用錢學森系統(tǒng)之光引領傳感世界的未來

薛惠鋒

摘 要 ? 科技的飛躍極大地提升了社會生產力的發(fā)展水平，在航天事業(yè)發(fā)展層面，傳感器產業(yè)作為涉及新一輪產業(yè)變革的關鍵核心技術，對科技進步、經濟發(fā)展和國家安全尤為重要。這一產業(yè)在科學研究層面、技術工程層面、管控發(fā)展層面，正面臨抉擇。中國航天十二院以錢學森系統(tǒng)工程思想為指導，解開傳感器發(fā)展桎梏，助力傳感器發(fā)展邁向新高。

關鍵詞 ? 傳感器 ?錢學森 系統(tǒng)工程 ?中國航天十二院

中圖分類號 ? N09

文獻標識碼 ? A

一 ? 引言

習近平總書記在2018年中國科學院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會上的講話中指出：“瞄準世界科技前沿，引領科技發(fā)展方向，肩負起歷史賦予的重任，勇做新時代科技創(chuàng)新的排頭兵。”傳感器，作為涉及新一輪產業(yè)變革的關鍵核心技術，對科技進步、經濟發(fā)展和國家安全尤為重要。

傳感器，英文名稱Sensor，顧名思義，是感知的意思，感知信息，感知周圍的變化，感知世界的動態(tài)。從1883年全球第一臺恒溫器上市以來，傳感器作為延伸人類感知力的“五官”，已經深刻改變了我們所生活的地球。特別是步入21世紀，我們已經進入了傳感器時代。物聯網傳感器可以嵌入到產品中以改善流程或產品本身，速度傳感器可以用于車輛交通的管理，櫥柜沒有咖啡會被傳感器自動檢測，然后由區(qū)塊鏈驅動的智能合約下單，由無人機直接送貨上門……凡此種種已不再是天方夜譚，我們的地球已經穿上了“電子皮膚”，我們生活在一個可以隨時隨地收集測量數據的世界中，我們的談話、我們的身體，甚至是夢境也在數據的監(jiān)控之下。

科技的飛躍極大地提升了社會生產力的發(fā)展水平，人類的生活也比從前任何時候都顯得更加便利，但是在這繁花似錦的背后，人類思想的傳感卻顯得并不那么的自如。人與人的疏離、人和心的剝離似乎愈發(fā)的嚴重。公元前400年，古希臘哲學家蘇格拉底曾言：“人類必須超越地球，到達大氣層的頂端或更遠的地方。因為只有這樣，人類才能充分理解他所生活的那個世界。”今天，作為一名航天人，我將分享對傳感器科技和產業(yè)發(fā)展的一些思考，供各位參考。

二 ?我國傳感器產業(yè)發(fā)展面臨必要之抉擇

傳感器技術發(fā)展至今，面臨著基礎科學陷入停滯，技術工程亟待改善，頂層架構管控缺失的問題。

1.科學研究層面，打破基礎科學的瓶頸

科學是發(fā)現世界的學問，特別是基礎研究是整個科學體系的源頭。20世紀40年代以來，以相對論和量子力學為代表的重大基礎科學的突破，不僅讓人類對自然和宇宙的認識上了一個臺階，而且?guī)砹硕?zhàn)后應用科技的爆炸式繁榮。相對論是宏觀理論的極致，很好地解釋了宇宙;量子論是微觀理論的極致，是現代科學技術的基礎，包括傳感器在內的信息技術、現代化學、生物學、材料科學等都建立在此基礎之上。兩大科學理論為應用科技的蓬勃發(fā)展奠定了堅實基礎，然而近些年，由于大專院校、科研院所沉不住氣，靜不下心，坐不了冷板凳，紛紛跑市場、抓項目、搞產業(yè)化，導致基礎科學創(chuàng)新理論踟躕不前。科技領域的“虛假繁榮”蒙蔽了人們的雙眼，人類基礎科學已經停滯了70余年，人類賴之以生存的應用技術已經漸入窮途，快要榨干基礎科學這個河床上的最后一滴水。

