新時代我國計量科技發展的認識與思考

汪洪軍 董玉平

(1.中國計量科學研究院，北京100029；2.南京博森科技有限公司北京分公司，北京100027)

0 引言

進入21世紀以來，全球科技創新進入空前密集活躍的時期，新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。科學技術從來沒有像今天這樣深刻影響著國家前途命運，從來沒有像今天這樣深刻影響著人民生活福祉[1]。計量是推動科技創新、加快經濟發展、促進社會進步和提高人民生活質量的重要技術支撐。新中國成立以來我國計量事業取得長足發展，在建立全國統一計量制度、支持科技創新、服務國計民生等方面取得了顯著成績。伴隨著科技的飛速發展和全球經濟一體化，計量工作要求越來越高，必須從戰略和全局高度抓好這項基礎性工作[2]。當前，面對國際單位制(SI)量子化變革和量值溯源扁平化等新挑戰，計量工作要與時俱進，加強戰略性新興產業、節能降耗、產品質量和食品安全等領域的計量基礎研究，建立和完善計量基準、標準、法律法規和監管體系。借鑒國際先進經驗，積極參與國際計量交流與合作，增強在國際上的話語權。在我國深化供給側結構性改革，推動經濟高質量發展關鍵時期，正確認識國內外計量科技發展現狀，認真思考新時代計量科技未來發展的方法和路徑，具有較強的現實和實踐意義。

1 計量及其重要意義

計量是關于測量的科學，是保證測量準確可靠的基礎，是國家測量能力的基石。國家測量能力決定著國家其他技術能力的實現，是提高科技創新水平、推動經濟發展、促進社會進步、提升國家綜合國力和實現高新技術產業化的重要技術手段和基礎保障，是國際間科研合作和經濟貿易的基礎。

對于一個國家來說，每一項基本計量單位都必須建立唯一的計量基標準量值傳遞和溯源體系，而每一個量值傳遞和溯源體系是由國家基標準(標準物質)、行業部門標準和地方社會公用標準以及計量器具、測量儀器和量值傳遞方法構成。國家計量基標準是核心和源頭，是根據國際單位制中的7個基本量和其主要導出量的定義，并利用最新的科技成果和技術手段，以及滿足科技創新、國民經濟和社會發展各領域需要而自主研制形成的一系列量值傳遞和溯源裝置(標準物質)，依據量值傳遞的技術方法和規程，用于各類測量儀器儀表的檢定校準，為廣大企業提供國際通行的量值溯源服務，實現各領域、各行業所有測量和檢測數據的準確有效；通過參加國際計量關鍵量比對，實現測量數據的國際互認，保持我國各領域測量量值的國際一致性，從而實現量值統一、可靠。

圖1 國家量值傳遞和溯源體系

國家計量標準和量傳體系必須隨著科技創新、經濟發展和社會進步不斷拓展、持續創新和提升能力。有效支撐國家科技創新和戰略新興產業發展；推動經濟結構重大調整，保障新的經濟增長，提高綜合國力和國際競爭力；從源頭上保證關乎國家可持續發展的低碳經濟、節約能源、環境監測、醫療安全等領域中測量數據的準確可靠，保證國際貿易結算的公平合理；保證國家的測量能力與我國的經濟大國地位相適應。

2 國內外計量科技發展現狀

2.1 國際計量科技快速發展總體態勢

伴隨著世界科技迅猛發展和經濟形勢演變，各國科技、經濟和社會對計量的需求超出預料，計量科技正以前所未有的態勢，在測量對象、測量方法、測量準確度、動態與靜態測量、極端量測量，以及測量參數的豐富性上飛速發展。當前，國際計量科技整體呈現以下幾方面發展態勢。

