金路　曾憲鈺　陳　功　言思敏 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

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“工業(yè)4.0”時(shí)代下的計(jì)量工作

金路曾憲鈺陳功言思敏 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0　引言

2013年德國在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出了“工業(yè)4.0”概念。它描繪了制造業(yè)的美好愿景，提出繼蒸汽機(jī)的應(yīng)用、規(guī)模化生產(chǎn)和電子信息技術(shù)等三次工業(yè)革命后，人類將迎來以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（Cyber Physical System）為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。“工業(yè)4.0”概念的提出，在歐洲乃至全球工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域都引起了極大的關(guān)注和認(rèn)同[1]。通過“工業(yè)4.0”可以實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅提高，產(chǎn)品創(chuàng)新速度加快，滿足個(gè)性化需求，減少能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和附加值，增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力；通過“工業(yè)4.0”可以建立起高度協(xié)作的創(chuàng)新服務(wù)體系，提高整個(gè)行業(yè)的資源配置和運(yùn)行效率；通過“工業(yè)4.0”可進(jìn)一步鞏固制造業(yè)優(yōu)勢，搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn)。

計(jì)量是生產(chǎn)和科研的基礎(chǔ)保證，在科技進(jìn)步和現(xiàn)代化建設(shè)中有著無可替代的重要作用。計(jì)量工作對于歷史上的三次工業(yè)革命發(fā)展都起到了推動(dòng)性作用，與此同時(shí)也促進(jìn)了計(jì)量工作自身的發(fā)展[2]?！肮I(yè)4.0”時(shí)代，計(jì)量工作也將對智能工廠的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)起到關(guān)鍵的基礎(chǔ)性作用。

1　“工業(yè)4.0”的概念與規(guī)劃

1.1“工業(yè)4.0”

通常將18世紀(jì)引入機(jī)械制造設(shè)備定義為工業(yè)1.0，20世紀(jì)初的電氣化為2.0，始于20世紀(jì)70年代的生產(chǎn)工藝自動(dòng)化定義為3.0，而物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務(wù)化迎來了以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法，即“工業(yè)4.0”。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通信技術(shù)和信息物理系統(tǒng)（CPS）相結(jié)合的手段，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型[3-4]。

“工業(yè)4.0”主要表現(xiàn)在互聯(lián)、集成、數(shù)據(jù)、創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型這五個(gè)方面。互聯(lián)是“工業(yè)4.0”的核心，需要把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品、客戶緊密地聯(lián)系在一起，最終實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標(biāo)。集成主要強(qiáng)調(diào)了企業(yè)間的橫向集成和企業(yè)內(nèi)部的縱向集成以及端到端的集成。數(shù)據(jù)是“工業(yè)4.0”和制造革命的基石，所有生產(chǎn)裝備、感知設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的源源不斷的數(shù)據(jù)，將會(huì)滲透到企業(yè)運(yùn)營、價(jià)值鏈乃至產(chǎn)品的整個(gè)生命周期?！肮I(yè)4.0”的實(shí)施過程實(shí)際上就是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的過程，制造技術(shù)、產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新將會(huì)層出不窮。在“工業(yè)4.0”時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)和（服）務(wù)聯(lián)網(wǎng)將滲透到工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成高度靈活、個(gè)性化、智能化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動(dòng)生產(chǎn)方式向大規(guī)模定制、服務(wù)型制造、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。由于物聯(lián)網(wǎng)和（服）務(wù)聯(lián)網(wǎng)將滲透到工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成高度靈活、個(gè)性化、智能化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，將推動(dòng)生產(chǎn)方式向大規(guī)模定制、服務(wù)型制造、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變[5]。

1.2各國規(guī)劃

“工業(yè)4.0”概念的提出，在歐洲乃至全球工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域都引起了極大的關(guān)注和認(rèn)同。各國都相應(yīng)制定了“工業(yè)4.0”時(shí)代下的工業(yè)制造戰(zhàn)略規(guī)劃。德國、美國、日本和中國的戰(zhàn)略規(guī)劃如表1所示。

表1　各國工業(yè)4.0戰(zhàn)略規(guī)劃

1.2.1德國的戰(zhàn)略規(guī)劃

產(chǎn)學(xué)研推動(dòng)，升至國家戰(zhàn)略。工業(yè)4.0研究項(xiàng)目由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成,已上升為國家級戰(zhàn)略。德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部于2013年將其納入《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》的十大未來項(xiàng)目中，計(jì)劃投入2億歐元資金，支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。企業(yè)界西門子、SAP等企業(yè)積極跟進(jìn)，德國在“工業(yè)4.0”的理念思考和創(chuàng)新實(shí)踐方面已經(jīng)走在了世界前列。

