面對面——張鐘華院士談計量筑基新質(zhì)生產(chǎn)力

為深入探討計量的創(chuàng)新性，以及計量創(chuàng)新如何為新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展提供技術(shù)支撐，《中國計量》雜志專程對張鐘華院士進行了一次面對面的訪談。

記者：張院士您好，請問計量自身的“創(chuàng)新性”體現(xiàn)在哪些方面？

張鐘華院士：計量不僅是人類認識物質(zhì)世界的重要工具，也是推動科技進步和社會發(fā)展的關(guān)鍵力量。計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動，要做到這一點，就必須確保測量數(shù)據(jù)溯源到計量標(biāo)準。我認為計量創(chuàng)新主要包括以下幾個方面：

一是方法創(chuàng)新。任何科學(xué)研究，都必須在研究方法上進行創(chuàng)新，才有可能取得突破。以我曾從事的國家計算電容基準研究工作為例，在研究精密電容器的幾何尺寸誤差引起的電容量誤差時，往往需要在不規(guī)則邊界的邊值條件下求解拉普拉斯方程，但一般來說，要求出邊界有任意不規(guī)則變形時的解答是相當(dāng)困難的。我提出了一種解決這類問題的“變動邊界微擾法”，從理論上解決了電極幾何形狀誤差的計算問題。以此為基礎(chǔ)，中國計量科學(xué)研究院建立了我國的計算電容基準，使我國的交流阻抗標(biāo)準有了獨立自主的溯源依據(jù)，為電力電子、通信系統(tǒng)、新能源技術(shù)等眾多領(lǐng)域的研發(fā)與生產(chǎn)提供了可靠的電容測量標(biāo)準。

另一個例子也可以充分說明方法創(chuàng)新的重要性。在我主持的“建立超導(dǎo)強磁場標(biāo)準”項目中，為解決核磁共振信號難以長距離傳輸?shù)膯栴}，我通過深入的理論計算和分析后，提出了一種干擾抑制方法，突破了這一技術(shù)難題，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達到了國際先進水平。這一研究成果顯著提高了強磁場標(biāo)準的準確度，為我國幾十臺超導(dǎo)磁體定標(biāo)，以及物理學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的前沿探索提供了強有力的支持，社會效益和經(jīng)濟效益明顯，被評為當(dāng)年的國際十大科技進展之一。

二是技術(shù)創(chuàng)新。19世紀下半葉到20世紀上半葉，國際計量局（BIPM）以及各國的計量中心實驗室建立起了經(jīng)典的計量基準。這些計量基準一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理，用某種特別穩(wěn)定的實物來實現(xiàn)，故稱為實物基準。這種實物基準的缺點在于它們?nèi)菀资芤恍┎灰卓刂频奈锢砗突瘜W(xué)過程的影響，導(dǎo)致所保存的量值發(fā)生緩慢變化，進而無法滿足現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)對計量準確度日益提高的要求。如果只從改善材料穩(wěn)定性和制作工藝的方向努力，已很難大幅提高實物基準的準確度。但是，20世紀量子物理學(xué)的光輝為計量科學(xué)提供了飛躍發(fā)展的機會，特別是建立量子基準以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物基準的可能性。我有幸在精密電磁測量研究過程中經(jīng)歷了電阻基準從實物到量子基準的重要變革時期，并牽頭負責(zé)我國量子化霍爾電阻國家基準的研究和建立工作。此項目獲得了2007年度國家科技進步獎一等獎。在研究過程中，我和項目組成員通過自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了多項技術(shù)突破：（1）在國際上首次從理論上證明了任意形狀的霍爾器件量子化時均滿足普適公式，降低了對工藝的要求；在此理論指導(dǎo)下，基于我國現(xiàn)有工藝條件成功研制了國產(chǎn)的量子化霍爾電阻器件。（2）利用非線性反饋系統(tǒng)的理論在相平面上對低溫電流比較儀中工作電流發(fā)生跳躍的現(xiàn)象進行了分析，找到了產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因。并提出對系統(tǒng)中前饋環(huán)節(jié)的動態(tài)特性進行細致補償?shù)姆椒ǎ朔藴y量裝置產(chǎn)生電流跳躍的難題，將裝置中的低溫電流比較儀的比例繞組匝數(shù)較國外提高了8倍，信噪比提高了一個數(shù)量級，比例準確度提高了40倍。測量準確度世界第一。（3）發(fā)明了一種渦流屏濾波器技術(shù)，有效抑制了高頻干擾，提高了低溫電流比較儀電橋工作時的穩(wěn)定性。（4）提出了一種低溫電流比較儀的整體校驗方法，確保了量子化霍爾電阻國家基準復(fù)現(xiàn)和量傳時的準確度。

