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李明教授:对数字化转型中精密测量技术发展的思考

   日期:2022-07-04     来源:仪器信息网    

导读: 随着测量技术的发展,面向过程的在线检测、面向应用的性能综合测试,以及面向产品全生命周期的监控等需求也日益呈现,已成为一种新的趋势。

前文回顾:几何量数字化测量技术发展趋势

 

我们目前经常讨论的测量,一般都是对于某个特性和指标开展的。但随着测量技术的发展,面向过程的在线检测、面向应用的性能综合测试,以及面向产品全生命周期的监控等需求也日益呈现,已成为一种新的趋势,使测量的对象和范围得到了极大的拓展,同时也对测量技术,以及测量技术的融合应用提出了全新的要求,这对测量界而言更是一种挑战。

 

为了应对挑战,近年来,测量技术本身的数字化、自动化和系统化水平也在不断提升,同时大批的技术规范和操作规程被修制订,从而在根本上保障了测量数据的可信度。

 

随着数字化进程的推进,测量又会担纲一个怎么样的角色呢?

 

今天在讨论数字化转型时,都会谈到数字孪生(Digital Twin)这一概念。国际ISO在《ISO 23247-1:2021自动化系统和集成制造系统数字孪生架构 第1部分:概述和一般原则》标准中给出了数字孪生的定义:

 

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

 

数字孪生

 

<制造系统>制造系统可观测要素满足要求且具有同步特性的数字表达。(注:作者译)

 

这里的制造系统可观测要素(Observable manufacturing element OME)是指制造系统中可观测的物理存在以及操作的内容,包括人、设备、材料、过程、设施、环境 、产品、以及支持文档等。

 

ISO数字孪生的定义中我们可以看到数字孪生的核心在于实体和对象相关特征属性与其数字表达之间的同步,以及实时性。在这个数字环境的表达过程中,实体方面特征参数的获取就是靠测量来实现的。换句话说,没有测量就没有ISO标准中所定义的数字孪生。

 

面对数字孪生的同步表达要求,其对测量操作要求就不仅是精准、还有实时的要求,因为数字孪生另一个特点是需要在实时精准数据基础上完成实时的控制和互动。在这种情况下,就形成了对测量操作更高的要求:

 

1. 测量数据的精准可信是测量根本,其间,规范和控制测量操作是核心,它要求操作者关注人、机、料、环和法的影响,通过规范操作来控制这些影响,并通过测量不确定度估算等数字化手段来评估和控制测量系统的能力,确保测量数据可信度,并支撑数据的交付。随着实时、同步和全生命周期的数字表达要求,对测量系统能力的控制要求也必然会拓展到这些场景;

 

2. 当测量操作走出实验室,融入进系统和设备、融合到生产现场,实时实地开展动态数据的高精度采集,海量的数据必然会对边缘计算、基于互联网的数据处理和数据管理提出全新的要求;

 

3. 对测量操作而言有一个最基本的对偶原则,即必须正确响应前端设计给出的要求,并按规范进行测量操作。换句话说,测什么是由前端设计给出的。因此,要真正形成数字孪生的数字表达,其被测对象和要素的定义将是关键,在这个定义过程中,就必然会要求测量介入前端,以配合前端被测要素定义时的可测性分析,以及测量结果的表达形式、处理操作、集成方法和管理方法;

 

4. 在用数字表征要素时,甚至整个系统要素属性的测量数据到手后,就必然会有开展更深层次的数据关联需求,以便更为精准地描述孪生模型,此时大数据工具将会有用武之地,当然这方面工作到底由谁有做是一个问题,但当成体系的数据在测量手里时,测量也确实能够做一些数据处理,如边缘计算、相关性分析及换视角的深层次观察等;

 

从上面的讨论和分析中我们可以看到,数字化时代的测量技术除了本身的专业性以后,还将被数字时代赋以同步性和系统性特点,在此,需要重点关注以下几个方面的问题:

 

1. 测量技术的应用在测得了(被测对象的多样性和复杂性)、测得快(被测对象的动态性和实时性)、测得准(各种尺度下技术参数的高精度测量)和测得省(系统角度的经济性)、测得全(被测对象的全数字表达)等方面又有了更新、更高的要求;

 

2. 基于互联网/物联网的全方位、多参数的同步测量、数据融合和边缘计算能力等,已成为现代数字测量的一个全新特征,并将推动测量传感器、测量仪器和测量系统的发展;

 

3. 测量操作重心将在原有的基础上得到前移,特别是在前端采用基于模型的定义(MBD)技术传输测量要求并驱动后端时,测量操作的自动化程度将越来越高,值得注意的是这种趋势并不是简单的淘汰第一线的测量操作人员,用机器换人,而是对测量从业人员和行业提出了更高的要求,它进一步要求测量从业人员在坚守原测量操作专业性的基础上,更具有测量可行性分析、测量规范设计、自动化测量操作转换和系统构建、测量能力数字化评估、测量数据分析和协同管理等能力。而对于测量行业而言,则提出了数字化转型的更高要求。

 

测量作为一项基础技术,不仅在数字化转型中必不可少,而且在联合国和我们国家目前积极创导的双碳中的碳轨迹、碳排放和碳交易活动中,同样扮演着不可或缺的角色,因为在整个双碳过程中,所有决策的数据全部依赖于第一线通过测量得到的基础数据。换句话说,只有具备了强大的测量技术和能力,特别是基础平台的支撑,才会有双碳、绿色,可持续发展。

 

由于测量的重要性,联合国将其列为国家质量基础(National Quality InfrastructureNQI)中三大要素之一。此外,2021年,国务院印发了《计量发展规划(2021-2035)》,明确提出到2025初步建立国家现代先进测量体系

 

总之,测量在整个国家数字化和制造业转型升级中将发挥更加重大的作用,测量的价值也将越来越重要,并被释放。 


 
 
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