新高度:计量测试技术必须走在中国制造的前列

 

  该论文指出,国务院印发的《中国制造2025》明确强调:制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。《中国制造2025》,是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。聂荣臻元帅曾经说过:科技要发展,计量须先行。那么对于中国制造呢?中国计量测试学会马爱文秘书长认为,计量测试技术必须走在中国制造的前列。

  一、中国制造的基本内容和特征

  《中国制造2025》,在全面分析全球制造业格局面临的重大调整、我国经济发展环境发生重大变化、我国制造业存在的问题等基础上,国务院提出了我国建设制造强国的九项战略任务和重点:提高国家制造业创新能力、推进信息化与工业化深度融合、强化工业基础能力、加强质量品牌建设、全面推行绿色制造、大力推动重点领域突破发展、深入推进制造业结构调整、积极发展服务型制造和生产性服务业、提高制造业国际化发展水平。

  通过分析这九个方面的关系,中国制造的实质可以概括为:通过创新、融合、强基,实现质量提升、企业转型和快速发展。

  创新,《中国制造2025》中上百次用到“创新”一词,并且提出了一些新的创新领域和创新概念,如设计创新、工艺创新、创新网络、创新联盟、创新模式等,但最为主要、最为基础的是科技创新。科技是第一生产力,是中国制造业发展的核心,是其他创新最为依赖的技术基础。我国虽然有200多种产品产量居世界第一位,但缺少核心技术和品牌优势,95%的高档数控机床、85%的集成电路、80%的高端芯片依赖进口。究其原因,科技的落后是我国制造业落后的主要因素。必须通过科技发展与创新,全面提高中国制造创新能力,激发中国制造的创新活力,推动中国制造实现创新发展,并建立起“以企业为主体、市场为导向、政产学研用相结合的制造业创新体系”。

  融合,就是指推进信息化与工业化深度融合。信息化与工业化的融合是现代制造业的重要特征。美国提出的网络物理系统(CPS:cyber-physical system)以及德国的工业4.0,其实质都是信息化与工业化的融合问题。中国的制造水平落后于德国、美国,这是不争的事实,中国必须加快这种融合,加快“机器换人”进度,这样中国的制造才能在“再工业化”进程中占有一席之地。也只有实现信息化与工业化深度融合,才能实现智能制造、绿色制造,才能不断“推进生产过程智能化,培育新型生产方式,全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平”,才能不断增强中国制造的竞争实力。

  强基,就是要夯实中国制造的各项基础。我国已提出“四基战略”,就是把“核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础”做为我国的工业发展的基础。零部件的精度直接决定着整机的精度;生产工艺、基础材料直接决定产品的质量与效益,产业技术水平直接决定着现代化制造业的整体水平和能力。要实现中国制造,必须夯实这四个中国制造的基础,不断提升精密加工、智能制造以及高质量产品的制造能力,才能全面提升我国基础工业发展水平和快速发展的能力。

  二、计量测试技术是中国制造的基础

  (一)计量测试技术是科技的基础,也是创新的基础。

  我国制造业整体水平排在德国、美国等发达国家之后,而我国的计量测试能力和水平也在这些发达国家之后,这不仅仅是一个巧合,而是从另一个角度反映了计量对整个制造业的影响。俄国化学家门捷列夫讲:没有测量就没有科学。每一项科研成果的取得都是在成百上千次甚至上万次的计量测试的基础上,经过分析、比较、归纳出来的。计量对科技具有很强的引领和促进作用。国家质检总局局长支树平在2015年亚太计量规划组织(APMP)大会上讲:计量测试技术是创新的“种子”和“引擎”,是国家核心竞争力的重要标志之一。没有计量测试技术的创新与发展,没有计量测试提供准确、可靠、一致、有效的计量测试数据,就很难提出创新的思路,也很难验证创新的成果。从科技领域来看,每一次计量测试精度的提高或者新的测试方法的提出,都会带来一些科技新发现,带来一些科技新发明,也会带来一些新技术上革命与进步。

