——馬愛文
工業革命又稱產業革命。每一次工業革命都對產業的發展、社會的進步、人類的文明起著重要的促進作用，并且每一次工業革命的時期都在縮短，速度在加快，能量也在不斷加大。2013年4月，德國在漢諾威工業博覽會上正式推出工業4.0的概念，即第四次工業革命（德國稱第一次工業革命為工業1.0，第二次工業革命為工業2.0，第三次工業革命為工業3.0）。李克強總理訪問德國時，也強調要加強中德“工業4.0”合作。那么，什么是工業4.0，或者說第四次工業革命到底是什么樣子？對計量測試發展帶來什么樣的機遇和挑戰？
一、前三次工業革命的簡單回顧及計量測試在工業革命中的地位和作用
第一次工業革命誕生于18世紀晚期，以珍妮紡紗機和蒸汽機的發明為標志，機械代替人工，大大推動了人類社會機械化進程。第二次工業革命以電力的廣泛應用和內燃機的發明為標志，工業生產更為集中，出現了大企業的批量生產、流水線生產，生產力大大提高。第三次工業革命以原子能、電子計算機和空間技術的廣泛應用為主要標志，科學技術在原子能、電子計算機、微電子技術、航天技術、分子生物學和遺傳工程等領域取得重大突破，開辟了信息時代，全面促進了人類文明進程。
從以上三次工業革命不難看出，科學技術是推動工業革命的重要動力。計量測試技術做為基礎科學，在前三次工業革命中發揮了重要的作用。
（一）計量的統一和力學的發展為第一次工業革命打下了基礎
16世紀末，文藝復興運動的擴展促進了人的思想解放，也對科學研究產生了重要影響。伽利略基于觀察、實驗以及實驗與數學相結合的科學研究，發現了自由落體定律。牛頓在伽利略研究的基礎上發現了萬有引力定律和物體運動三定律，這三者共同形成了經典力學體系。經典力學的建立，也促進了光學、電磁學等學科與力學的統一。而蒸汽機、科爾尼鍋爐的發明以及將蒸汽機應用于火車，都是基于對力學、溫度的研究和測試基礎之上的。而當時英國度量衡的高度統一，也為工廠之間的分工協作打下了良好的基礎。
（二）電的發明和應用成為第二次工業革命的主要驅動力
從1732年美國富蘭克林主張電為一流體學說，到19世紀初電磁感應現象的發現、電報的發明等，人類經歷了漫長的對電的研究和應用過程。也正是對電的測量與研究以及對電特性的廣泛應用，大大推動了工業企業的自動化進程，提高了工業企業的生產效率。所以人們習慣稱第二工業革命為電氣時代。為紀念科學家對電及其特性的發現以及對電測量所做出的卓越貢獻，國際上以相關科學家的名字來定義電學的有關計量單位。如：以法國科學家庫侖的名字做為電量的計量單位；以意大利科學家伏特的名字做為電壓的計量單位；以法國科學家安培的名字做為電流的計量單位；以英國科學家焦耳的名字做為電能的計量單位。
（三）計量領域的擴展以及計量精度的不斷提高為第三次工業革命提供了強有力的技術支撐
第三次科技革命是涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命。這是一場全方位、多領域的技術革命。在這次革命中，電的應用和測量仍是主角，但長度、力學、溫度、電磁、光學等都在各個領域發揮了重要作用，并且量值的測量向著極大、極小，極高、極低等兩極發展。如在長度計量測試領域，隨著對計量測試技術的改造和研究，納米測量應運而生并快速發展。線紋計量從一維測試向二維測試轉變，促進了集成電路中高精度電路板的校準和溯源儀器的精度不斷提高。真空激光干涉技術的應用將測長精度提高到20nm/m。膜厚計量快速發展，并廣泛應用于半導體、微電子、通訊、電鍍、核物理研究等行業。時間頻率計量，精度已達1600萬年不差一秒，并被廣泛應用于航空航天、北斗導航、計算機時鐘等各個行業。電磁測試向弱磁方向發展，為航空航天等發揮了重要推動作用。
二、第四次工業革命的主要內容及展望
在《保障德國制造業的未來：關于實施“工業4.0”戰略的建議》這份報告中認為：“工業4.0”即第四次工業革命的核心是信息物聯網和服務互聯網與制造業的融合創新。美國于2005年末曾對信息物聯網和服務互聯網與制造業的融合做出綜合性的概括，稱之為虛擬網絡——實體物理系統（Cyber-physical System，CPS）。 “工業4.0”與美國的“CPS”異曲同工。
（一）智能是第四次工業革命的主要特征
