中國儀器儀表工程科技2035發展趨勢研究

王雪，張莉

（1. 清華大學，北京 100084；2. 中國儀器儀表學會，北京 100088）

中國儀器儀表工程科技2035發展趨勢研究

王雪1，張莉2

（1. 清華大學，北京 100084；2. 中國儀器儀表學會，北京 100088）

儀器儀表工程科技是智能制造、科學研究、環境監測、醫療健康、國防建設等必不可少的基礎技術和裝備核心。儀器儀表工程科技作為實現國家創新驅動戰略的重要支撐，其發展水平決定新興信息產業、高端裝備制造業、新能源和新材料等戰略性新興產業的發展。本文分析了儀器儀表領域2035年的發展目標，圍繞新型儀器儀表的數字化、智能化、網絡化的發展趨勢，從智能儀器儀表、醫療儀器和微機電系統（MEMS）三個領域闡述了未來我國儀器儀表工程科技領域的發展方向及關鍵技術，提出了2035年我國儀器儀表工程科技領域的總體趨勢。

儀器儀表；智能儀器儀表；醫療儀器；微機電系統；趨勢分析

一、前言

儀器儀表工程科技是智能制造、科學研究、環境監測、醫療健康、國防建設等必不可少的基礎技術和裝備核心。著名科學家王大珩院士曾經將其形象地比喻為工業生產的“倍增器”，科學研究的“先行官”，軍事上的“戰斗力”以及現代社會活動的“物化法官”[1]。

儀器儀表工程科技作為實現國家創新驅動戰略的重要支撐，其發展水平決定了新興信息產業、高端裝備制造業、新能源和新材料等戰略性新興產業的發展[2]。面向數字化、智能化、網絡化的新型儀器儀表的發展是實現測量信息智能感知、決策控制的重要手段，是智能制造裝備的重要組成部分。儀器儀表工程科技的發展水平已經成為衡量一個國家創新水平和制造能力的重要標志[3～5]。

儀器儀表所涉及的技術領域眾多，對新技術高度敏感，是現代工業中更新換代快、新技術應用和發展極快速的領域之一。其關鍵技術的研發涉及數學、力學、材料學、工業學、電子學、信息學、控制論、人工智能等多種學科的綜合性交叉應用以及許多邊緣科學。

儀器儀表產品的設計、開發、制造涉及敏感機理、敏感材料、工藝技術、工藝裝備、測試技術等基礎研究，攻關難度較大。其產業的發展，不僅涉及產品的技術水平，而且與工程應用技術密切相關。

儀器儀表應用領域廣泛，其廣泛應用于工業、農業、國防、科研和人類生活的各個方面。針對不同的應用需求須開展專用技術研究，并為用戶制定個性化的解決方案。

儀器儀表領域的上述特點，決定了儀器儀表工程科技發展對專業型人才和復合型人才的高要求和大需求。

綜上所述，提出我國面向2035年的儀器儀表工程科技的發展目標，提出若干具有重大需求、符合重大發展趨勢的重點任務，突出重點和新亮點，進一步深化研究其發展路徑，對行業發展和政府決策具有借鑒意義。

儀器儀表工程科技的研究前沿，目前主要集中在高靈敏度“源”與“探測器”、新型傳感技術、智能感知系統互聯互通技術、微機電系統（MEMS）共性技術。在應用技術上需要突破無損、快速、在線檢測技術，痕量精準定量檢測技術，全集成基因檢測系統等。以MEMS技術為基礎，將傳感器與信號處理、控制電路、微執行器相互集成，形成具有一定完整功能的微系統已成為業界的研究熱點和投入重點，其規模效應和應用拓展的前景，將給個人消費、交通運輸、工業控制、軍事國防等眾多領域帶來革命性的影響[6,7]。

