工業革命又稱產業革命。每一次工業革命都對產業的發展、社會的進步、人類的文明起著重要的促進作用,并且每一次工業革命的時期都在縮短,速度在加快,能量也在不斷加大。2013年4月,德國在漢諾威工業博覽會上正式推出工業4.0的概念,即第四次工業革命 (德國稱第一次工業革命為工業1.0,第二次工業革命為工業2.0,第三次工業革命為工業3.0)。李 克 強 總 理訪問德國時,也強調要加強中德“工業 4.0”合作。那么,什么是工業4.0,或者說第四次工業革命到底是什么樣子?對計量測試發展帶來什么樣的機遇和挑戰?

前三次工業革命的簡單回顧及計量測試在工業革命中的地位和作用

第一次工業革命誕生于18世紀晚期,以珍妮紡紗機的發明為標志,機械代替人工。之后,瓦特發明蒸汽機,并應用于火車等動力系統,大大推動了人類社會機械化進程。第二次工業革命以電力的廣泛應用和內燃機的發明為標志,工業生產更為集中,出現了大企業的批量生產、流水線生產。1926年汽車、乘用車的流水線生產,大大改變了人們的生活。第三次工業革命以原子能、電子計算機和空間技術的廣泛應用為主要標志,科學技術在原子能、電子計算機、微電子技術、航天技術、分子生物學和遺傳工程等領域取得重大突破,開辟了信息時代,也帶來了一種新型知識經濟,全面促進了人類文明的進步與發展。

從以上三次工業革命不難看出,科學技術是推動工業革命的重要動力。計量測試技術既是基礎科學,在前三次工業革命中發揮了重要的作用。

(一)計量的統一和力學的發展為第一次工業革命打下了基礎。

16世紀末17世紀初,文藝復興運動的擴展促進了人的思想解放,也對科學研究產生了重要影響;哥白尼提出“太陽中心說”,不但動搖了上帝創世說,也啟迪了伽利略對亞里士多德力學的質疑和實驗思想的萌生。伽利略基于觀察、實驗以及實驗與數學相結合的科學研究,發現了自由落體定律。牛頓在伽利略研究的基礎上發現了萬有引力定律和物體運動三定律,這三者共同形成了經典力學體系。經典力學的建立,也促進了光學、電磁學等學科與力學的統一。而蒸汽機、科爾尼鍋爐的發明以及將蒸汽機應用于火車,都是基于對力學、溫度的研究和測試基礎之上的。到目前為止還保留著熱力學的說法。珍妮紡紗機的發明推到了機械化進程,而機械化程度的提高,需要分工協作,特別是不同企業之間的協作,而此時英國度量衡的高度統一,為工廠之間的分工協作打下了良好的基礎。

(二)電的發明和應用成為第二次工業革命的主要驅動力。

從公元前624年希臘哲學家達爾斯(Thales),發現摩擦琥珀會吸引細線,磁石吸引鐵塊這一電現象,到1732年美國富蘭克林主張電為一流體學說,再到19世紀初電磁感應現象的發現、電報的發明等,人類經歷了漫長的對電的研究和應用過程。對電的測量與研究,以及對電的特性的發現,都集中在十八世紀初到到十九世紀未這100多年的時間內,這一段時間成為電氣應用最快的年代,期間的重大成果包括:摩擦起電、電磁感應、右手螺旋法則等等。為紀念這些科學家對電及其特性的發現以及對電測量所做出的卓越貢獻,國際計量屆以部分科學家的名字來定義電學的有關計量單位。如:以法國科學家庫侖的名字做為電量的計量單位;以意大利科學家伏特的名字做為電壓的計量單位;以法國科學家安培的名字做為電流的計量單位;以英國科學家焦耳的名字做為電能的計量單位。