我國的量子化霍爾電阻國家基準已兩次參加BIPM組織的國際關(guān)鍵比對，均取得優(yōu)異成績。此項基準不僅為我國贏得了國際話語權(quán)和地位，還保證了我國電學(xué)量傳系統(tǒng)的國際等效，促進了我國電學(xué)儀表行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和進步。

三是時刻保持對計量技術(shù)發(fā)展的敏銳性。2018年，第26屆國際計量大會批準了對千克等4個基本單位的重新定義，這一重大事件被稱為自“法國大革命以來的最偉大變革”。實際上，早在2005年國際計量委員會（CIPM）建議采用基本物理常數(shù)對國際單位制的基本單位進行定義時，我就關(guān)注到了這一重要議題。為積極應(yīng)對國際單位制的重要變革，我和課題組在2006年的國際精密電磁測量會議上（CPEM2006）發(fā)表了“能量天平”法測量普朗克常數(shù)以及復(fù)現(xiàn)千克的新方案，受到國際同行的廣泛關(guān)注。在科技部支撐計劃、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃（重點支持項目）和國家重點研發(fā)計劃的持續(xù)支持下，目前我們已研制出NIM-2能量天平裝置。該裝置2019年和2021年兩次代表我國參加了BIPM組織的“千克復(fù)現(xiàn)國際關(guān)鍵比對”，在電學(xué)方案中，位于加拿大（加拿大的功率天平裝置于2009年從英國購入，英國于1976年在國際上首次提出功率天平方案并啟動研究）和美國（1981年開始研究）之后，處于國際第三的水平，并為首個國際質(zhì)量共識值的確定貢獻了中國權(quán)重。能量天平方案也受到部分國家的重視，瑞士計量院和土耳其計量院已經(jīng)開始部分采用能量天平方案的測量原理。

四是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進。雖然我年歲已大，進入退休階段了，但對計量科技的發(fā)展依然關(guān)注，尤其是計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進。我了解到，在國務(wù)院發(fā)布的《計量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中，把數(shù)字計量擺在突出的位置，強調(diào)加強計量和數(shù)字技術(shù)深度融合，為發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟夯實測量基礎(chǔ)，這讓計量在數(shù)字時代煥發(fā)勃勃生機。加快計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動科學(xué)計量、法制計量、民生計量、產(chǎn)業(yè)計量全方位深度應(yīng)用新一代數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)，規(guī)范促進計量器具智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。充分運用在線監(jiān)測、遠程校準等數(shù)字化計量技術(shù)，提質(zhì)增效，為科研院所、工業(yè)和企業(yè)等貢獻計量力量。數(shù)字化計量包括數(shù)字校準證書的推行和計量數(shù)據(jù)的融合、共享與應(yīng)用。計量校準機構(gòu)每年出具的證書上百萬份，甚至上千萬份，如何實現(xiàn)對出具的每一份證書的計量過程進行控制，實現(xiàn)過程可追溯、結(jié)果可靠，離不開計量數(shù)字化。眾多領(lǐng)先的第三方計量檢測機構(gòu)，如華測檢測、廣電計量和天溯計量等，積極研發(fā)和推廣智慧實驗室計量檢測管理系統(tǒng)等，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型，增強自身創(chuàng)新能力，發(fā)揮了計量創(chuàng)新促進新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的示范引領(lǐng)作用。

五是獨立自主的科研路線。我始終認為，最高精尖的技術(shù)是買不來的，尤其是計量基準，涉及國家的技術(shù)主權(quán)，必須堅持獨立自主的道路，特別是符合中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的計量檢測裝置、計量檢測標(biāo)準方法等方面的科研。隨著我國綜合國力的提升，我們有這個實力和能力，在國際計量領(lǐng)域發(fā)出中國聲音，展現(xiàn)中國智慧。

