杜澤翰，楊永軍，姜延歡

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

近年來，隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，眾多傳統(tǒng)行業(yè)搭上移動互聯(lián)網(wǎng)的快車，煥發(fā)出新的活力。計量行業(yè)面臨著新挑戰(zhàn)和新需求：一方面，傳統(tǒng)的計量行業(yè)有諸多瓶頸，如各類計量標準器具的使用相對獨立、量值傳遞過程對檢定員的經(jīng)驗依賴程度較高、數(shù)據(jù)處理效率及儀器分揀效率較低等，借助移動通信技術(shù)可實現(xiàn)更高效的計量過程從而解決上述問題；另一方面，隨著工業(yè)4.0智能化時代的到來，越來越多的傳感器及儀器儀表融入生產(chǎn)生活中，計量測試的需求與日俱增，需要計量測試產(chǎn)能升級。新一代移動通信技術(shù)與傳統(tǒng)計量行業(yè)的融合，將逐步實現(xiàn)原位、在線、遠程的計量，顯著提升計量測試能力及效率?；谝陨蟽牲c，“5G+智慧計量”的理念應(yīng)運而生。

1 5G及其關(guān)鍵技術(shù)

第五代移動通信技術(shù)（5th-Generation，簡稱5G技術(shù)）是基于網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等技術(shù)的新一代移動通信技術(shù)，其發(fā)展歷程如圖1所示。

自上世紀80年代移動電話（1G）誕生后，移動通信技術(shù)大約每十年完成一次升級更新，目前“5G時代”已經(jīng)完成了技術(shù)突破與標準建立，正逐步邁入商用部署階段。相較于4G技術(shù)，5G技術(shù)有更低的時延、更高的帶寬及更多的連接數(shù)，其三種不同應(yīng)用場景如表1所示。

伴隨著工業(yè)4.0智能化時代的到來，5G技術(shù)將改變各行各業(yè)的運營模式，也勢必會影響傳統(tǒng)計量模式。值得注意的是，5G技術(shù)在三種不同應(yīng)用場景中的指標不是同時達到的，而是依靠網(wǎng)絡(luò)切片［1］與邊緣計算［2］共同實現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)切片是一種針對不同業(yè)務(wù)需求切分網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)［3］。針對不同業(yè)務(wù)場景的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求，不同的切片可應(yīng)對不同的業(yè)務(wù)；邊緣計算是一種數(shù)據(jù)就近即時處理的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，其本質(zhì)是拉近距離降低時延，本地計算節(jié)省帶寬，數(shù)據(jù)隔離保障安全。

圖1 5G技術(shù)的發(fā)展歷程

表1 5G技術(shù)與4G技術(shù)的對比

2 5G技術(shù)在計量中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)計量相比，智慧計量的變革主要體現(xiàn)在智慧實驗室和智慧計量服務(wù)兩個方面。智慧實驗室提升內(nèi)生能力，向傳統(tǒng)計量注入5G技術(shù)新動力，大幅提升工作效率；智慧計量服務(wù)提升外延能力，將5G技術(shù)結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，以“5G+”的模式為計量服務(wù)提供新理念、新技術(shù)和新方法。

2.1 智慧實驗室

5G技術(shù)作為整個智慧實驗室的“神經(jīng)系統(tǒng)”，將在中央控制系統(tǒng)即“大腦”的控制下，把各實驗室及儀器設(shè)備、各職能部門及相關(guān)人員、試驗數(shù)據(jù)及實驗室環(huán)境等“神經(jīng)末梢”有機結(jié)合起來，實現(xiàn)真正的智慧化計量實驗室。

2.1.1 現(xiàn)狀分析

結(jié)合ISO/IEC 17025∶2017《檢測和校準實驗室能力的通用要求》中提及的實驗室管理要求［4］，目前的計量實驗室在計量標準器具管理、實驗室內(nèi)部環(huán)境管理、被檢儀器內(nèi)部流轉(zhuǎn)管理、科研人員及檢定員管理、計量業(yè)務(wù)流程管理及計量實驗數(shù)據(jù)管理等方面尚存在一些問題。