大家都知道，在傳感器中廣泛應用的各種半導體材料，在過去的幾十年里始終遵循著“摩爾定律”——即半導體電路晶體管的體積越來越小，單個芯片上可容納的晶體管數量就會越來越多。晶體管數量的增多意味著處理器的速度越快、效率越高。然而，隨著芯片技術的不斷發(fā)展，“摩爾定律”也逐漸遇到了物理法則的限制。自進入21世紀以來，出現了“放緩”的跡象。目前，晶體管的體積已經達到納米級別（美國和韓國已經開始研制7納米的芯片），繼續(xù)縮小的可能性正逐漸變小，“摩爾定律”所預言的發(fā)展軌跡似乎已逼近極限。既然基礎的信息技術短期內出現顛覆性革命的可能性不大，就必須老老實實在傳感器的科學研究上做到深、廣、久、獨，大膽探索新材料、新架構、新器件。

2. 技術工程層面，加強共性技術的研發(fā)

技術是改造世界的學問，是人們對客觀世界的能動改造（實踐）活動。工程科技是推動人類進步的發(fā)動機?？茖W無法用來直接改造世界，必須依靠技術應用于工程實踐，用工程實踐搭建起生產制造與市場應用的橋梁。傳感器發(fā)展至今，已經實現跨學科、跨工藝、跨領域，已經從單一器件的簡單傳感走向多品種、模塊化的復雜傳感，正在邁向萬物可傳、萬物互聯的智慧傳感。從學科來看，傳感器技術囊括聲學、力學、光學、化學、生物學、電器工程學、材料學等多種學科;從制造工藝來看，分為陶瓷燒結工藝，復合與集成工藝，機械加工工藝，薄膜、厚膜工藝，MEMS工藝和電化學工藝等;從應用場景來看，應用場景的復雜程度不同，對傳感器的要求也就不同。無論是生活上冰箱的溫度控制，水、燃氣的用量大小，用于個人健身的可穿戴設備，還是行業(yè)里應用通信、電力交通、石化冶金、環(huán)保醫(yī)療，傳感器作為集成創(chuàng)新和融合應用的典范，無時無刻無處不影響著人類的生產生活。同時，也正是由于傳感器種類繁多、耦合復雜、結構異沉，導致了工藝技術分散、工程實踐困難、產用難以結合的矛盾。這就要求我們加強共性技術、共性工藝的研發(fā)培育，在功能集成化和性能歸一化上下功夫，在結構標準化和產品規(guī)范化上做文章。

3. 管控發(fā)展層面，破除產業(yè)技術碎片化

傳感器產業(yè)化存在的問題，不僅僅是傳感器本身的問題，更是跨界融合的管理問題。一方面，標準規(guī)范缺失。國際上缺乏只面向傳感器，并且在復雜環(huán)境條件下的校準規(guī)范。這意味著以目前的傳感器性能校準水平尚無準確方法判斷傳感器在復雜環(huán)境下的性能指標是否滿足使用要求。當傳感器在復雜工況下的測量數據不準確時，可能會導致潛在風險和安全隱患。拿我們國家為例，由于傳感器分屬不同行業(yè)和部門，存在九龍治水、多頭管理的問題。發(fā)展上難以取得共識，政策上缺乏力度支持，導致管理亂象頻發(fā)，產業(yè)分散，產品不能系列化。另一方面，過度重視技術。隨著5G、人工智能、大數據、物聯網、區(qū)塊鏈技術方興未艾，傳感器作為智能化的基石，站在了這場革命的浪尖。然而，我們在注重技術的同時，忽視了人的管控。我們必須清醒地認識到，包括傳感器在內的一切技術，都因為有人的介入，成為一個開放復雜的巨系統(tǒng)。傳感器因此不再是簡單的“算術邏輯”，而是復雜的“融合邏輯”。要知道，人工智能仍處于“有智商、沒情商，有智能、沒智慧”的階段，距離人本身的智慧還差得很遠。機器能夠更好地發(fā)揮作用，是通過“算力”和“算法”的不斷優(yōu)化（機器“邏輯思維”優(yōu)勢）得以實現，但無論“算法”如何優(yōu)化，都是人為的預先設定，這使得機器不能、也不可能產生“形象思維”和“創(chuàng)造思維”。傳感器的發(fā)展，必須充分發(fā)揮人的主觀能動性，通過人的智慧管理，輔之以機器的迭代優(yōu)化，才能徹底解決產業(yè)技術孤島化、碎片化的問題。

