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

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“工業(yè)4.0”時代下的計量工作

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

0　引言

2013年德國在漢諾威工業(yè)博覽會上提出了“工業(yè)4.0”概念。它描繪了制造業(yè)的美好愿景，提出繼蒸汽機的應用、規(guī)?；a(chǎn)和電子信息技術等三次工業(yè)革命后，人類將迎來以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（Cyber Physical System）為基礎，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化、機器自組織為標志的第四次工業(yè)革命?！肮I(yè)4.0”概念的提出，在歐洲乃至全球工業(yè)業(yè)務領域都引起了極大的關注和認同[1]。通過“工業(yè)4.0”可以實現(xiàn)勞動生產(chǎn)率大幅提高，產(chǎn)品創(chuàng)新速度加快，滿足個性化需求，減少能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和附加值，增強企業(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)新服務體系，提高整個行業(yè)的資源配置和運行效率；通過“工業(yè)4.0”可進一步鞏固制造業(yè)優(yōu)勢，搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。

計量是生產(chǎn)和科研的基礎保證，在科技進步和現(xiàn)代化建設中有著無可替代的重要作用。計量工作對于歷史上的三次工業(yè)革命發(fā)展都起到了推動性作用，與此同時也促進了計量工作自身的發(fā)展[2]?！肮I(yè)4.0”時代，計量工作也將對智能工廠的標準化生產(chǎn)起到關鍵的基礎性作用。

1　“工業(yè)4.0”的概念與規(guī)劃

1.1“工業(yè)4.0”

通常將18世紀引入機械制造設備定義為工業(yè)1.0，20世紀初的電氣化為2.0，始于20世紀70年代的生產(chǎn)工藝自動化定義為3.0，而物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務化迎來了以智能制造為主導的第四次工業(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和信息物理系統(tǒng)（CPS）相結合的手段，推動制造業(yè)向智能化轉型[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、轉型這五個方面?；ヂ?lián)是“工業(yè)4.0”的核心，需要把設備、生產(chǎn)線、工廠、供應商、產(chǎn)品、客戶緊密地聯(lián)系在一起，最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標。集成主要強調(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、感知設備、聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的源源不斷的數(shù)據(jù)，將會滲透到企業(yè)運營、價值鏈乃至產(chǎn)品的整個生命周期?！肮I(yè)4.0”的實施過程實際上就是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的過程，制造技術、產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新將會層出不窮。在“工業(yè)4.0”時代，物聯(lián)網(wǎng)和（服）務聯(lián)網(wǎng)將滲透到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，形成高度靈活、個性化、智能化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式，推動生產(chǎn)方式向大規(guī)模定制、服務型制造、創(chuàng)新驅(qū)動轉變。由于物聯(lián)網(wǎng)和（服）務聯(lián)網(wǎng)將滲透到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，形成高度靈活、個性化、智能化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式，將推動生產(chǎn)方式向大規(guī)模定制、服務型制造、創(chuàng)新驅(qū)動轉變[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)務領域都引起了極大的關注和認同。各國都相應制定了“工業(yè)4.0”時代下的工業(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)學研推動，升至國家戰(zhàn)略。工業(yè)4.0研究項目由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術部聯(lián)手資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成,已上升為國家級戰(zhàn)略。德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術部于2013年將其納入《高技術戰(zhàn)略2020》的十大未來項目中，計劃投入2億歐元資金，支持工業(yè)領域新一代革命性技術的研發(fā)與創(chuàng)新。企業(yè)界西門子、SAP等企業(yè)積極跟進，德國在“工業(yè)4.0”的理念思考和創(chuàng)新實踐方面已經(jīng)走在了世界前列。