2.1.1 國際單位制(SI)處于重大變革期，對計量基礎前沿研究提出挑戰

隨著現代科學技術進步特別是量子物理學的快速發展，用基本物理常數來重新定義國際單位制中的大多數基本單位能夠實現不再隨時間空間變化的“永久性”標準，使國際單位制得到顯著改善，已成為國際計量科技的發展趨勢。這是自1960年SI建立以來前所未有的重大變革，對于整個世界計量界乃至社會各個領域的測量準確度將產生深遠的影響。由于各國均采用實物基準復現國際單位量值，且其傳遞方式均是按照傳遞系統表逐級量傳，這不僅造成各國基準量值會受到溫濕度等環境條件和物質本身隨時間而變化的影響，而且在量值傳遞過程中因分級造成測量精度損失，造成實際用戶具有的測量精度已與最高基準量值的測量相比出現較大的偏差。隨著現代科學技術進步特別是量子物理學的快速發展，自2019年5月20日之日起國際單位制中的基本單位量值已采用基本物理常數來復現。新的量值不再受環境和時間影響，同時傳遞方式可實現“扁平化”，借助互聯網，測量量值可直接傳遞到用戶，減少了分級傳遞帶來的精度損失。因此，量子基準和基本物理常數測量是目前國際計量前沿研究的兩個方面，是目前發達國家紛紛投入巨資開展的研究重點。

2.1.2 新的應用領域內戰略性新興產業發展對計量科技提出了更高要求

近年來，貿易、工業和社會對計量提出了新需求，一方面是適應技術創新或科學進步的需要，另一方面也是適應經濟和社會持續快速發展的現實需要。計量科技在支撐人類社會發展中面臨著重大的緊迫需求，在保障國民經濟發展各方面的質量中面臨著重大的戰略需求，特別是在一些能夠促進經濟持續發展、提高生活質量的應用新領域(食品安全、環境保護、生物、能源、材料、醫學等)，計量科技將得以優先發展。諸如氣候變化的監控要求在溫度、溫室氣體量以及海水含鹽量等準確測量方面，建立高準確度和高穩定性的計量基標準和溯源體系。納米材料的發展及其在航空、航天和安全保障領域的應用，成為其具有超高準確度和可溯源性的推動力；在醫學領域，不論是在診斷還是在有效且安全的治療方面，都需要準確可靠、可互認的測量數據支持。以美國為例，美國國家標準技術研究院(NIST)以促進國家創新、提升工業競爭力為使命，緊密圍繞測量科學前沿領域和國家重點發展戰略開展持續而深入的研究工作，目前正在開展的重點項目包括：智能電網技術，太陽能及存儲等先進能源技術，綠色節能建筑測量和標準；納米技術相關環境、健康和安全測量與標準；醫療信息技術，支撐醫療領域創新的測量標準和測量技術；信息技術安全等。

2.1.3 全球一體化使國際間計量互認和合作愈發重要

在貿易全球化的形勢下，由檢測數據的不互認和標準、認證方式的不一致構成的技術性貿易壁壘已成為影響世界貿易的主要問題。

受WTO委托，國際計量委員會CIPM于1999年發起了《國家計量基(標)準互認和國家計量院簽發校準與測量證書互認》(CIPM MRA)協議的簽署活動，建立了國際計量互認體系。目前，國際互認協議(MRA)正在順利實施，影響面日益擴大。簽署本協議的國家和經濟體的貿易額已超過全球貿易總額的90%以上，而且它在消除貿易技術壁壘方面的作用得到了越來越廣泛的認可，有效避免了由于跨地區溯源可能帶來高額成本所導致的產品、服務價格上升以及競爭能力下降的不利局面，為跨國投資和生產提供便利、一致、有效、經濟的計量保證。例如：某公司在國外開辦的組裝車間，需要完整的量值統一服務，否則各地生產的零件無法組裝，而該國無法提供可靠的量值傳遞服務，如只能將儀器設備送回國內進行量值溯源，這樣既無法保證檢測周期，同時加大了檢測費用，造成成本上升，競爭力下降。

圖2 MRA互認協議覆蓋范圍

因此，在國際互認協議(MRA)的框架下，各國計量院努力提高實驗室測量能力，積極參加國際比對，實現校準與測量證書國際互認，減小國際技術性貿易壁壘。這使計量在國際貿易和促進經濟全球化中發揮著愈加重要的作用。