本文采用德爾菲法開展技術預測，對面向2035年儀器儀表工程科技領域需重點發展的關鍵技術、共性技術等做出研判，得出我國儀器儀表工程科技2035的發展趨勢。

二、發展目標

我國儀器儀表工程科技發展將通過跟蹤信息技術、納米技術和生物技術等高新技術來實現發展，研究前沿技術和新興技術，突破關鍵儀器，有效地縮小與國外產品的差距；成體系、成系統地發展儀器儀表產業相關的材料、元器件、設備，構建門類齊全、結構相對合理的產業結構，打造具有世界先進技術水平的儀器儀表產品體系；堅持高質量和高標準的發展原則，突破長期制約我國儀器設備發展的可靠性和穩定性問題，增強我國儀器設備的工程化和產業化能力。

2025年戰略目標為突破物理量獲取與傳感技術，延伸儀器儀表的應用范圍，解決環境污染監測、核能輻射安全監測、物質成分分析、生物化學分析、新能源和綠色能源發展等難題；利用量子力學、納米電子學、太赫茲（THz）電磁學、物聯網測量技術和人工智能信息處理等新興學科的研究成果解決制約儀器儀表技術發展的瓶頸問題，實現關鍵技術的突破和工程化應用，為科學研究、能源開發、生命健康等提供高端儀器設備。2035年戰略目標為我國發展所需的高端儀器儀表基本實現國產化，完善高端儀器技術體系；構建以“網絡為中心”的遠程測量與故障診斷平臺以及嵌入式測量平臺；突破儀器儀表故障預測與健康管理技術，實現儀器儀表的零故障、自修復、免維修等智能化功能。我國儀器儀表技術水平總體達到世界先進水平，產品質量和可靠性達到世界先進水平[8,9]。

三、發展趨勢

面向2035年，量子計算機與量子通信、干細胞與再生醫學、合成生物和人造葉綠體、納米科技和量子點技術、石墨烯材料等方向誘人的應用前景，以及新材料、生命科學、空間利用、海洋開發、新能源等領域的開拓，都對儀器精度提出了更高層次的要求[3]。

先進制造正向結構功能一體化、材料器件一體化的方向發展，極端制造技術向極大（如航母、極大規模集成電路等）和極小（如微納芯片等）方向迅速推進。人機共融的智能制造模式、智能材料與3D打印結合形成的4D打印技術，將推動工業品由大批量集中式生產向定制化分布式生產轉變，從而引領“數碼世界物質化”和“物質世界智能化”。儀器儀表作為工業生產的基礎支撐，必將適應新興產業的需求，產生新的測量方法[10]。

（一）智能儀器儀表領域

發展傳感器融合感知技術，實現振動、溫度、壓力、噪聲、應變、圖像等多參量的監測；發展多源自供電微功耗連續傳感器，從根本上解決測量前端的電源供給問題；充分利用無線通信系統和網絡平臺，實現全天候、全空間的傳感和監測，實現不受空間、環境限制的傳感[11]。

與人工智能方法相結合，突破一批關鍵的本體檢測技術，提高儀器儀表本體的管控智能化程度，構建自診斷等高級智能功能。構建本體現場數據自動跟蹤的收集能力，打造儀器儀表全生命周期質量跟蹤體系[12]。

構建基于物聯網的傳感測量架構，從頂層應用到底層傳感，搭建端到端的大數據傳輸鏈路和大數據網絡。突破儀器儀表單機本地化運行現狀，構建儀表無縫接入現場總線或者集散型分布式系統（DCS）網絡的連接能力，實現通信網絡融合接入儀表技術。提高儀表數據信息的豐富程度，在儀表本身擴展主變量信息以外，提升數據源的多樣化程度，提高數據流的數據規模，形成支持大數據和工業互聯的多元服務和龐大的數據基礎。

突破兼容多種有線和無線通信的匯聚網絡設備的相關技術，從數據鏈路上整合多種通信方式，提高智能儀器儀表的組網能力和通信網絡節點的豐富程度。構筑工業物聯網打通儀器儀表傳感網的最后一公里，促進儀器儀表更高端的智能化服務和智能功能發展，凸顯儀器儀表的工業互聯數據價值。

