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權威講解 | 中國計量院院長告訴你關于計量的那些事兒

2019-05-17 10:28:40

1999年，第21屆國際計量大會把每年的5月20日確定為“世界計量日”。今年“世界計量日”的主題是：國際單位制(SI)——根本性飛躍，旨在向社會公眾宣傳國際單位制正在進行的重大變革，以及計量邁入量子化新時代后對科技、工業(yè)、貿(mào)易和日常生活帶來的巨大影響。

2019年“世界計量日”即將到來，本版近期特別刊發(fā)中國計量科學研究院系列專稿，向讀者介紹計量基礎知識以及中國計量院的發(fā)展歷史，全面展示中國計量院作為國家最高計量科學研究中心和國家級法定計量技術機構，在確保國家量值統(tǒng)一和國際一致、保持國家最高測量能力、支撐國家發(fā)展質(zhì)量提升、應對新技術革命挑戰(zhàn)等方面作出的重大貢獻。

2011年5月20日，第11個世界計量日，時任國務院副總理王岐山同志對中國計量院進行考察，對計量工作取得的成績給予了充分肯定。王岐山指出：“新中國成立以來，我國計量事業(yè)取得了長足發(fā)展，在建立全國統(tǒng)一計量制度、支持科技創(chuàng)新、服務國計民生等方面取得了顯著成績?！彼€親切地將中國計量院稱作“共和國的寶貝”，認為“面對新形勢，計量工作大有可為，要與時俱進”。

中國計量院已經(jīng)走過60年發(fā)展歷程，其成立要追溯到抗美援朝時期。在當時戰(zhàn)場前線常發(fā)生我軍火炮炸膛和近炸等事故，造成我方人員重大傷亡，并貽誤了寶貴戰(zhàn)機。中央責令嚴肅追查事故原因。經(jīng)當時的兵器工業(yè)專家鐘林反映才知道，導致事故發(fā)生的根源主要是當時新中國還沒有建立統(tǒng)一的工業(yè)“度量衡”標準，導致不同地區(qū)、不同工廠生產(chǎn)出的炮彈和炮筒、槍管和子彈的直徑不一致。血的代價和教訓告訴人們一個嚴峻的事實：計量是現(xiàn)代化建設，尤其是國防工業(yè)中一項必不可少的技術基礎。之后，鐘林被任命為機械工業(yè)工具研究所(中國計量院的前身)所長，負責牽頭開展新中國計量工作。從此，新中國的計量工作開始邁入正常發(fā)展的軌道，并于1955年正式成立國家計量局(也是當時的國家計量院)。1965年，中國計量院四川分院在四川大邑成立，后發(fā)展為中國測試技術研究院；1998年，經(jīng)國務院批準，中國計量院昌平實驗基地項目正式立項，一期工程于2009年正式投入運行。

1959年，國務院發(fā)布了《關于統(tǒng)一計量制度的命令》，這是新中國第一次以政府行政命令的方式，在全國統(tǒng)一計量單位制，并明確要求加強計量基準、標準研究，開展現(xiàn)代計量檢定工作。1985年，第六屆全國人民代表大會常務委員會第十二次會議通過了《中華人民共和國計量法》，標志著我國計量工作走向全面法制管理的新階段；2006年，計量納入《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2010)》；2013年國務院發(fā)布了《計量發(fā)展規(guī)劃(2013—2020年)》，中國計量院迎來了最重要的發(fā)展機遇期。

計量的定義

計量歷史源遠流長。在古代，計量被稱為“度量衡”。度指長度，量指容量，衡指質(zhì)量，度量衡就是關于長度、容量、質(zhì)量的測量。度量衡的單位最初都與人體相關，比如“布手知尺”“邁步定畝”“掬手為升”。秦始皇統(tǒng)一全國后，推行“一法度、衡石、丈尺、車同軌、書同文字”，頒布了統(tǒng)一度量衡詔書，制定了一套嚴格的管理制度，極大促進了商品交換、經(jīng)濟發(fā)展。中華文明五千年，但凡朝代變遷必重整“度量衡”。“度量衡”在歷史上不僅是一般的技術活動，更是皇權、主權的象征和國家治理的重要組成部分。

在現(xiàn)代，計量的科學內(nèi)涵遠遠超出“度量衡”的內(nèi)容。計量的定義是測量及其應用的科學，是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、保證量值準確可靠的活動。從詞源上看，計量一詞在我國古代典籍中雖很早出現(xiàn)，但與現(xiàn)代“計量”的含義并無關聯(lián)，現(xiàn)代“計量”是由“度量衡”的概念逐步衍生而來的。計量一詞對應英語metrology，根據(jù)維基百科，metrology由希臘語measure加上后綴logos構成。希臘文中的logos有“宇宙萬物之規(guī)律，絕對之準繩，以及人類一切的依歸”的意思。組合起來看，似乎也隱含著“計量是測量的準繩和一切的依歸”的意思。

