“工业4.0”时代下的计量工作

2016-08-03金路曾宪钰言思敏上海市质量监督检验技术研究院

上海计量测试 2016年1期

金路　曾宪钰　陈　功　言思敏 / 上海市质量监督检验技术研究院

“工业4.0”时代下的计量工作

金路曾宪钰陈功言思敏 / 上海市质量监督检验技术研究院

0　引言

2013年德国在汉诺威工业博览会上提出了“工业4.0”概念。它描绘了制造业的美好愿景，提出继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术等三次工业革命后，人类将迎来以物联网系统（Cyber Physical System）为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。“工业4.0”概念的提出，在欧洲乃至全球工业业务领域都引起了极大的关注和认同[1]。通过“工业4.0”可以实现劳动生产率大幅提高，产品创新速度加快，满足个性化需求，减少能耗，提高产品质量和附加值，增强企业核心竞争力；通过“工业4.0”可以建立起高度协作的创新服务体系，提高整个行业的资源配置和运行效率；通过“工业4.0”可进一步巩固制造业优势，抢占新一轮产业竞争的制高点。

计量是生产和科研的基础保证，在科技进步和现代化建设中有着无可替代的重要作用。计量工作对于历史上的三次工业革命发展都起到了推动性作用，与此同时也促进了计量工作自身的发展[2]。“工业4.0”时代，计量工作也将对智能工厂的标准化生产起到关键的基础性作用。

1　“工业4.0”的概念与规划

1.1“工业4.0”

通常将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0，20世纪初的电气化为2.0，始于20世纪70年代的生产工艺自动化定义为3.0，而物联网和制造业服务化迎来了以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法，即“工业4.0”。德国“工业4.0”战略旨在通过充分利用信息通信技术和信息物理系统（CPS）相结合的手段，推动制造业向智能化转型[3-4]。

“工业4.0”主要表现在互联、集成、数据、创新、转型这五个方面。互联是“工业4.0”的核心，需要把设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户紧密地联系在一起，最终实现万物互联的目标。集成主要强调了企业间的横向集成和企业内部的纵向集成以及端到端的集成。数据是“工业4.0”和制造革命的基石，所有生产装备、感知设备、联网终端产生的源源不断的数据，将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期。“工业4.0”的实施过程实际上就是制造业创新发展的过程，制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将会层出不穷。在“工业4.0”时代，物联网和（服）务联网将渗透到工业的各个环节，形成高度灵活、个性化、智能化的产品与服务的生产模式，推动生产方式向大规模定制、服务型制造、创新驱动转变。由于物联网和（服）务联网将渗透到工业的各个环节，形成高度灵活、个性化、智能化的产品与服务的生产模式，将推动生产方式向大规模定制、服务型制造、创新驱动转变[5]。

1.2各国规划

“工业4.0”概念的提出，在欧洲乃至全球工业业务领域都引起了极大的关注和认同。各国都相应制定了“工业4.0”时代下的工业制造战略规划。德国、美国、日本和中国的战略规划如表1所示。

表1　各国工业4.0战略规划

1.2.1德国的战略规划

产学研推动，升至国家战略。工业4.0研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成,已上升为国家级战略。德国联邦教研部与联邦经济技术部于2013年将其纳入《高技术战略2020》的十大未来项目中，计划投入2亿欧元资金，支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。企业界西门子、SAP等企业积极跟进，德国在“工业4.0”的理念思考和创新实践方面已经走在了世界前列。

1.2.2美国的战略规划

政府战略推动创新，积极实施再工业化。在美国，“工业4.0”的概念更多地被“工业互联网”所取代。尽管称法不同，但他们的基本理念一致，就是将虚拟网络与实体连接，形成更具有效率的生产系统。金融危机后，美国政府将发展先进制造业上升为国家战略，希望以新的革命性生产方式重塑制造业。

1.2.3日本的战略规划

特色“工业4.0”，人工智能是突破口。日本“工业4.0”的一大特色是对人工智能产业的探索，以解决劳动力断层并支持未来的工业智能化，而其首先应用的领域就是工业化生产线。日本政府近期加大了对3D打印机等尖端技术的财政投入。2014年，日本经济产业省继续把“3D打印机”列为优先政策扶持对象，计划当年投资45亿日元，实施以3D造型技术为核心的产品制造革命的大规模研究开发项目，开发世界最高水平的金属粉末造型用3D打印机。

1.2.4中国的战略规划

实施“中国制造2025”，加速制造大国转向制造强国。2014年3月，习主席访问德国，在发表的署名文章中重点提到德国“工业4.0”战略；同年10月，李总理访问德国,发表《中德合作行动纲要》，宣布了中德两国将开展“工业4.0”合作。 2015年5月19日，《中国制造2025规划纲要》颁布，被誉为“中国版‘工业4.0’规划”，其借鉴德国版“工业4.0”计划，围绕我国工业有待加强的领域进行强化,打造新一代信息技术产业、高端装备制造产业、新能源产业和生物医药与生物制造产业。