1）計量標準器具管理：當前的計量標準及配套設(shè)備仍依賴人工監(jiān)管，尚未建立智能化管理體系，如儀器預(yù)熱、氣瓶氣量等需要人工檢測；儀器設(shè)備的狀態(tài)未能實現(xiàn)實時監(jiān)控，如工作、待機、停機、故障、檢修及保養(yǎng)等狀態(tài)缺乏監(jiān)管。

2）實驗室環(huán)境管理：目前的實驗室環(huán)境未能實現(xiàn)自動化控制，如空調(diào)、加濕器、排風扇等依靠人工控制；整個實驗樓的溫度、濕度、氣壓等環(huán)境指標未能實現(xiàn)實時監(jiān)控。

3）被檢儀器內(nèi)部流轉(zhuǎn)管理：當前實驗室被檢儀器的內(nèi)部流轉(zhuǎn)仍依賴人工搬運；被檢儀器的分揀過程需要一定數(shù)量的調(diào)度人員進行安排；被檢儀器計量周期的到期預(yù)警需要人工統(tǒng)計。

4）科研人員及檢定員的管理：科研人員的實驗任務(wù)安排及工作量統(tǒng)計仍依靠人工書面管理；科研人員及檢定員在崗、出差、請假等考勤狀態(tài)信息滯后，業(yè)務(wù)能力未建立完善的知識工程。

5）計量業(yè)務(wù)流程管理：實驗任務(wù)的調(diào)度仍處于半自動化狀態(tài)，即實驗任務(wù)相關(guān)的預(yù)約（委托單）、排隊（分揀收發(fā)）、進行（檢定校準）、審核（證書打印簽字）、結(jié)束（結(jié)果查詢）等需要人工確認安排。

6）計量實驗數(shù)據(jù)管理：部分原始數(shù)據(jù)仍需人工讀數(shù)抄錄，部分數(shù)據(jù)處理需通過U盤或光盤導出；各類計量原始數(shù)據(jù)未能實現(xiàn)實時監(jiān)控、共享，無法有效避免筆誤、錯錄及篡改等人為因素。

總之，目前實驗室的管理大多仍依靠人力支撐，科研人員及檢定員除本職的實驗工作外還需掌握和監(jiān)管實驗室內(nèi)的供電、供水、環(huán)境、計量器具保障等系統(tǒng)的維護工作，實驗數(shù)據(jù)缺乏全面電子化管理，浪費了人力和時間，影響了科研人員及檢定員的工作效率［5］。

2.1.2 解決方案

針對上述六個方面的現(xiàn)狀及問題，結(jié)合5G技術(shù)的低時延高可靠場景、增強移動帶寬場景及低功耗大連接場景，可以為智慧實驗室的建設(shè)提出以下相應(yīng)的解決方案。

1）計量標準器具全生命周期管理

5G技術(shù)的大帶寬、大數(shù)據(jù)流特點能夠保障實時監(jiān)管計量標準器具的使用情況，儀器預(yù)熱、氣瓶氣量等可以借助遠程控制發(fā)送指令監(jiān)管；通過開展計量標準器具的全生命周期管理，跟蹤每一臺計量標準器具的工作狀態(tài)，分析期間核查的測量數(shù)據(jù)，判斷甚至預(yù)測其是否需要檢修或保養(yǎng)；同時，自動記錄保留計量標準器具使用情況電子檔案，建立智能化計量標準器具管理系統(tǒng)［6］。

