第四次工业革命给计量测试带来的思考

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 (德国称第一次工业革命为工业1.0,第二次工业革命为工业2.0,第三次工业革命为工业3.0)。李 克 强 总 理访问德国时,也强调要加强中德“工业 4.0”合作。那么,什么是工业4.0,或者说第四次工业革命到底是什么样子?对计量测试发展带来什么样的机遇和挑战?

前三次工业革命的简单回顾及计量测试在工业革命中的地位和作用

第一次工业革命诞生于18世纪晚期,以珍妮纺纱机的发明为标志,机械代替人工。之后,瓦特发明蒸汽机,并应用于火车等动力系统,大大推动了人类社会机械化进程。第二次工业革命以电力的广泛应用和内燃机的发明为标志,工业生产更为集中,出现了大企业的批量生产、流水线生产。1926年汽车、乘用车的流水线生产,大大改变了人们的生活。第三次工业革命以原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为主要标志,科学技术在原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域取得重大突破,开辟了信息时代,也带来了一种新型知识经济,全面促进了人类文明的进步与发展。

从以上三次工业革命不难看出,科学技术是推动工业革命的重要动力。计量测试技术既是基础科学,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17世纪初,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;哥白尼提出“太阳中心说”,不但动摇了上帝创世说,也启迪了伽利略对亚里士多德力学的质疑和实验思想的萌生。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。到目前为止还保留着热力学的说法。珍妮纺纱机的发明推到了机械化进程,而机械化程度的提高,需要分工协作,特别是不同企业之间的协作,而此时英国度量衡的高度统一,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。

从公元前624年希腊哲学家达尔斯(Thales),发现摩擦琥珀会吸引细线,磁石吸引铁块这一电现象,到1732年美国富兰克林主张电为一流体学说,再到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。对电的测量与研究,以及对电的特性的发现,都集中在十八世纪初到到十九世纪未这100多年的时间内,这一段时间成为电气应用最快的年代,期间的重大成果包括:摩擦起电、电磁感应、右手螺旋法则等等。为纪念这些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,国际计量届以部分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。

能够被测量的东西才能被感知。对电的计量测试不仅对电性能的发现起着重要作用,同时对推动了对电的应用。电的发明使得人类工业社会进入到了一个崭新的时代“电气时代”,促进了冶金技术、化工技术的发明,促进了以重工业为基础的工业的发展,如钢铁工业、冶金工业、化学工业等等。可以说,电计量的发展为第二次工业革命提供了强大的推动力。

(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、激光、温度、电磁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,极重、极轻,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至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。面角度、小角度、线角度计量应运而生,广泛应用于机制制造、建筑工种等领域。再如,对于时间的计量,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、计量机时钟等各行各业。电磁测试向弱磁方向发展,为航空航天等发挥了重要作用。在煤化工领域的气化炉炉膛内高温高压的准确测量和生产过程的严格控制,成为确保煤气化炉安全、经济运行的关键技术和手段,也为进一步助力国家先进能源产业发展奠定了基础。

第四次工业革命的主要内容及展望

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)。该系统可以实现透明化生产,预测性制造。“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。电子器件微型化、计量机及存储介质的性能飞跃,使得现在的小体积和无线功能成为可能。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”成为第四次工业革命的关键词。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。在其他工作中,“智能”已成为工业的“心脏”、“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。在2014年的汉诺威工业博览会上,德国企业还展示了自己的“工业4.0”构想生产线:西门子展示在其生产线上,车体与机器人一边“对话”一边进行组装;博士力士乐和萨博分别展示了一条能在同一条生产线上生产两种产品和六种断路器的概念灵活装配线;萨博展示了一台可以生产16种不同产品,并对它们进行区分的设备装置。

(二)互联互通是第四次工业革命的重要手段。

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种程序而编写,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。

几年前,英格索兰发现空调压缩机市场的竞争日趋激烈,而一台寿命15年的空调压缩机如果没有持续的服务难以销售,于是把空调压缩机变成了智能的可联网产品。现在每一台空调压缩机都具备联网能力。“从本质上来说,人们并不需要为产品付费,而应为舒适(产品创造的价值)付费。”美国参数技术公司(PTC)全球总裁贺普曼(JimHeppelmann)说。“我们发现,智能连接产品的爆炸式增长将重新定义整个产业链条,它会对产业结构产生影响,也会改变参与竞争的战略。”

在2014年PTC全球用户大会上,贺普曼阐释了未来产品价值变化的三大趋势:原先硬件创造的价值正在被软件创造的价值所共享;网络联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。”就像人们在电信运营商那里购买两年通信套餐服务就可以免费或低价获得移动电话一样,未来洗衣机、咖啡机、跑步机都可能通过服务合约而免费赠送。物联网—未来工厂与世界“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10万亿-15万亿美元。

(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为:

(1)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。

(2)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。传感器和传感技术是计量测试的一种表现形式,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。计量测试的水平和能力,在一定程度上决定着第四次工业革命的进程。