三 ?系統(tǒng)工程是解開傳感器發(fā)展桎梏的鑰匙

航天本身與傳感器息息相關。運載火箭中的控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、載人飛行器中的故障檢測與診斷系統(tǒng)、艙內環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)等，都離不開傳感器對航天器各關鍵部位工作狀態(tài)的準確檢測。傳感器是確保測得出、測得準、預測對、診斷靈，保障任務成功率的有效手段。中國航天走過了60多年的光榮歷程，大家都知道，錢學森是中國航天事業(yè)的奠基人，殊不知，錢學森更是一位偉大的思想家。錢學森在長期指導航天事業(yè)發(fā)展過程中，豐富和發(fā)展了他在美國奠基的系統(tǒng)工程思想，開創(chuàng)了一套既有中國特色，又有普遍科學意義的系統(tǒng)工程管理方法與技術，而這套方法，對實現傳感器產業(yè)化集群式創(chuàng)新發(fā)展具有重要的指導意義。

錢學森從早年在美國創(chuàng)立《工程控制論》——“用不完全可靠的元件組成高度可靠的系統(tǒng)”，創(chuàng)造性地將控制論、運籌學、信息論結合起來，為系統(tǒng)工程的誕生奠定堅實的基礎，到后來指導中國航天事業(yè)發(fā)展，開創(chuàng)了一套既有中國特色，又有普遍科學意義的系統(tǒng)工程管理方法與技術。這其中包括“總體協調、系統(tǒng)優(yōu)化”的原則，包括“一個總體部、兩條指揮線、科學技術委員會制”的管理模式。這使中國航天能夠在一窮二白的境地下，利用很少投入、很短時間，將成千上萬人有效地組織起來，突破了規(guī)模龐大、系統(tǒng)復雜、技術密集、風險巨大的大科學工程;1978年《組織管理的技術——系統(tǒng)工程》一文發(fā)表，標志著“系統(tǒng)工程中國學派”的誕生;開放的復雜巨系統(tǒng)理論的提出，錢學森建立了系統(tǒng)科學的完備體系，運用到經濟社會發(fā)展的方方面面。曾有人評價，系統(tǒng)科學的發(fā)展，是一次科學革命，其重要性不亞于相對論或量子力學。1991年10月，國務院、中央軍委授予錢學森“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號，作為“國家杰出貢獻科學家”稱號的唯一一位獲得者，錢學森在領獎后說道：“兩彈一星工程所依據的都是成熟理論，我只是把別人和我經過實踐證明可行的成熟技術拿過來用，這個沒有什么了不起，只要國家需要我就應該這樣做，系統(tǒng)工程與總體設計部思想才是我一生追求之的。它的意義，可能要遠遠超出我對中國航天的貢獻?！卞X學森驕傲稱之為“前無古人的方法”“中國人的發(fā)明”“中國人的智慧”“是我們的命根子”。

四 ?中國航天十二院助力傳感器發(fā)展邁向新高

中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院（中國航天第十二研究院，以下簡稱“十二院”）肩負著中央賦予的“建設錢學森智庫;支撐航天、服務國家;成為中國先進技術轉化應用平臺”三大使命，是中國航天的五大總體，即智庫工具總體、網絡與數據工程推進總體、戰(zhàn)略與情報工程推進總體、先進技術轉化應用總體、基于模型的系統(tǒng)工程推進總體。十二院是我國第一臺大型集成計算機的應用單位，開通了我國第一條國際互聯網專線，建設了中國第一個實現全國聯網的計算機網絡，是中國網信軍民融合聯盟、國家兩化融合創(chuàng)新推進聯盟、中國衛(wèi)星全球服務聯盟、中國電子商務聯盟等國家級平臺的依托單位。十二院獨有的平臺優(yōu)勢與核心能力，能夠為傳感器科技和產業(yè)的發(fā)展，提供具有系統(tǒng)性、科學性、有效性、可靠性的解決方案。

1. 以思想的牽引力帶動感傳知用

傳感器技術創(chuàng)新今天之所以面臨學科知識紛繁復雜的難題，是肇始于自文藝復興以來的西方“還原論”思想——把復雜問題簡單化，把大的事物分解為更小的事物。還原論對近現代社會自然科學的進步不言自明。但是，其不足之處正日益明顯。體現在傳感器技術的發(fā)展上，就是單獨理解個體，仍然無法解釋整個系統(tǒng)，導致了“整體大于部分之和”。