2）實驗室環(huán)境智慧監(jiān)管

計量過程對于實驗室內(nèi)部溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素要求嚴苛，需要隨時將各項環(huán)境參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)。首先需要在每個實驗室布置各類智能溫濕壓傳感器，借助5G技術(shù)每平方公里更多連接數(shù)的特點，實時反映實驗室內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)狀況；若某項環(huán)境參數(shù)超出既定范圍，即時反饋、多級預(yù)警并提供相應(yīng)處置建議，數(shù)字智能網(wǎng)關(guān)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)外接溫濕度探測器、通斷空調(diào)電源的智能插座、控制空調(diào)工作的紅外遙控設(shè)備、通斷加濕器、排風扇的開關(guān)控制器等設(shè)備，從而自動化地控制空調(diào)、加濕器、排風扇等保障計量過程所需的環(huán)境要求。此外，建立實驗室內(nèi)部環(huán)境電子檔案用于后續(xù)統(tǒng)計分析。

3）儀器流轉(zhuǎn)智能分揀

5G通信保障下的AGV物流技術(shù)能夠顯著簡化現(xiàn)有的儀器內(nèi)部流轉(zhuǎn)過程。傳統(tǒng)的磁條或色帶導航需要改造環(huán)境，不夠靈活；5G技術(shù)滿足大帶寬、低時延的要求，支持AGV視覺導航，能夠支撐大規(guī)模組網(wǎng)調(diào)度?？蛻粼趦x器收發(fā)大廳送檢儀器后，借助AGV物流技術(shù)自動將待檢儀器運送到指定專業(yè)計量實驗室，檢定完畢的儀器亦可借助無人車運送回收發(fā)大廳，整個運送過程均通過計算機遠程監(jiān)控。該技術(shù)明顯提升集中收發(fā)點與計量實驗室之間的對接效率，自動將待檢設(shè)備運送至計量實驗室，實現(xiàn)被檢儀器從接收到發(fā)放的全程跟蹤監(jiān)測，避免人工分揀、運送、收取等復(fù)雜流程，提高工作效率，便于對送檢儀器進行統(tǒng)一管理，真正實現(xiàn)儀器設(shè)備的內(nèi)部流水線式管理［7］。

4）科研人員及檢定員管理

科研人員及檢定員是實驗室的主體，人員信息及知識工程的建立尤為關(guān)鍵。一方面科研人員及檢定員的在崗、出差、請假等狀態(tài)信息需要內(nèi)部即時共享，另一方面實驗室需要實現(xiàn)便捷高效的安全準入管理。5G通信中的邊緣計算技術(shù)通過拉近數(shù)據(jù)處理的距離降低時延，且在附近處理數(shù)據(jù)能夠最大程度地保障人員信息的安全性。此外，儀器裝置使用流程、實驗操作注意事項等知識工程也可以借助5G技術(shù)更快、更安全地建立、調(diào)用。

5）計量業(yè)務(wù)流程自動化管理

計量檢定的業(yè)務(wù)流程一般包含電子委托單預(yù)約、被檢儀器分揀收發(fā)、實驗室或現(xiàn)場檢定校準、證書打印簽字蓋章、費用結(jié)算及結(jié)果查詢等環(huán)節(jié)。5G技術(shù)更快的傳輸速率可以結(jié)合智能機器人、智能小車技術(shù)，實現(xiàn)用戶自助預(yù)約、無人化內(nèi)部流轉(zhuǎn)、透明化檢定校準、無紙化電子證書、自助繳費開票及手機端檢定結(jié)果查詢等，為客戶提供更方便、快捷、透明的計量業(yè)務(wù)流程。

6）計量實驗數(shù)據(jù)智能化管理

一方面，可以通過改進現(xiàn)有計量裝置，將圖像識別技術(shù)與5G技術(shù)的低時延高可靠性相結(jié)合，快速識別并讀取原始數(shù)據(jù)，自動上傳邊緣云進行數(shù)據(jù)處理；另一方面，利用5G技術(shù)邊緣計算的特點，提高數(shù)據(jù)處理速率的同時保障數(shù)據(jù)的安全性，有效避免筆誤、錯錄及篡改等人為因素對實驗數(shù)據(jù)的影響。同時，原始數(shù)據(jù)的電子化建檔也是后續(xù)無紙化證書和數(shù)據(jù)庫共享調(diào)用的基礎(chǔ)。

