——馬愛文
工業(yè)革命又稱產(chǎn)業(yè)革命。每一次工業(yè)革命都對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、社會的進(jìn)步、人類的文明起著重要的促進(jìn)作用，并且每一次工業(yè)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(yè)博覽會上正式推出工業(yè)4.0的概念，即第四次工業(yè)革命（德國稱第一次工業(yè)革命為工業(yè)1.0，第二次工業(yè)革命為工業(yè)2.0，第三次工業(yè)革命為工業(yè)3.0）。李克強(qiáng)總理訪問德國時，也強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)中德“工業(yè)4.0”合作。那么，什么是工業(yè)4.0，或者說第四次工業(yè)革命到底是什么樣子？對計(jì)量測試發(fā)展帶來什么樣的機(jī)遇和挑戰(zhàn)？
一、前三次工業(yè)革命的簡單回顧及計(jì)量測試在工業(yè)革命中的地位和作用
第一次工業(yè)革命誕生于18世紀(jì)晚期，以珍妮紡紗機(jī)和蒸汽機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，機(jī)械代替人工，大大推動了人類社會機(jī)械化進(jìn)程。第二次工業(yè)革命以電力的廣泛應(yīng)用和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，工業(yè)生產(chǎn)更為集中，出現(xiàn)了大企業(yè)的批量生產(chǎn)、流水線生產(chǎn)，生產(chǎn)力大大提高。第三次工業(yè)革命以原子能、電子計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)的廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志，科學(xué)技術(shù)在原子能、電子計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)、航天技術(shù)、分子生物學(xué)和遺傳工程等領(lǐng)域取得重大突破，開辟了信息時代，全面促進(jìn)了人類文明進(jìn)程。
從以上三次工業(yè)革命不難看出，科學(xué)技術(shù)是推動工業(yè)革命的重要動力。計(jì)量測試技術(shù)做為基礎(chǔ)科學(xué)，在前三次工業(yè)革命中發(fā)揮了重要的作用。
（一）計(jì)量的統(tǒng)一和力學(xué)的發(fā)展為第一次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)
16世紀(jì)末，文藝復(fù)興運(yùn)動的擴(kuò)展促進(jìn)了人的思想解放，也對科學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響。伽利略基于觀察、實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了自由落體定律。牛頓在伽利略研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律和物體運(yùn)動三定律，這三者共同形成了經(jīng)典力學(xué)體系。經(jīng)典力學(xué)的建立，也促進(jìn)了光學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)科與力學(xué)的統(tǒng)一。而蒸汽機(jī)、科爾尼鍋爐的發(fā)明以及將蒸汽機(jī)應(yīng)用于火車，都是基于對力學(xué)、溫度的研究和測試基礎(chǔ)之上的。而當(dāng)時英國度量衡的高度統(tǒng)一，也為工廠之間的分工協(xié)作打下了良好的基礎(chǔ)。
（二）電的發(fā)明和應(yīng)用成為第二次工業(yè)革命的主要驅(qū)動力
從1732年美國富蘭克林主張電為一流體學(xué)說，到19世紀(jì)初電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、電報的發(fā)明等，人類經(jīng)歷了漫長的對電的研究和應(yīng)用過程。也正是對電的測量與研究以及對電特性的廣泛應(yīng)用，大大推動了工業(yè)企業(yè)的自動化進(jìn)程，提高了工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率。所以人們習(xí)慣稱第二工業(yè)革命為電氣時代。為紀(jì)念科學(xué)家對電及其特性的發(fā)現(xiàn)以及對電測量所做出的卓越貢獻(xiàn)，國際上以相關(guān)科學(xué)家的名字來定義電學(xué)的有關(guān)計(jì)量單位。如：以法國科學(xué)家?guī)靵龅拿肿鰹殡娏康挠?jì)量單位；以意大利科學(xué)家伏特的名字做為電壓的計(jì)量單位；以法國科學(xué)家安培的名字做為電流的計(jì)量單位；以英國科學(xué)家焦耳的名字做為電能的計(jì)量單位。
