用钱学森系统之光引领传感世界的未来

薛惠锋

摘 要   科技的飞跃极大地提升了社会生产力的发展水平，在航天事业发展层面，传感器产业作为涉及新一轮产业变革的关键核心技术，对科技进步、经济发展和国家安全尤为重要。这一产业在科学研究层面、技术工程层面、管控发展层面，正面临抉择。中国航天十二院以钱学森系统工程思想为指导，解开传感器发展桎梏，助力传感器发展迈向新高。

关键词   传感器  钱学森 系统工程  中国航天十二院

中图分类号   N09

文献标识码   A

一   引言

习近平总书记在2018年中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话中指出：“瞄准世界科技前沿，引领科技发展方向，肩负起历史赋予的重任，勇做新时代科技创新的排头兵。”传感器，作为涉及新一轮产业变革的关键核心技术，对科技进步、经济发展和国家安全尤为重要。

传感器，英文名称Sensor，顾名思义，是感知的意思，感知信息，感知周围的变化，感知世界的动态。从1883年全球第一台恒温器上市以来，传感器作为延伸人类感知力的“五官”，已经深刻改变了我们所生活的地球。特别是步入21世纪，我们已经进入了传感器时代。物联网传感器可以嵌入到产品中以改善流程或产品本身，速度传感器可以用于车辆交通的管理，橱柜没有咖啡会被传感器自动检测，然后由区块链驱动的智能合约下单，由无人机直接送货上门……凡此种种已不再是天方夜谭，我们的地球已经穿上了“电子皮肤”，我们生活在一个可以随时随地收集测量数据的世界中，我们的谈话、我们的身体，甚至是梦境也在数据的监控之下。

科技的飞跃极大地提升了社会生产力的发展水平，人类的生活也比从前任何时候都显得更加便利，但是在这繁花似锦的背后，人类思想的传感却显得并不那么的自如。人与人的疏离、人和心的剥离似乎愈发的严重。公元前400年，古希腊哲学家苏格拉底曾言：“人类必须超越地球，到达大气层的顶端或更远的地方。因为只有这样，人类才能充分理解他所生活的那个世界。”今天，作为一名航天人，我将分享对传感器科技和产业发展的一些思考，供各位参考。

二  我国传感器产业发展面临必要之抉择

传感器技术发展至今，面临着基础科学陷入停滞，技术工程亟待改善，顶层架构管控缺失的问题。

1.科学研究层面，打破基础科学的瓶颈

科学是发现世界的学问，特别是基础研究是整个科学体系的源头。20世纪40年代以来，以相对论和量子力学为代表的重大基础科学的突破，不仅让人类对自然和宇宙的认识上了一个台阶，而且带来了二战后应用科技的爆炸式繁荣。相对论是宏观理论的极致，很好地解释了宇宙;量子论是微观理论的极致，是现代科学技术的基础，包括传感器在内的信息技术、现代化学、生物学、材料科学等都建立在此基础之上。两大科学理论为应用科技的蓬勃发展奠定了坚实基础，然而近些年，由于大专院校、科研院所沉不住气，静不下心，坐不了冷板凳，纷纷跑市场、抓项目、搞产业化，导致基础科学创新理论踟蹰不前。科技领域的“虚假繁荣”蒙蔽了人们的双眼，人类基础科学已经停滞了70余年，人类赖之以生存的应用技术已经渐入穷途，快要榨干基础科学这个河床上的最后一滴水。

大家都知道，在传感器中广泛应用的各种半导体材料，在过去的几十年里始终遵循着“摩尔定律”——即半导体电路晶体管的体积越来越小，单个芯片上可容纳的晶体管数量就会越来越多。晶体管数量的增多意味着处理器的速度越快、效率越高。然而，随着芯片技术的不断发展，“摩尔定律”也逐渐遇到了物理法则的限制。自进入21世纪以来，出现了“放缓”的迹象。目前，晶体管的体积已经达到纳米级别（美国和韩国已经开始研制7纳米的芯片），继续缩小的可能性正逐渐变小，“摩尔定律”所预言的发展轨迹似乎已逼近极限。既然基础的信息技术短期内出现颠覆性革命的可能性不大，就必须老老实实在传感器的科学研究上做到深、广、久、独，大胆探索新材料、新架构、新器件。

2. 技术工程层面，加强共性技术的研发

技术是改造世界的学问，是人们对客观世界的能动改造（实践）活动。工程科技是推动人类进步的发动机。科学无法用来直接改造世界，必须依靠技术应用于工程实践，用工程实践搭建起生产制造与市场应用的桥梁。传感器发展至今，已经实现跨学科、跨工艺、跨领域，已经从单一器件的简单传感走向多品种、模块化的复杂传感，正在迈向万物可传、万物互联的智慧传感。从学科来看，传感器技术囊括声学、力学、光学、化学、生物学、电器工程学、材料学等多种学科;从制造工艺来看，分为陶瓷烧结工艺，复合与集成工艺，机械加工工艺，薄膜、厚膜工艺，MEMS工艺和电化学工艺等;从应用场景来看，应用场景的复杂程度不同，对传感器的要求也就不同。无论是生活上冰箱的温度控制，水、燃气的用量大小，用于个人健身的可穿戴设备，还是行业里应用通信、电力交通、石化冶金、环保医疗，传感器作为集成创新和融合应用的典范，无时无刻无处不影响着人类的生产生活。同时，也正是由于传感器种类繁多、耦合复杂、结构异沉，导致了工艺技术分散、工程實践困难、产用难以结合的矛盾。这就要求我们加强共性技术、共性工艺的研发培育，在功能集成化和性能归一化上下功夫，在结构标准化和产品规范化上做文章。

