关注我们

检测服务:0571-85027145

质量投诉:0571-85025361

:浙江省杭州市江干区下沙路300号一号楼B区

当前位置:首页 » 计量纵横 » 计量技术

工业4.0来临 计量的机遇和挑战

发布时间:2016-01-11来源:阅读:

工业革命又称产业革命。每一次工业革命都对产业的发展、社会的进步、人类的文明起着重要的促进作用,并且每一次工业革命的时期都在缩短,速度在加快,能量也在不断加大。2011年11月,德国政府公布的《高技术战略2020》中的一项重要战略,就是“工业4.0”,即第四次工业革命。李克强总理访问德国时,也强调要加强中德“工业4.0”合作。那么,什么是工业4.0,或者说第四次工业革命到底是什么样子?对计量测试发展带来什么样的机遇和挑战?

一、计量测试在工业革命中的地位和作用

1.计量的统一和力学的发展,为第一次工业革命打下了基础

16世纪末,文艺复兴运动的扩展促进了人的思想解放,也对科学研究产生了重要影响。伽利略发现的自由落体定律和牛顿发现的万有引力定律和物体运动三定律,共同形成了经典力学体系。而蒸汽机的发明以及将蒸汽机应用于火车,都是基于对力学、温度的研究和测试基础之上的。当时的英国度量衡高度统一,为工厂之间的分工协作打下了良好的基础。

2.电的发现和应用成为第二次工业革命的主要驱动力

人们习惯称第二次工业革命为电气时代。正是对电的测量与研究以及对电特性的广泛应用,大大推动了工业企业的自动化进程,提高了工业企业的生产效率。

3.计量领域的扩展以及计量准确度的不断提高,为第三次工业革命提供了强有力的技术支撑

第三次工业革命是涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命,这是一场全方位、多领域的技术革命。在这次革命中,测试技术在各个领域发挥了重要作用,并且量值的测量向着极大、极小,极高、极低等两极发展。如在长度计量测试领域,随着对计量测试技术的改造和研究,纳米测量应运而生并快速发展。线纹计量从一维测试向二维测试转变,促进了集成电路中高精度电路板的校准和溯源仪器的准确度不断提高。真空激光干涉技术的应用将测长准确度提高到20nm/m。膜厚计量快速发展,并广泛应用于半导体、微电子、通信、电镀、核物理研究等行业。时间频率计量,准确度已达1600万年不差一秒,并被广泛应用于航空航天、北斗导航、计算机时钟等各个行业。电磁测试向弱磁方向发展,为航空航天等发挥了重要的推动作用。

二、第四次工业革命的主要内容及展望

在《保障德国制造业的未来:关于实施“工业4.0”战略的建议》这份报告中认为:“工业4.0”即第四次工业革命,其核心是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新。

1.智能生产是第四次工业革命的主要特征

第四次工业革命中,信息、技术作为未来产业发展不可或缺的生产要素,越来越发挥着基础性和引领性作用。“智能生产”将成为第四次工业革命的主要特征。在未来的智能工厂中,产品信息都将被输入到产品零部件本身,它们会根据自身生产需求,直接与生产系统和设备沟通,发出下一道生产工序指令,指挥设备进行自组织生产。这种自主生产模式能够满足每位用户的“定制”需求。

2.互联互通是第四次工业革命的重要手段

工业4.0时代,要实现数字化与现实的交互,通过软件、电子及环境的结合,生产出全新的产品和服务,因此互联互通是必不可少的。对于工业企业来说,通过数字化企业平台,将虚拟和现实世界进行融合,实现从车间到公司管理层的双向信息流和数据协同优化,这是实现工业4.0的必由之路。

不断发展的物联网、互联网、传感网等,让未来工厂与世界只有“一线之隔”。GE公司2012年11月发布的《工业互联网——打破智慧与机器的边界》的报告中预测:在美国,如果工业互联网能够使生产率每年提高1%~1.5%,那么未来20年,它将使美国人的平均收入比当前水平提高25%~40%;如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半,那么工业互联网在此期间会为全球GDP增加(10~15)万亿美元。

3.传感器的研制和传感技术的创新将成为影响第四次工业革命进程的重要因素之一

互联网、物联网都需要大量信息,而这些信息中的重要组成——数据的产生多是来自仪器仪表或直接来自各种传感器。智能制造没有计量测试便无从谈起。根据我国工业和信息化部制定和发布的智能制造装备产业发展路线图规划,智能制造装备的发展重点突出表现在两个方面:一是九大关键智能基础共性技术,包括:新型传感技术、模块化、嵌入式控制系统设计、先进控制与优化技术、系统协同技术、故障诊断与健康维护技术、高可靠实时通信网络技术、功能安全技术、特种工艺与精密制造技术、识别技术等。二是八项核心智能测控装置与部件,包括:新型传感器及其系统、智能控制系统现场总线、智能仪表、精密仪器、工业机器人与专用机器人、精密传动装置、伺服控制机构、液气密元件及系统。

