計量科學在智能制造產業中的應用

任孝平　楊帆　塔娜　何運飛

摘要：分析國內智能制造領域的各種問題，指出我國推進實施“中國制造2025”戰略，必須狠抓核心關鍵部件自給率、提高精密測量技術，將計量科學真正應用于智能制造領域，實現復雜參數測量的等效一致性和關鍵技術標準的國際接軌，才能從根本上擺脫高端制造業受制于人的局面。

關鍵詞：計量科學；智能制造；人工智能；國家質量基礎；

0引言

中國對智能制造和產業自動化升級的需求，催生了巨大的機器人市場。然而作為新興智能裝備制造業的機器人產業，計量標準體系的缺失，可能令機器人產業難以走入良性循環，進而影響我國智能制造產業的發展。世界領先的工業機器人制造商ABB公司質保及校準部經理Peter Fixell認為：“一臺真正好的工業機器人，應該在其整個生命周期內都會保持良好的精度……”。然而在中國，一直是國外機器人的天下。因此，盡快制定我國具有自主知識產權的機器人基礎標準和計量檢測體系，打破國際技術性貿易壁壘并實現與國際標準接軌，為推進機器人產品走向市場奠定基礎，對推動中國制造搶占高端制造業市場具有重要意義。

1智能制造的發展現狀

智能制造源于人工智能的研究。一般認為智能是知識和智力的總和，前者是智能的基礎，后者是指獲取和運用知識求解的能力。智能制造應當包含智能制造技術和智能制造系統，智能制造系統不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，還有搜集與理解環境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規劃自身行為的能力。

早在2011年，美國就率先發布了國家先進制造伙伴計劃，重點關注和支持智能化技術和智能制造。德國作為全球制造業中最具競爭力的國家之一，也于2013年發布了工業4.0戰略。其他制造業區域如歐盟、日本、韓國也紛紛發布了與智能制造相關的國家機器人發展戰略?？梢姰斍?，新一輪工業革命已成為世界各國戰略布局的主要方向，發達國家和地區紛紛把智能制造和機器人作為國家戰略，搶占智能制造技術和市場的制高點。以機器人、智能制造為代表的“工業4.0”時代已悄然來臨。我國經過多年的高速發展之后，已進入經濟發展的新時代，目前是在由制造業大國向制造業強國邁進的關鍵時期。

中國工程院院士盧秉恒就中國制造業的發展提到了支撐智能制造的三大技術：機器人、智能裝備、3D打印機，其中機器人技術是助推智能制造的關鍵之一。與此同時，自2013年起連續三年時間內，我國已提前步入機器人時代，產業急速井噴，目前已然成為世界第一大機器人市場。

然而，我國的機器人產業大而不強。首先，我國的裝備制造業中，關鍵零部件自給率低，如目前80%的集成電路芯片制造裝備還嚴重依賴進口，更別說高性能傳感器、先進材料以及高速精密軸承等。

其次，我國裝備制造業中先進技術對外依賴度高，精密測量技術、智能控制技術、智能化嵌入式軟件、機器視覺都非常缺乏。新型傳感器的感知技術、在線分析技術、大功率變頻技術等構成智能制造裝備或實現制造過程智能化的重要基礎技術主要依賴進口。

這些電路芯片、先進傳感器、精密測量和控制技術都是機器人產業、智能制造的基礎。機器人的材料、關鍵零部件到整機、裝備到系統集成，都需要進行測試，才能檢驗其是否滿足性能的要求。伴隨著機器人產業的發展，作為直接關聯的傳感器、儀器儀表和計量測試行業，成為未來的重點發展方向。

2計量科學是智能制造能力提升的保障

2016年是國家“十三五”規劃開局之年，也是“十三五”規劃的政策落地年。為推動中國傳統制造業轉型升級和可持續發展，加快智能制造技術與裝備創新發展和產業化，不單政府在積極制定政策助力中國制造協同創新發展，高校、研究院所、企業等機構也自發組織產業協會和聯盟，期望通過機器人技術推動制造業實現跨越發展，最終實現我國從“制造大國”向“制造強國”邁進。

在各類國家創新能力的驅動和評價模型中，很少提及計量和質檢工作，但是計量質檢水平卻又被確認為國家競爭力和國家綜合國力的最直接的體現。這說明計量和質檢工作對促進國家創新能力的系統性作用的研究和認識還十分欠缺。以機器人技術中的傳感器為例：對于機器人來說，傳感器必不可少，同時，機器人對傳感器有非常嚴格的要求，主要表現為準確度高、可靠性強、穩定性好；電磁干擾、強機械振動、灰塵和油垢等惡劣氣候環境和機械環境下抗干擾能力也非常關鍵；最后就是整機性能和安全、噪聲、儲能和易于校準。