3. 管控发展层面，破除产业技术碎片化

传感器产业化存在的问题，不仅仅是传感器本身的问题，更是跨界融合的管理问题。一方面，标准规范缺失。国际上缺乏只面向传感器，并且在复杂环境条件下的校准规范。这意味着以目前的传感器性能校准水平尚无准确方法判断传感器在复杂环境下的性能指标是否满足使用要求。当传感器在复杂工况下的测量数据不准确时，可能会导致潜在风险和安全隐患。拿我们国家为例，由于传感器分属不同行业和部门，存在九龙治水、多头管理的问题。发展上难以取得共识，政策上缺乏力度支持，导致管理乱象频发，产业分散，产品不能系列化。另一方面，过度重视技术。随着5G、人工智能、大数据、物联网、区块链技术方兴未艾，传感器作为智能化的基石，站在了这场革命的浪尖。然而，我们在注重技术的同时，忽视了人的管控。我们必须清醒地认识到，包括传感器在内的一切技术，都因为有人的介入，成为一个开放复杂的巨系统。传感器因此不再是简单的“算术逻辑”，而是复杂的“融合逻辑”。要知道，人工智能仍处于“有智商、没情商，有智能、没智慧”的阶段，距离人本身的智慧还差得很远。机器能够更好地发挥作用，是通过“算力”和“算法”的不断优化（机器“逻辑思维”优势）得以实现，但无论“算法”如何优化，都是人为的预先设定，这使得机器不能、也不可能产生“形象思维”和“创造思维”。传感器的发展，必须充分发挥人的主观能动性，通过人的智慧管理，辅之以机器的迭代优化，才能彻底解决产业技术孤岛化、碎片化的问题。

三  系统工程是解开传感器发展桎梏的钥匙

航天本身与传感器息息相关。运载火箭中的控制系统、动力系统、载人飞行器中的故障检测与诊断系统、舱内环境控制与生命保障系统等，都离不开传感器对航天器各关键部位工作状态的准确检测。传感器是确保测得出、测得准、预测对、诊断灵，保障任务成功率的有效手段。中国航天走过了60多年的光荣历程，大家都知道，钱学森是中国航天事业的奠基人，殊不知，钱学森更是一位伟大的思想家。钱学森在长期指导航天事业发展过程中，丰富和发展了他在美国奠基的系统工程思想，开创了一套既有中国特色，又有普遍科学意义的系统工程管理方法与技术，而这套方法，对实现传感器产业化集群式创新发展具有重要的指导意义。

钱学森从早年在美国创立《工程控制论》——“用不完全可靠的元件组成高度可靠的系统”，创造性地将控制论、运筹学、信息论结合起来，为系统工程的诞生奠定坚实的基础，到后来指导中国航天事业发展，开创了一套既有中国特色，又有普遍科学意义的系统工程管理方法与技术。这其中包括“总体协调、系统优化”的原则，包括“一个总体部、两条指挥线、科学技术委员会制”的管理模式。这使中国航天能够在一穷二白的境地下，利用很少投入、很短时间，将成千上万人有效地组织起来，突破了规模庞大、系统复杂、技术密集、风险巨大的大科学工程;1978年《组织管理的技术——系统工程》一文发表，标志着“系统工程中国学派”的诞生;开放的复杂巨系统理论的提出，钱学森建立了系统科学的完备体系，运用到经济社会发展的方方面面。曾有人评价，系统科学的发展，是一次科学革命，其重要性不亚于相对论或量子力学。1991年10月，国务院、中央军委授予钱学森“国家杰出贡献科学家”荣誉称号，作为“国家杰出贡献科学家”称号的唯一一位获得者，钱学森在领奖后说道：“两弹一星工程所依据的都是成熟理论，我只是把别人和我经过实践证明可行的成熟技术拿过来用，这个没有什么了不起，只要国家需要我就应该这样做，系统工程与总体设计部思想才是我一生追求之的。它的意义，可能要远远超出我对中国航天的贡献。”钱学森骄傲称之为“前无古人的方法”“中国人的发明”“中国人的智慧”“是我们的命根子”。