  (二)计量测试技术是“融合”的基础。

  实现信息化与工业化深度融合,“智能”“大数据”将成为深度融合的重要手段。智能产品、智能装备,及至智能车间、智能工厂,这些都是智能制造的重要组成部分,也是信息化与工业化深度融合的前提和基础。要实现“智能”,就必须以计量测试为前提,为手段。以智能制造为例:一个智能产品(原材料)的基本信息,如基本尺寸、基本成份含量,都必须经过计量测试才能得到;这个智能产品(原材料)要与智能装备进行信息交互,实现智能制造加工,必须经过计量测试才能相互感知,才能对智能产品(原材料)进行定制(按提前计量测试好的要求)化加工;加工后的基本信息只有通过计量测试才能重新写入新的智能产品中,为下一道工序加工提供新的更加完备的基本信息。德国一家玻璃智能制造生产线上有3000多个传感器,正是这3000多个计量测试用的传感器,不停地感知有关信息,并经传输、分析、再感知、再分析,才能保证制造出带有“智能”功能的玻璃产品。带有“智能”功能的玻璃产品再进入“智能”物流或其他“智能”制造过程中,成为社会需要的更加“智能”的产品。在整个“智能”制造过程中,计量测试发挥着重要的作用,并且计量测试的精度直接影响着“智能”产品最后的质量和效益。

  (三)计量测试技术是“四基”的基础。

  基础零部件、基础原材料、基础工艺、产业技术基础(包括基础检测技术)构成我国制造业的基础。直接把基础检测技术列入国家战略发展的基础,这足以说明基础检测技术的重要性。但更为重要的是:计量测试技术也是其他“三基”(基础零部件、基础原材料、基础工艺)的基础。以基础零部件为例:齿轮是机械加工、高精密仪器制造等各类机械制造中非常重要的一个基础零部件,齿轮的精度直接影响着机械加工的精度。大连理工大学王立鼎院士是齿轮研究方面的专家,他制造的齿轮可以和德国的齿轮精度相一致。他多年来担任中国计量测试学会的常务理事。2013年,我拜访他时,曾经问他:齿轮制造与计量测试有什么样的关系?他对我讲:要制造出高精度的齿轮,就必须要有更高精度的计量测试手段。同时他还讲到:我国精密加工机床精度不高,机器噪音大,寿命短等,造成的原因表现上是齿轮之间或轴承之间的有效啮合不好,深层次原因是我国在这方面的计量测试精度不够。在现代化的生产工艺过程中,计量测试是实现工艺过程控制的技术基础,计量测试精度的高低直接影响着产品的质量,影响着企业的效益。同样,在原材料的制造过程中,如果计量测试不准确,精度不够高,同样会直接影响到原材料的质量和性能。

  (四)计量测试技术是企业提质增效、转型升级的基础。

  在工业企业,人们常讲的一句话是:计量是企业的“眼睛”。的确,从原材料进厂,到企业生产工艺过程控制,到企业的产品检测,再到企业的节能减排增效,计量都发挥着重要的“眼睛”作用。但随着现代化企业的发展,特别是工业化与信息化的深度融合,计量测试将成为现代化企业的“中枢”,甚至是大脑。在智能制造过程中,使用微型传感器进行计量检测,通过互联网将数据传到数据中心,数据中心经过计算分析,再将指令传达到智能设备,智能设备进行智能操作。这时,计量测试已不仅仅是简单的“眼睛”,而变成一个系统,包括传输、分析甚至执行。随着芯片技术的发展,这一整套过程都会集成到一个小小的芯片上。计量测试已完全构成了一套系统,成为一个“智能人”。未来要实现定制化智能制造,一条生产线已不再只生产一种规格的产品,要随时检测、随时调节、随时制造不同规格、不同颜色、不同大小、不同形状、不同性能的产品。这时更需要不断进行计量测试。计量测试水平以及计量测试技术的应用已成为影响中国“智造”的关键。早在上世纪初,世界工业发达国家就把合格的原材料、先进的生产工艺以及计量测试技术做为现代化企业的三大支柱。计量测试已成为现代企业保障产品质量、实现转型升级的重要技术基础。欧盟2002年一项统计表明,计量通过支持技术创新对欧盟GNP的贡献达0.77%,数额达610亿欧元。随着社会进步对科技的依赖,这个数字肯定还要高。