（二）醫療儀器領域

推進醫療產品科技與巔覆性技術的發展。在醫學影像領域，重點發展應用分子成像、腦磁成像、熒光成像、太赫磁成像、電阻抗成像、激光成像、虛擬成像等未來新技術的產品。在急救領域，重點發展自適應呼吸機、智能中央監護及遠程監護。在手術與康復領域，重點發展智能化骨科手術和腦外科手術智能化定位導航機器人、智能護理機器人、有感知的智能假肢及輔具設備。在臨床檢驗領域，重點發展第三代測序技術及新型的測試技術；建立基于基因檢測的個人健康管理信息系統；建立人類基因組數據庫；發展自主研發的基因數據讀取與分析處理軟件系統；構建基于人體特征參量的體域網；基于大規模云計算的人工智能方法，發展可穿戴的人體健康體征辨識參數檢測監控設備；開展基因庫資源應用研究。在有源植入物領域，重點發展電磁兼容性更好的無線心臟起博器、神經刺激器、治療與監測用植入性生物芯片等。

平臺性技術相應發展較快，如醫療經驗挖掘技術、智慧醫療技術、面向醫療的智能技術、云診斷技術、醫療資源智能化運營平臺技術，以及專家系統和醫療路徑描述體系。

（三）MEMS領域

進一步研究并重點突破MEMS一體化設計與仿真技術、先進功能材料的MEMS制造技術、芯片級MEMS集成技術、MEMS可靠性技術、MEMS測試與標準化技術等。研制各類國產微納制造、檢測設備。

面向儀器儀表工程科技2035發展戰略優先布局研究方向，包括高可信度的系統級MEMS正向設計理論、復雜三維MEMS制造工藝方法、單片MEMS集成方法、極端條件下的MEMS應用方法、MEMS集成射頻前端技術、微型導航定位授時技術、MEMS智能傳感微系統技術、MEMS執行器技術等。

四、基礎研究方向

（一）智能儀器儀表領域

研究傳感層相關設備、鏈路、數據安全處理與功能的安全技術；研究適應于全生命周期數據管理的智能儀器儀表；研究儀表適應工況的本地和遠端自學習調整功能；研究儀表的本地、遠端數據冗余功能；研究儀表的遠程升級及回溯功能；研究儀表的自動預防性檢測與維護功能；研究基于人工智能的高精度測量方法；提高各種儀表本體測量能力和測量精度，研究儀表本體硬件診斷和軟件診斷技術等[13]。

研究儀器網絡化的構建技術。研究傳輸層通信技術，研究可以支撐儀器儀表的服務數據和控制數據融合的全生命周期數據傳輸手段，重點研究支撐大數據流傳輸的工業新型高速兩線制通信網絡及網絡通信卡、通信芯片、通信安全。研究匯聚層設備、通信核心技術，研究可支撐多鏈路診斷分析等特色各異的服務數據和控制數據聚合與分離的網絡關鍵設備、網絡接口卡及網絡安全相關技術。研究適應于傳統現場總線的主站數據處理、路由處理和流量控制、數據安全和優先級通信調度技術等。研究骨干層通信調度和傳輸技術，研究支撐控制網絡和服務互聯網分離的數據交換、分發設備，研究數據隔離等網絡安全技術。研究基于工業物聯網的安全通信技術，研究基于工業互聯網的智能制造系統的安全傳輸和冗余。

（二）醫療儀器領域

重點開展醫學影像新型成像機理、影像融合技術及遠程圖像診斷信息的系統研究。重點研究新型手術器械及儀器設備、應用新技術的新型急救設備工程基礎技術，以及根據臨床疾病特征開展的新的智能化急救儀器設備基礎理論與工程技術。開展先進治療的儀器設備機理與工程技術應用和智能化醫用機器人的生物力學基礎應用，開展軟體機器人技術、遠程手術技術、基于人工智能的醫療大數據分析技術、輔助介入治療技術、智能化仿生假肢及智能輔具的智能技術與生物力學基礎研究。開發預測重大疾病發病風險的生物芯片，發展全基因組測序技術和全系列、高通量、集成式、流程化的實驗室檢驗分析系統。開發基因讀取與分析系統以及基因資源應用的基礎研究。重點推進生物相融性更好的智能化記憶骨科植入物、血管支架及應用生物材料的開發，研究智能化新型生物材料。對生物材料性能及其加工工藝與處理技術、生物相融性及生物力學基礎、有源植入物與生物融合基礎應用，加大研究力度[13]。