1.2.2美國的戰(zhàn)略規(guī)劃

政府戰(zhàn)略推動(dòng)創(chuàng)新，積極實(shí)施再工業(yè)化。在美國，“工業(yè)4.0”的概念更多地被“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”所取代。盡管稱法不同，但他們的基本理念一致，就是將虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體連接，形成更具有效率的生產(chǎn)系統(tǒng)。金融危機(jī)后，美國政府將發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)上升為國家戰(zhàn)略，希望以新的革命性生產(chǎn)方式重塑制造業(yè)。

1.2.3日本的戰(zhàn)略規(guī)劃

特色“工業(yè)4.0”，人工智能是突破口。日本“工業(yè)4.0”的一大特色是對人工智能產(chǎn)業(yè)的探索，以解決勞動(dòng)力斷層并支持未來的工業(yè)智能化，而其首先應(yīng)用的領(lǐng)域就是工業(yè)化生產(chǎn)線。日本政府近期加大了對3D打印機(jī)等尖端技術(shù)的財(cái)政投入。2014年，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省繼續(xù)把“3D打印機(jī)”列為優(yōu)先政策扶持對象，計(jì)劃當(dāng)年投資45億日元，實(shí)施以3D造型技術(shù)為核心的產(chǎn)品制造革命的大規(guī)模研究開發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)世界最高水平的金屬粉末造型用3D打印機(jī)。

1.2.4中國的戰(zhàn)略規(guī)劃

實(shí)施“中國制造2025”，加速制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國。2014年3月，習(xí)主席訪問德國，在發(fā)表的署名文章中重點(diǎn)提到德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略；同年10月，李總理訪問德國,發(fā)表《中德合作行動(dòng)綱要》，宣布了中德兩國將開展“工業(yè)4.0”合作。 2015年5月19日，《中國制造2025規(guī)劃綱要》頒布，被譽(yù)為“中國版‘工業(yè)4.0’規(guī)劃”，其借鑒德國版“工業(yè)4.0”計(jì)劃，圍繞我國工業(yè)有待加強(qiáng)的領(lǐng)域進(jìn)行強(qiáng)化,打造新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)和生物醫(yī)藥與生物制造產(chǎn)業(yè)。

其次，原研藥受到專利挑戰(zhàn)的比例與其上市后專利有效保護(hù)期（桔皮書中所列全部專利所提供的最長保護(hù)期）呈正相關(guān)關(guān)系，有效保護(hù)期越長，受到專利挑戰(zhàn)的可能性越大。

2　計(jì)量工作的發(fā)展與現(xiàn)狀

計(jì)量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)識客觀事物、并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法。它保證了量值統(tǒng)一和測量結(jié)果的一致性，對于社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展具有重要意義。

2.1發(fā)展概況

從歷史角度看，計(jì)量工作的發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段。

1）自原始社會(huì)后期至17世紀(jì)，計(jì)量工作的早期階段。該階段主要以人的某一部分或者是自然界的一些天然物質(zhì)當(dāng)作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2）18世紀(jì)起至20世紀(jì)中葉，計(jì)量工作的近代階段。該階段隨著物理科學(xué)的發(fā)展和單位制的建立，計(jì)量開始作為一門科學(xué)出現(xiàn)，并開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。將自然界中某種不變的實(shí)體作為計(jì)量基準(zhǔn)，國際間的量值標(biāo)準(zhǔn)開始協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，在1875年簽訂了“米制公約”，成立了國際度量衡委員會(huì)及國際度量衡局。

3）從20世紀(jì)中葉起，計(jì)量工作進(jìn)入到現(xiàn)代計(jì)量工作階段。這一階段在單位制的建立和推廣、基本單位定義確立、量值傳遞方式、檢定與校準(zhǔn)方法的改革和發(fā)展以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用等方面都取得了巨大成就，使得計(jì)量學(xué)成為了一門獨(dú)立的學(xué)科[6-7]。

2.2現(xiàn)狀

2.2.1對象復(fù)雜化和計(jì)量條件極端化

現(xiàn)今部分計(jì)量工作出現(xiàn)了計(jì)量對象復(fù)雜化和計(jì)量條件極端化的問題，有時(shí)候需要計(jì)量的是整個(gè)機(jī)器或裝置，參數(shù)多樣且定義復(fù)雜；有時(shí)候需要在高溫、高壓、高危等環(huán)境中進(jìn)行計(jì)量，使得計(jì)量條件極端化。