第四次工业革命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、可靠的测试无处不在,无时不在。这对计量测试技术的挑战是全面的、综合的、全方位的。我认为应从以下几个方面对计量测试进行思考:

1、要从更高准确性、可靠性上思考如何进一步提高计量测试精度问题。

计量测试技术的准确性和可靠性是计量数据有效、可用并能进行正确分析的基础。同时计量测试精度也是实现测控系统、管理系统的基础。如现代银行系统,要实现全球结算的准确,即在全球范围内银行统计的收支情况在某一节点时必须一致,而不致于出现偏差(即帐目不平衡),需要银行计算机系统的时间精度必须在10的负8次方以上,而如果全世界的工业要实现4.0,要实现实时对接平衡,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已达到了10的负15次方以上,但这只是实验室中的数据,在计算机系统中能否等到实际应用?能否满足要求?这只是工业4.0对时间这一个参数的要求,那么对于长度、温度、电磁、无线传输等都提出了什么样的要求?我们能否满足?这需要进一步的调研。但可心肯定的是: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、要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、智能工厂,传感器将是产业数据的直接根源。东德玻璃制造商采用了一套集成自动化解决方案,一个先进的能源管理系统以及一个创新的热回收系统,一条生产线上就安装了3000多个测量传感器(而不是仪器仪表),保证着整个系统的完整与正常运行。那么如何保证这些传感器的准确、可靠?即如何对他们实现量值的传递和溯源?如何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,是不是今后的仪表会被所有的传感器加软件所替代?仪器仪表行业将何去何从?传感器的快速发展以及软件的应用对计量仪器仪表产业发展带来的挑战和威胁是巨大的,也将是深远的。

3、要从嵌入式软件全方位应用及互联网的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。同时,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表的智能抄表系统,已把互联网做为其中的重要组成部分。而现在的计量检定、计量校准一般只对仪器设备,或者说只对前面的计量检测部分,而很少涉及对软件采集性能、安全性能、可靠性能等进行测试。这种管理方式方法或者说管理内容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。这些给我们的思考是: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、在线校准?

4、要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,肯定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、更准的方向努力。精益求精,不断超越自我是计量的永远追求。但工业4.0时代更是一个大整合的时代,从表面上看是物物相联、人机相联、制造与服务相联,但深层看,是多学科的相联,多领域的相联,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。工业系统的发展也更加向着多通道、多参数、全方位、系统化发展。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、维护等各种技能。因此,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。加强研究与企业的科研合作,不仅对项目的考察、立项以及验收使用有益,也更能联合培养一些跨专业、跨学科的人才。创新一般不发生一个专业的领域,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、要从计量检定、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。

1978年,钱学森同志在全国计量工作会议上发表重要讲话,当时他就提出计量检定、校准的扁平化问题。钱老讲:“要保持计量器具的精度,就是建立全国计量网,一种方法是三级传递,即更高级的精度向更低级的精度负责。......但是我们能不能更灵活地来想一想这个问题,想得更宽一点......计量的精度,这是一个计量的信息。这个信息怎么传递,就会决定计量这个信息网。计量网这个组织,恐怕随着我们计量信息传递技术的发展而会有变化的。......如果能做到用标准物质加无线电信号解决计量信息的问题,这是大好事情。那样,你也就不需要几级传递啦。”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,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中心的职能是否会萎缩?省级技术机构做为主要的传递环节,可能会将量值直接传递到企业、到用户,那么地市级的计量技术机构和县级计量技术机构还会有哪些检定、校准的职能?因此,这此都对现在计量技术机构的设置、资源配置带来巨大的影响。

6、要从工程控制系统的角度来思考社会治理问题。

钱学森先生在1954年著过一本书,叫《工程控制论》。之后在其修订版的序言中有这样一段话:“维纳在一九四八年曾经说过,那种认为控制论的新思想会发生某种社会效用的想法是‘虚伪的希望’,‘把自然科学中的方法推广到人类学、社会学、经济学方面去,希望能在社会领域里取得同样程度的胜利’,这是一种‘过分的乐观’。控制论的现代发展证明维纳的观点是过分保守的。把一些工种技术方法推广应用到社会领域也不是‘过分的乐观’,而是现实。运筹学已用于经济科学,并将应用于更大的社会领域。”

目前,工种控制理论已在大部分企业得到应用,工程控制的理念也在社会管理中出现萌芽,如国家城市能源计量中心的建设就是一个很好的例子,只是这个应用在能源管理中的应用还不十分完善。工业4.0也是一个巨大的工程系统,这个系统的触角也开始向行政管理、社会管理“进攻”。那么,社会组织系统何时能像工业控制系统那样严密、精准,我想随着第四工业革命的到来,恩格斯所预言的“在社会主义条件下,社会内部的无政府状态将为有计划的自觉的组织所代替”,这在不久的将来一定会成为现实。

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