2.2 智慧計量服務(wù)

5G技術(shù)契合了傳統(tǒng)計量向智慧計量轉(zhuǎn)型過程中對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，能有效滿足計量儀器設(shè)備互聯(lián)和遠程交互應(yīng)用需求，在協(xié)同設(shè)計、高速采集、異地比對、培訓考核、遠程計量等典型應(yīng)用領(lǐng)域中起到關(guān)鍵支撐作用。

2.2.1 5G+協(xié)同設(shè)計

目前，計量標準裝置及標準器具研建過程中，開發(fā)技術(shù)含量高、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端計量儀器設(shè)備，已成為計量行業(yè)不可忽視的競爭焦點。傳統(tǒng)的高端計量儀器設(shè)備研制通常采用順序作業(yè)的工程方法，設(shè)計仿真、加工工藝、檢驗校準、使用維護都是相對獨立的活動，相應(yīng)的組織和管理也相對獨立。使得設(shè)計人員往往忽視工藝方面的問題，易引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

5G技術(shù)通過大帶寬、低時延、大連接的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)多路高清視頻回傳及實時數(shù)據(jù)分析反饋，同時5G技術(shù)的數(shù)據(jù)安全性與可靠性也在原有4G技術(shù)的基礎(chǔ)上有所提升，為異地協(xié)同設(shè)計提供了有效保障。協(xié)同設(shè)計以數(shù)字化設(shè)計制造為基礎(chǔ)，構(gòu)建跨專業(yè)、跨流程的產(chǎn)品研制新模式。結(jié)合AR/VR技術(shù)，將各專業(yè)、各流程模塊化，再組合起來形成全局性的總控，由計算機提供強大的建模和仿真環(huán)境，貫穿設(shè)計、裝配各個環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品研發(fā)的信息能夠跨專業(yè)、跨流程充分共享。5G+協(xié)同設(shè)計將改變傳統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)模式，實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設(shè)計并行工作模式，保障設(shè)計制造流程中數(shù)據(jù)的一致性。

2.2.2 5G+數(shù)據(jù)采集

智能化時代下，隨著人工智能等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，將會涌現(xiàn)出各類新型的傳感器及儀器儀表，隨之而來的是測量數(shù)據(jù)體量、種類和形式的爆發(fā)式增長，高速、動態(tài)的數(shù)據(jù)采集顯得尤為重要。同時，復(fù)雜環(huán)境下的計量校準，往往需要開展多參數(shù)、多部位的綜合測量，借助無線傳輸?shù)膫鞲衅骷皟x表將更有利于數(shù)據(jù)的采集與分析。

一方面，5G技術(shù)可以基于邊緣計算本地分流來提升數(shù)據(jù)采集速率。高速數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理屬于時延敏感型和計算密集型的應(yīng)用，需要信號傳輸?shù)牡蜁r延和高可靠性，邊緣計算技術(shù)可以為高速數(shù)據(jù)采集提供本地分流，在本地進行數(shù)據(jù)采集、運算可以極大提升數(shù)據(jù)采集能力，有效應(yīng)對一些動態(tài)、高頻數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場合。另一方面，5G技術(shù)可以在小范圍內(nèi)連接更多的設(shè)備，充分利用5G多連接數(shù)特點，將儀器儀表或各類傳感器在出廠時內(nèi)嵌無線數(shù)據(jù)采集模塊，隨時隨地監(jiān)控其測量數(shù)據(jù)，后續(xù)通過數(shù)據(jù)建模，可分析復(fù)雜環(huán)境大型試驗設(shè)施的綜合計量校準過程，實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)采集的常態(tài)化。5G+數(shù)據(jù)采集將改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理模式，實現(xiàn)高速采集及實時動態(tài)監(jiān)控。

2.2.3 5G+培訓考核

傳統(tǒng)的計量檢定員培訓注重理論講解，相對缺乏實際操作的教學訓練。使用實際計量標準裝置進行教學會耗費開機成本，學員操作不當甚至會影響到計量標準裝置的日常使用，且計量實際操作培訓受限于實驗室的場地、培訓學員人數(shù)，同時可能還會因人員因素影響實驗室內(nèi)部環(huán)境，造成培訓效率不高、效果不佳。

