從“工業4.0”看工業計量的未來

李少壯，張澤光，李洪波，張學濤，李偉

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

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從“工業4.0”看工業計量的未來

李少壯，張澤光，李洪波，張學濤，李偉

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

摘要：工業技術的應用發展推動著計量測試技術的持續進步。本文就“工業4.0”時代的計量測試技術發展特點進行分析，從計量標準量值復現與測量的數字化、產品的智能化設計制造與使用、產品的計量性設計以及云計量必將成為“工業4.0”的技術支撐等不同方面進行解讀，對工業計量技術的發展趨勢做出預判。

關鍵詞：計量測試；工業計量；工業4.0；云計量

0引言

我國工業技術發展正處在快速上升的階段，為了實現制造業向智能高端制造的轉型、由制造業大國向工業強國轉變，《中國制造2025》給出了具體的發展要求和模式[1]，為我國工業技術發展指引了方向。分析計量測試技術發展趨勢，準確把握工業計量技術發展方向，適時開展先進計量測試技術與裝備的研發，是計量工作者的歷史責任。本文試圖從“工業4.0”著手，對工業計量的發展做概要分析。

1步入“工業4.0”時代

18世紀60年代至19世紀中期，隨著機械生產代替手工勞動，社會生產組織模式由個體作坊式生產演進到專業分工協作基礎上的工廠化、規模化、社會化生產，經濟社會結構從以農業、手工業為基礎轉型發展為以工業生產為基礎，經濟發展模式具有了明顯的規模化效應。與之相適應，關于量值的定義與測量需求日益顯性化，既往基于人類感官、直覺、模糊的信息有了規范量化表達的要求。基于以自然界易于得到的實物為參照樣板的量值表述，逐漸轉為人工制造的、規范一致的實物標準來表述。在貿易活動的推動下，國際計量技術組織誕生并直接引導了近代計量標準技術的發展進步。1875年5月20日，20個國家的政府代表在法國巴黎簽署《米制公約》，確認國際間共同使用以“米”為基礎的計量單位制度。這一時期，在今天被稱為是“工業1.0”時代。

19世紀后半期至20世紀中期，社會勞動的專業化分工進一步發展普及，產品的大規模生產組織方式日漸成熟。以工業生產流水線為標志，產品大批量生產模式使得社會生產效率得以大幅度提高，社會生產力得以空前解放。專業化、標準化的生產需求，推動了計量技術進步與精密儀器技術的發展，以精密機械、光學儀器儀表為代表的量儀技術和計量基礎理論得到了深入的研究和廣泛的應用，特別是第二次世界大戰及二戰后期，計量技術得到空前發展。這一時期在今天被稱為是“工業2.0”時代。

20世紀70年代以來，隨著計算機技術的普及應用和個人計算機的小型化，自動控制技術在工業生產中得到了廣泛應用，推動了生產過程的自動化。在社會生產活動專業分工進一步細化的基礎上，伴隨著高新技術的進步和世界貿易的發展，基于對過程信息的認知和固化，計量測試技術日漸融入工業生產流程；與此同時，在對生產環節的量值保證活動中，依據標準量值的使用與管理，生產過程管理實現了可靠的基于單參數的量值統一；同時依賴質量管理理論與技術手段的發展完善，工業制造技術體系進一步完善。計量工作的重點逐步由傳統的保證計量標準器量值一致轉向保證工業現場數據的準確，以激光技術、新型傳感技術、數字儀表和計算機的結合為標志，計量檢測已成為生產過程中無所不在的一種工業基礎能力。這一階段的技術發展也被稱為第三次工業革命，或被稱為“工業3.0”時代。