2.1.4 各國政府對計量科技的重視程度和投入力度普遍增強

隨著科學技術的快速發展和全球經濟一體化進程的加快，計量對社會發展的貢獻及計量基標準體系的建設受到了各國政府的高度重視。各國政府都把計量基標準前沿研究以及測量能力的提升放在重要位置，使計量在整個國家的發展中具有超前技術條件儲備的同時，通過在世界范圍內的國際關鍵比對，爭取在國際計量體系中占主導地位，以保持在激烈的市場競爭中的優勢。

為此，各國政府普遍大幅度地加強了對本國計量基標準體系建設的投入，目前美、英、德三國穩居國際計量界第一梯隊。如，美國的“NIST on Chip”計劃，就是將美國計量院NIST最精密的測量基準、標準集中在一個芯片上。為應對國際計量變革和計量體系的重構，歐洲提出了“計量研究創新計劃”以及“量子宣言”，投資數十億歐元，支撐新一輪的科技革命和產業變革。發展中國家的發展，也離不開計量科技，根據需要不斷建立一系列計量基標準體系來為國家發展提供技術支持。泰國、越南、巴西等國家都興建了新的實驗基地，經費也在逐年增加。

2.2 我國計量科技發展現狀和存在的不足

我國以國家計量院為主體和核心，已初步形成了國家計量基標準體系，專業覆蓋長度、熱工、力學、電磁等十大計量領域，是我國量值溯源的源頭，也是國民經濟、社會發展、科學研究的重要技術基礎，其服務對象已涉及生產、貿易、安全與健康、環境保護、交通、信息、航空航天和科研等眾多領域。此外，通過參加國際性和區域性的關鍵和輔助比對，我國計量基標準的等效性和國際一致性得以基本保證。目前中國具有國際互認的測量校準能力1574項，國際排名第三位。

“十一五”以來，中國計量科技共獲得國家科技進步獎14項，其中一等獎4項，二等獎10項。我國在計量量子化變革和計量單位重新定義中做出了積極貢獻，用于溫度新定義的波爾茲曼常數測定國際最好，電學量子芯片國際一流，銫原子噴泉鐘達到3000萬年不差一秒，成為少數幾個參與駕馭國際原子時的國家，獨立提出并實現第三種方法用于“千克”重新定義，用于復現米定義的11條激光譜線就有三條由我國最先提出并研制成功。由中國計量科學研究院歷經20多年完成的科研項目——量子化霍爾電阻基準，不僅解決了一系列國外尚未提出過的技術難題，而且使該基準的準確度比國外最好水平還高出10多倍，并在由國際計量委員會組織的關鍵比對中得到證實，水平位列世界第一。這一系列領先的技術成果彰顯了中國的計量大國地位和擔當。

但與此同時，由于長期以來對我國對計量科技事業發展超前部署的認識以及實際投入不足，相比當前經濟和社會各方面的快速發展態勢，我國計量科技基礎設施、保障條件、研究能力和科研成果的總體發展速度顯得相對滯后，特別是在各國計量水平普遍快速進步的今天，與發達國家相比仍有差距。

2.2.1 計量基礎、前沿研究整體上與國際先進水平有差距

量子計量基準相關研究和為應對國際單位制重大變革開展的研究項目還處于艱難的攻堅階段，以量子物理為基礎的國家新一代計量基標準體系持續研究能力不足，總體距世界先進水平仍有一定差距。相當部分代表當前國際計量科學的前沿發展趨勢和發達國際計量研發新動向的領域，我國尚未涉足。

2.2.2 支撐國家戰略性新興產業發展的計量能力不足

納米技術、新材料、醫療安全、環境監測、新能源等領域的多數關鍵計量基標準尚屬空白；生物、節能減排等領域的計量基標準研究也剛剛起步。

2.2.3 傳統專業領域測量能力有待提高

產業結構調整、重點行業發展對測量準確度提出了更高要求，同時對解決極端條件下測量和生產過程中的現場、在線和快速測量的量值溯源能力提出迫切需求，目前尚存差距。

2.2.4 獲得國際互認的測量能力仍有一定差距

雖然我國參加的國際比對數量及取得國際互認的校準與測量能力數量位列世界第三，但距離美國仍有較大差距，與國際貿易和制造業大國的地位尚不相符。

2.2.5 科技領軍人才和科技創新團隊相對缺乏

承擔新領域重大攻關項目領軍人才不足，科技人才隊伍整體上不能滿足計量院科學持續發展的任務需求，科研人員參與國際組織或國際標準委員會的人數和比例低，國內外重要專業性會議的投稿和參與率低，人才培養的評價機制尚待健全。

