计量科学在智能制造产业中的应用

任孝平　杨帆　塔娜　何运飞

摘要：分析国内智能制造领域的各种问题，指出我国推进实施“中国制造2025”战略，必须狠抓核心关键部件自给率、提高精密测量技术，将计量科学真正应用于智能制造领域，实现复杂参数测量的等效一致性和关键技术标准的国际接轨，才能从根本上摆脱高端制造业受制于人的局面。

关键词：计量科学；智能制造；人工智能；国家质量基础；

0引言

中国对智能制造和产业自动化升级的需求，催生了巨大的机器人市场。然而作为新兴智能装备制造业的机器人产业，计量标准体系的缺失，可能令机器人产业难以走入良性循环，进而影响我国智能制造产业的发展。世界领先的工业机器人制造商ABB公司质保及校准部经理Peter Fixell认为：“一台真正好的工业机器人，应该在其整个生命周期内都会保持良好的精度……”。然而在中国，一直是国外机器人的天下。因此，尽快制定我国具有自主知识产权的机器人基础标准和计量检测体系，打破国际技术性贸易壁垒并实现与国际标准接轨，为推进机器人产品走向市场奠定基础，对推动中国制造抢占高端制造业市场具有重要意义。

1智能制造的发展现状

智能制造源于人工智能的研究。一般认为智能是知识和智力的总和，前者是智能的基础，后者是指获取和运用知识求解的能力。智能制造应当包含智能制造技术和智能制造系统，智能制造系统不仅能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能，还有搜集与理解环境信息和自身的信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。

早在2011年，美国就率先发布了国家先进制造伙伴计划，重点关注和支持智能化技术和智能制造。德国作为全球制造业中最具竞争力的国家之一，也于2013年发布了工业4.0战略。其他制造业区域如欧盟、日本、韩国也纷纷发布了与智能制造相关的国家机器人发展战略。可见当前，新一轮工业革命已成为世界各国战略布局的主要方向，发达国家和地区纷纷把智能制造和机器人作为国家战略，抢占智能制造技术和市场的制高点。以机器人、智能制造为代表的“工业4.0”时代已悄然来临。我国经过多年的高速发展之后，已进入经济发展的新时代，目前是在由制造业大国向制造业强国迈进的关键时期。

中国工程院院士卢秉恒就中国制造业的发展提到了支撑智能制造的三大技术：机器人、智能装备、3D打印机，其中机器人技术是助推智能制造的关键之一。与此同时，自2013年起连续三年时间内，我国已提前步入机器人时代，产业急速井喷，目前已然成为世界第一大机器人市场。

然而，我国的机器人产业大而不强。首先，我国的装备制造业中，关键零部件自给率低，如目前80%的集成电路芯片制造装备还严重依赖进口，更别说高性能传感器、先进材料以及高速精密轴承等。

其次，我国装备制造业中先进技术对外依赖度高，精密测量技术、智能控制技术、智能化嵌入式软件、机器视觉都非常缺乏。新型传感器的感知技术、在线分析技术、大功率变频技术等构成智能制造装备或实现制造过程智能化的重要基础技术主要依赖进口。

这些电路芯片、先进传感器、精密测量和控制技术都是机器人产业、智能制造的基础。机器人的材料、关键零部件到整机、装备到系统集成，都需要进行测试，才能检验其是否满足性能的要求。伴随着机器人产业的发展，作为直接关联的传感器、仪器仪表和计量测试行业，成为未来的重点发展方向。

2计量科学是智能制造能力提升的保障

2016年是国家“十三五”规划开局之年，也是“十三五”规划的政策落地年。为推动中国传统制造业转型升级和可持续发展，加快智能制造技术与装备创新发展和产业化，不单政府在积极制定政策助力中国制造协同创新发展，高校、研究院所、企业等机构也自发组织产业协会和联盟，期望通过机器人技术推动制造业实现跨越发展，最终实现我国从“制造大国”向“制造强国”迈进。

在各类国家创新能力的驱动和评价模型中，很少提及计量和质检工作，但是计量质检水平却又被确认为国家竞争力和国家综合国力的最直接的体现。这说明计量和质检工作对促进国家创新能力的系统性作用的研究和认识还十分欠缺。以机器人技术中的传感器为例：对于机器人来说，传感器必不可少，同时，机器人对传感器有非常严格的要求，主要表现为准确度高、可靠性强、稳定性好；电磁干扰、强机械振动、灰尘和油垢等恶劣气候环境和机械环境下抗干扰能力也非常关键；最后就是整机性能和安全、噪声、储能和易于校准。