四  中国航天十二院助力传感器发展迈向新高

中国航天系统科学与工程研究院（中国航天第十二研究院，以下简称“十二院”）肩負着中央赋予的“建设钱学森智库;支撑航天、服务国家;成为中国先进技术转化应用平台”三大使命，是中国航天的五大总体，即智库工具总体、网络与数据工程推进总体、战略与情报工程推进总体、先进技术转化应用总体、基于模型的系统工程推进总体。十二院是我国第一台大型集成计算机的应用单位，开通了我国第一条国际互联网专线，建设了中国第一个实现全国联网的计算机网络，是中国网信军民融合联盟、国家两化融合创新推进联盟、中国卫星全球服务联盟、中国电子商务联盟等国家级平台的依托单位。十二院独有的平台优势与核心能力，能够为传感器科技和产业的发展，提供具有系统性、科学性、有效性、可靠性的解决方案。

1. 以思想的牵引力带动感传知用

传感器技术创新今天之所以面临学科知识纷繁复杂的难题，是肇始于自文艺复兴以来的西方“还原论”思想——把复杂问题简单化，把大的事物分解为更小的事物。还原论对近现代社会自然科学的进步不言自明。但是，其不足之处正日益明显。体现在传感器技术的发展上，就是单独理解个体，仍然无法解释整个系统，导致了“整体大于部分之和”。

为了避免“还原论”在科学发展上带来的局限，钱学森创造性地引入了东方“整体论”思想，并把二者相结合，形成了“系统论”思想。系统论强调从系统整体、动态等观点出发，如实地把研究对象视为完整的有机体和复杂系统，把定性和定量结合起来分析和处理问题，从而为现代科学技术的研究提供了一套崭新的方法论原则和程序。系统论既避免了“还原论”思想中“只见树木，不见森林”的矛盾，也避免了“整体论”思想中“只见森林，不见树木”的弊端。系统论将为传感技术的破旧立新、整体推进提供思想指引。

2. 以技术的转化力汇聚融合创新

传感器的生产过程被业界称之为制造“工业工艺品”。随着市场对传感器智能化水平要求的提高，传感器不仅要在原来的材料设备、工艺技术的发展上迈上新台阶，还要在多功能集成化、嵌入式能力、网络化接口、模块化构架等方面实现应用创新。

中国航天十二院汇聚了航天领域近3.7万项专利技术，以及延伸到国防领域的近17万项专利技术，汇聚了经济社会各领域的150万项专利信息资源。发挥航天的“技术优势、研发优势、集成优势”，通过对国防尖端技术的二次开发、产业化推广，可以迅速弥补民用领域传感技术的不足，为产业改造升级和新兴产业的培育提供捷径。近年来，十二院以航天专利技术转化为总抓手，面向地方，因地制宜，以“需求牵引、政府搭台、航天推进、企业唱戏、基金跟随、民众受益”为思路，建设专业化的技术交易、成果转化、资本积聚、产业孵化平台，发挥了重要的桥梁纽带作用。十二院所拥有的专利技术以及平台资源，能够有效打破传感器技术和市场“两张皮”，拆除阻碍产业化的“篱笆墙”，疏通应用科技和产业化连接的快车道，促进创新链和产业链的精准对接，把“养在闺中”的科研成果转化成生产力和战斗力。

3. 以决策的塑造力实现跨界涌现

钱学森为十二院打造了一整套智库方法工具体系，铸就了“从定性到定量的综合集成研讨厅”体系框架，形成了“专家体系、知识体系、机器体系”相互融合的钱学森智库基础设施。十二院在“三大体系”的基础上，完善形成了钱学森智库“六大体系、两个平台”，即“思想库体系、数据情报体系、网络和信息化体系、模型体系、专家库体系、决策支持体系，以及机器平台、指挥控制平台”。无论是“载人航天飞船方案”的提出，还是“国家民用空间基础设施发展规划”的研究论证，无论是多个航天发展五年规划，还是《中国工程科技2040总体战略设计与组织》，十二院及其前身都发挥了重要支撑作用。

钱学森智库“六大体系、两个平台”，集成跨领域、跨行业、跨系统、跨层级、跨地域专家的經验，打造“人机结合、人网结合、以人为主”的智慧化系统，让传感器技术可仿真、可检测、可控制、可优化，实现物理-数字-信息-知识-智能-智慧的“梯级涌现”，能够为传感器技术从单项应用，到企业级集成、产业链集成，最后到产业生态系统的系统规划、系统设计、系统建设、系统管理，提供科学有效的方法支撑，实现从“不满意状态”到“最满意状态”的综合提升。

五  结语

所当乘者势也，不可失者时也。世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期。把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机，以信息化、智能化为杠杆发展新业态、培育新动能，是建设清洁美丽世界，推动构建人类命运共同体的题中之意。中国航天十二院愿意乘势而上、主动作为，以钱学森系统工程思想之光点亮传感世界发展的未来，共同铺就人机融合、万物互联的美好画卷。

Abstract： The leap of science and technology has greatly promoted the development of social productivity. In terms of the development of aerospace business， sensor industry， as a key and core technology involved in the new round of industrial transformation， is particularly important for scientific and technological progress， economic development and national security. This industry is facing important choices in terms of scientific research， technical engineering and management and development. Guided by Qian Xuesen's thought of system engineering， the 12th Academy of Chinese Aerospace Science has unbolted the shackles of sensor development and pushed sensor development to a new high.

Keywords： sensor， Qian Xuesen， systems engineering， the 12th Academy of Chinese Aerospace Science