3 新時代對計量科技發展的新需求

國際形勢的發展變化和我國加快轉變經濟發展方式的需求，對我國計量科技的發展也提出了嚴峻的挑戰。

3.1 推進自主創新和建設科技強國

自主創新是國家競爭力的源泉。科技創新能力的提高，對先進測量能力的需求迅速增加，對高精度的測量溯源能力提出更迫切要求。計量科技要實現計量基礎前沿研究的技術突破，要超前儲備，滿足科技創新和前沿技術發展對準確有效測量的新要求。

3.2 加速發展戰略性新興產業和改造提升傳統產業

培育和發展高新技術和戰略性新興產業已成為我國爭取新一輪經濟和科技發展制高點的重大戰略。信息、生物、納米、新能源、新材料、高端裝備制造等新技術的研究和產業化必須依賴更加準確的測量方法和更為先進的測量手段，尤其是對微觀量、復雜量、動態量和多參數綜合量的測量溯源問題提出了一系列新的要求。如何有效評價新能源的使用效率，如何評價新材料的各種特性，如何實現納米尺度的高準確度測量和量值溯源，如何實現生物技術安全的準確測量、有效分析和量值溯源，是擺在我國計量科技面前的緊迫任務。

改造和提升制造業也是我國提高經濟增長的質量、效益和國際競爭力的戰略重點之一，是對計量科技需求的不斷增加。汽車業、船舶業、鋼鐵業、石化業對力值、扭矩、加速度、壓力等機械量的測量準確度提出了更高要求，同時要求進一步拓展測量范圍以覆蓋更大和更小的量值；有色金屬產業、裝備制造業需要解決計量器具在高溫、高壓、強堿、腐蝕等特殊條件下的量值準確性問題；紡織業、輕工業等產業迫切需要將量值快速準確地傳遞到在線的生產設備上，對儀器設備的現場、在線和快速檢測提出更高要求。

3.3 維護社會可持續發展與人類生命健康

節能減排、應對氣候變化等環境保護問題為世界各國高度重視，同時已成為我國社會可持續發展的戰略重點。能源計量和能源檢測是提高能源利用效率的保證，能源統計工作的基礎，政府制定能源政策的依據。如高壓輸變電的高壓電能計量，天然氣、石油的流量計量等。應對氣候變化基礎是有效數據監測，面對我國龐大的環境及氣候變化監測體系，只有保證各級、各部門監測數據的準確、量值統一和可溯源性，才能使得國家污染治理和應對氣候變化經濟杠桿合理調控、執法力度科學合理、測量數據國際同行認可、排放限量達到國際標準、環境污染防治措施有效。

食品安全、醫療安全等問題不僅關系到大眾健康和生命安全，而且關系到我國經濟社會的持續穩定發展。加強食品安全領域的監管，必然以準確的成分量測量為支撐，以健全的質量體系和量值溯源體系為保障，這對化學、生物領域的計量能力提出了新的挑戰。目前醫療安全越發依賴于先進的診療設備，使得新型診療設備不斷涌現，并不斷用于臨床，這些診療設備數據的準確可靠和國際互認直接關系到大眾身心健康和生命安全，這對醫學計量領域提出了越來越高的要求。

3.4 提高國際貿易競爭力

經濟全球化和國際貿易的發展促進了資源的全球配置和國家的經濟繁榮。如果一個國家缺少國際認可的計量體系和計量基礎設施，其出口產品的檢測結果就難以得到進口國的承認和接受，這就直接造成了技術貿易壁壘。為了消除國外不合理的非關稅壁壘，避免我國出口產品的重復檢驗和因計量數據的國際互認受制于人，也為了阻止國外不合格產品進入中國市場，我國必須實現計量基標準的國際等效和在此基礎上校準和測量證書的國際互認，才能避免因技術貿易壁壘帶來的巨額經濟損失，使我國在國際貿易競爭中不處于從屬地位。