第四次工業革命中，資本和貿易在產業發展中的地位和作用將逐漸下降，信息、技術作為未來產業發展不可或缺的生產要素，越來越發揮著基礎性和引領性作用。把智能手機的智能應用于所有工業領域就是工業4.0的目標。“智能”將成為第四次工業革命的主要特征。在未來的智能工廠中，產品信息都將被輸入到產品零部件本身，它們會根據自身生產需求，直接與生產系統和設備溝通，發出下一道生產工序指令，指揮設備進行自組織生產。這種自主生產模式能夠滿足每位用戶的“定制”需求。如：作為全球最主要的飛機引擎制造商的美國通用電氣公司（GE），正在用智能飛機引擎讓飛機更智能。飛機引擎上的各種傳感器會收集飛機在空中飛行時的各種數據，這些數據傳輸到地面，經過智能軟件系統分析，可以精確檢測飛機運行狀況，甚至預測飛機故障，提示做預防性保養等，以提升飛機安全性以及引擎使用壽命。這其實只是智能的一個表現例子。在未來的工業企業，“智能”將成為“心臟”和“大腦”。
美國是國際智能制造思想的發源地之一，美國政府高度重視智能制造的發展，并且已經把它作為21世紀占領世界制造技術領先地位的基石。從上世紀90年代開始，美國國家科學基金會(NSF)就著重資助有關智能制造的諸項研究，項目覆蓋了智能制造的絕大部分，包括制造過程中的智能決策、基于多施主(multi-agent)的智能協作求解、智能并行設計、物流傳輸的智能自動化等。2005年，美國國家標準與技術研究所(NIST)提出了“聰明加工系統(Smart Machining System，SMS)”研究計劃。智能制造被視為制造業轉型的出路。
（二）互聯互通是第四次工作革命的重要手段
工業4.0時代，數字化的靈活性將更加強烈地影響現實世界。軟件將不再僅僅是為了控制儀器或者執行某步具體的工作程序而編寫，也不再僅僅被嵌入到產品或生產系統里。要實現數字化與現實的交互，通過軟件、電子及環境的結合，生產出全新的產品和服務。因此互聯互通是必不可少的。對于工業來說，通過數字化企業平臺，將虛擬和現實世界進行融合，實現從車間到公司管理層的雙向信息流和數據協同優化，這是通往實現工業4.0的必由之路。
有人預測，未來的產品價值將有三大變化趨勢：原先硬件創造的價值正在被軟件創造的價值所共享；網絡連接讓我們在軟件創新方面有了新的選擇，價值正在從產品向云轉變；商業模式從產品轉向了服務。物聯網、互聯網、傳感網等，讓未來工廠與世界只有“一線之隔”。GE公司2012年11月發布的《工業互聯網—— 打破智慧與機器的邊界》的報告中預測：在美國，如果工業互聯網能夠使生產率每年提高1%-1.5%，那么未來20年，它將使美國人的平均收入比當前水平提高25%-40%；如果世界其他地區能確保實現美國生產率增長的一半，那么工業互聯網在此期間會為全球GDP增加10 ～15萬億美元。
（三） 傳感器的研制和傳感技術的創新將成為影響第四次工作革命進程的重要因素之一
互聯網、物聯網都需要大量的信息，而這些信息的產生都是來自儀器儀表或直接來自于各種傳感器。智能制造、智能生產，沒有計量測試便無從談起。根據我國工業和信息化部制定和發布的智能制造裝備產業發展路線圖規劃，智能制造裝備的發展重點突出表現在兩個方面：一是九大關鍵智能基礎共性技術包括：新型傳感技術、模塊化、嵌入式控制系統設計、先進控制與優化技術、系統協同技術、故障診斷與健康維護技術、高可靠實時通信網絡技術、功能安全技術、特種工藝與精密制造技術、識別技術等。二是八項核心智能測控裝置與部件包括：新型傳感器及其系統、智能控制系統現場總線、智能儀表、精密儀器、工業機器人與專用機器人、精密傳動裝置、伺服控制機構、液氣密元件及系統。
從以上這兩個發展重點不難看出，傳感技術和傳感器的研究是其中的重點項目，而其他重點項目的研究，如機器人、液氣密系統等都離不開計量測試的使用和計量測試精度和能力的保障。傳感器和傳感技術是計量測試的一種表現形式，傳感器及傳感技術的發展將成為第四次工業革命的關鍵中的關鍵。
三、第四次工業革命給計量測試帶來的思考
第四次工業革命以“智能制造、智能生產”為核心，以互聯為手段，以計量測試為重要的核心技術。第四次工作革命也是大數據時代，是信息技術時代，是把一切測試信息進行綜合采集、綜合分析并加以綜合運用，在運用的過程中再進行新的采集、新的分析、新的應用的過程。在這個過程中，及時、準確、可靠的計量測試無處不在，無時不在，無所不在。這對計量測試技術的挑戰是全面的、綜合的、全方位的。我認為應從以下幾個方面對計量測試進行思考：
1. 應從更高準確性、可靠性、一致性上思考如何進一步提高計量測試能力問題