能夠被測量的東西才能被感知。對電的計量測試不僅對電性能的發現起著重要作用,同時對推動了對電的應用。電的發明使得人類工業社會進入到了一個嶄新的時代“電氣時代”,促進了冶金技術、化工技術的發明,促進了以重工業為基礎的工業的發展,如鋼鐵工業、冶金工業、化學工業等等。可以說,電計量的發展為第二次工業革命提供了強大的推動力。

(三)計量領域的擴展以及計量精度的不斷提高為第三次工業革命提供了強有力的技術支撐。

第三次科技革命是涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命。這是一場全方位、多領域的技術革命。在這次革命中,電的應用和測量仍是主角,但長度、激光、溫度、電磁等都在各個領域發揮了重要作用,并且量值的測量向著極大、極小,極重、極輕,極高、極低等兩極發展。

如在長度計量測試領域,隨著對計量測試技術的改造和研究,納米測量應運而生并快速發展。線紋計量從一維測試向二維測試轉變,促進了集成電路中高精度電路板的校準和溯源儀器的精度不斷提高。真空激光干涉技術的應用將測長精度提高到至20nm/m。膜厚計量快速發展,并廣泛應用于半導體、微電子、通訊、電鍍、核物理研究等行業。面角度、小角度、線角度計量應運而生,廣泛應用于機制制造、建筑工種等領域。再如,對于時間的計量,精度已達1600萬年不差一秒,并被廣泛應用于航空航天、北斗導航、計量機時鐘等各行各業。電磁測試向弱磁方向發展,為航空航天等發揮了重要作用。在煤化工領域的氣化爐爐膛內高溫高壓的準確測量和生產過程的嚴格控制,成為確保煤氣化爐安全、經濟運行的關鍵技術和手段,也為進一步助力國家先進能源產業發展奠定了基礎。

第四次工業革命的主要內容及展望

在《保障德國制造業的未來:關于實施“工業4.0”戰略的建議》這份報告中認為:“工業4.0”即第四次工業革命的核心是信息物聯網和服務互聯網與制造業的融合創新。美國于2005年末曾對信息物聯網和服務互聯網與制造業的融合做出綜合性的概括,稱之為虛擬網絡——實體物理系統(Cyber-PhysicalSystem,CPS)。該系統可以實現透明化生產,預測性制造。“工業4.0”與美國的“CPS”異曲同工。

(一)智能是第四次工業革命的主要特征。

第四次工業革命中,資本和貿易在產業發展中的地位和作用將逐漸下降,信息、技術作為未來產業發展不可或缺的生產要素,越來越發揮著基礎性和引領性作用。電子器件微型化、計量機及存儲介質的性能飛躍,使得現在的小體積和無線功能成為可能。把智能手機的智能應用于所有工業領域就是工業4.0的目標。“智能”成為第四次工業革命的關鍵詞。在未來的智能工廠中,產品信息都將被輸入到產品零部件本身,它們會根據自身生產需求,直接與生產系統和設備溝通,發出下一道生產工序指令,指揮設備進行自組織生產。這種自主生產模式能夠滿足每位用戶的“定制”需求。如:作為全球最主要的飛機引擎制造商的美國通用公司(GE),正在用智能飛機引擎讓飛機更智能。飛機引擎上的各種傳感器會收集飛機在空中飛行時的各種數據,這些數據傳輸到地面,經過智能軟件系統分析,可以精確檢測飛機運行狀況,甚至預測飛機故障,提示做預防性保養等,以提升飛機安全性以及引擎使用壽命。這其實只是智能的一個表現例子。在其他工作中,“智能”已成為工業的“心臟”、“大腦”。