此外，复杂的几何量测量也是智能制造的核心关键。只有几何量测量仪器结合智能制造中工业机器人，形成智能制造的全方位感知系统，才能促进制造过程中的智能化，为真正形成智能制造打下坚实的基础。然而，我们也要清楚地意识到，目前几何量仪器自动化程度极低，还不能形成网络化，难以在测量现场形成测量数据。

伴随着智能制造的快速发展，计量科学家也在努力研究新的非接触测量技术、在线测量技术、自动测量技术，使其能满足智能制造的高准确度需求。在“2014中国仪器仪表学术产业大会”上，学术界和工业界一致将“智能制造”作为当下的最重要的议题，指出传统仪器仪表行业应借助“智能制造”寻求新的突破。而我国质检和计量部门也在积极寻求和高校、研究院所合作，以期在智能装备制造产业发展中牢牢占据科技领先地位，表1为近年来寻求技术合作的情况。

从表1可以看出，地方政府、高校已经开始围绕战略性新兴产业开始了“政产学研”的合作，充分发挥科研机构、高等院校科研优势，有效提升质检技术机构服务能力，而且积极开展这些合作的省份均是我国机器人产业集群区，或者是经济发达、对外开放程度高、高校云集以及老重工业基地。这些监督、检验和测试中心的成立，对于未来加强我国机器人产品质量监督、相关测量仪器的准确度，提升智能制造产业质量水平有着重要的意义。

3计量科学和智能制造共同助力“中国制造2025”

地方政府在积极推进这项工作的开展，中央政府部门如科技部、发改委也都开始从顶层开始支持我国智能制造、计量科学的发展。2016年科技部会同国家质检监督检验检疫总局等13个部门，制定了国家重点研发计划《国家质量基础的共性技术研究与应用》重点专项实施方案。该方案聚焦产业转型升级、保障和改善民生、提升国际竞争力等国家重大需求。此项重点研发计划的实施，其中涉及了多处先进制造和智能制造方面的重点支持方向，如表2所示。

这里提到的国家质量基础（Nation Quality Infrastructure，NQI），是由计量、标准、合格评定（检验检测和认证认可）共同构成。这个概念是基于联合国工业发展组织和国际标准化组织在总结质量领域100多年实践经验而提出的，被国际公认是提升质量竞争能力的基石，更是保障国民经济有序运行的技术规则、促进科技创新的重要技术平台、提升国际竞争力的重要技术手段。

而对于测量仪器和高端设备来说，提升我国科学仪器设备的自主创新能力和装备水平也是当前的重中之重。国家科技计划管理部际联席会还设计了《重大科学仪器设备开发》专项来进行重点支持，以形成具有自主知识产权、“结实耐用”和功能丰富的重大科学仪器设备产品，并进一步服务科学研究和经济社会发展。

在《重大科学仪器设备开发》专项的申报指南中，提到“传感器”有29处，可见，《重大科学仪器设备开发》和《国家质量基础的共性技术研究与应用》两个重点专项对于未来我国的智能制造、高端计量仪器的研究有着非常大的支持力度。

4结语

智能制造随着全球制造业的发展而不断进步，而计量科学的最终目的就是支撑我国智能制造产业的不断发展。在这种新形势下，智能制造的发展就必须以智能生产为目的，以互联互通为手段，以计量测试为关键核心技术，并能把一切测量结果进行综合分析和运用。在处理各种测量数据时，能够以反馈的形式，利用实时测量数据进行在线校准。整个智能制造过程中，实时、准确、可靠的计量无处不在，而这些对计量科学提出了全新的挑战。

虽然现有的计量技术还不能满足智能制造中对准确度、测量效率、测量环境的复杂性以及在线测量的要求。国家已经通过各种科研项目的支持和政策的引导，积极鼓励计量更进一步的发挥其重要作用。相信在“十三五”期间，伴随着我国科技体制的改革，一大批重大项目将会发挥其应有的作用。

（编辑：史志伟）