智能科学技术在计量科学中的应用

摘要：针对传统的测量技术不能满足日益发展的计量科学研究的问题，在分析计量科学研究前沿的基础上，提出将智能科学技术引入到科学计量中，发挥各自的优势提高计量的准确度，并结合质量计量过程中使用的智能质量测量仪器的实例，指出进行高准确度质量计量研究必须依靠智能科学技术的观点。

关键词：计量科学；智能科学与技术；人工智能；机器人；质量计量

0 引言

人类发展的历史离不开计量科学，这门科学是伴随着物品的交换活动而诞生和发展的。随着人类的进步和生产的社会分工，一个产品的通用和互换属性越来越高，我们所熟悉的古代“度量衡”逐步发展为现在的计量科学技术。

测量仪器测量的到底准不准，只有经过计量校准后方能判断，否则给出的测量值是不可靠的，进而在物品交换中导致不信任的行为及结果，即所有的测量值只有在给出的测量不确定度范围内溯源到计量单位上才可靠。

随着现代科学技术的飞速发展，在航空航天、国防军工、绿色能源、生命科学等世界尖端科学领域中的科技成果向世人展示出“科技要发展，计量须先行”的理念。可以说，计量科学是一切测量技术的科学基础。它首先是建立在最新物理学理论和效应的基础上，利用最现代化的技术手段来研究物理量与化学量及其测试方法的一门学科。然而，当代的计量科学正处于变更和更新时期，通常的测量方法已经不能满足更高准确度的测量要求，单一的测量技术和某一门学科无法满足计量科学的要求，因此要求综合各门学科来为计量科学进行服务，这也是笔者所提出的智能科学技术在计量科学中的应用和实践。

1 计量科学的研究前沿

随着高新技术产业的逐步成熟以及可持续发展战略方针的确立，计量科学不再服务于传统科学领域，还形成了诸如材料计量、能源计量、生物与医学计量、环境计量等前沿研究点。2012年3月，全球领先的计量科学研究机构——英国物理技术研究院（National Physical Laboratory，NPL）了《2020年计量愿景规划》，其中的一个重要内容就是“智能和互联式测量”，这一重要主题是指将大量智能技术与智能传感器与互联网结合起来，集成到一个全球性的信息网络中形成物联网，每个物体中将被装入可进行智能测量的传感器，通过互联网和数据融合技术实现网络化校准。

国际上机器人学的研究和机器人技术发展开始于20世纪60年代。美国是工业机器人的发源地，早在1959年就制造出世界上首台工业机器人。20世纪60年代末，高速发展的日本经济面临劳动力严重不足的问题，工业机器人无疑为日本解决了燃眉之急。日本1967年从美国引进机器人及其技术，并于次年试制成日本第一台工业机器人。经过十几年的发展，日本一跃成为“机器人王国”，其工业机器人年产量、国内机器人装机台数和机器人出口量均处于国际绝对领先地位。此外，德国、法国、意大利、英国、瑞典、韩国和前苏联等国的工业机器人都得到了较快发展。在国际计量界，德国PTB是智能质量计量顶尖水平的代表。为了完成质量量值传递，PTB专门设计了适用于质量计量的自动加载卸载装置。

发达国家在计量科学研究中大量使用机器人先进技术，一方面提高了从事计量检定校准服务人员的工作效率，另一方面也提高了计量科学研究中的准确度，并从大量数据中提取有效的信息作为科学研究的参考。在质量计量的过程中，由于计算机技术的广泛应用，信息采集和传感器数据处理更加自动化，而且正向着实时化、精细化控制和智能化方向发展，也使计量校准朝着动态、综合、多参数和多功能方面发展。在国际先进的质量基准实验室中，均采用智能质量测量系统进行质量标准的测量。

此外，智能传感器技术也是测试技术与仪器领域中比较重要的创新技术，它们在该领域得到广泛应用。智能传感器与传统的模拟传感器输出模拟原始信号不同。首先，智能传感器输出的是数字信号，并进一步与虚拟仪器中的主要硬件——计算机交换信息；其次，智能仪器技术提供了强大的网络化平台，在此基础上可以组建远程智能测量系统。分散在不同地理位置、不同功能的测量设备可以组成一个网络测控系统，使测量仪器的智能化程度大大提高。

2 智能机器人在质量计量中的现状

人类进人21世纪，计量科学和智能机器人技术都各自发展到了一定的高度，两者与现代科学的每一个分支都有密切联系，也综合了很多领域的知识，尤其与机械设计制造、机械电子工程、自动化、智能科学技术、智能传感器等领域有着高度重合和相似的内容，更涉及多个专业之间的相互通融与支撑。学科交叉是当代科学技术发展的主要特征，智能机器人需要进一步扩大服务范围，计量科学研究领域也需要进一步提高科研中测量的准确度和效率，这意味着两个广泛的科研分支需要开展更广泛的学科交叉研究与开发和更全面的渗透与合作。然而，我国的智能机器人与计量科学的相互结合和提高还没有到达一定的高度。