美國是國際智能制造思想的發源地之一,美國政府高度重視智能制造的發展,并且已經把它作為21世紀占領世界制造技術領先地位的基石。從上世紀90年代開始,美國國家科學基金會(NSF)就著重資助有關智能制造的諸項研究,項目覆蓋了智能制造的絕大部分,包括制造過程中的智能決策、基于多施主(multi-agent)的智能協作求解、智能并行設計、物流傳輸的智能自動化等。2005年,美國國家標準與技術研究所(NIST)提出了“聰明加工系統(smartmachiningsystem,SMS)”研究計劃。智能制造被視為制造業轉型的出路。在2014年的漢諾威工業博覽會上,德國企業還展示了自己的“工業4.0”構想生產線:西門子展示在其生產線上,車體與機器人一邊“對話”一邊進行組裝;博士力士樂和薩博分別展示了一條能在同一條生產線上生產兩種產品和六種斷路器的概念靈活裝配線;薩博展示了一臺可以生產16種不同產品,并對它們進行區分的設備裝置。

(二)互聯互通是第四次工業革命的重要手段。

工業4.0時代,數字化的靈活性將更加強烈地影響現實世界。軟件將不再僅僅是為了控制儀器或者執行某步具體的工種程序而編寫,也不再僅僅被嵌入到產品或生產系統里,要實現數字化與現實的交互,通過軟件、電子及環境的結合,生產出全新的產品和服務。因此互聯互通是必不可少的。對于工業來說,通過數字化企業平臺,將虛擬和現實世界進行融合,實現從車間到公司管理層的雙向信息流和數據協同優化,這是通往實現工業4.0的必由之路。

幾年前,英格索蘭發現空調壓縮機市場的競爭日趨激烈,而一臺壽命15年的空調壓縮機如果沒有持續的服務難以銷售,于是把空調壓縮機變成了智能的可聯網產品。現在每一臺空調壓縮機都具備聯網能力。“從本質上來說,人們并不需要為產品付費,而應為舒適(產品創造的價值)付費。”美國參數技術公司(PTC)全球總裁賀普曼(JimHeppelmann)說。“我們發現,智能連接產品的爆炸式增長將重新定義整個產業鏈條,它會對產業結構產生影響,也會改變參與競爭的戰略。”

在2014年PTC全球用戶大會上,賀普曼闡釋了未來產品價值變化的三大趨勢:原先硬件創造的價值正在被軟件創造的價值所共享;網絡聯接讓我們在軟件創新方面有了新的選擇,價值正在從產品向云轉變;商業模式從產品轉向了服務。”就像人們在電信運營商那里購買兩年通信套餐服務就可以免費或低價獲得移動電話一樣,未來洗衣機、咖啡機、跑步機都可能通過服務合約而免費贈送。物聯網—未來工廠與世界“一線之隔”。GE公司2012年11月發布的《工業互聯網——打破智慧與機器的邊界》的報告中預測:在美國,如果工業互聯網能夠使生產率每年提高1%-1.5%,那么未來20年,它將使美國人的平均收入比當前水平提高25%-40%;如果世界其他地區能確保實現美國生產率增長的一半,那么工業互聯網在此期間會為全球GDP增加10萬億-15萬億美元。

(三)傳感器的研制和傳感技術的創新將成為影響第四次工作革命進程的重要因素之一。

互聯網、物聯網都需要大量的信息,而這些信息的產生都是來自儀器儀表或直接來自傳感器。智能制造、智能生產,沒有計量測試便無從談起。根據我國工業和信息化部制定和發布的智能制造裝備產業發展路線圖規劃,智能制造裝備的發展重點為:

(1)九大關鍵智能基礎共性技術,包括:新型傳感技術、模塊化、嵌入式控制系統設計、先進控制與優化技術、系統協同技術、故障診斷與健康維護技術、高可靠實時通信網絡技術、功能安全技術、特種工藝與精密制造技術、識別技術等。

(2)八項核心智能測控裝置與部件,包括:新型傳感器及其系統、智能控制系統現場總線、智能儀表、精密儀器、工業機器人與專用機器人、精密傳動裝置、伺服控制機構、液氣密元件及系統。

從以上這兩個發展重點不難看出,傳感技術和傳感器的研究是其中的重點項目。傳感器和傳感技術是計量測試的一種表現形式,而其他重點項目的研究,如機器人、液氣密系統等都離不開計量測試的使用和計量測試精度和能力的保障。傳感器及傳感技術的發展將成為第四次工業革命的關鍵中的關鍵。計量測試的水平和能力,在一定程度上決定著第四次工業革命的進程。