需要強調(diào)的是，雖然計量是關于測量的科學，但其不同于測量。測量是為確定量值而進行的全部操作，是對非量化實物的量化過程，其目的是用數(shù)據(jù)描述事物。而計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、保障量值準確可靠的活動。準確性、一致性、溯源性和法制性是計量最重要的四個特征，測量則不必具備以上所有特征。因此計量屬于測量的一種，源于測量而又嚴于測量。整體來看，計量科學主要有兩項任務，一是一切事物只要可以測量，就要測得更準；二是一切尚不可測量的事物，要實現(xiàn)對其可測量。

計量的作用

計量的作用可以從第一家現(xiàn)代計量院德國計量院的誕生講起。大家現(xiàn)在一提到“德國制造”，就代表著高品質(zhì)、高質(zhì)量。但100多年前卻不是這樣的。1887年8月，英國議會通過了一項侮辱性的商標法條款，規(guī)定所有從德國進口的商品必須標注“Made in Germany”字樣，以此將價廉質(zhì)劣的德國貨與優(yōu)質(zhì)的英國產(chǎn)品區(qū)分開來。為了不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量水平，德國學者和企業(yè)家們紛紛向國家提出發(fā)展相關測量技術的提議，其中最為著名的就是德國企業(yè)家西門子。他認為：要使德國能夠追趕上當時繁榮的工業(yè)國家如英國和法國，不僅需要高度重視自然科學，更需要將科學發(fā)現(xiàn)及時轉化為技術應用并探索科學技術的商業(yè)化，從而促進德國的工業(yè)化進程和擴大產(chǎn)品出口。為此，他建議由國家而非私營企業(yè)成立專門的科學技術研究院(即帝國技術物理研究所PTR，現(xiàn)改名為德意志聯(lián)邦物理技術研究院PTB，主要負責研究、建立、維護德國計量基準和標準)，作為提高德國工業(yè)競爭力的一個前提條件，并為此捐助了1.2公頃的土地和30萬馬克的資金。作為德國國家計量院，PTR在建立后的100多年里，為德國工業(yè)與科學技術的發(fā)展提供了強有力的支撐，其計量技術研究的諸多成果為德國制造業(yè)騰飛插上了翅膀，特別是在精密測量技術領域的研究始終保持全球領先地位，在保證德國工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量方面起到了關鍵作用。在計量的支撐下，德國制造從“山寨”走向高品質(zhì)，最終造就了今天“德國制造”金字招牌！也因此，德國計量院被公認具有“德國制造”的靈魂。

德國計量院成立之后，英國、美國等國家也紛紛意識到了計量對工業(yè)發(fā)展的重要作用，分別于1900年和1901年成立了英國國家物理實驗室NPL(即英國計量院)和美國國家標準技術研究院NIST(即美國計量院)。美國計量院的使命是通過先進的測量能力提升美國的創(chuàng)新和工業(yè)競爭力，保證經(jīng)濟安全、提高人民生活質(zhì)量。2014年，美國眾議院修改通過了《振興美國制造業(yè)和創(chuàng)新法案2014》，目標是在戰(zhàn)略層面提升美國先進制造能力，為此還專門成立11個創(chuàng)新中心，并將其中6個創(chuàng)新中心和先進制造國家創(chuàng)新網(wǎng)絡計劃辦公室設在了美國計量院，主要是基于美國計量院擁有創(chuàng)造的基因、創(chuàng)新的核心支撐能力和最優(yōu)的質(zhì)量控制水平，同時對《國家標準與技術研究院(NIST)法案》進行修訂。2017年，美國計量院申請經(jīng)費預算高達30億美元，其中19.9億美元將用于美國制造業(yè)創(chuàng)新中心的建設。

從德國計量院和美國計量院的誕生、定位和使命可以看出計量在國家發(fā)展中的關鍵性作用，尤其是在科技迅速發(fā)展和經(jīng)濟日益全球化的今天，計量關系國計民生，像空氣一樣，與人類生產(chǎn)生活緊密相連。計量是科技創(chuàng)新的種子、社會進步的基石，是創(chuàng)造質(zhì)量和控制質(zhì)量的重要物質(zhì)手段，是保證國民經(jīng)濟正常運行和公平貿(mào)易的基礎，也成為國家核心競爭力的重要標志之一。毫無疑問，計量支撐發(fā)展，質(zhì)量成就未來。具體而言，計量在科技創(chuàng)新、質(zhì)量提升和貿(mào)易往來中的重要作用如下：