1.2.2美國的戰(zhàn)略規(guī)劃

政府戰(zhàn)略推動創(chuàng)新，積極實施再工業(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)絡與實體連接，形成更具有效率的生產(chǎn)系統(tǒng)。金融危機后，美國政府將發(fā)展先進制造業(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，以解決勞動力斷層并支持未來的工業(yè)智能化，而其首先應用的領域就是工業(yè)化生產(chǎn)線。日本政府近期加大了對3D打印機等尖端技術的財政投入。2014年，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省繼續(xù)把“3D打印機”列為優(yōu)先政策扶持對象，計劃當年投資45億日元，實施以3D造型技術為核心的產(chǎn)品制造革命的大規(guī)模研究開發(fā)項目，開發(fā)世界最高水平的金屬粉末造型用3D打印機。

1.2.4中國的戰(zhàn)略規(guī)劃

實施“中國制造2025”，加速制造大國轉向制造強國。2014年3月，習主席訪問德國，在發(fā)表的署名文章中重點提到德國“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，被譽為“中國版‘工業(yè)4.0’規(guī)劃”，其借鑒德國版“工業(yè)4.0”計劃，圍繞我國工業(yè)有待加強的領域進行強化,打造新一代信息技術產(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期（桔皮書中所列全部專利所提供的最長保護期）呈正相關關系，有效保護期越長，受到專利挑戰(zhàn)的可能性越大。

2　計量工作的發(fā)展與現(xiàn)狀

計量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認識客觀事物、并掌握其客觀規(guī)律的一種科學方法。它保證了量值統(tǒng)一和測量結果的一致性，對于社會進步和科學發(fā)展具有重要意義。

2.1發(fā)展概況

從歷史角度看，計量工作的發(fā)展可以劃分為三個階段。

1）自原始社會后期至17世紀，計量工作的早期階段。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)當作計量標準。

2）18世紀起至20世紀中葉，計量工作的近代階段。該階段隨著物理科學的發(fā)展和單位制的建立，計量開始作為一門科學出現(xiàn)，并開始應用于工業(yè)領域。將自然界中某種不變的實體作為計量基準，國際間的量值標準開始協(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及國際度量衡局。

3）從20世紀中葉起，計量工作進入到現(xiàn)代計量工作階段。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、檢定與校準方法的改革和發(fā)展以及現(xiàn)代科學技術應用等方面都取得了巨大成就，使得計量學成為了一門獨立的學科[6-7]。

2.2現(xiàn)狀

2.2.1對象復雜化和計量條件極端化

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

2.2.2多信息融合

以往的計量對象和種類比較單一，現(xiàn)代計量則復雜得多，往往包含了多種類型的被測量，具有信息量大的特點。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)高達幾十萬；又如產(chǎn)品數(shù)字化設計與制造中，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，從中挖掘出多個計量信息融合后的目標信息將形成一個新興的研究領域，即多信息融合。

2.2.3準確度不斷提高

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

3　“工業(yè)4.0”時代計量的發(fā)展方向

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

3.1傳感器的量值傳遞和溯源

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

3.2通用化和標準化

為了便于獲取和傳輸數(shù)據(jù)信息，計量測試儀器的通用化和標準化設計非常重要，也是“工業(yè)4.0”時代標準化生產(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)標準有利于系統(tǒng)的組建、更改、升級和聯(lián)結。由于采用通用化、標準化的設計，計量測試儀器將易于實現(xiàn)分散使用和大范圍聯(lián)網(wǎng)使用。計量測試儀器還可以和其他非檢測性網(wǎng)絡連接，獲得其他系統(tǒng)的信息，為其他系統(tǒng)提供現(xiàn)代計量測試儀器的觀測、估計與判斷結果。

3.3網(wǎng)絡化測量和控制

面向網(wǎng)絡的智能傳感器及以其為核心的智能儀器儀表、測控系統(tǒng)都帶有計算機接口和總線，通過轉換上internet和ethernet就能實現(xiàn)網(wǎng)絡化測量和控制[9]。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)操作儀器設備，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。由于網(wǎng)絡中的儀器、計算機都有機地聯(lián)系在一起，所以網(wǎng)絡化測量和控制具有準確、及時、高性能和高效率等特點。

4　結語

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

參考文獻

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