進入21世紀以來，在計算機信息技術與互聯網技術的推動下，在系統論的指導下，使得基于大數據積累的智能工程成為工業生產活動的主要形式，并日益展現出一種高度靈活、能夠支持個性化需求的全新業態。依托信息物理網絡(Cyber-Physical System，CPS)，通過產品模型化定義和數字化描述，計量測試工作與工業生產活動進一步融合，對產品設計與生產流程的過程管理正逐步被植入于產品的計量性設計保障所替代或補充完善，因而極大提高了產品的科學性和可靠性，使得產品制造和使用過程的智能化成為可能，產品全生命周期和全制造流程的數字化推動了基于系統模型的實時測量、智能檢測。2013年9月，德國聯邦教育研究部正式發布《把握德國制造業的未來——實施“工業4.0”攻略的建議》，把德國學術界和產業界關于“人類社會發展中的第四次工業革命”的共識推向社會。這就是今天人們熱議的“工業4.0”。

2“工業4.0”的核心思想

世界各地的人們正在使用各種各樣的名詞來描述“工業4.0”這種工業技術發展的趨勢和相關表現。其核心思想可歸納為三個方面。

2.1　制造與使用過程的智能化是“工業4.0”的核心

在自動化、信息化、智能化的漸進發展的過程中，工業機器人、智能制造單元等應用日漸普及，智能制造模式已經成為工業生產制造方式發展進步的主要方向。

智能制造生產模式，是一種使產品設計制造過程與產品應用過程高度融合的一種生產方式。對產品設計、制造與應用保障活動進行系統化的規劃設計，挖掘產品生產制造和使用消費過程中的信息，用以改進產品設計與制造過程，目的是使得產品能更經濟、高效地滿足消費需求。產品的生產與服務過程本身就是信息消費與再生產過程，產品的使用消費過程同時成為產品改進改型的生產活動過程。這是一種由個性化定制設計與智能化生產制造支撐起來的、基于對歷史數據積累和大數據深度挖掘的社會化服務保障模式，是基于信息網絡和數字模型的社會生產組織模式。

智能制造已經呈現出的特征包括：支持個性化需求而實行個性化設計、定制生產；生產制造功能單元與流水線可以適應生產任務需求而動態重組；基于物流的資源配置；可支撐產品設計、資源配置、訂貨、計劃、生產、物流等生產活動過程統一協調、一體化組織的信息物理平臺。為了追求更高的生產效率、實現更具時效性的生產，即時響應市場客戶需求，智能制造生產模式將更加注重過程控制。以提高產品的全壽命周期綜合效費比為核心，產品制造活動終端的質量評價將更多的被制造過程中技術裝備和技術方法的可靠性所替代，生產活動過程的管理與服務保障將占據越來越重要的位置，過程的不同將直接決定產品或服務的差異。

2.2　信息是智能化的基礎

來源于主體和過程的信息，是智能化的基礎。系統論的發展完善，使得人們廣泛接受了關于社會的整體性原則、結構功能原則、相互聯系原則、有序性原則、目的性原則、動態性原則等基本概念。基于系統論的認識，“在任意的一個時刻，全世界的每一個角落、每一個事件都是處在同一個系統中；在地球上的任意一個角落，其過去、現在與未來因時間的連續性而不可分割。”

信息物理系統網絡，就是將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自我管理等五大功能，進而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。它可以將信息、設備、人員以及各類資源緊密聯系在一起，從而創造新的有形產品及相關服務，并將產品生產過程轉變為智能制造過程[2]。系統論原則是現代工業產品設計制造使用要遵循的基本原則，隨著模型的數字化，產品的設計制造將更加科學化，測量技術的融入將極大提高產品的可靠性，特別是傳感技術的發展，促進了測量技術的融入，信息技術不斷推動著產品技術進入智能時代。

在全球的信息網絡、物流網絡、市場服務網絡等等日益一體化的現實面前，通過信息網絡與產品制造系統的融合來改變當前的工業生產與服務模式，已經成為企業提高產品附加值、增強市場競爭力的重要手段[2]。依托信息物理系統網絡，不同的生產設備之間，工廠內部縱向之間甚至工廠與工廠橫向之間，正在通過數據交互，以前所未有的速度連接到一起并成為一個整體，產品與生產設備之間，通過信息平臺、物流平臺聯絡構建成為一個高速運轉的產品制造和技術服務體系。信息物理系統網絡的標志性的技術已經逐漸獲得應用，智能裝備[3]、智能制造、個性化定制、高效率生產正在越來越多地進入工業制造現場。