第四次工業革命給計量測試帶來的思考

第四次工業革命以“智能制造、智能生產”為核心,以互聯為手段,以計量測試為重要的核心技術。第四次工作革命也是大數據時代,是信息技術時代,是把一切測試信息進行綜合采集、綜合分析并加以綜合運用,在運用的過程中再進行新的采集、新的分析、新的應用的過程。在這個過程中,及時、準確、可靠的測試無處不在,無時不在。這對計量測試技術的挑戰是全面的、綜合的、全方位的。我認為應從以下幾個方面對計量測試進行思考:

1、要從更高準確性、可靠性上思考如何進一步提高計量測試精度問題。

計量測試技術的準確性和可靠性是計量數據有效、可用并能進行正確分析的基礎。同時計量測試精度也是實現測控系統、管理系統的基礎。如現代銀行系統,要實現全球結算的準確,即在全球范圍內銀行統計的收支情況在某一節點時必須一致,而不致于出現偏差(即帳目不平衡),需要銀行計算機系統的時間精度必須在10的負8次方以上,而如果全世界的工業要實現4.0,要實現實時對接平衡,肯定要高于這個精度,因為數據更多,涉及的行業、部門、產業、企業更為繁雜。目前時間的計量精度已達到了10的負15次方以上,但這只是實驗室中的數據,在計算機系統中能否等到實際應用?能否滿足要求?這只是工業4.0對時間這一個參數的要求,那么對于長度、溫度、電磁、無線傳輸等都提出了什么樣的要求?我們能否滿足?這需要進一步的調研。但可心肯定的是:第四次工業革命的到來,一定需求更高精度的計量測試為其提供測試技術保證。

2、要從傳感技術的快速發展來思考儀器儀表產業發展問題以及對傳感器的量值傳遞和溯源問題。

無論智能生產、智能工廠,傳感器將是產業數據的直接根源。東德玻璃制造商采用了一套集成自動化解決方案,一個先進的能源管理系統以及一個創新的熱回收系統,一條生產線上就安裝了3000多個測量傳感器(而不是儀器儀表),保證著整個系統的完整與正常運行。那么如何保證這些傳感器的準確、可靠?即如何對他們實現量值的傳遞和溯源?如何實現傳感器的自校準功能?測量傳感器加上軟件系統,就實現了原來儀表的功能,是不是今后的儀表會被所有的傳感器加軟件所替代?儀器儀表行業將何去何從?傳感器的快速發展以及軟件的應用對計量儀器儀表產業發展帶來的挑戰和威脅是巨大的,也將是深遠的。

3、要從嵌入式軟件全方位應用及互聯網的發展來思考計量相關軟件的檢定、校準或檢測問題。

無論是工業4.0,還是工業互聯網,“互聯互通”是推動這一輪工業革命的核心要素。近幾年互聯互通技術快速發展,也帶動了軟件業的快速發展。系統集成、遠程傳輸、嵌入式軟件將成為測試儀器的重要組成部分,軟件與儀器將不可分隔。同時,現代的計量測試儀表大都可以直接與互聯網相通。現在較為成熟的像電能表的智能抄表系統,已把互聯網做為其中的重要組成部分。而現在的計量檢定、計量校準一般只對儀器設備,或者說只對前面的計量檢測部分,而很少涉及對軟件采集性能、安全性能、可靠性能等進行測試。這種管理方式方法或者說管理內容在未來必須發生改變。同時,由于軟件的存在,傳感器的廣泛應用,一個系統對多個參數、多類參數同時進行測量的可能性大大增加。軟件的可靠性、互通互聯技術能力將成為影響第四次工業革命的重要因素。這些給我們的思考是:我們現在是否有軟件的測評能力?能否對整個系統進行檢定或校準?能否對所有的參數同時進行在線檢定、在線校準?