质量是目前唯一使用实物作为基标准的物理量。砝码是复现质量值的实物量具，其量值传递溯源到国际公斤原器。砝码的质量及相关参数（体积、磁化率）的精密测量，以及准确、快速的砝码量值传递体系，有助于提高对各个行业的校准测试水平和计量服务能力。然而，我国的自动化质量测量系统的水平相当于发达国家20世纪90代中期水平，与发达国家相比尚存在着不少的差距。例如，在数量上我国电子衡器所占比例仅为6.6%，其中工业用电子衡器为40.8%。商用电子衡器为6.4%，而发达国家工业衡器为80%—90%，商用衡器为50%—60%。其次，我国测量衡器品种尚少、功能不齐全、动态称量准确度低、产品稳定性和可靠性还比较差，产品好的厂家所用的关键配套件还得依赖于进口。

在国际先进公司中，目前广泛使用智能加载卸载设备进行质量计量，如瑞士梅特勒一托里多公司的自动加载设备、德国赛多利斯公司的系列质量比较仪等。从开发市场角度考虑，具有自主知识产权的新型高精度微克级称重及智能化测量系统有很大的发展前途。目前，为了发展具有自主知识产权的产品，我国微克质量、超微质量的研究集中于高精度的微质量测量仪器的设计，以打破国外产品和相关技术的垄断。

在质量计量科学研究中，为避免人为因素干扰和空气流动等环境因素的影响，需采用智能质量测量系统，如日本国家计量院采用a1000，a100和a5的自动化质量测量系统，在2002年日本做主导实验室的CCM.M-K5国际关键比对中，均采用了这些质量测量系统。在研究智能质量测量系统的基础上，瑞士、法国、奥地利、韩国等国家还着手进行了砝码自动检定校准装置的研制，这是因为智能测量系统不仅要保证系统中每台仪器设备都是合格完好、正常工作的，而且要保证整个系统动作一致、量值统一，所以对于这种多参数、多变量的测量控制系统，智能科学技术的支持校准是必不可少的。质量的自动测量已经成为先进国家计量研究机构的必备测量装置。

中国计量科学研究院负责我国最高等级质量量值的传递和溯源，并进行质量单位的复现和各种准确度等级质量标准的量值传递。经过长期的发展和建设，中国计量科学研究院已经建立起一套较为完备的质量基＼标准体系，特别是在1mg～20kg范围，我国质量量值的测量能力通过国际比对、国际质量最佳校准能力（CMC）的评审等确认达到了国际先进水平。2005年，中国计量科学研究院引进了世界上准确度最高的质量比较仪M-one，其天平带有6个转盘位置，可以自动完成6个砝码之间的比对测量。由于完全采用了真空质量测量，其测量结果比在恒压条件下的测量好的多，而且该智能测量系统的内部转动不会引起空气的扰动，确保了测量结果的准确性、可靠性。此后，计量院引入了世界上最先进的AX64004大质量比较仪（50kg）、a2000全自动比较仪（20kg）、CCL1007真空质量比较仪（1kg）以及CCR10质量比较仪（1mg—10g），并开展了基于智能测量的质量计量相关研究。如图1所示，20kg自动加载质量测量系统a20000中的质量比较仪最大秤量能力为26100g，读数能力为1mg，可以适用于F1等级1-20kg砝码质量的自动测量，并能在7天内完成F1等级250块20kg砝码质量量值传递，大大提升了工作效率。图2为CCR10砝码自动化质量测量系统，图3为50kg砝码大质量智能比较仪Ax64004。

这些新建立的自动化质量测量装置极大地提高了质量测量过程的自动化水平，避免了测量过程中人员因素的影响，提高了测量结果的可靠性和测量效率。结合智能科学技术，计量院先后获得了多项重大课题，包括国家科技支撑计划课题和国家重大科学仪器设备开发专项。在接受和吸收世界最先进的科技成果之外，我们无不希望能将智能科学技术引人到计量科学中去，提高我国计量科研的水平和实力。

3 结语

以人工智能和认知科学为基础而建立和发展起来的智能科学技术学科，其基础课程、专业基础课程和专业课程都属于智能科学技术课程，该前沿学科课程群完全涵盖了科学计量过程中所需要使用的关键技术。经过长期坚持不懈和艰辛努力，我国的智能科学技术分别在教学、教改和理论应用中取得许多骄人的成果，全国范围内也建成了很多部级的教学团队，多门人工智能系列课程已经建设成为部级的精品课程，多部人工智能系列教材和著作已获得出版甚至多次再版，为推进我国人工智能课程的发展做出了积极有益的贡献。在这种大形势下，我们应该继续坚持与时俱进的时代精神，理论联系实际，拓展智能科学在我国计量科学中的应用。