2.3　計量性設計將計量融入全過程

計量性設計[4]是指將產品使用過程中所有的計量需求，按照系統論的要求，在產品設計、生產、試驗、使用階段全面規劃與融入，以保證產品全壽命過程各環節的量值準確，確保量值溯源鏈完整和使用過程中的隨行保障。

首先伴隨著產品的數字化設計和數字化制造工藝手段的發展，產品檢測數據從二維信息向三維信息轉變。一方面在產品設計時力求能并行確立基于三維空間表述的檢測規劃，依據產品的三維數字模型，自動生成檢測規程并通過仿真分析優化測量方案和實施過程；另一方面，對產品質量控制的實物對象正從制造完成后的實物產品向制造與裝配全過程中量值的測量、協調、控制、管理轉變，并通過設計、制造、測量、驗證的閉環“數字脈絡”的建設，實現全流程數字量值的統一。

其次，生產活動現場測量方式的變化，要求計量校準技術保障的服務對象從只針對少量關鍵零部件的特定環境離線檢測活動向制造全過程便攜式或植入式在線測量轉變，測量設備運行模式從單一系統獨立向多系統綜合集成轉變，測量手段從人工干預測量向自動化檢測轉變。

在飛機等航空產品的生產制造過程中，計量檢測活動正在逐漸由相對獨立的一個工作環節，日漸融入于制造活動的全流程中。計量測試正逐漸成為與產品生產制造過程各個環節融為一體的一種基本要求和能力[5]。

3“工業4.0”時代的工業計量

測量是科學的基礎，正如繪制出世界上第一份元素周期表的俄羅斯科學家門捷列夫所言“沒有測量就沒有科學”。計量測試技術伴隨著科學實驗的發展而發展，是科學研究和工業制造的基礎性學科，體現了人們認知世界的科學性——如果對科學研究缺乏預見性，那么就需要通過大量的實驗，進行數據分析從而不斷演化和迭代，找到科學的規律或結論。正是以計量測試技術的發展為先導，現代科學技術與工業技術獲得了快速的發展。

計量測試技術理論的發展伴隨著科學技術的發展和工業化大生產的發展而不斷進步完善，隨著飛機、衛星等大型復雜系統工程研發與應用，計量測試技術貫穿于系統研制的全過程，隨著系統的不斷完善而日漸融入系統本身成為系統的一部分。

傳統的計量工作任務主要是提高量值復現能力，以傳遞量值基準為目的，借助計量標準器具為社會提供可靠的量值服務。在國家法制計量的框架內，量值傳遞是將國家測量標準所復現的計量單位通過各等級測量標準傳遞到工作計量器具，這是國家政府對社會組織、企業以及個人參與社會經濟活動提供的基本保障以及技術要求。工業計量工作的任務則是為工程實踐活動提供數據獲取方法與技術裝備，保證數據的可靠，通過連續的比較鏈，使產品性能參數量值溯源到國家測量標準，它是企業自身的要求，是企業生產過程中的自主行為，是對社會的一種承諾或保證。

在基本物理量的量值復現能力不斷提升基礎上，工業現場檢測能力與實驗室內的標準量值復現能力快速趨近，計量測試技術的應用推廣與工業生產活動深度融合；在信息化應用服務不斷擴展的同時，信息網絡技術支撐對計量檢測與校準活動的大數據挖掘與應用已成為產品與工程服務的重要內容；計量檢測服務模式在技術方法與手段標準化、模塊化發展的基礎上，借助數字化技術的支撐，正逐步向模型化、虛擬化的數字計量、云計量模式發展[6]。