4、要從多學科融合的角度來思考計量人才的培養問題。

在工業4.0時代,肯定需要更加專業的計量技術人才,因為計量專業性很強,在某一單個領域還需要向著更高、更準的方向努力。精益求精,不斷超越自我是計量的永遠追求。但工業4.0時代更是一個大整合的時代,從表面上看是物物相聯、人機相聯、制造與服務相聯,但深層看,是多學科的相聯,多領域的相聯,是多種技術的相互滲透。任何產品中都包含著軟件和無線網絡,包含著電子、機械、化工、材料等多項專業技術,有的還包含農業、林業以及管理知識。工業系統的發展也更加向著多通道、多參數、全方位、系統化發展。需要具有跨學科經驗的人才才能擔當相關的工作,進行準確的操作、維護等各種技能。因此,多學科綜合性人才的需求越來越大,對人才綜合素質的要求越來越高。加強研究與企業的科研合作,不僅對項目的考察、立項以及驗收使用有益,也更能聯合培養一些跨專業、跨學科的人才。創新一般不發生一個專業的領域,更多出現在跨學科、跨領域的邊緣學科。在總結為什么第三次科技革命首發于美國原因時,社會普遍認為:美國的“實用主義哲學”以及“實驗技術以軍民結合、理工結合為特色”發揮了重要作用。

5、要從計量檢定、校準的扁平化來思考計量技術機構的設置及發展方向問題。

1978年,錢學森同志在全國計量工作會議上發表重要講話,當時他就提出計量檢定、校準的扁平化問題。錢老講:“要保持計量器具的精度,就是建立全國計量網,一種方法是三級傳遞,即更高級的精度向更低級的精度負責。......但是我們能不能更靈活地來想一想這個問題,想得更寬一點......計量的精度,這是一個計量的信息。這個信息怎么傳遞,就會決定計量這個信息網。計量網這個組織,恐怕隨著我們計量信息傳遞技術的發展而會有變化的。......如果能做到用標準物質加無線電信號解決計量信息的問題,這是大好事情。那樣,你也就不需要幾級傳遞啦。”隨著第四工業革命的到來,特別是隨著無線傳輸、空間加載、遠程診斷以及互聯網的應用,計量檢定、校準的扁平化問題將會越來越突出。那么,具有中國特色的大區中心的職能是否會萎縮?省級技術機構做為主要的傳遞環節,可能會將量值直接傳遞到企業、到用戶,那么地市級的計量技術機構和縣級計量技術機構還會有哪些檢定、校準的職能?因此,這此都對現在計量技術機構的設置、資源配置帶來巨大的影響。

6、要從工程控制系統的角度來思考社會治理問題。

錢學森先生在1954年著過一本書,叫《工程控制論》。之后在其修訂版的序言中有這樣一段話:“維納在一九四八年曾經說過,那種認為控制論的新思想會發生某種社會效用的想法是‘虛偽的希望’,‘把自然科學中的方法推廣到人類學、社會學、經濟學方面去,希望能在社會領域里取得同樣程度的勝利’,這是一種‘過分的樂觀’。控制論的現代發展證明維納的觀點是過分保守的。把一些工種技術方法推廣應用到社會領域也不是‘過分的樂觀’,而是現實。運籌學已用于經濟科學,并將應用于更大的社會領域。”

目前,工種控制理論已在大部分企業得到應用,工程控制的理念也在社會管理中出現萌芽,如國家城市能源計量中心的建設就是一個很好的例子,只是這個應用在能源管理中的應用還不十分完善。工業4.0也是一個巨大的工程系統,這個系統的觸角也開始向行政管理、社會管理“進攻”。那么,社會組織系統何時能像工業控制系統那樣嚴密、精準,我想隨著第四工業革命的到來,恩格斯所預言的“在社會主義條件下,社會內部的無政府狀態將為有計劃的自覺的組織所代替”,這在不久的將來一定會成為現實。