為了避免“還原論”在科學發(fā)展上帶來的局限，錢學森創(chuàng)造性地引入了東方“整體論”思想，并把二者相結合，形成了“系統(tǒng)論”思想。系統(tǒng)論強調從系統(tǒng)整體、動態(tài)等觀點出發(fā)，如實地把研究對象視為完整的有機體和復雜系統(tǒng)，把定性和定量結合起來分析和處理問題，從而為現代科學技術的研究提供了一套嶄新的方法論原則和程序。系統(tǒng)論既避免了“還原論”思想中“只見樹木，不見森林”的矛盾，也避免了“整體論”思想中“只見森林，不見樹木”的弊端。系統(tǒng)論將為傳感技術的破舊立新、整體推進提供思想指引。

2. 以技術的轉化力匯聚融合創(chuàng)新

傳感器的生產過程被業(yè)界稱之為制造“工業(yè)工藝品”。隨著市場對傳感器智能化水平要求的提高，傳感器不僅要在原來的材料設備、工藝技術的發(fā)展上邁上新臺階，還要在多功能集成化、嵌入式能力、網絡化接口、模塊化構架等方面實現應用創(chuàng)新。

中國航天十二院匯聚了航天領域近3.7萬項專利技術，以及延伸到國防領域的近17萬項專利技術，匯聚了經濟社會各領域的150萬項專利信息資源。發(fā)揮航天的“技術優(yōu)勢、研發(fā)優(yōu)勢、集成優(yōu)勢”，通過對國防尖端技術的二次開發(fā)、產業(yè)化推廣，可以迅速彌補民用領域傳感技術的不足，為產業(yè)改造升級和新興產業(yè)的培育提供捷徑。近年來，十二院以航天專利技術轉化為總抓手，面向地方，因地制宜，以“需求牽引、政府搭臺、航天推進、企業(yè)唱戲、基金跟隨、民眾受益”為思路，建設專業(yè)化的技術交易、成果轉化、資本積聚、產業(yè)孵化平臺，發(fā)揮了重要的橋梁紐帶作用。十二院所擁有的專利技術以及平臺資源，能夠有效打破傳感器技術和市場“兩張皮”，拆除阻礙產業(yè)化的“籬笆墻”，疏通應用科技和產業(yè)化連接的快車道，促進創(chuàng)新鏈和產業(yè)鏈的精準對接，把“養(yǎng)在閨中”的科研成果轉化成生產力和戰(zhàn)斗力。

3. 以決策的塑造力實現跨界涌現

錢學森為十二院打造了一整套智庫方法工具體系，鑄就了“從定性到定量的綜合集成研討廳”體系框架，形成了“專家體系、知識體系、機器體系”相互融合的錢學森智庫基礎設施。十二院在“三大體系”的基礎上，完善形成了錢學森智庫“六大體系、兩個平臺”，即“思想庫體系、數據情報體系、網絡和信息化體系、模型體系、專家?guī)祗w系、決策支持體系，以及機器平臺、指揮控制平臺”。無論是“載人航天飛船方案”的提出，還是“國家民用空間基礎設施發(fā)展規(guī)劃”的研究論證，無論是多個航天發(fā)展五年規(guī)劃，還是《中國工程科技2040總體戰(zhàn)略設計與組織》，十二院及其前身都發(fā)揮了重要支撐作用。

錢學森智庫“六大體系、兩個平臺”，集成跨領域、跨行業(yè)、跨系統(tǒng)、跨層級、跨地域專家的經驗，打造“人機結合、人網結合、以人為主”的智慧化系統(tǒng)，讓傳感器技術可仿真、可檢測、可控制、可優(yōu)化，實現物理-數字-信息-知識-智能-智慧的“梯級涌現”，能夠為傳感器技術從單項應用，到企業(yè)級集成、產業(yè)鏈集成，最后到產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)建設、系統(tǒng)管理，提供科學有效的方法支撐，實現從“不滿意狀態(tài)”到“最滿意狀態(tài)”的綜合提升。

五 ?結語

所當乘者勢也，不可失者時也。世界正在進入以信息產業(yè)為主導的經濟發(fā)展時期。把握數字化、網絡化、智能化融合發(fā)展的契機，以信息化、智能化為杠桿發(fā)展新業(yè)態(tài)、培育新動能，是建設清潔美麗世界，推動構建人類命運共同體的題中之意。中國航天十二院愿意乘勢而上、主動作為，以錢學森系統(tǒng)工程思想之光點亮傳感世界發(fā)展的未來，共同鋪就人機融合、萬物互聯的美好畫卷。

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