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求精準 度萬物 量天地 衡公平
——淺析計量的基礎作用
□ 方 向
什么是計量
從詞源上看，計量一詞雖未見在我國古代典籍中出現，但可以推斷它是由“度量衡”的概念逐步衍生而來。度是長度，量是容量，衡是重量。在古代，所謂“權衡”其實是指用權（砝碼、秤砣）來稱量，而“衡器”其本意是天平，后引申為所有確定重量的量器。計量一詞對應英語metrology，根據維基百科，metrology由希臘語measure加上后綴logos構成。希臘文中的logos有“宇宙萬物之規律，絕對之準繩，以及人類一切的依歸”的意思。那么這兩個詞聯系到一起，我們是不是可以說“計量是測量的絕對準繩和一切的依歸”？
作為一門現代科學，計量（metrology）在國際計量術語中已經有了明晰的概念——計量是關于測量的科學，包括涉及測量理論和實用的各個方面，不論其不確定度如何，也不論其用于什么測量技術領域。這個關于計量的定義是由有關測量的數個國際組織（包括BIPM、IEC、IFCC、ISO、IUPAC、IUPAP、OIML和ILAC）聯合組成的計量學聯合導則委員會（JCGM，Joint Committee for Guides in Metrology）給出的。該定義的核心指向是：計量是關于測量的科學。
需要強調的是，雖然計量是關于測量的科學，但它不同于測量。測量是為確定量而進行的全部操作，是對非量化實物的量化過程，其目的是用數據描述事物。而計量是實現單位統一、保障量值準確可靠的活動，計量的目的是確保測量結果準確。準確性、一致性、溯源性和法制性是計量最重要的4個特征，而測量并不必須具備以上這些特征。因此計量屬于測量的一種，它源于測量而又嚴于測量。狹義地講，計量是與測量結果的置信度相關、與不確定度相聯系的一種規范化測量，具備計量特性的測量活動才能獲得有效的測量結果。
計量和標準的關系
計量和標準的目的都是為了追求統一。計量是為了實現測量活動、測量結果的全球統一。從本質上講，計量就是現代社會中最基礎的標準化活動。大數據時代的今天，計量更是一切數據有效性的源泉。計量科學的本身就是為了建立和優化不斷進步、永無止境的計量標準。計量標準是物化的標準、是客觀的標準，是建立在科學真理基礎上的準繩。我們在談到質量時，經常說“沒有規矩不成方圓”，所謂規、矩，分別是指校正圓和方的兩件計量器具。當規和矩合二為一時，便為規矩，指的是法度，標準。規、矩和規矩之間，就形成了內在聯系。可以說，沒有規、矩，何來規矩？沒有規矩，規、矩何用？如果我們認為標準確定了需要方、圓及其規格大小，則計量確保方是方、圓亦為圓，以及方圓之規格符合標準之規定，也就是確保了質量的預期。因此，可以說，標準規定了質量的要求，計量確保了質量的實現，計量是標準的基礎，更是質量的基礎。
計量的作用和戰略地位
從政治、經濟、文化、社會、國防等多個領域來看，計量是國家主權的象征，是統一國家的工具。計量是社會進步的重要基石，不僅是維護公平正義的法度和準繩，更是改善生態環境、提高生活質量、促進社會和諧的基礎和關鍵。計量是科學技術的基礎，歷史上3次技術革命都和計量測試技術突破息息相關。計量還是保證國民經濟正常運行和公平貿易的基礎。沒有計量就沒有現代制造。計量也支撐國防建設，事關國家核心利益。在航空母艦、核潛艇、隱形飛機、洲際導彈、衛星導航定位系統、核武器等武器裝備與設施中，需要大量計量技術的支撐。
計量的基礎作用，一般認為主要體現在兩個方面：一是建立信心。計量通過建立測量的溯源性，獲得可靠的測量結果，使標準的結果可以檢驗，過程可以復現，進而實現人們對質量信賴。二是實現創新。計量通過測量科學和技術進步之間的相互依存和相互促進推動創新；新的測量技術也必然刺激新的產品、流程和服務的創新，同時也會推動勞動力新技能的產生和掌握。
回顧科技發展歷程，計量一直和創新密切相關。一方面計量正是建立在最新科學理論和最先進的技術基礎上的，很多最新發現的物理現象和理論第一次就是被用于新的計量基準。原子噴泉理論孕育了原子噴泉鐘的誕生，奠定了原子時的基礎，將時間基準提升到3000萬年不差1秒的水平；飛秒激光光梳技術架起了光頻與微波頻率的橋梁，將光鐘變為現實，從而有可能將時間頻率標準的不確定度再提高10-18量級。最近的幾十年里，共有14位計量科學家獲得諾貝爾物理學獎。計量學往往是最新科學特別是物理學理論的最先應用和最佳載體，是科學發現和科技創新走向應用最重要的橋梁。