其次，原研药受到专利挑战的比例与其上市后专利有效保护期（桔皮书中所列全部专利所提供的最长保护期）呈正相关关系，有效保护期越长，受到专利挑战的可能性越大。

2　计量工作的发展与现状

计量是人们从客观事物中提取所需信息，借以认识客观事物、并掌握其客观规律的一种科学方法。它保证了量值统一和测量结果的一致性，对于社会进步和科学发展具有重要意义。

2.1发展概况

从历史角度看，计量工作的发展可以划分为三个阶段。

1）自原始社会后期至17世纪，计量工作的早期阶段。该阶段主要以人的某一部分或者是自然界的一些天然物质当作计量标准。

2）18世纪起至20世纪中叶，计量工作的近代阶段。该阶段随着物理科学的发展和单位制的建立，计量开始作为一门科学出现，并开始应用于工业领域。将自然界中某种不变的实体作为计量基准，国际间的量值标准开始协调和统一，在1875年签订了“米制公约”，成立了国际度量衡委员会及国际度量衡局。

3）从20世纪中叶起，计量工作进入到现代计量工作阶段。这一阶段在单位制的建立和推广、基本单位定义确立、量值传递方式、检定与校准方法的改革和发展以及现代科学技术应用等方面都取得了巨大成就，使得计量学成为了一门独立的学科[6-7]。

2.2现状

2.2.1对象复杂化和计量条件极端化

现今部分计量工作出现了计量对象复杂化和计量条件极端化的问题，有时候需要计量的是整个机器或装置，参数多样且定义复杂；有时候需要在高温、高压、高危等环境中进行计量，使得计量条件极端化。

2.2.2多信息融合

以往的计量对象和种类比较单一，现代计量则复杂得多，往往包含了多种类型的被测量，具有信息量大的特点。比如大批量工业制造的在线测量，每天产生的数据高达几十万；又如产品数字化设计与制造中，包含了海量的数据信息。对于这些数据信息的可靠快速传输和高效管理以及如何消除各种被测量之间的相互干扰，从中挖掘出多个计量信息融合后的目标信息将形成一个新兴的研究领域，即多信息融合。

2.2.3准确度不断提高

随着人们对微观世界探索的不断深入，计量的对象尺度越来越小，达到了纳米量级；同时由于大型、超大型机械系统（航空航天制造、电站机组）、机电工程的制造、安装水平的提高，以及人们对于空间研究范围的扩大，测量对象尺度越来越大，导致从微观到宏观的尺寸测量范围不断扩大。目前已经达到10-15~1025的测量范围，相差40个数量级之巨。例如，在温度计量中，大致相差12个数量级；在力值的计量中，相差约14个数量级[8]。

3　“工业4.0”时代计量的发展方向

“工业4.0”时代以“智能制造、智能生产”为核心，同时以互联互通为手段。“工业4.0”是一个大数据时代，是把一切测试数据信息进行综合采集、综合分析、并加以综合运用的过程。在这个过程中，及时、准确、可靠的计量工作无处不在，无时不在。这对计量工作提出了全面、综合的挑战，未来的计量工作将在以下几个方面发展。

3.1传感器的量值传递和溯源

“工业4.0”时代传感器的应用和发展无处不在。在一个自动化生产系统上大致会有上千个传感器，随之产生大量的测量数据。如何保证这些数据的准确和可靠呢？这些传感器如何进行量值传递和溯源是一个值得深入研究探讨的问题，这对于提升整个计量工作的准确性和可靠性至关重要。

3.2通用化和标准化

为了便于获取和传输数据信息，计量测试仪器的通用化和标准化设计非常重要，也是“工业4.0”时代标准化生产的要求。

目前的接口和总线系统较多。随着智能检测技术的发展，制定一种或几种世界各国通用的统一接口和总线系统标准有利于系统的组建、更改、升级和联结。由于采用通用化、标准化的设计，计量测试仪器将易于实现分散使用和大范围联网使用。计量测试仪器还可以和其他非检测性网络连接，获得其他系统的信息，为其他系统提供现代计量测试仪器的观测、估计与判断结果。

3.3网络化测量和控制

面向网络的智能传感器及以其为核心的智能仪器仪表、测控系统都带有计算机接口和总线，通过转换上internet和ethernet就能实现网络化测量和控制[9]。人们可以通过互联网操作仪器设备，从而可以形成遍布办公室、工业现场和家庭的分布式测控网络。由于网络中的仪器、计算机都有机地联系在一起，所以网络化测量和控制具有准确、及时、高性能和高效率等特点。