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工業革命又稱產業革命。每一次工業革命都對產業的發展、社會的進步、人類的文明起著重要的促進作用,并且每一次工業革命的時期都在縮短,速度在加快,能量也在不斷加大。2011年11月,德國政府公布的《高技術戰略2020》中的一項重要戰略,就是“工業4.0”,即第四次工業革命。李克強總理訪問德國時,也強調要加強中德“工業4.0”合作。那么,什么是工業4.0,或者說第四次工業革命到底是什么樣子?對計量測試發展帶來什么樣的機遇和挑戰?
一、計量測試在工業革命中的地位和作用
1.計量的統一和力學的發展,為第一次工業革命打下了基礎
16世紀末,文藝復興運動的擴展促進了人的思想解放,也對科學研究產生了重要影響。伽利略發現的自由落體定律和牛頓發現的萬有引力定律和物體運動三定律,共同形成了經典力學體系。而蒸汽機的發明以及將蒸汽機應用于火車,都是基于對力學、溫度的研究和測試基礎之上的。當時的英國度量衡高度統一,為工廠之間的分工協作打下了良好的基礎。
2.電的發現和應用成為第二次工業革命的主要驅動力
人們習慣稱第二次工業革命為電氣時代。正是對電的測量與研究以及對電特性的廣泛應用,大大推動了工業企業的自動化進程,提高了工業企業的生產效率。
3.計量領域的擴展以及計量準確度的不斷提高,為第三次工業革命提供了強有力的技術支撐
第三次工業革命是涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命,這是一場全方位、多領域的技術革命。在這次革命中,測試技術在各個領域發揮了重要作用,并且量值的測量向著極大、極小,極高、極低等兩極發展。如在長度計量測試領域,隨著對計量測試技術的改造和研究,納米測量應運而生并快速發展。線紋計量從一維測試向二維測試轉變,促進了集成電路中高精度電路板的校準和溯源儀器的準確度不斷提高。真空激光干涉技術的應用將測長準確度提高到20nm/m。膜厚計量快速發展,并廣泛應用于半導體、微電子、通信、電鍍、核物理研究等行業。時間頻率計量,準確度已達1600萬年不差一秒,并被廣泛應用于航空航天、北斗導航、計算機時鐘等各個行業。電磁測試向弱磁方向發展,為航空航天等發揮了重要的推動作用。
二、第四次工業革命的主要內容及展望
在《保障德國制造業的未來:關于實施“工業4.0”戰略的建議》這份報告中認為:“工業4.0”即第四次工業革命,其核心是信息物聯網和服務互聯網與制造業的融合創新。
1.智能生產是第四次工業革命的主要特征
第四次工業革命中,信息、技術作為未來產業發展不可或缺的生產要素,越來越發揮著基礎性和引領性作用。“智能生產”將成為第四次工業革命的主要特征。在未來的智能工廠中,產品信息都將被輸入到產品零部件本身,它們會根據自身生產需求,直接與生產系統和設備溝通,發出下一道生產工序指令,指揮設備進行自組織生產。這種自主生產模式能夠滿足每位用戶的“定制”需求。
2.互聯互通是第四次工業革命的重要手段
工業4.0時代,要實現數字化與現實的交互,通過軟件、電子及環境的結合,生產出全新的產品和服務,因此互聯互通是必不可少的。對于工業企業來說,通過數字化企業平臺,將虛擬和現實世界進行融合,實現從車間到公司管理層的雙向信息流和數據協同優化,這是實現工業4.0的必由之路。
不斷發展的物聯網、互聯網、傳感網等,讓未來工廠與世界只有“一線之隔”。GE公司2012年11月發布的《工業互聯網——打破智慧與機器的邊界》的報告中預測:在美國,如果工業互聯網能夠使生產率每年提高1%~1.5%,那么未來20年,它將使美國人的平均收入比當前水平提高25%~40%;如果世界其他地區能確保實現美國生產率增長的一半,那么工業互聯網在此期間會為全球GDP增加(10~15)萬億美元。
3.傳感器的研制和傳感技術的創新將成為影響第四次工業革命進程的重要因素之一
互聯網、物聯網都需要大量信息,而這些信息中的重要組成——數據的產生多是來自儀器儀表或直接來自各種傳感器。智能制造沒有計量測試便無從談起。根據我國工業和信息化部制定和發布的智能制造裝備產業發展路線圖規劃,智能制造裝備的發展重點突出表現在兩個方面:一是九大關鍵智能基礎共性技術,包括:新型傳感技術、模塊化、嵌入式控制系統設計、先進控制與優化技術、系統協同技術、故障診斷與健康維護技術、高可靠實時通信網絡技術、功能安全技術、特種工藝與精密制造技術、識別技術等。二是八項核心智能測控裝置與部件,包括:新型傳感器及其系統、智能控制系統現場總線、智能儀表、精密儀器、工業機器人與專用機器人、精密傳動裝置、伺服控制機構、液氣密元件及系統。