3.1　計量基本量與計量標準的歸一化

傳統的計量，其量值傳遞是依托物化的具有一定的實體特性的標準物質、標準器具，按照標準化的程序或方法，進行核驗性質的量值確認。標準原器作為確認量值的基準，其物化形式與量值的定義密切相關。現代科學技術的發展，特別是量子技術的發展，使得標準量具的量值直接向自然基準溯源。隨著量值傳遞用標準計量器具和傳遞環節的減少以及工程應用數據的積累，人工物化的量值載體正逐漸淡出日常的工程領域，借助于數字化的精密儀器而使量值單位直接向自然基準量溯源已成為計量技術發展與應用的大趨勢。新技術的發展不斷提升了標準量值的復現能力，并推動著基本量的定義和溯源向自然基準靠攏，呈現出國際單位制中基本量逐漸歸一化的趨勢。在計量科學技術發展的前沿，標準量值的復現技術因量值傳遞方式的變化而出現新的發展需求。當前科學家們正在努力嘗試對當前唯一的一個依據實物標準原器實施量值傳遞的量值基準“千克”進行重新定義，以期實現質量單位量值向硅原子數量(普朗克常數)進行溯源[7]。在數字化與信息化技術的支撐下，通過標準化定義，從自然基準向產品量值的傳遞將以數字串的方式實現“云”計量。

3.2　工程測試技術手段的數字化

以汽車、船舶、飛機的生產制造活動為代表，針對大批量、復雜工業產品的生產實踐過程，模型化、數字化的技術手段與裝備的應用，降低了成本消耗，提升了產品質量控制能力，極大地提升了生產作業效率。波音公司在787客機中采用了室內GPS組合測量網的裝配模式，飛機的部件定位測量通過固定安裝在廠房墻壁及天花板上的室內GPS測量系統構建的測量網來完成，這種基于多站和固定參考點的組合測量模式作為一種典型的數字化檢測技術手段，正在越來越多的獲得應用[5，8]。

在系統論的指導下，建立輸入/輸出關系明確的數字化測量模型，明確界定影響輸入/輸出量關系的各種因素，實現系統的數字化測量，為各系統的聯通與整合提供基礎支撐。

3.2.1計量測試設備的數字化改造

傳統的機械、光學等基于模擬量表述的計量測試手段向數字化方式發展，以標準化、模塊化的傳感器、數據接口、數據分析與處理計算機軟件等為基礎，計量檢測技術裝備的數字控制、自動執行、網絡數據傳輸等功能日益完備，檢測與數據處理過程中人工作業量不斷減少，檢測、校準數據的記錄與使用由人工判讀、手工記錄讀數的方式，向計算機自動采集數據、數據結構標準化基礎上的數據庫管理方式轉變，人員主觀因素可能帶來的不確定因素在檢測活動中日益降低，數據更加準確可靠。

3.2.2復雜系統計量測試數字化

針對復雜系統的測量是多參數多子系統的綜合，是多傳感器、多測量系統的系統集合，需要按照系統模型的輸入/輸出關系，將各傳感器和測量系統基于數字模型的量值溯源鏈之間的關系，進行系統模型的數字化集成。這是實現系統數字化測量的前提，也是智能化的基礎。

3.3　融入工業流程

隨著工業技術的發展，設計與制造的一體化，計量測試技術全面融入產品制造和使用，從產品設計過程的計量性確認到生產制造過程現場數據的獲取與評估，正如同水與空氣融于生物體生命過程一樣，計量測試已日漸融入于工業產品的全壽命過程。

隨著對系統認知的不斷深入，計量測試與設計制造日漸一體化發展，計量測試從產品設計之初融入產品，計量測試功能植入于產品，成為產品的一部分，使得產品性能參數的實時校準成為可能。