4 新時代我國計量科技發展路徑思考

理論一經群眾掌握，也會變成物質力量[3]。我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，要實現高質量發展，必須依靠質量提升和創新驅動，必須夯實高質量發展的計量基礎，計量在這方面大有可為，也必須大有作為[4]。習近平總書記強調，“要把滿足人民對美好生活的向往作為科技創新的落腳點，把惠民、利民、富民、改善民生作為科技創新的重要方向”[5]。作為計量科技工作者，認真學習貫徹習近平總書記系列重要講話精神，就要始終不忘堅持以人民為中心，始終堅持計量科技創新為民。

科技源于生活需要，又歸于生活之中[6]。要建立完善農、獸藥殘留檢測計量溯源體系源于解決人民餐桌上安全；建立醫用直線電子加速器計量標準源于解決癌癥放療設備的量值溯源；研制綜合驗光儀檢測裝置、眼壓計檢測標準源于保護人民的視力健康等。當前資源、環境、貧困、健康、城鎮化、公共安全等社會問題突出，人們高質量生活的追求對計量科技創新提出了更高的要求，帶動了新一代信息技術、新能源技術、智能制造技術、生命科學技術、綠色環境技術等不懈地研發與創新。生活的需要催生計量科技的進步與創新，而每一次計量科技進步與創新都極大地提高社會生產力水平，改善人們的生活，推動文明的進步。

計量科技創新的最終目的是為了人民。從某種程度上說，科學技術是一把“雙刃劍”，因為它既能通過促進經濟和社會發展造福人類，同時也可能在一定條件下對人類的生存和發展帶來消極后果[7]。若計量科技發展長期僅僅聚焦于推動短期經濟增長、創造個人財富，以市場、效率等為驅動的技術變革就有可能會越來越強烈地沖擊人類社會的價值體系，甚至脫離倫理、道德的約束，造成人的價值觀被不斷扭曲、弱勢群體的基本權益被不斷蠶食的危險局面。為了解決這一問題，中國計量人知難而進，在較短時間內研發了“快速、準確、經濟、便捷”的檢測方法和標準物質，保障了廣大人民的根本利益，解決了國家急需。因此，確立計量科技服務人民的目標，堅持計量科技發展始終維護最廣大人民的根本利益，是確保計量科技事業始終服務于人的全面發展以及人類社會可持續發展的前提。

新時代科技創新堅持以人民為中心的價值導向，明確了新時代計量科技創新的價值旨歸，回答了計量科技創新為了誰、依靠誰的根本問題。當前全面建成小康社會迫在眉睫，社會主要矛盾發生轉變，需要比以往任何時候都更加需要依靠計量科技創新的強大力量，而計量科技創新只有始終堅持以人民為中心的發展思想，不斷滿足人民群眾的美好生活需要，才能夠真正實現計量科技創新的價值。

面對新時代我國科技、經濟和社會發展對計量科技發展的新需求，計量科技發展首先應具體做好以下幾個方面的工作：

一是加強計量基礎前沿科學研究。應對國際單位制重大變革和國際計量科技前沿發展需求，以國際單位制基本量、重要導出量和新計量量為研究對象，突破當前計量準確度極限，建立國際互認的國家新一代量子基準，完成國家計量基準全面升級，為國際單位制的重新定義做出實質性貢獻和全面響應。

二是加強計量科技新領域建設。面向戰略性新興產業發展、民生改善的迫切計量需求，開展新領域、嵌入式、極端量、復雜量計量技術及標準物質研究，提升計量標準和標準物質的國家核心服務能力，支撐國家戰略目標的實現。

三是加快量傳體系變革與服務方式轉變。面向國家創新驅動發展戰略，開展扁平化量值傳遞及在線校準技術的推廣應用，推動先進計量技術服務于“中國制造2025”、“一帶一路”倡議等，通過計量技術應用和標準器產業化研發，實現計量新技術成果轉化。