從以上兩個發展重點不難看出,傳感技術和傳感器的研究是重點,而其他重點項目的研究,如機器人、液氣密系統等也都離不開計量測試的使用和計量測試準確度和能力的保障,傳感器及傳感技術的發展將成為第四次工業革命的關鍵中的關鍵。
三、第四次工業革命給計量測試帶來的思考
第四次工業革命的時代背景是大數據時代和信息技術時代。第四次工業革命以“智能制造”為核心,以互聯為手段,以計量測試為重要的核心技術。第四次工業革命也是大數據時代,是信息技術時代,是把一切測試信息進行綜合采集、綜合分析并加以綜合運用,在運用的過程中再進行新的采集、新的分析、新的應用的過程。在這個過程中,及時、準確、可靠的計量測試無處不在,無時不在。這對計量測試技術的挑戰是全面的、綜合的、全方位的。筆者認為應從以下幾個方面對計量測試進行思考:
1.應從更高準確性、可靠性、一致性上思考如何進一步提高計量測試能力
計量測試技術的準確性、一致性和可靠性是實現第四次工業革命的基礎。如現代銀行系統,要實現全球范圍內銀行收支情況在某一節點時必須一致,即賬目不致于出現偏差不平衡,需要銀行計算機系統的時間準確度必須在10-6以上,而如果全世界的工業要實現4.0,實現實時對接平衡,肯定要高于這個準確度,因為數據更多,涉及內容更繁雜。目前時間的計量準確度雖已達到了10-15以上,但這只是實驗室中的數據,在計算機系統中能否得到實際應用?能否滿足要求?第四次工業革命的到來,一定需求更高準確度的計量測試為其提供測試技術保證。
2.應從傳感技術的快速發展來思考儀器儀表產業發展以及相關的量值傳遞和溯源問題
傳感器是產生數據的直接根源。德國某玻璃制造企業,一條玻璃全自動生產系統線上就安裝了3000多個測量傳感器,保證著整個系統的正常有效運行。這些傳感器作為一次儀表,如何保證其準確、可靠?如何對它們進行量值傳遞和溯源?能否實現傳感器的自校準功能?儀器儀表行業將何去何從?
3.應從嵌入式軟件全方位應用及互聯網的快速發展來思考計量相關軟件的檢定、校準或檢測問題
“互聯互通”是推動這一輪工業革命的核心要素。近幾年互聯互通技術快速發展,帶動了軟件業的快速發展。系統集成、遠程傳輸、嵌入式軟件將成為測試儀器的重要組成部分,軟件與儀器不可分隔,F代的計量測試儀表大都可以直接與互聯網相通,F在較為成熟的像電能智能抄表系統,互聯網已成為其中的重要組成部分。而現在的計量檢定、計量校準一般只針對儀器設備,或者說只針對其中的計量檢測部分,很少涉及對軟件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性能等進行測試。這種管理方式在未來必將發生改變。同時,由于軟件的存在,傳感器的廣泛應用,一個系統對多個參數、多類參數同時進行測量的可能性大大增加。軟件的可靠性、互通互聯技術能力將成為影響第四次工業革命的重要因素。那么我們現在是否有軟件的測評能力?能否對整個系統進行校準?能否對多參數儀器設備同時進行在線校準?
4.應從多學科融合的角度來思考計量人才的培養問題
工業4.0時代更是一個大融合的時代,從表面上看是物物相聯、人機相聯、制造與服務相聯等,但深層看,是多學科的融合,多領域的融合,是多種技術的相互滲透。任何產品中都包含著軟件和無線網絡,包含著電子、機械、化工、材料等多項專業技術,有的還包含農業、林業以及管理知識。工業系統的發展向著多通道、多參數、全方位、系統化發展。多學科綜合性人才的需求越來越大,對人才綜合素質的要求越來越高。因此,需要具有跨學科經驗的人才擔當相關的工作。創新更多出現在跨學科、跨領域的邊緣學科。因此,以計量專業為基礎的復合型人才將承擔起工業4.0時代計量創新的大任。
5.應從計量檢定、校準的扁平化來思考計量技術機構的發展
隨著第四次工業革命的到來,特別是隨著無線傳輸、空間加載、遠程診斷以及互聯網的應用,以后的量傳溯源或許不再需要一級級傳遞,而是通過現代科技手段,如無線傳輸,直接溯源到最高計量標準。計量檢定、校準的扁平化問題越來越突出。這對現行的計量量傳溯源系統產生影響,也會直接影響全國計量技術機構的設置和計量資源的配置。