工業計量的根本任務是保證工業現場的數據準確。一方面，隨著信息處理技術的發展進步，數據源在可能影響數據準確性的眾多因素中扮演的角色越加突出，傳感器件的性能及其分析評價能力正逐步成為決定工業計量發展水平與應用能力的核心技術能力。隨著傳感器的小型化和智能化，先進傳感技術已成為工業計量的核心技術。無線、網絡化的傳感器件，智能傳感器件、傳感系統，以及新型無源傳感技術的發展，將使得測量系統與傳感器更加緊密的結合在一起，而傳感技術與信息處理技術的結合使得測量系統與傳感器一體化成為可能，這將大大地減少測量環節，提高測量的可靠性。另一方面，隨著自然科學的發展進步，人類對自然界的認知不斷拓展，從微觀世界到宏觀宇宙，可感知的空間在延伸，基本量的單一化趨勢已經不可逆轉。實物計量標準器具隨著基本量的量子化而歸一化，標準量值傳遞用計量標準器具的形式、種類、數量將大幅度縮減，工程量的檢測手段與技術裝備更趨豐富的同時，量值溯源中間環節將大大減少，由于中間環節的減少，工業生產活動中的量值溯源過程更直接、可靠性更高、量值的準確度與量值基準更加趨近。

在我國政府發布的《計量發展規劃(2013-2020)》中，明確提出“要加強實用型、新型和專用計量測試技術研究，把加快新型傳感器技術、功能安全技術等新型計量測試技術和測試方法研究做為發展目標之一[9]”，提出“將計量測試嵌入到產品研發、制造、質量提升、全過程工藝控制中，實現關鍵量準確測量與實時校準，并加強儀器儀表核心零部件、核心控制技術研究，培育具有核心技術和核心競爭力的儀器儀表品牌產品。”[9]

3.4　云計量和虛擬計量

“云計量”是基于互聯網“云”計算的一種虛擬計量技術[10]。通過標準化定義，實現以標準數據串為虛擬標準、通過“云”平臺實時向產品提供計量標準數據。

通過互聯網應用服務與計量工作的緊密結合，使得計量工作相關的各個環節，集成在同一信息物理平臺上，實現技術服務與與市場需求的高度融合，為用戶提供更便捷、高效的服務體驗。同時，也為計量科學技術的研究活動提供最優質的資源和最廣大的應用市場，推動工業計量技術水平的不斷提升。由于信息網絡技術應用的迅猛增長，人類活動形成的各種信息作為網絡信息的重要組成部分，將構成以信息網絡為基礎平臺的網絡大數據，一方面這些數據信息的積累使得網絡愈加的智慧和聰明，另一方面對大數據的挖掘應用也使得數據成為了新的生產要素，支撐數字化、量化的人工智能決策。量值溯源可通過數字量值比較，減少各等級計量標準傳遞環節，提高溯源準確性。

在對產品、過程進行數學模型構建、數值模擬的基礎上，以計算機對產品及其生產過程進行數字化表述和再現，是實現工業技術數字化、網絡化進程中重要而不可或缺的環節。由先進測量軟件支撐的測量數據分析處理技術、產品檢測模型和工藝模型的分析構建技術，已經成為工業計量技術發展中日漸重要的內容。同時，信息物理網絡的建設發展，必將進一步推動海量數據管理及遠程服務、云端數據實時修正與應用，并極大地拓展在線專家系統和知識系統的應用與服務空間，網絡自學習能力也將得到進一步的發展。這些可以預期的技術發展，以及已經廣泛應用的網絡化感知、信息無線傳輸技術等，將使遠程計量從虛擬快速轉變為現實，正在為云計量的運用和普及創造條件。