2.2.2多信息融合

以往的計(jì)量對象和種類比較單一，現(xiàn)代計(jì)量則復(fù)雜得多，往往包含了多種類型的被測量，具有信息量大的特點(diǎn)。比如大批量工業(yè)制造的在線測量，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)高達(dá)幾十萬；又如產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中，包含了海量的數(shù)據(jù)信息。對于這些數(shù)據(jù)信息的可靠快速傳輸和高效管理以及如何消除各種被測量之間的相互干擾，從中挖掘出多個(gè)計(jì)量信息融合后的目標(biāo)信息將形成一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，即多信息融合。

2.2.3準(zhǔn)確度不斷提高

隨著人們對微觀世界探索的不斷深入，計(jì)量的對象尺度越來越小，達(dá)到了納米量級；同時(shí)由于大型、超大型機(jī)械系統(tǒng)（航空航天制造、電站機(jī)組）、機(jī)電工程的制造、安裝水平的提高，以及人們對于空間研究范圍的擴(kuò)大，測量對象尺度越來越大，導(dǎo)致從微觀到宏觀的尺寸測量范圍不斷擴(kuò)大。目前已經(jīng)達(dá)到10-15~1025的測量范圍，相差40個(gè)數(shù)量級之巨。例如，在溫度計(jì)量中，大致相差12個(gè)數(shù)量級；在力值的計(jì)量中，相差約14個(gè)數(shù)量級[8]。

3　“工業(yè)4.0”時(shí)代計(jì)量的發(fā)展方向

“工業(yè)4.0”時(shí)代以“智能制造、智能生產(chǎn)”為核心，同時(shí)以互聯(lián)互通為手段?！肮I(yè)4.0”是一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，是把一切測試數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合采集、綜合分析、并加以綜合運(yùn)用的過程。在這個(gè)過程中，及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量工作無處不在，無時(shí)不在。這對計(jì)量工作提出了全面、綜合的挑戰(zhàn)，未來的計(jì)量工作將在以下幾個(gè)方面發(fā)展。

3.1傳感器的量值傳遞和溯源

“工業(yè)4.0”時(shí)代傳感器的應(yīng)用和發(fā)展無處不在。在一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)上大致會(huì)有上千個(gè)傳感器，隨之產(chǎn)生大量的測量數(shù)據(jù)。如何保證這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠呢？這些傳感器如何進(jìn)行量值傳遞和溯源是一個(gè)值得深入研究探討的問題，這對于提升整個(gè)計(jì)量工作的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。

3.2通用化和標(biāo)準(zhǔn)化

為了便于獲取和傳輸數(shù)據(jù)信息，計(jì)量測試儀器的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)非常重要，也是“工業(yè)4.0”時(shí)代標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求。

目前的接口和總線系統(tǒng)較多。隨著智能檢測技術(shù)的發(fā)展，制定一種或幾種世界各國通用的統(tǒng)一接口和總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)有利于系統(tǒng)的組建、更改、升級和聯(lián)結(jié)。由于采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，計(jì)量測試儀器將易于實(shí)現(xiàn)分散使用和大范圍聯(lián)網(wǎng)使用。計(jì)量測試儀器還可以和其他非檢測性網(wǎng)絡(luò)連接，獲得其他系統(tǒng)的信息，為其他系統(tǒng)提供現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的觀測、估計(jì)與判斷結(jié)果。

3.3網(wǎng)絡(luò)化測量和控制

面向網(wǎng)絡(luò)的智能傳感器及以其為核心的智能儀器儀表、測控系統(tǒng)都帶有計(jì)算機(jī)接口和總線，通過轉(zhuǎn)換上internet和ethernet就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測量和控制[9]。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)操作儀器設(shè)備，從而可以形成遍布辦公室、工業(yè)現(xiàn)場和家庭的分布式測控網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)絡(luò)中的儀器、計(jì)算機(jī)都有機(jī)地聯(lián)系在一起，所以網(wǎng)絡(luò)化測量和控制具有準(zhǔn)確、及時(shí)、高性能和高效率等特點(diǎn)。

4　結(jié)語

以“智能制造”為核心的“工業(yè)4.0”時(shí)代的來臨，對計(jì)量工作提出了全方位、綜合性的挑戰(zhàn)。它要求計(jì)量工作在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上往更便捷、更智能、更準(zhǔn)確的方向發(fā)展。為迎接“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來，本文展望了計(jì)量領(lǐng)域傳感器的量值傳遞和溯源、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化測量和控制等幾個(gè)發(fā)展方向。

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