計量是科技創(chuàng)新的引擎。計量是認識世界和改造世界的手段和工具?？茖W研究離不開先進的測量儀器和精密的測試技術，絕大多數(shù)諾貝爾物理獎獲獎成果都和測量技術息息相關，要么是由于計量技術的突破帶來重大發(fā)展，要么是重大技術的發(fā)明直接推動了計量技術的革命?？萍己陀嬃肯噍o相成、互相促進。計量科學被普遍認為是離諾貝爾物理獎最近的一個學科。近年來，美國計量院誕生了4位諾貝爾獎的獲得者。門捷列夫曾說過“沒有測量，就沒有科學”，數(shù)百年來的科學實踐不斷證明了這一真理。

計量是控制質(zhì)量的基礎。談到計量與質(zhì)量的關系，我們經(jīng)常說“沒有規(guī)矩不成方圓”。所謂規(guī)、矩，分別是指校正圓和方的兩件計量器具。當規(guī)和矩合二為一時，便為規(guī)矩，指的是法度、標準。規(guī)、矩和規(guī)矩之間，就形成了內(nèi)在聯(lián)系。可以說，沒有規(guī)、矩，何來規(guī)矩！沒有規(guī)矩，規(guī)、矩何用！如果我們認為標準確定了需要的方、圓及其規(guī)格大小，則計量確保了方是方、圓是圓，以及方圓之規(guī)格符合標準之規(guī)定，也就是確保了質(zhì)量的預期。因此可以說，標準規(guī)定了質(zhì)量的要求，計量確保了質(zhì)量的實現(xiàn)。計量是標準的基礎，更是質(zhì)量的基礎。優(yōu)質(zhì)的原材料、先進的工藝裝備和準確的計量手段是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。計量被稱作現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的眼睛，測得到，才能做得到；測得準，才能做得精！

計量是貿(mào)易往來的紐帶，是公平交易的基礎。最有象征意義的計量器具——“天平”，一直代表著一種永恒的理念——“只有準確的計量才能真正體現(xiàn)社會的公平”。超過80%的貿(mào)易必須經(jīng)過測量才能實現(xiàn)，工業(yè)化國家的測量活動對其國民生產(chǎn)總值的貢獻率達4%~6%。在國際貿(mào)易中，計量的準確性和結果的一致性，涉及國家經(jīng)濟利益，有助于促進貿(mào)易公平公正，并消除技術性貿(mào)易壁壘。

計量在國家治理、支撐國防現(xiàn)代化建設等方面也同樣作用重大，不再一一闡述。

中國計量院發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過幾代計量科技工作者潛心鉆研、不懈努力，新中國計量科技經(jīng)歷了從無到有、從弱到強的光輝歷程。

中國計量院現(xiàn)有兩個院區(qū)，昌平院區(qū)主要定位為計量科技創(chuàng)新基地，擁有先進的精密測量實驗室350余間；和平里院區(qū)主要定位為傳統(tǒng)計量科學研究和量傳檢測服務基地，實驗室面積達6.4萬平方米。

中國計量院建立、保存有國家基準裝置130項、國家標準裝置311項，具備有證標準物質(zhì)1356種，覆蓋了物理、化學和生命科學各個專業(yè)和領域，幾乎可以說中國計量院是物理化學的實物百科全書。國家計量基準和標準裝置要求測量的高準確性以及十年如一日的穩(wěn)定性，每一項計量基準、標準裝置都折射了計量人“精益求精，追求卓越”的工匠精神，并為工匠精神的落地實施提供了重要的物質(zhì)技術手段。到目前為止，中國計量院共完成國際比對335項，成功實現(xiàn)并保持了國際互認的測量與校準能力1343項，國際排名由“十一五”初期的世界第9位升至第4位(亞洲第1位)。

自改革開放以來，中國計量院共獲得國家科技獎勵78項，省部級獎近400項。其中“十一五”以來，獲國家科技進步獎11項，包括一等獎2項、二等獎9項。從“十一五”到“十二五”再到“十三五”，實現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的追趕，甚至在一些領域?qū)崿F(xiàn)了“領跑”。自主研制的“NIM5激光冷卻—銫原子噴泉鐘”被接收為國際計量局(BIPM)認可的基準鐘之一，參與駕馭國際原子時；研制的新型鍶原子光晶格鐘，已經(jīng)達到2億年不差一秒，成為世界上第五臺成功報數(shù)的鐘；玻爾茲曼常數(shù)測量達到了國際先進的水平，被國際科學數(shù)據(jù)委員會(CODATA)收錄，為熱力學溫度的重新定義作出重要貢獻；質(zhì)量單位千克的重新定義是世界性難題，中國計量科學研究院獨立提出了能量天平，成為國際上第三種方法；自主研制的量子化霍爾電阻基準不確定度水平領先國外基準10倍；元素周期表上，由中國國家計量院確立的國際原子量新標準達到了10項之多，成為這個領域領先的國家；被化學測量領域公認的基準純物質(zhì)測量能力已經(jīng)成為世界第一。