在計量測試過程標準化、模型化技術不斷發展的基礎上，基于數字模型的數據評價與驗證和測量過程的模擬仿真技術正在得到快速發展[11]，具有一定程度人工智能的計量檢測技術裝備正在逐步走向現實應用。傳統的以人工作業方式實施的數據采集活動，工作效率難以提高，更難以滿足過程可控、可追溯的要求。隨著工業制造技術的發展進步，依賴智能測控部件或裝置——工業機器人、傳感器件、數據傳輸總線、精密儀器與傳動部件等，構建智能化的測量活動執行系統與數據管理系統，實現測量結果的及時反饋、數據挖掘基礎上的預先保障性數據獲取與評估，正在顯現出越來越清晰的現實可行性。

依托信息物理系統網絡，計量檢測技術保障與服務可以擺脫對特定技術裝備、操作人員的依賴，一方面可借助專家在線指導而組織更貼近應用現場的技術裝備、人員開展服務，另一方面可組織調動云端資源開展遠程保障，實現云端、虛擬的計量服務。2013年，德國Zeiss集團利用所研制的一套名為PiWeb的系統實現了跨國公司內部不同地區、工廠機器測量數據的網絡共享，實現了全球不同工廠數據的同步監測，這從一個側面也展示了對遠程計量的現實需求。

4結束語

隨著測量技術與產品的高度融合，產品的智能化程度不斷提高，“工業4.0”時代的計量已經并將更緊密地與系統論、數字化、模型化、設計制造一體化、傳感器、智能化、標準化定義、數據串、數據鏈、云計量等名詞概念聯系在一起，新時代工業計量測試技術的發展已日益凸現出以下特征：

1)伴隨著計量科學技術的發展，實物計量標準因基本量的量子化而歸一化，將大大減少量值溯源環節，提高量值溯源精度；

2)隨著系統化研究的深入，對系統的預見性大大增強，系統的科學性和工程化不斷提高，在產品全壽命周期內以傳統方式實施的計量測試保障活動日益減少，以至不用計量或很少計量，最終實時云計量將成為未來工業產品和民生計量的主流；

3)隨著對系統認知精細化水平的提高，計量測試與產品設計制造工程一體化發展，計量測試從設計之初融入產品，成為產品的一部分，實現產品的實時主動校準成為“工業4.0”的特點；

4)隨著標準化水平的提高和數字化測量的發展，使得遠程計量、虛擬計量從理想走進現實，正在為云計量的運用和普及創造條件，目前時間量已經實現了遠程實時的云計量；

5)隨著傳感器的數字化、標準化和智能化，執行機構與測量系統的一體化，使得中間環節不斷減少，將大大提高系統測量和執行的可靠性，為系統的模塊化和高度集成化提供了支撐。

伴隨著工業4.0時代的到來，以云計量為典型特征的計量服務新模式必將成為計量測試服務的主流。可以預見在不遠的將來，只要是在有無線電信號的地方，人們就能得到標準定義的有關各種參量的標準數據串，系統將根據需要自主進行系統參量的外部校準，那時我們將真正的步進智能時代。云計量作為未來“工業4.0”的重要支撐，必將得到快速的發展應用。愿我國的工業計量測試技術在“工業4.0”時代能實現“彎道超車”式的快速發展，助力中國制造早日躋身國際先進行列。

參考文獻

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Looking at the Future of Industry Measurement from Industry 4.0

LI Shaozhuang，ZHANG Zeguang，LI Hongbo，ZHANG Xuetao，LI Wei

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：The development of industrial technology is driving the improvement of measurement & testing technology.This paper analyzes the new requirement of intelligent manufacture on measurement and test with the coming of industrial 4.0 era from different aspects，such as the emersion of measurement standard value，the guarantee of the on-site test，the measurement of intelligent products，the control of manufacturing process and new sensor technology.Based on these，predictions on the development trend of industrial measurement technology are made.

Key words：measurement & testing technology；industry measurement；industry 4.0；cloud measurement

作者簡介：李少壯(1967-)，男，高級工程師，從事計量管理與測試技術研發工作；張澤光(1962-)，男，高級工程師，主要從事力學計量及測試技術研究。

收稿日期：2015-11-18

中圖分類號：TB9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0001-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.01