計(jì)量科學(xué)在智能制造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

任孝平　楊帆　塔娜　何運(yùn)飛

摘要：分析國內(nèi)智能制造領(lǐng)域的各種問題，指出我國推進(jìn)實(shí)施“中國制造2025”戰(zhàn)略，必須狠抓核心關(guān)鍵部件自給率、提高精密測量技術(shù)，將計(jì)量科學(xué)真正應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜參數(shù)測量的等效一致性和關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際接軌，才能從根本上擺脫高端制造業(yè)受制于人的局面。

關(guān)鍵詞：計(jì)量科學(xué)；智能制造；人工智能；國家質(zhì)量基礎(chǔ)；

0引言

中國對(duì)智能制造和產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化升級(jí)的需求，催生了巨大的機(jī)器人市場。然而作為新興智能裝備制造業(yè)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失，可能令機(jī)器人產(chǎn)業(yè)難以走入良性循環(huán)，進(jìn)而影響我國智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世界領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人制造商ABB公司質(zhì)保及校準(zhǔn)部經(jīng)理Peter Fixell認(rèn)為：“一臺(tái)真正好的工業(yè)機(jī)器人，應(yīng)該在其整個(gè)生命周期內(nèi)都會(huì)保持良好的精度……”。然而在中國，一直是國外機(jī)器人的天下。因此，盡快制定我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢測體系，打破國際技術(shù)性貿(mào)易壁壘并實(shí)現(xiàn)與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，為推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)品走向市場奠定基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)中國制造搶占高端制造業(yè)市場具有重要意義。

1智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造源于人工智能的研究。一般認(rèn)為智能是知識(shí)和智力的總和，前者是智能的基礎(chǔ)，后者是指獲取和運(yùn)用知識(shí)求解的能力。智能制造應(yīng)當(dāng)包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

早在2011年，美國就率先發(fā)布了國家先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃，重點(diǎn)關(guān)注和支持智能化技術(shù)和智能制造。德國作為全球制造業(yè)中最具競爭力的國家之一，也于2013年發(fā)布了工業(yè)4.0戰(zhàn)略。其他制造業(yè)區(qū)域如歐盟、日本、韓國也紛紛發(fā)布了與智能制造相關(guān)的國家機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略?？梢姰?dāng)前，新一輪工業(yè)革命已成為世界各國戰(zhàn)略布局的主要方向，發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛把智能制造和機(jī)器人作為國家戰(zhàn)略，搶占智能制造技術(shù)和市場的制高點(diǎn)。以機(jī)器人、智能制造為代表的“工業(yè)4.0”時(shí)代已悄然來臨。我國經(jīng)過多年的高速發(fā)展之后，已進(jìn)入經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新時(shí)代，目前是在由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期。

中國工程院院士盧秉恒就中國制造業(yè)的發(fā)展提到了支撐智能制造的三大技術(shù)：機(jī)器人、智能裝備、3D打印機(jī)，其中機(jī)器人技術(shù)是助推智能制造的關(guān)鍵之一。與此同時(shí)，自2013年起連續(xù)三年時(shí)間內(nèi)，我國已提前步入機(jī)器人時(shí)代，產(chǎn)業(yè)急速井噴，目前已然成為世界第一大機(jī)器人市場。

然而，我國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)。首先，我國的裝備制造業(yè)中，關(guān)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(yán)重依賴進(jìn)口，更別說高性能傳感器、先進(jìn)材料以及高速精密軸承等。

其次，我國裝備制造業(yè)中先進(jìn)技術(shù)對(duì)外依賴度高，精密測量技術(shù)、智能控制技術(shù)、智能化嵌入式軟件、機(jī)器視覺都非常缺乏。新型傳感器的感知技術(shù)、在線分析技術(shù)、大功率變頻技術(shù)等構(gòu)成智能制造裝備或?qū)崿F(xiàn)制造過程智能化的重要基礎(chǔ)技術(shù)主要依賴進(jìn)口。

這些電路芯片、先進(jìn)傳感器、精密測量和控制技術(shù)都是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、智能制造的基礎(chǔ)。機(jī)器人的材料、關(guān)鍵零部件到整機(jī)、裝備到系統(tǒng)集成，都需要進(jìn)行測試，才能檢驗(yàn)其是否滿足性能的要求。伴隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為直接關(guān)聯(lián)的傳感器、儀器儀表和計(jì)量測試行業(yè)，成為未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

2計(jì)量科學(xué)是智能制造能力提升的保障

2016年是國家“十三五”規(guī)劃開局之年，也是“十三五”規(guī)劃的政策落地年。為推動(dòng)中國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展，加快智能制造技術(shù)與裝備創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，不單政府在積極制定政策助力中國制造協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展，高校、研究院所、企業(yè)等機(jī)構(gòu)也自發(fā)組織產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和聯(lián)盟，期望通過機(jī)器人技術(shù)推動(dòng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)我國從“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)。

在各類國家創(chuàng)新能力的驅(qū)動(dòng)和評(píng)價(jià)模型中，很少提及計(jì)量和質(zhì)檢工作，但是計(jì)量質(zhì)檢水平卻又被確認(rèn)為國家競爭力和國家綜合國力的最直接的體現(xiàn)。這說明計(jì)量和質(zhì)檢工作對(duì)促進(jìn)國家創(chuàng)新能力的系統(tǒng)性作用的研究和認(rèn)識(shí)還十分欠缺。以機(jī)器人技術(shù)中的傳感器為例：對(duì)于機(jī)器人來說，傳感器必不可少，同時(shí)，機(jī)器人對(duì)傳感器有非常嚴(yán)格的要求，主要表現(xiàn)為準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好；電磁干擾、強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)、灰塵和油垢等惡劣氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境下抗干擾能力也非常關(guān)鍵；最后就是整機(jī)性能和安全、噪聲、儲(chǔ)能和易于校準(zhǔn)。