从以上两个发展重点不难看出,传感技术和传感器的研究是重点,而其他重点项目的研究,如机器人、液气密系统等也都离不开计量测试的使用和计量测试准确度和能力的保障,传感器及传感技术的发展将成为第四次工业革命的关键中的关键。

三、第四次工业革命给计量测试带来的思考

第四次工业革命的时代背景是大数据时代和信息技术时代。第四次工业革命以“智能制造”为核心,以互联为手段,以计量测试为重要的核心技术。第四次工业革命也是大数据时代,是信息技术时代,是把一切测试信息进行综合采集、综合分析并加以综合运用,在运用的过程中再进行新的采集、新的分析、新的应用的过程。在这个过程中,及时、准确、可靠的计量测试无处不在,无时不在。这对计量测试技术的挑战是全面的、综合的、全方位的。笔者认为应从以下几个方面对计量测试进行思考:

1.应从更高准确性、可靠性、一致性上思考如何进一步提高计量测试能力

计量测试技术的准确性、一致性和可靠性是实现第四次工业革命的基础。如现代银行系统,要实现全球范围内银行收支情况在某一节点时必须一致,即账目不致于出现偏差不平衡,需要银行计算机系统的时间准确度必须在10-6以上,而如果全世界的工业要实现4.0,实现实时对接平衡,肯定要高于这个准确度,因为数据更多,涉及内容更繁杂。目前时间的计量准确度虽已达到了10-15以上,但这只是实验室中的数据,在计算机系统中能否得到实际应用?能否满足要求?第四次工业革命的到来,一定需求更高准确度的计量测试为其提供测试技术保证。

2.应从传感技术的快速发展来思考仪器仪表产业发展以及相关的量值传递和溯源问题

传感器是产生数据的直接根源。德国某玻璃制造企业,一条玻璃全自动生产系统线上就安装了3000多个测量传感器,保证着整个系统的正常有效运行。这些传感器作为一次仪表,如何保证其准确、可靠?如何对它们进行量值传递和溯源?能否实现传感器的自校准功能?仪器仪表行业将何去何从?

3.应从嵌入式软件全方位应用及互联网的快速发展来思考计量相关软件的检定、校准或检测问题

“互联互通”是推动这一轮工业革命的核心要素。近几年互联互通技术快速发展,带动了软件业的快速发展。系统集成、远程传输、嵌入式软件将成为测试仪器的重要组成部分,软件与仪器不可分隔。现代的计量测试仪表大都可以直接与互联网相通。现在较为成熟的像电能智能抄表系统,互联网已成为其中的重要组成部分。而现在的计量检定、计量校准一般只针对仪器设备,或者说只针对其中的计量检测部分,很少涉及对软件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性能等进行测试。这种管理方式在未来必将发生改变。同时,由于软件的存在,传感器的广泛应用,一个系统对多个参数、多类参数同时进行测量的可能性大大增加。软件的可靠性、互通互联技术能力将成为影响第四次工业革命的重要因素。那么我们现在是否有软件的测评能力?能否对整个系统进行校准?能否对多参数仪器设备同时进行在线校准?

4.应从多学科融合的角度来思考计量人才的培养问题

工业4.0时代更是一个大融合的时代,从表面上看是物物相联、人机相联、制造与服务相联等,但深层看,是多学科的融合,多领域的融合,是多种技术的相互渗透。任何产品中都包含着软件和无线网络,包含着电子、机械、化工、材料等多项专业技术,有的还包含农业、林业以及管理知识。工业系统的发展向着多通道、多参数、全方位、系统化发展。多学科综合性人才的需求越来越大,对人才综合素质的要求越来越高。因此,需要具有跨学科经验的人才担当相关的工作。创新更多出现在跨学科、跨领域的边缘学科。因此,以计量专业为基础的复合型人才将承担起工业4.0时代计量创新的大任。

5.应从计量检定、校准的扁平化来思考计量技术机构的发展


随着第四次工业革命的到来,特别是随着无线传输、空间加载、远程诊断以及互联网的应用,以后的量传溯源或许不再需要一级级传递,而是通过现代科技手段,如无线传输,直接溯源到最高计量标准。计量检定、校准的扁平化问题越来越突出。这对现行的计量量传溯源系统产生影响,也会直接影响全国计量技术机构的设置和计量资源的配置。