计量数字化转型现状综述

计量数字化转型现状综述

赵猛，余真，蔡玉池，李丽颖，徐柳，叶善蓉

（中国测试技术研究院，四川成都 610021）

📄 摘要
数字技术的进步与国际单位制（SI）的常数化定义为计量数字化转型提供了有利条件。本文通过文献综述，系统总结了计量数字化转型的研究现状，分析了其发展方向与挑战，并提出未来研究建议，旨在帮助研究人员快速了解该领域的现状及研究重点。

🔑 关键词
计量数字化；虚拟计量；远程校准；数字校准证书；计量芯片

📈 1. 计量数字化转型现状
数字化转型是融合信息技术与计量技术，以改进实体过程、提升量值传递与溯源质量及工作效率的战略。其必然性体现在：

• 外部驱动： 工业4.0与数字经济要求计量必须跟进数字化。
• 内部需求： 数字化有助于降低人为失误，提高计量质量与效率。
• 管理优化： 数字技术可实现自动监测与预警，为决策提供高质量数据支持。
  

⚙️ 2. 计量数字化转型使能技术
2.1 高速网络
高速网络是数字化转型的基础设施。5G网络以其低延迟、高带宽的特性，为计量校准提供了保障。未来的6G网络将提供更强的互联互通性。此外，量子通信（如量子密钥分发QKD）的发展，为计量数据的安全传输提供了更高级别的保障。

2.2 设备与网络的融合-物联网 (IoMT)
计量物联网（IoMT）可实现对计量过程的实时监测、状态跟踪与失效预警。通过分层架构，将物理设备与云服务分离，可优化计量应用。针对物联网设备的安全问题，基于区块链和物理不可克隆函数（PUF）的分布式溯源审计系统成为解决方案之一。

2.3 数字世界和物理世界的接口-传感器
传感器数据的质量至关重要。智能传感器的“self-X”能力，特别是自校准能力，是研究重点。实现方法包括内置参考标准器、在线异常识别以及利用信号进行校准。量子传感器因其高精度，有望成为信号校准的最终选择。

2.4 计量数字化转型神助攻-区块链
区块链的不可篡改特性使其成为实现计量数据数字溯源的理想技术。通过智能合约，可以在多个计量机构间建立数字流程，实现数字互认和量值溯源。

2.5 大数据驱动计量数字化转型
大数据在计量数字化转型中扮演核心角色，通过数据分析改善基础设施的构建、管理和运营。其主要价值在于为决策提供参考，例如通过分析设备校准数据来预测其健康状态。同时，大数据也为虚拟计量和标准建设提供了支持。

2.6 远程校准与计量芯片
远程校准通过传输校准数据实现，消除了对物理连接的依赖。而“NIST on a Chip”等项目则致力于开发基于量子物理原理的小型化标准，实现从SI到工作计量器具的量值直接传递，如芯片级原子钟。

2.7 虚拟计量、数字孪生与元宇宙
虚拟计量和数字孪生技术可以准确反映物理设备的计量状态，尤其适用于危险场所或超大型设备的计量。数字孪生通过实时数据交换，为远程计量和过程预测提供了可能。元宇宙技术则在计量远程培训等方面展现出应用潜力。

🌐 3. 计量数字化生态系统
3.1 数字基础设施
数字基础设施是计量数字生态系统的核心，要求能够跨平台、跨设备收集、存储和传递信息。基于云的数字平台因其灵活性和低成本，成为集成数据处理、证书出具、系统安全等服务的关键。

3.2 数字校准证书 (DCC)
DCC是数字化转型的重要指标，旨在开发一个安全、标准化的数字信息结构。其数据格式需遵循“四可”原则（可查找、可访问、可互操作、可重用），以确保机器可读性和数据互操作性。

3.3 量值溯源和数据管理
数字化溯源是全流程、透明的，任何一级数据更改都可被链上参与者知晓。结合区块链、数字标识符和DCC，可以实现从国家计量院到最终用户的数据可追溯性，确保数据完整性和物理量的有效性。

3.4 数字流程创建
建立有效的数字化流程是破解转型难题的关键。这需要整合整个计量链的系统和数据，在数字流程与传统流程之间建立灵活性，同时保持同等的信任等级。

⚠️ 4. 计量数字化转型面临的挑战

• 数字化信任与风险管理： 如何在数字化转型中保持与传统模式同等的信任水平，并应对隐私、安全和法律等新风险。
• 不确定度评估： 虚拟实验、机器学习等新技术的引入，需要重建不确定度评估模型。
• 个性化需求与数字化瑕疵： 需处理基于大数据的服务模式个性化需求，以及非全面数字化带来的“瑕疵”。
• 观念的转变： 数字化转型是组织架构和管理方式的整体变革，需要从业人员转变观念，积极拥抱变化。
• 处理好信息化与数字化的关系： 明确信息化是手段，数字化是目的，避免两者混淆，制定清晰的转型路线图。
  

🚀 5. 计量数字化转型的展望

• 新思维：计量的产品化思维 以产品和客户为中心，通过产品化更好地分配功能、优化流程，避免同质化。
• 亟待解决的问题：计量数字化标准 数据、接口和流程的标准化是转型成功的关键。未来全球可能趋向于一种统一的计量数字化标准，相关研究将是各国竞争的焦点。
• 新趋势：计量辅助制造 计量技术将更灵活地融入产品实现过程和生产设备中，如在线检测、虚拟计量等，直接提升产品质量。
  

📌 6. 结束语
计量数字化转型是适应数字时代发展的必然战略，本质是质量基础设施的重构。数字技术在推动计量与制造融合、构建数字信任方面具有巨大潜力。建立健全的数字基础设施和生态系统，是实现人员、设备、数据、标准等数字融合的关键。