（三）計(jì)量領(lǐng)域的擴(kuò)展以及計(jì)量精度的不斷提高為第三次工業(yè)革命提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐
第三次科技革命是涉及信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)等諸多領(lǐng)域的一場信息控制技術(shù)革命。這是一場全方位、多領(lǐng)域的技術(shù)革命。在這次革命中，電的應(yīng)用和測量仍是主角，但長度、力學(xué)、溫度、電磁、光學(xué)等都在各個領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，并且量值的測量向著極大、極小，極高、極低等兩極發(fā)展。如在長度計(jì)量測試領(lǐng)域，隨著對計(jì)量測試技術(shù)的改造和研究，納米測量應(yīng)運(yùn)而生并快速發(fā)展。線紋計(jì)量從一維測試向二維測試轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了集成電路中高精度電路板的校準(zhǔn)和溯源儀器的精度不斷提高。真空激光干涉技術(shù)的應(yīng)用將測長精度提高到20nm/m。膜厚計(jì)量快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、通訊、電鍍、核物理研究等行業(yè)。時間頻率計(jì)量，精度已達(dá)1600萬年不差一秒，并被廣泛應(yīng)用于航空航天、北斗導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)時鐘等各個行業(yè)。電磁測試向弱磁方向發(fā)展，為航空航天等發(fā)揮了重要推動作用。
二、第四次工業(yè)革命的主要內(nèi)容及展望
在《保障德國制造業(yè)的未來：關(guān)于實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的建議》這份報告中認(rèn)為：“工業(yè)4.0”即第四次工業(yè)革命的核心是信息物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的融合創(chuàng)新。美國于2005年末曾對信息物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的融合做出綜合性的概括，稱之為虛擬網(wǎng)絡(luò)——實(shí)體物理系統(tǒng)（Cyber-physical System，CPS）。 “工業(yè)4.0”與美國的“CPS”異曲同工。
（一）智能是第四次工業(yè)革命的主要特征
第四次工業(yè)革命中，資本和貿(mào)易在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的地位和作用將逐漸下降，信息、技術(shù)作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的生產(chǎn)要素，越來越發(fā)揮著基礎(chǔ)性和引領(lǐng)性作用。把智能手機(jī)的智能應(yīng)用于所有工業(yè)領(lǐng)域就是工業(yè)4.0的目標(biāo)。“智能”將成為第四次工業(yè)革命的主要特征。在未來的智能工廠中，產(chǎn)品信息都將被輸入到產(chǎn)品零部件本身，它們會根據(jù)自身生產(chǎn)需求，直接與生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備溝通，發(fā)出下一道生產(chǎn)工序指令，指揮設(shè)備進(jìn)行自組織生產(chǎn)。這種自主生產(chǎn)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(jī)引擎制造商的美國通用電氣公司（GE），正在用智能飛機(jī)引擎讓飛機(jī)更智能。飛機(jī)引擎上的各種傳感器會收集飛機(jī)在空中飛行時的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫?jīng)過智能軟件系統(tǒng)分析，可以精確檢測飛機(jī)運(yùn)行狀況，甚至預(yù)測飛機(jī)故障，提示做預(yù)防性保養(yǎng)等，以提升飛機(jī)安全性以及引擎使用壽命。這其實(shí)只是智能的一個表現(xiàn)例子。在未來的工業(yè)企業(yè)，“智能”將成為“心臟”和“大腦”。
美國是國際智能制造思想的發(fā)源地之一，美國政府高度重視智能制造的發(fā)展，并且已經(jīng)把它作為21世紀(jì)占領(lǐng)世界制造技術(shù)領(lǐng)先地位的基石。從上世紀(jì)90年代開始，美國國家科學(xué)基金會(NSF)就著重資助有關(guān)智能制造的諸項(xiàng)研究，項(xiàng)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(xié)作求解、智能并行設(shè)計(jì)、物流傳輸?shù)闹悄茏詣踊取?005年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)提出了“聰明加工系統(tǒng)(Smart Machining System，SMS)”研究計(jì)劃。智能制造被視為制造業(yè)轉(zhuǎn)型的出路。
