李明教授：對數字化轉型中精密測量技術發展的思考

導讀： 隨著測量技術的發展，面向過程的在線檢測、面向應用的性能綜合測試，以及面向產品全生命周期的監控等需求也日益呈現，已成為一種新的趨勢。

前文回顧：幾何量數字化測量技術發展趨勢

我們目前經常討論的測量，一般都是對于某個特性和指標開展的。但隨著測量技術的發展，面向過程的在線檢測、面向應用的性能綜合測試，以及面向產品全生命周期的監控等需求也日益呈現，已成為一種新的趨勢，使測量的對象和范圍得到了極大的拓展，同時也對測量技術，以及測量技術的融合應用提出了全新的要求，這對測量界而言更是一種挑戰。

為了應對挑戰，近年來，測量技術本身的數字化、自動化和系統化水平也在不斷提升，同時大批的技術規范和操作規程被修制訂，從而在根本上保障了測量數據的可信度。

隨著數字化進程的推進，測量又會擔綱一個怎么樣的角色呢？

今天在討論數字化轉型時，都會談到數字孿生（digital twin）這一概念。國際iso在《iso 23247-1:2021自動化系統和集成制造系統數字孿生架構 第1部分:概述和一般原則》標準中給出了數字孿生的定義：

digital twin

fit for purpose digital representation of an observable manufacturing element with a means to enable convergence between the element and its digital representation at an appropriate rate of synchronization

數字孿生

<制造系統>制造系統可觀測要素滿足要求且具有同步特性的數字表達。（注：作者譯）

這里的制造系統可觀測要素（observable manufacturing element ，ome）是指制造系統中可觀測的物理存在以及操作的內容，包括人、設備、材料、過程、設施、環境 、產品、以及支持文檔等。

從iso數字孿生的定義中我們可以看到數字孿生的核心在于實體和對象相關特征屬性與其數字表達之間的同步，以及實時性。在這個數字環境的表達過程中，實體方面特征參數的獲取就是靠測量來實現的。換句話說，沒有測量就沒有iso標準中所定義的數字孿生。

面對數字孿生的同步表達要求，其對測量操作要求就不僅是精準、還有實時的要求，因為數字孿生另一個特點是需要在實時精準數據基礎上完成實時的控制和互動。在這種情況下，就形成了對測量操作更高的要求：

1. 測量數據的精準可信是測量根本，其間，規范和控制測量操作是核心，它要求操作者關注人、機、料、環和法的影響，通過規范操作來控制這些影響，并通過測量不確定度估算等數字化手段來評估和控制測量系統的能力，確保測量數據可信度，并支撐數據的交付。隨著實時、同步和全生命周期的數字表達要求，對測量系統能力的控制要求也必然會拓展到這些場景；

2. 當測量操作走出實驗室，融入進系統和設備、融合到生產現場，實時實地開展動態數據的高精度采集，海量的數據必然會對邊緣計算、基于互聯網的數據處理和數據管理提出全新的要求；

3. 對測量操作而言有一個最基本的對偶原則，即必須正確響應前端設計給出的要求，并按規范進行測量操作。換句話說，測什么是由前端設計給出的。因此，要真正形成數字孿生的數字表達，其被測對象和要素的定義將是關鍵，在這個定義過程中，就必然會要求測量介入前端，以配合前端被測要素定義時的可測性分析，以及測量結果的表達形式、處理操作、集成方法和管理方法；

4. 在用數字表征要素時，甚至整個系統要素屬性的測量數據到手后，就必然會有開展更深層次的數據關聯需求，以便更為精準地描述孿生模型，此時大數據工具將會有用武之地，當然這方面工作到底由誰有做是一個問題，但當成體系的數據在測量手里時，測量也確實能夠做一些數據處理，如邊緣計算、相關性分析及換視角的深層次觀察等；

從上面的討論和分析中我們可以看到，數字化時代的測量技術除了本身的專業性以后，還將被數字時代賦以同步性和系統性特點，在此，需要重點關注以下幾個方面的問題：

1. 測量技術的應用在測得了（被測對象的多樣性和復雜性）、測得快（被測對象的動態性和實時性）、測得準（各種尺度下技術參數的高精度測量）和測得?。ㄏ到y角度的經濟性）、測得全（被測對象的全數字表達）等方面又有了更新、更高的要求；

2. 基于互聯網/物聯網的全方位、多參數的同步測量、數據融合和邊緣計算能力等，已成為現代數字測量的一個全新特征，并將推動測量傳感器、測量儀器和測量系統的發展；

3. 測量操作重心將在原有的基礎上得到前移，特別是在前端采用基于模型的定義（mbd）技術傳輸測量要求并驅動后端時，測量操作的自動化程度將越來越高，值得注意的是這種趨勢并不是簡單的淘汰第一線的測量操作人員，用機器換人，而是對測量從業人員和行業提出了更高的要求，它進一步要求測量從業人員在堅守原測量操作專業性的基礎上，更具有測量可行性分析、測量規范設計、自動化測量操作轉換和系統構建、測量能力數字化評估、測量數據分析和協同管理等能力。而對于測量行業而言，則提出了數字化轉型的更高要求。

測量作為一項基礎技術，不僅在數字化轉型中必不可少，而且在聯合國和我們國家目前積極創導的雙碳中的碳軌跡、碳排放和碳交易活動中，同樣扮演著不可或缺的角色，因為在整個雙碳過程中，所有決策的數據全部依賴于第一線通過測量得到的基礎數據。換句話說，只有具備了強大的測量技術和能力，特別是基礎平臺的支撐，才會有雙碳、綠色，可持續發展。

由于測量的重要性，聯合國將其列為國家質量基礎（national quality infrastructure，nqi）中三大要素之一。此外，2021年，國務院印發了《計量發展規劃（2021-2035）》，明確提出到2025初步建立“國家現代先進測量體系”。

總之，測量在整個國家數字化和制造業轉型升級中將發揮更加重大的作用，測量的價值也將越來越重要，并被釋放。