5G+培訓考核以網(wǎng)絡(luò)為載體，通過結(jié)合AR/VR技術(shù)，可實現(xiàn)低成本、高效率的培訓和考核。基于5G技術(shù)大帶寬、低時延的特點，利用云計算實現(xiàn)AR/VR應(yīng)用的運行、渲染、展現(xiàn)及控制，并將實驗室真實場景的畫面和聲音編碼成AR/VR視頻，通過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至終端。5G技術(shù)能夠滿足遠程直播教學、虛擬實驗室操作培訓等低延時的需求，為參與培訓考核的學員提供沉浸式教學體驗。

2.2.4 5G+異地比對

傳統(tǒng)的計量比對過程中，主導實驗室與參比實驗室先后對傳遞標準或樣品進行測量及數(shù)據(jù)處理，通過各自不確定度來判定其計量能力［8-10］。若能實時高清直播各自人員操作及數(shù)據(jù)處理過程，可以令異地比對更加透明化，使能力驗證更加科學可靠。

基于5G技術(shù)大帶寬、低時延的特點，通過實時傳輸AR/VR高清視頻，可以實時開展實驗室間的異地比對工作。AR/VR高清視頻遠程直播的數(shù)據(jù)傳輸量大，以往的通訊方式不足以實現(xiàn)高清實時直播需求，5G技術(shù)以其10 Gbps的吞吐量可有效保障AR/VR高清視頻的高速傳輸。

類似地，利用該技術(shù)還可以推進計量行業(yè)監(jiān)管，實現(xiàn)AR/VR實時監(jiān)督管理；也可以利用AR/VR技術(shù)在不干擾正常實驗任務(wù)的同時，實現(xiàn)異地參觀計量實驗室等。

2.2.5 5G+遠程計量

遠程計量可以應(yīng)用于一些特定環(huán)境的現(xiàn)場、原位校準中，使操作儀器的人員遠離某些惡劣環(huán)境（例如高溫高壓、高噪聲、強輻射、易燃易爆或病毒疫區(qū)等），保護檢定員的人身安全。

傳統(tǒng)的通信方式不足以遠程精準操控計量器具，不滿足遠程計量的條件。隨著5G通信的發(fā)展，利用5G技術(shù)低時延、高可靠性的特點，能夠通過遠程操作機械臂來操控計量器具，異地完成計量過程。目前，利用5G技術(shù)操控機械臂的遠程外科手術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)，而該技術(shù)保障下的遠程計量，將為各類復(fù)雜惡劣環(huán)境下的檢定校準工作提供一種新型解決方案。

3 結(jié)論

5G時代是萬物互聯(lián)的智能時代，涌現(xiàn)出眾多新型的傳感器及儀器儀表，給計量行業(yè)帶來與日俱增的需求和創(chuàng)新發(fā)展的機遇，同時也伴隨著產(chǎn)能有限和效率不足的挑戰(zhàn)?；?G技術(shù)三種不同場景的應(yīng)用，能夠有效解決當前計量實驗室在計量標準器具管理、實驗室內(nèi)部環(huán)境管理、被檢儀器內(nèi)部流轉(zhuǎn)管理、科研人員及檢定員管理、計量業(yè)務(wù)流程管理及計量實驗數(shù)據(jù)管理等方面的不足，顯著提升計量實驗室的工作效率。同時，5G技術(shù)結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，能夠在協(xié)同設(shè)計、高速采集、異地比對、培訓考核、遠程計量等方面提供“5G+”的智慧計量服務(wù)?？梢灶A(yù)見，在5G時代，傳統(tǒng)計量行業(yè)的智能化升級將更為全面，以5G為核心的多技術(shù)融合創(chuàng)新將成為智慧計量發(fā)展的強大動力和有力支撐。