（二）互聯(lián)互通是第四次工作革命的重要手段
工業(yè)4.0時代，數(shù)字化的靈活性將更加強(qiáng)烈地影響現(xiàn)實(shí)世界。軟件將不再僅僅是為了控制儀器或者執(zhí)行某步具體的工作程序而編寫，也不再僅僅被嵌入到產(chǎn)品或生產(chǎn)系統(tǒng)里。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與現(xiàn)實(shí)的交互，通過軟件、電子及環(huán)境的結(jié)合，生產(chǎn)出全新的產(chǎn)品和服務(wù)。因此互聯(lián)互通是必不可少的。對于工業(yè)來說，通過數(shù)字化企業(yè)平臺，將虛擬和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)從車間到公司管理層的雙向信息流和數(shù)據(jù)協(xié)同優(yōu)化，這是通往實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的必由之路。
有人預(yù)測，未來的產(chǎn)品價值將有三大變化趨勢：原先硬件創(chuàng)造的價值正在被軟件創(chuàng)造的價值所共享；網(wǎng)絡(luò)連接讓我們在軟件創(chuàng)新方面有了新的選擇，價值正在從產(chǎn)品向云轉(zhuǎn)變；商業(yè)模式從產(chǎn)品轉(zhuǎn)向了服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)等，讓未來工廠與世界只有“一線之隔”。GE公司2012年11月發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)—— 打破智慧與機(jī)器的邊界》的報告中預(yù)測：在美國，如果工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠使生產(chǎn)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(dāng)前水平提高25%-40%；如果世界其他地區(qū)能確保實(shí)現(xiàn)美國生產(chǎn)率增長的一半，那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在此期間會為全球GDP增加10 ～15萬億美元。
（三） 傳感器的研制和傳感技術(shù)的創(chuàng)新將成為影響第四次工作革命進(jìn)程的重要因素之一
互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)都需要大量的信息，而這些信息的產(chǎn)生都是來自儀器儀表或直接來自于各種傳感器。智能制造、智能生產(chǎn)，沒有計(jì)量測試便無從談起。根據(jù)我國工業(yè)和信息化部制定和發(fā)布的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖規(guī)劃，智能制造裝備的發(fā)展重點(diǎn)突出表現(xiàn)在兩個方面：一是九大關(guān)鍵智能基礎(chǔ)共性技術(shù)包括：新型傳感技術(shù)、模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)、故障診斷與健康維護(hù)技術(shù)、高可靠實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、功能安全技術(shù)、特種工藝與精密制造技術(shù)、識別技術(shù)等。二是八項(xiàng)核心智能測控裝置與部件包括：新型傳感器及其系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線、智能儀表、精密儀器、工業(yè)機(jī)器人與專用機(jī)器人、精密傳動裝置、伺服控制機(jī)構(gòu)、液氣密元件及系統(tǒng)。
從以上這兩個發(fā)展重點(diǎn)不難看出，傳感技術(shù)和傳感器的研究是其中的重點(diǎn)項(xiàng)目，而其他重點(diǎn)項(xiàng)目的研究，如機(jī)器人、液氣密系統(tǒng)等都離不開計(jì)量測試的使用和計(jì)量測試精度和能力的保障。傳感器和傳感技術(shù)是計(jì)量測試的一種表現(xiàn)形式，傳感器及傳感技術(shù)的發(fā)展將成為第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
三、第四次工業(yè)革命給計(jì)量測試帶來的思考