此外，復(fù)雜的幾何量測量也是智能制造的核心關(guān)鍵。只有幾何量測量儀器結(jié)合智能制造中工業(yè)機(jī)器人，形成智能制造的全方位感知系統(tǒng)，才能促進(jìn)制造過程中的智能化，為真正形成智能制造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，我們也要清楚地意識(shí)到，目前幾何量儀器自動(dòng)化程度極低，還不能形成網(wǎng)絡(luò)化，難以在測量現(xiàn)場形成測量數(shù)據(jù)。

伴隨著智能制造的快速發(fā)展，計(jì)量科學(xué)家也在努力研究新的非接觸測量技術(shù)、在線測量技術(shù)、自動(dòng)測量技術(shù)，使其能滿足智能制造的高準(zhǔn)確度需求。在“2014中國儀器儀表學(xué)術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致將“智能制造”作為當(dāng)下的最重要的議題，指出傳統(tǒng)儀器儀表行業(yè)應(yīng)借助“智能制造”尋求新的突破。而我國質(zhì)檢和計(jì)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(chǎn)業(yè)發(fā)展中牢牢占據(jù)科技領(lǐng)先地位，表1為近年來尋求技術(shù)合作的情況。

從表1可以看出，地方政府、高校已經(jīng)開始圍繞戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)開始了“政產(chǎn)學(xué)研”的合作，充分發(fā)揮科研機(jī)構(gòu)、高等院?？蒲袃?yōu)勢，有效提升質(zhì)檢技術(shù)機(jī)構(gòu)服務(wù)能力，而且積極開展這些合作的省份均是我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群區(qū)，或者是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、對(duì)外開放程度高、高校云集以及老重工業(yè)基地。這些監(jiān)督、檢驗(yàn)和測試中心的成立，對(duì)于未來加強(qiáng)我國機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督、相關(guān)測量儀器的準(zhǔn)確度，提升智能制造產(chǎn)業(yè)質(zhì)量水平有著重要的意義。

3計(jì)量科學(xué)和智能制造共同助力“中國制造2025”

地方政府在積極推進(jìn)這項(xiàng)工作的開展，中央政府部門如科技部、發(fā)改委也都開始從頂層開始支持我國智能制造、計(jì)量科學(xué)的發(fā)展。2016年科技部會(huì)同國家質(zhì)檢監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等13個(gè)部門，制定了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用》重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案。該方案聚焦產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、保障和改善民生、提升國際競爭力等國家重大需求。此項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的實(shí)施，其中涉及了多處先進(jìn)制造和智能制造方面的重點(diǎn)支持方向，如表2所示。

這里提到的國家質(zhì)量基礎(chǔ)（Nation Quality Infrastructure，NQI），是由計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、合格評(píng)定（檢驗(yàn)檢測和認(rèn)證認(rèn)可）共同構(gòu)成。這個(gè)概念是基于聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在總結(jié)質(zhì)量領(lǐng)域100多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而提出的，被國際公認(rèn)是提升質(zhì)量競爭能力的基石，更是保障國民經(jīng)濟(jì)有序運(yùn)行的技術(shù)規(guī)則、促進(jìn)科技創(chuàng)新的重要技術(shù)平臺(tái)、提升國際競爭力的重要技術(shù)手段。

而對(duì)于測量儀器和高端設(shè)備來說，提升我國科學(xué)儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新能力和裝備水平也是當(dāng)前的重中之重。國家科技計(jì)劃管理部際聯(lián)席會(huì)還設(shè)計(jì)了《重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)》專項(xiàng)來進(jìn)行重點(diǎn)支持，以形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、“結(jié)實(shí)耐用”和功能豐富的重大科學(xué)儀器設(shè)備產(chǎn)品，并進(jìn)一步服務(wù)科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

在《重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)》專項(xiàng)的申報(bào)指南中，提到“傳感器”有29處，可見，《重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)》和《國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用》兩個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)對(duì)于未來我國的智能制造、高端計(jì)量儀器的研究有著非常大的支持力度。

4結(jié)語

智能制造隨著全球制造業(yè)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，而計(jì)量科學(xué)的最終目的就是支撐我國智能制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。在這種新形勢下，智能制造的發(fā)展就必須以智能生產(chǎn)為目的，以互聯(lián)互通為手段，以計(jì)量測試為關(guān)鍵核心技術(shù)，并能把一切測量結(jié)果進(jìn)行綜合分析和運(yùn)用。在處理各種測量數(shù)據(jù)時(shí)，能夠以反饋的形式，利用實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線校準(zhǔn)。整個(gè)智能制造過程中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量無處不在，而這些對(duì)計(jì)量科學(xué)提出了全新的挑戰(zhàn)。

雖然現(xiàn)有的計(jì)量技術(shù)還不能滿足智能制造中對(duì)準(zhǔn)確度、測量效率、測量環(huán)境的復(fù)雜性以及在線測量的要求。國家已經(jīng)通過各種科研項(xiàng)目的支持和政策的引導(dǎo)，積極鼓勵(lì)計(jì)量更進(jìn)一步的發(fā)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(xiàng)目將會(huì)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

（編輯：史志偉）