中國計量院處于國家量值溯源鏈條的頂端，一方面通過國際比對實現(xiàn)國家校準與測量能力(CMCs)的國際互認，達到“一次測試、一張證書、全球互認”；另一方面通過向省級計量院以及部門、行業(yè)計量機構傳遞量值，組織國內(nèi)比對，保障全國量值的準確與統(tǒng)一。中國計量院每年為20余萬臺計量標準器和部分計量器具提供量值溯源，覆蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、體育、公共安全等國民經(jīng)濟領域，為全國實現(xiàn)計量單位統(tǒng)一和量值準確可靠提供了有效支撐。除此之外，中國計量科學研究院還直接為國家重大工程、重點戰(zhàn)略任務、新興產(chǎn)業(yè)、食品安全和其他重要民生領域及經(jīng)濟建設主戰(zhàn)場提供一流的計量測試和技術服務。以計量服務北京燕京啤酒廠為例，中國計量院開發(fā)的能源計量與管理信息系統(tǒng)使整個廠區(qū)生產(chǎn)率提升了30%，綜合能耗下降了19.8%，僅在項目建成后第一年就節(jié)約能源費用4000多萬元，成為燕京啤酒投資收益最快的項目，北京燕京啤酒集團公司也成為了全國首家氮氧化物排放達標的燃煤使用企業(yè)。

計量的未來展望

歷史上每一次工業(yè)革命都伴隨著測量技術的飛躍和計量的重大變革?；谂ｎD定律的力學、熱學測量的發(fā)展和“度量衡”的高度統(tǒng)一，開啟了以機器代替手工勞動的第一次工業(yè)革命；電測量的實現(xiàn)和《米制公約》的簽署，迎來了“電氣時代”的第二次工業(yè)革命；測量領域的拓展、測量精度的提升和國際計量單位(SI)的正式建立，奠定了以信息控制為主導的第三次工業(yè)革命。

新一代工業(yè)革命正在孕育興起，將深刻影響著經(jīng)濟、科技、社會各方面的發(fā)展。計量技術體系也正在經(jīng)歷歷史性變革。2018年，國際計量單位制將重新定義，世界測量技術規(guī)則將予以重構，由此帶來的影響廣泛而深遠。最突出的體現(xiàn)就是“計量單位量子化”和“量值溯源扁平化”，這一變革將帶動相關產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。目前，量子技術與信息技術正在相互融合，量子技術+互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展模式，將掀起一場真正的計量科學、甚至是整個測量科學的革命，更加精準、更加快速、更加尖端、更加泛在的計量，不再是遙遠的期待。

所以說，以“計量基準量子化”和“量值傳遞扁平化”為主要特征的國際計量變革，將完美契合以信息物理融合系統(tǒng)為基礎的第四次工業(yè)革命的開啟。

計量的未來在哪里？一是基于量子物理的新一代國際單位制；二是突破極限的測量，從原子尺度到超大尺寸范圍內(nèi)的測量，在極端條件下的測量、在干擾或快速變化環(huán)境中的測量；三是智能和互聯(lián)式測量，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大量的儀器儀表或傳感器的在線、遠程及扁平化量值溯源；四是嵌入式測量，將計量植入到生產(chǎn)過程，將最精準的計量基標準融入到機器。比如美國的“NIST on Chip”計劃，就是將美國計量院NIST最精密的測量基準、標準集中在一個芯片上。

為應對國際計量變革和計量體系的重構，歐洲提出了“計量研究創(chuàng)新計劃”以及“量子宣言”，投資數(shù)十億歐元，支撐新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。我國高度重視計量變革帶來的機遇，在科技部、財政部、發(fā)改委等部門的大力支持下，從“十一五”開始，布局了一批量子計量研究項目；“十二五”期間，在量子計量基準和基本單位重新定義方面實現(xiàn)了重大突破，并開辟了醫(yī)學、生物等計量新領域?！笆濉逼陂g，適逢國家科技體制改革，啟動實施了國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎的共性技術研究與應用”項目，有望在“十三五”期間在更多的關鍵領域?qū)崿F(xiàn)“領跑”。

計量是認識世界和改造世界的工具，也是探索動態(tài)變化世界的一把鑰匙。正是因為有了對量的認識和測量手段、測量精度的不斷提升，才不斷提高人類認識世界和改造世界的能力，并推動人類社會不斷發(fā)展。(作者：中國計量科學研究院院長方向)

（本文來源：中國市場監(jiān)管報微信公眾號）

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