（三）MEMS領域

重點突破MEMS領域的科學前沿研究。MEMS制造、器件與微系統的一體化正向設計至關重要，突破正向設計理論及方法，優先開展跨尺度多能域系統的建模仿真、材料性能表征與工藝兼容性、惡劣環境下的失效機理與驗證方法等研究，解決MEMS器件建模仿真及正向設計理論和方法的科學前沿問題。

研究MEMS領域的核心技術工藝。開展單片集成、3D集成和混合集成方法研究，研究先進結構與先進材料工藝，研究MEMS晶圓級封裝及在線監控，解決MEMS器件與微系統的芯片級集成方法及核心關鍵工藝技術。

突破MEMS領域的重點應用。MEMS器件與微系統的應用環境適應性也必須重視，如面向發動機、燃氣輪機等MEMS器件與系統，面向戰術武器的超高精度、高過載的MEMS器件與系統，面向汽車工業的高可靠、高性能的MEMS器件與系統，面向未來物聯網的集成化、智能化MEMS器件與系統等方面都需要進一步加強研究，解決我國亟須突破的重大戰略需求問題。

五、結語

隨著MEMS技術的不斷成熟，其應用領域也會不斷增加。微型化是未來儀器儀表發展的必然趨勢，微型儀器儀表將不僅具有傳統儀器儀表的功能，而且能在自動化、航天、軍事、生物、醫療等領域起到獨特的作用。

多功能化是儀器儀表發展的重要趨勢，多功能的綜合型產品在各種測試功能上提供了較好的解決方案。

隨著網絡技術的飛速發展，物聯網技術正在逐漸向工業控制和智能儀器儀表系統設計領域滲透，網絡化儀器儀表的概念是對傳統測量儀器概念的突破。

人工智能技術將在儀器儀表領域得到更廣泛的應用，未來儀器儀表將進一步智能化，可以代替人的一部分腦力勞動，其在視覺、聽覺、思維等方面具有一定的類人能力。人工智能在儀器儀表領域的應用，不僅可以解決傳統方法難以解決的問題，而且有望解決用傳統方式根本不能解決的問題，能夠極大地提高生產效率和能力。

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Development Trends for China’s Instrumentation Engineering Science and Technology to 2035

Wang Xue1, Zhang Li2
(1. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. China Instrument and Control Society, Beijing 100088, China)

Instrumentation is the fundamental technology and essential equipment for intelligent manufacturing, scientifc research, environmental monitoring, healthcare, national defense construction, and so forth. As an important support toward achieving a national innovation strategy, instrumentation development determines the level of strategic new industries, which include the innovative information industry, high-end equipment-manufacturing industry, energy industry, materials industry, and so forth. This paper analyzes development trends of instrumentation engineering science and technology to 2035. Within the requirements of digital, intelligent, and networked instruments, key technologies and future trends are depicted for three main aspects: intelligent instrumentation, medical instruments, and micro-electro-mechanical systems (MEMS). Development strategies and suggestions for China’s instrumentation engineering science and technology to 2035 are also put forward.

instrumentation; intelligent instrumentation; medical instrument; MEMS; trend analysis

TP393

A

2016-12-15；

2016-12-27

王雪，清華大學，教授，研究方向為精密測量與智能傳感技術、物聯網測控技術等；E-mail: wangxue@mail.tsinghua.edu.cn

中國工程院咨詢項目“中國工程科技2035發展戰略研究”(2015-ZD-14)

本刊網址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.01.015