此外，復雜的幾何量測量也是智能制造的核心關鍵。只有幾何量測量儀器結合智能制造中工業機器人，形成智能制造的全方位感知系統，才能促進制造過程中的智能化，為真正形成智能制造打下堅實的基礎。然而，我們也要清楚地意識到，目前幾何量儀器自動化程度極低，還不能形成網絡化，難以在測量現場形成測量數據。

伴隨著智能制造的快速發展，計量科學家也在努力研究新的非接觸測量技術、在線測量技術、自動測量技術，使其能滿足智能制造的高準確度需求。在“2014中國儀器儀表學術產業大會”上，學術界和工業界一致將“智能制造”作為當下的最重要的議題，指出傳統儀器儀表行業應借助“智能制造”尋求新的突破。而我國質檢和計量部門也在積極尋求和高校、研究院所合作，以期在智能裝備制造產業發展中牢牢占據科技領先地位，表1為近年來尋求技術合作的情況。

從表1可以看出，地方政府、高校已經開始圍繞戰略性新興產業開始了“政產學研”的合作，充分發揮科研機構、高等院?？蒲袃瀯?，有效提升質檢技術機構服務能力，而且積極開展這些合作的省份均是我國機器人產業集群區，或者是經濟發達、對外開放程度高、高校云集以及老重工業基地。這些監督、檢驗和測試中心的成立，對于未來加強我國機器人產品質量監督、相關測量儀器的準確度，提升智能制造產業質量水平有著重要的意義。

3計量科學和智能制造共同助力“中國制造2025”

地方政府在積極推進這項工作的開展，中央政府部門如科技部、發改委也都開始從頂層開始支持我國智能制造、計量科學的發展。2016年科技部會同國家質檢監督檢驗檢疫總局等13個部門，制定了國家重點研發計劃《國家質量基礎的共性技術研究與應用》重點專項實施方案。該方案聚焦產業轉型升級、保障和改善民生、提升國際競爭力等國家重大需求。此項重點研發計劃的實施，其中涉及了多處先進制造和智能制造方面的重點支持方向，如表2所示。

這里提到的國家質量基礎（Nation Quality Infrastructure，NQI），是由計量、標準、合格評定（檢驗檢測和認證認可）共同構成。這個概念是基于聯合國工業發展組織和國際標準化組織在總結質量領域100多年實踐經驗而提出的，被國際公認是提升質量競爭能力的基石，更是保障國民經濟有序運行的技術規則、促進科技創新的重要技術平臺、提升國際競爭力的重要技術手段。

而對于測量儀器和高端設備來說，提升我國科學儀器設備的自主創新能力和裝備水平也是當前的重中之重。國家科技計劃管理部際聯席會還設計了《重大科學儀器設備開發》專項來進行重點支持，以形成具有自主知識產權、“結實耐用”和功能豐富的重大科學儀器設備產品，并進一步服務科學研究和經濟社會發展。

在《重大科學儀器設備開發》專項的申報指南中，提到“傳感器”有29處，可見，《重大科學儀器設備開發》和《國家質量基礎的共性技術研究與應用》兩個重點專項對于未來我國的智能制造、高端計量儀器的研究有著非常大的支持力度。

4結語

智能制造隨著全球制造業的發展而不斷進步，而計量科學的最終目的就是支撐我國智能制造產業的不斷發展。在這種新形勢下，智能制造的發展就必須以智能生產為目的，以互聯互通為手段，以計量測試為關鍵核心技術，并能把一切測量結果進行綜合分析和運用。在處理各種測量數據時，能夠以反饋的形式，利用實時測量數據進行在線校準。整個智能制造過程中，實時、準確、可靠的計量無處不在，而這些對計量科學提出了全新的挑戰。

雖然現有的計量技術還不能滿足智能制造中對準確度、測量效率、測量環境的復雜性以及在線測量的要求。國家已經通過各種科研項目的支持和政策的引導，積極鼓勵計量更進一步的發揮其重要作用。相信在“十三五”期間，伴隨著我國科技體制的改革，一大批重大項目將會發揮其應有的作用。

（編輯：史志偉）