準器具的形式、種類、數(shù)量將大幅度縮減，工程量的檢測手段與技術裝備更趨豐富的同時，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、量值的準確度與量值基準更加趨近。

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

3.4　云計量和虛擬計量

“云計量”是基于互聯(lián)網(wǎng)“云”計算的一種虛擬計量技術[10]。通過標準化定義，實現(xiàn)以標準數(shù)據(jù)串為虛擬標準、通過“云”平臺實時向產(chǎn)品提供計量標準數(shù)據(jù)。

通過互聯(lián)網(wǎng)應用服務與計量工作的緊密結(jié)合，使得計量工作相關的各個環(huán)節(jié)，集成在同一信息物理平臺上，實現(xiàn)技術服務與與市場需求的高度融合，為用戶提供更便捷、高效的服務體驗。同時，也為計量科學技術的研究活動提供最優(yōu)質(zhì)的資源和最廣大的應用市場，推動工業(yè)計量技術水平的不斷提升。由于信息網(wǎng)絡技術應用的迅猛增長，人類活動形成的各種信息作為網(wǎng)絡信息的重要組成部分，將構成以信息網(wǎng)絡為基礎平臺的網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)，一方面這些數(shù)據(jù)信息的積累使得網(wǎng)絡愈加的智慧和聰明，另一方面對大數(shù)據(jù)的挖掘應用也使得數(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，減少各等級計量標準傳遞環(huán)節(jié)，提高溯源準確性。

在對產(chǎn)品、過程進行數(shù)學模型構建、數(shù)值模擬的基礎上，以計算機對產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程進行數(shù)字化表述和再現(xiàn)，是實現(xiàn)工業(yè)技術數(shù)字化、網(wǎng)絡化進程中重要而不可或缺的環(huán)節(jié)。由先進測量軟件支撐的測量數(shù)據(jù)分析處理技術、產(chǎn)品檢測模型和工藝模型的分析構建技術，已經(jīng)成為工業(yè)計量技術發(fā)展中日漸重要的內(nèi)容。同時，信息物理網(wǎng)絡的建設發(fā)展，必將進一步推動海量數(shù)據(jù)管理及遠程服務、云端數(shù)據(jù)實時修正與應用，并極大地拓展在線專家系統(tǒng)和知識系統(tǒng)的應用與服務空間，網(wǎng)絡自學習能力也將得到進一步的發(fā)展。這些可以預期的技術發(fā)展，以及已經(jīng)廣泛應用的網(wǎng)絡化感知、信息無線傳輸技術等，將使遠程計量從虛擬快速轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實，正在為云計量的運用和普及創(chuàng)造條件。

在計量測試過程標準化、模型化技術不斷發(fā)展的基礎上，基于數(shù)字模型的數(shù)據(jù)評價與驗證和測量過程的模擬仿真技術正在得到快速發(fā)展[11]，具有一定程度人工智能的計量檢測技術裝備正在逐步走向現(xiàn)實應用。傳統(tǒng)的以人工作業(yè)方式實施的數(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)制造技術的發(fā)展進步，依賴智能測控部件或裝置——工業(yè)機器人、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)，實現(xiàn)測量結(jié)果的及時反饋、數(shù)據(jù)挖掘基礎上的預先保障性數(shù)據(jù)獲取與評估，正在顯現(xiàn)出越來越清晰的現(xiàn)實可行性。

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

4結(jié)束語

隨著測量技術與產(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”時代的計量已經(jīng)并將更緊密地與系統(tǒng)論、數(shù)字化、模型化、設計制造一體化、傳感器、智能化、標準化定義、數(shù)據(jù)串、數(shù)據(jù)鏈、云計量等名詞概念聯(lián)系在一起，新時代工業(yè)計量測試技術的發(fā)展已日益凸現(xiàn)出以下特征：

1)伴隨著計量科學技術的發(fā)展，實物計量標準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)的預見性大大增強，系統(tǒng)的科學性和工程化不斷提高，在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)以傳統(tǒng)方式實施的計量測試保障活動日益減少，以至不用計量或很少計量，最終實時云計量將成為未來工業(yè)產(chǎn)品和民生計量的主流；

3)隨著對系統(tǒng)認知精細化水平的提高，計量測試與產(chǎn)品設計制造工程一體化發(fā)展，計量測試從設計之初融入產(chǎn)品，成為產(chǎn)品的一部分，實現(xiàn)產(chǎn)品的實時主動校準成為“工業(yè)4.0”的特點；

4)隨著標準化水平的提高和數(shù)字化測量的發(fā)展，使得遠程計量、虛擬計量從理想走進現(xiàn)實，正在為云計量的運用和普及創(chuàng)造條件，目前時間量已經(jīng)實現(xiàn)了遠程實時的云計量；

5)隨著傳感器的數(shù)字化、標準化和智能化，執(zhí)行機構與測量系統(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時代的到來，以云計量為典型特征的計量服務新模式必將成為計量測試服務的主流?？梢灶A見在不遠的將來，只要是在有無線電信號的地方，人們就能得到標準定義的有關各種參量的標準數(shù)據(jù)串，系統(tǒng)將根據(jù)需要自主進行系統(tǒng)參量的外部校準，那時我們將真正的步進智能時代。云計量作為未來“工業(yè)4.0”的重要支撐，必將得到快速的發(fā)展應用。愿我國的工業(yè)計量測試技術在“工業(yè)4.0”時代能實現(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行列。

參考文獻

[1] 國務院.中國制造2025[EB/OL].[2015-08-20].

http：//www.agri.cn/V20/sc/jjps/201505/t20150520_4605792.htm.

[2] 羅文.德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略對我國推進工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的啟示[J].工業(yè)經(jīng)濟論壇，2014，1(4)：52-59.

[3] 傅建中.智能制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].機電工程，2014，31(8)：959-962.

[4] 董鎖利，丁穎，張建蘭，等.機載設備計量性分析與設計討論[J].計測技術，2011，31(3)：46-48.

[5] 張倫彥.基于模型定義和智能設備的新一代航空工廠[J].航空制造技術，2013(8)：44-48.

[6] 李洪波，李偉，張澤光，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的計量產(chǎn)業(yè)平臺[J].計測技術，2015，35(5)：1-9.

[7] 段宇寧.計量新趨勢(續(xù))[J].中國計量，2013(3)：17-21.

[8] 于勇，陶劍，范玉青.大型飛機數(shù)字化設計制造技術應用綜述[J].航空制造技術，2009(11)：56-60.

[9] 國務院.計量發(fā)展規(guī)劃(2013-2020年)[EB/OL].[2015-08-20].

http：//legal.china.com.cn/2013-03/08content_28170090.htm.

[10] 張澤光，李少壯，李偉.智能制造時代的計量——云計量[J].計測技術，2015，35(4)：1-5.

[11] 楊軍，梁志國，燕虎，等.歐洲動態(tài)計量技術發(fā)展[J].計測技術，2015，35(3)：1-9.doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.13

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，從事計量管理與測試技術研發(fā)工作；張澤光(1962-)，男，高級工程師，主要從事力學計量及測試技術研究。

收稿日期：2015-11-18

中圖分類號：TB9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0001-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.01