第四次工業(yè)革命以“智能制造、智能生產(chǎn)”為核心，以互聯(lián)為手段，以計(jì)量測試為重要的核心技術(shù)。第四次工作革命也是大數(shù)據(jù)時代，是信息技術(shù)時代，是把一切測試信息進(jìn)行綜合采集、綜合分析并加以綜合運(yùn)用，在運(yùn)用的過程中再進(jìn)行新的采集、新的分析、新的應(yīng)用的過程。在這個過程中，及時、準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量測試無處不在，無時不在，無所不在。這對計(jì)量測試技術(shù)的挑戰(zhàn)是全面的、綜合的、全方位的。我認(rèn)為應(yīng)從以下幾個方面對計(jì)量測試進(jìn)行思考：
1. 應(yīng)從更高準(zhǔn)確性、可靠性、一致性上思考如何進(jìn)一步提高計(jì)量測試能力問題
計(jì)量測試技術(shù)的準(zhǔn)確性、一致性和可靠性是實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)。如現(xiàn)代銀行系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)銀行收支情況在某一節(jié)點(diǎn)時必須一致，即帳目不致于出現(xiàn)偏差不平衡，需要銀行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時間精度必須在10-6以上，而如果全世界的工業(yè)要實(shí)現(xiàn)4.0，實(shí)現(xiàn)實(shí)時對接平衡，肯定要高于這個精度，因?yàn)閿?shù)據(jù)更多，涉及的行業(yè)、部門、產(chǎn)業(yè)、企業(yè)更為繁雜。目前時間的計(jì)量精度雖已達(dá)到了10-15以上，但這只是實(shí)驗(yàn)室中的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能否得到實(shí)際應(yīng)用？能否滿足要求？這只是工業(yè)4.0對時間這一個參數(shù)的要求，對于長度、溫度、電磁、無線傳輸?shù)榷继岢隽耸裁礃拥男枨螅课覀兡芊駶M足？第四次工業(yè)革命的到來，一定需求更高精度的計(jì)量測試為其提供測試技術(shù)保證。
2. 應(yīng)從傳感技術(shù)的快速發(fā)展來思考儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)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(chǎn)還是智能工廠，傳感器將是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的直接根源。東德某玻璃制造企業(yè)，一個玻璃全自動生產(chǎn)系統(tǒng)線上就安裝了3000多個測量傳感器，保證著整個系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行。這些傳感器代表了傳統(tǒng)的檢測儀表。那么如何保證這些傳感器的準(zhǔn)確、可靠？如何對他們進(jìn)行量值傳遞和溯源？能否實(shí)現(xiàn)傳感器的自校準(zhǔn)功能？測量傳感器加上軟件系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了原來儀表的功能，未來的檢測儀表是否將被各式各樣的傳感器或傳感系統(tǒng)所替代？儀器儀表行業(yè)將何去何從？
3.應(yīng)從嵌入式軟件全方位應(yīng)用及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展來思考計(jì)量相關(guān)軟件的檢定、校準(zhǔn)或檢測問題
無論是工業(yè)4.0，還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，“互聯(lián)互通”是推動這一輪工業(yè)革命的核心要素。近幾年互聯(lián)互通技術(shù)快速發(fā)展，也帶動了軟件業(yè)的快速發(fā)展。系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)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。現(xiàn)代的計(jì)量測試儀表大都可以直接與互聯(lián)網(wǎng)相通。現(xiàn)在較為成熟的像電能智能抄表系統(tǒng)，已把互聯(lián)網(wǎng)做為其中的重要組成部分。而現(xiàn)在的計(jì)量檢定、計(jì)量校準(zhǔn)一般只針對儀器設(shè)備，或者說只針對其中的計(jì)量檢測部分，很少涉及對軟件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性等進(jìn)行測試。這種管理方式在未來必須發(fā)生改變。同時，由于軟件的存在，傳感器的廣泛應(yīng)用，一個系統(tǒng)對多個參數(shù)、多類參數(shù)同時進(jìn)行測量的可能性大大增加。軟件的可靠性、互通互聯(lián)技術(shù)能力將成為影響第四次工業(yè)革命的重要因素。那么我們現(xiàn)在是否有軟件的測評能力？能否對整個系統(tǒng)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)？能否對所有的參數(shù)同時進(jìn)行在線檢定？