另一方面，計量技術的發展，支撐著社會發展的各個方面，計量技術的創新，引領了科技和產業的創新。沒有相應的測量技術不可能有新的科學知識，“凡是可以測量的，就要實現對它的測量；凡是還不能測量的，也要實現對它的測量”。準確有效的測量是認識世界的基礎，更是改造世界的前提。秦始皇統一的度量衡制度促進了社會、軍事、制造標準化的快速發展，鞏固了其統治地位。美國首任總統華盛頓確定的聯邦中央政府六項主要政權就包含度量衡管理權。
在現代社會中，計量更是舉足輕重。80%以上的貿易必須通過測量才能夠完成，工業化的國家測量活動對國民生產總值貢獻率達到4%-6%。貿易結算與公平交易，火箭發射與衛星導航，精密制造與健康安全，網絡互聯與智能電網等，無一不與計量密切相關，無一能離開精密測量技術。計量影響工業生產的實例很多，比如光伏產業，這是我國重要新興產業，以275W的標準太陽電池組件為例，在企業設備測量能力不變的情況下，標準組件的測量準確性提升0.5%，則可讓企業產品平均功率波動減小1W，若按我國每年光伏企業產能5GW來計算，每提升0.5%計量不確定度，至少可以節約6700萬元人民幣的成本支出。
由此可見，計量是一個國家的重要技術基礎，具有不可取代的戰略地位。
國家計量院的使命和責任
進入21世紀以來，隨著科技的不斷進步和全球化的演進，計量在世界范圍內呈現出兩大趨勢。第一，全球計量體系基本形成，保障世界主要國家量值等效，為全球化市場提供支撐。1999年，全球38個國家簽訂了《國家計量基準和國家計量院出具的證書互認協議》。目前，世界上主要經濟體都在努力使本國校準測量能力能夠覆蓋自身國際貿易和參與國際競爭的需求。美國的校準測量能力數量達到2169項，列世界第一；我國為1224項，列世界第四、亞洲第一。第二，計量技術正在發生重大變革，以量子物理為基礎的自然基準取代實物基準，測量準確度等技術指標得以大幅度提高，帶動大部分量的測量準確度得到提高，進而對科技的進步和經濟社會的發展產生重大促進作用。
正是基于計量的戰略地位，發達國家普遍高度重視計量。美國、德國、英國等20多個國家把計量（度量衡）寫入憲法，作為中央事權和統一管理國家的基本要求。美國和德國的國家計量院院長都是由總統任命。美、德、英等主要發達國家政府對計量有統一、穩定的專項經費支持，并逐年增長。各國也都建立了本國的國家計量院，為保證在激烈的國際競爭中占有優勢地位，美、英、德、法、俄羅斯及日、韓等發達國家都十分重視國家計量院的建設和計量科技的發展，紛紛加大對計量科學研究在人力、物力和財力等多方面的投入，以切實保證并有效提高本國計量科技在科技革命和產業變革中的支撐能力。
以美國為例，2009年，美國政府投入國家計量院（NIST）的計量科研經費達16億美元，其中6.1億美元是美國在新頒布《復蘇與再投資法案》之后專項撥款，用于研究建立智能電網、太陽能發電和儲能等先進能源技術，綠色節能建筑、碳排放限制和交易體系等方面的計量標準。
隨著我國經濟社會發展，國家對計量科技的投入持續增加，“十一五”以來累計投入超過20億元。建成了國際一流的實驗基地，開展了應對SI基本單位重新定義的相關基本物理常數測量等前沿研究，啟動了能源、生物、環境、微納技術、醫學、信息技術等服務國家戰略性新興產業發展和社會可持續發展的計量新領域研究工作，獲得國際互認的國家校準測量能力數量躍居世界第四。通過不懈努力，我國計量科技水平已得到全面提升，基本實現了從望其項背到并駕齊驅，具備了趕超發達國家的基礎條件。
今年，國務院發布《中國制造2025》，該規劃無疑對于制造的關鍵組成要素——測量，將是利好的消息，計量產業應抓住新一輪科技浪潮所形成的機遇期。如《中國制造2025》提出了互聯網+的概念，將量子基準和信息技術結合，并將校準模塊植入測量終端上，可以大大縮短溯源鏈，將最精準的量值傳遞給用戶，支撐工業產業的發展，為中國制造2025提供最直接有效的支撐。與《中國制造2025》主攻方向智能制造所密不可分的智能測量已成為大勢所趨，包括智能數據管理及報告、智能掃描、智能軟件及智能能源管理等智能測量技術將成為智能制造的重要環節。
今后，中國計量科學研究院作為我國唯一的國家計量院將以保持國家最高測量能力、滿足經濟轉型升級需要、支撐人民生活質量提升、迎接新領域新技術挑戰為使命，充分發揮和平里、昌平兩個院區不同的特色和作用，聚焦于復現并不斷提升SI基本量量值水平，建立并不斷完善國家計量基準和標準體系；研究并完善測量理論和技術方法，確保測量結果的準確性、一致性和可溯源性；開展復雜系統、多參量綜合測量技術和應用研究，提升現場、多參量校準能力；攻關極端條件和極端量的準確測量技術，不斷提高認識自然和改造自然的能力。
求精準，度萬物，量天地，衡公平，是計量人的不懈追求，也是我們的莊嚴承諾。
（作者為中國計量科學研究院院長）
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