  三、加快推进计量测试技术进步,引领中国制造快速发展

  基础不牢,地动山摇。要实现中国制造,计量测试技术必须先行。

  (一)加强计量测试前沿技术研究,不断提高计量测试精度。

  计量研究是一个不断超越自我的过程。精度的提高是永无止境的。精确计量还将不断催生其他领域新技术的发展。伴随测量精度的大幅度提高,一大批革命性的新技术也会相继涌现,如纳米技术的应用将不断提升航空发动机的精度,也不断推动核潜艇技术的发展。目前我国整体的计量测试水平离发达国家还有很大的差距,特别是在与中国制造相关的极大、极小,极高、极低等领域差距更大。因此,要加强计量科技基础及前沿技术研究,特别是基本物理常数等精密测量和量子计量基准研究,在应对国际单位制重大技术革命的同时,建立一批新一代的高准确度、高稳定性量子计量基准,为中国制造服务。要突破重点领域的关键计量测试技术,建立一批适合中国制造快速发展的国家计量基标准、社会公用计量标准;要加强高精度、具有快速反应能力的计量测试技术的研究,为精准制造、敏捷制造提供精准计量测试技术服务。

  同时,要加强计量测试科技成果的转化,推动计量测试产业发展。计量科研项目的立项、论证等要与中国制造中的重点领域、重点产业、重大战略的科研项目对接,把科研成果的转化作为计量测试技术研究课题立项、执行、验收的全过程评审指标。要建立计量科研机构与企业技术机构交流平台,加强计量技术机构与企业联合立项、联合攻关、联合研发力度。

  (二)加强先进实用计量测试技术研究,推动计量测试技术与中国制造的深度融合。

  要加快新型传感器技术、微型传感技术、功能安全技术等新型计量测试技术和测试方法研究,推动我国传感器产业的快速发展;要加强传感器计量检定、校准特别是自校准、自适应过程中的量传溯源技术的研究,保证传感器量值的准确可靠。要加强远程传输、远传校准、扁平校准等新计量测试技术的研究,以适应“系统计量”或“整体计量”的需要。要加快航空航天装备、海洋工程装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备等现代制造业重点领域专用计量测试技术研究,提升专业计量测试水平。要加强核心基础零部件、基础工艺、基础材料相关计量测试技术的研究,着力解决影响核心基础零部件(元器件)、基本原材料产品性能和稳定性的关键共性技术,为“四基”战略打好计量测试技术基础。要加强数控机床、机器人、轨道交通装备等整体中计量测试技术的研究,特别要在柔性制造中,加强“柔性计量”技术的研究,提高整体(机)加工(制造)精度。加强仪器仪表核心零(部)件、核心控制技术研究,培育具有核心技术和核心竞争力的仪器仪表品牌产品。

  (三)加强中国制造过程中智能计量测试技术研究。

  2005年,美国国家标准与技术研究所(NIST)提出了“聪明加工系统(smart machining system,SMS)”研究计划。我国也要加强这方面的研究工作。加强工业生产中计量测试技术的研究,为精益生产、在线检测、质量诊断、精细化管理、绿色制造提供计量测试技术保障。加强产业计量测试技术研究,为全产业链、全产品寿命周期、全量传溯源链提供前瞻性计量测试技术服务。加强智能产品、智能装备以及智能制造中相关的计量测试技术研究,为智能化生产提供计量测试技术服务。要加强互联网技术中的计量测试技术研究,确保计量测试数据在传输过程中的保真、保准、一致、可靠。要加强人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等过程中的计量测试技术研究,促进制造工艺的优化、实时监测、远程监控和自适应控制技术的发展。要将计量测试嵌入到产品研发、制造、质量提升、全过程工艺控制中,实现关键量准确测量与实时校准。

  计量测试是中国制造的基础,特别是随着中国制造质量的提升、制造精度的提高以及制造功能的扩大,计量测试的基础作用、先导作用将更加突显。计量测试技术必须走在中国制造的最前沿。

 

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