4.應(yīng)從多學(xué)科融合的角度來思考計(jì)量人才的培養(yǎng)問題
在工業(yè)4.0時代，不僅需要更加專業(yè)的計(jì)量技術(shù)人才，因?yàn)橛?jì)量專業(yè)性很強(qiáng)，在某一單個領(lǐng)域還需要向著更高、更準(zhǔn)的方向發(fā)展。但工業(yè)4.0時代更是一個大融合的時代，從表面上看是物物相聯(lián)、人機(jī)相聯(lián)、制造與服務(wù)相聯(lián)等，但深層看，是多學(xué)科的融合，多領(lǐng)域的融合，是多種技術(shù)的相互滲透。任何產(chǎn)品中都包含著軟件和無線網(wǎng)絡(luò)，包含著電子、機(jī)械、化工、材料等多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，有的還包含農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及管理知識。工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展向著多通道、多參數(shù)、全方位、系統(tǒng)化發(fā)展。多學(xué)科綜合性人才的需求越來越大，對人才綜合素質(zhì)的要求越來越高。因此，需要具有跨學(xué)科經(jīng)驗(yàn)的人才才能擔(dān)當(dāng)相關(guān)的工作，進(jìn)行準(zhǔn)確的操作、維護(hù)等。創(chuàng)新一般不發(fā)生在一個專業(yè)的領(lǐng)域，更多出現(xiàn)在跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的邊緣學(xué)科。在總結(jié)為什么第三次科技革命首發(fā)于美國原因時，社會普遍認(rèn)為：美國的“實(shí)用主義哲學(xué)”以及“實(shí)驗(yàn)技術(shù)以軍民結(jié)合、理工結(jié)合為特色”發(fā)揮了重要作用。
5.應(yīng)從計(jì)量檢定、校準(zhǔn)的扁平化來思考計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)置及發(fā)展方向問題
隨著第四工業(yè)革命的到來，特別是隨著無線傳輸、空間加載、遠(yuǎn)程診斷以及互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，以后的量傳溯源或許不再需要一級級傳遞，而是通過現(xiàn)代科技手段，如無線傳輸，計(jì)量檢定、校準(zhǔn)就可以直接溯源到最高計(jì)量基準(zhǔn)。計(jì)量檢定、校準(zhǔn)的扁平化問題將會越來越突出。那么，具有中國特色的大區(qū)計(jì)量測試中心的量傳職能是否會萎縮？有些量值可以直接溯源到國家級或省級技術(shù)機(jī)構(gòu)，那么地市級的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和縣級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)還會有什么樣的檢定、校準(zhǔn)任務(wù)？這些都對現(xiàn)行的計(jì)量量傳溯源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，也直接影響著全國計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)置和計(jì)量資源的配置。
6.應(yīng)從工程控制系統(tǒng)的角度來思考計(jì)量的行政管理問題
工業(yè)4.0是一個巨大的系統(tǒng)工程，也是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ炭刂葡到y(tǒng)。這個系統(tǒng)將社會方方面面的信息進(jìn)行綜合、分析，并產(chǎn)生新的指令，同時也為社會治理提供決策依據(jù)。社會治理必須與第四次工業(yè)革命的進(jìn)程緊密結(jié)合。國家城市能源計(jì)量中心建設(shè)是工業(yè)系統(tǒng)與管理體系相結(jié)合的一個很好的開端，雖然還很不完善，但以后這樣的系統(tǒng)在第四次工業(yè)革命中會出現(xiàn)很多。錢學(xué)森曾提出將工程控制理論應(yīng)用于社會管理中。做為計(jì)量行政管理部門，如何將工程控制系統(tǒng)的理念應(yīng)用于計(jì)量社會管理，如何提前謀劃，提前布局，如何利用第四次工業(yè)革命來提高計(jì)量管理的效率和能力。現(xiàn)在是時候思考了。
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