計量測試技術的準確性、一致性和可靠性是實現第四次工業革命的基礎。如現代銀行系統，要實現全球范圍內銀行收支情況在某一節點時必須一致，即帳目不致于出現偏差不平衡，需要銀行計算機系統的時間精度必須在10-6以上，而如果全世界的工業要實現4.0，實現實時對接平衡，肯定要高于這個精度，因為數據更多，涉及的行業、部門、產業、企業更為繁雜。目前時間的計量精度雖已達到了10-15以上，但這只是實驗室中的數據，在計算機系統中能否得到實際應用？能否滿足要求？這只是工業4.0對時間這一個參數的要求，對于長度、溫度、電磁、無線傳輸等都提出了什么樣的需求？我們能否滿足？第四次工業革命的到來，一定需求更高精度的計量測試為其提供測試技術保證。
2. 應從傳感技術的快速發展來思考儀器儀表產業發展問題以及對傳感器的量值傳遞和溯源問題
無論智能生產還是智能工廠，傳感器將是產生數據的直接根源。東德某玻璃制造企業，一個玻璃全自動生產系統線上就安裝了3000多個測量傳感器，保證著整個系統的正常有效運行。這些傳感器代表了傳統的檢測儀表。那么如何保證這些傳感器的準確、可靠？如何對他們進行量值傳遞和溯源？能否實現傳感器的自校準功能？測量傳感器加上軟件系統，就實現了原來儀表的功能，未來的檢測儀表是否將被各式各樣的傳感器或傳感系統所替代？儀器儀表行業將何去何從？
3.應從嵌入式軟件全方位應用及互聯網的快速發展來思考計量相關軟件的檢定、校準或檢測問題
無論是工業4.0，還是工業互聯網，“互聯互通”是推動這一輪工業革命的核心要素。近幾年互聯互通技術快速發展，也帶動了軟件業的快速發展。系統集成、遠程傳輸、嵌入式軟件將成為測試儀器的重要組成部分，軟件與儀器將不可分隔。現代的計量測試儀表大都可以直接與互聯網相通。現在較為成熟的像電能智能抄表系統，已把互聯網做為其中的重要組成部分。而現在的計量檢定、計量校準一般只針對儀器設備，或者說只針對其中的計量檢測部分，很少涉及對軟件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性等進行測試。這種管理方式在未來必須發生改變。同時，由于軟件的存在，傳感器的廣泛應用，一個系統對多個參數、多類參數同時進行測量的可能性大大增加。軟件的可靠性、互通互聯技術能力將成為影響第四次工業革命的重要因素。那么我們現在是否有軟件的測評能力？能否對整個系統進行檢定或校準？能否對所有的參數同時進行在線檢定？
4.應從多學科融合的角度來思考計量人才的培養問題
在工業4.0時代，不僅需要更加專業的計量技術人才，因為計量專業性很強，在某一單個領域還需要向著更高、更準的方向發展。但工業4.0時代更是一個大融合的時代，從表面上看是物物相聯、人機相聯、制造與服務相聯等，但深層看，是多學科的融合，多領域的融合，是多種技術的相互滲透。任何產品中都包含著軟件和無線網絡，包含著電子、機械、化工、材料等多項專業技術，有的還包含農業、林業以及管理知識。工業系統的發展向著多通道、多參數、全方位、系統化發展。多學科綜合性人才的需求越來越大，對人才綜合素質的要求越來越高。因此，需要具有跨學科經驗的人才才能擔當相關的工作，進行準確的操作、維護等。創新一般不發生在一個專業的領域，更多出現在跨學科、跨領域的邊緣學科。在總結為什么第三次科技革命首發于美國原因時，社會普遍認為：美國的“實用主義哲學”以及“實驗技術以軍民結合、理工結合為特色”發揮了重要作用。
5.應從計量檢定、校準的扁平化來思考計量技術機構的設置及發展方向問題
隨著第四工業革命的到來，特別是隨著無線傳輸、空間加載、遠程診斷以及互聯網的應用，以后的量傳溯源或許不再需要一級級傳遞，而是通過現代科技手段，如無線傳輸，計量檢定、校準就可以直接溯源到最高計量基準。計量檢定、校準的扁平化問題將會越來越突出。那么，具有中國特色的大區計量測試中心的量傳職能是否會萎縮？有些量值可以直接溯源到國家級或省級技術機構，那么地市級的計量技術機構和縣級計量技術機構還會有什么樣的檢定、校準任務？這些都對現行的計量量傳溯源系統產生影響，也直接影響著全國計量技術機構的設置和計量資源的配置。
6.應從工程控制系統的角度來思考計量的行政管理問題
工業4.0是一個巨大的系統工程，也是一個嚴謹的工程控制系統。這個系統將社會方方面面的信息進行綜合、分析，并產生新的指令，同時也為社會治理提供決策依據。社會治理必須與第四次工業革命的進程緊密結合。國家城市能源計量中心建設是工業系統與管理體系相結合的一個很好的開端，雖然還很不完善，但以后這樣的系統在第四次工業革命中會出現很多。錢學森曾提出將工程控制理論應用于社會管理中。做為計量行政管理部門，如何將工程控制系統的理念應用于計量社會管理，如何提前謀劃，提前布局，如何利用第四次工業革命來提高計量管理的效率和能力。現在是時候思考了。
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