記者：計量對“產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”的重要作用，您可以談?wù)剢幔?/p>

張鐘華院士：我覺得計量支撐“產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”主要包括以下幾個方面：一是提供準確數(shù)據(jù)支持。計量為各類生產(chǎn)和研發(fā)活動提供了準確的數(shù)據(jù)支持，這是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。沒有準確的測量數(shù)據(jù)，任何產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新都無從談起。二是推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步與升級。在各個領(lǐng)域計量科研人員的不懈創(chuàng)新研究下，逐步解決了一些高精尖領(lǐng)域的“測不了、測不準、測不全”等難題，建立了完善的現(xiàn)代計量體系，推動了如半導(dǎo)體制造（光刻機）、航空航天和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在這些領(lǐng)域，計量技術(shù)確保了生產(chǎn)過程的精準控制，從而推動了產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。像我國研制的智能電能表質(zhì)量抽查與故障預(yù)警平臺，通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)警電能表故障，延長了設(shè)備使用壽命，降低了維護成本。三是促進資源節(jié)約和環(huán)保。通過精確的計量，可以優(yōu)化資源的使用，減少浪費。例如，在能源管理中，通過計量可以精確掌握能耗情況，從而采取有效措施降低能耗，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

具體而言，在機器人制造領(lǐng)域，精確的計量技術(shù)能夠確保機器人的每一個部件都符合設(shè)計要求，從而提高機器人的性能和穩(wěn)定性。這不僅提升了產(chǎn)品質(zhì)量，還降低了生產(chǎn)成本和維修率。此外，通過高精度的計量儀器，我們可以實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。這種實時監(jiān)測和反饋機制大幅提高了生產(chǎn)效率，同時也為企業(yè)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持，有助于他們不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程，提升市場競爭力。
記者：計量對“發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力”的重要作用，您認為主要體現(xiàn)在哪些方面？

張鐘華院士：加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，核心在科技創(chuàng)新，而計量是孕育科技創(chuàng)新的“種子”和驅(qū)動科技進步的“引擎”，與計量科學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎至少有18項。計量作為科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)，必將成為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要組成部分，為科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級和綠色發(fā)展提供強有力的計量技術(shù)支撐。我具體談一下：

一是科技創(chuàng)新。科技創(chuàng)新能夠催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動能，是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的核心要素，而計量基礎(chǔ)和計量前沿核心技術(shù)研究，為科技創(chuàng)新提供了廣闊空間。例如，湖南省計量檢測研究院針對新能源裝備的直流電能計量需求，研制了超高準確性的直流電能計量標(biāo)準裝置，促進了新能源裝備的發(fā)展。

二是現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系完善。現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系是新質(zhì)生產(chǎn)力要素的產(chǎn)業(yè)載體。計量測試作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)，與產(chǎn)業(yè)變革息息相關(guān)。計量測試技術(shù)服務(wù)和支撐產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，推動現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系完善。例如，在智能制造領(lǐng)域，高精度的計量技術(shù)確保了生產(chǎn)線的精準控制，提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

三是綠色發(fā)展。綠色發(fā)展是高質(zhì)量發(fā)展的底色，新質(zhì)生產(chǎn)力本身就是綠色生產(chǎn)力。計量是經(jīng)濟活動量化的一把“標(biāo)尺”，是提升經(jīng)濟質(zhì)量效益、推動綠色低碳循環(huán)發(fā)展、建設(shè)生態(tài)文明的有效手段，支持綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展和資源能源循環(huán)利用。比如，在能源領(lǐng)域，通過精準的能源計量和能效評估，企業(yè)能夠準確掌握能源消耗情況，識別節(jié)能潛力，采取有效措施降低能耗和排放。

記者：請您具體談?wù)剣覟槭裁匆罅χС诸愃朴嬃繖z測行業(yè)這樣的“生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)”？

張鐘華院士：高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù)，而新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。計量檢測作為國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展具有至關(guān)重要的技術(shù)支撐作用。計量檢測中的計量包括計量檢定和計量校準，是確保數(shù)據(jù)準確、產(chǎn)品質(zhì)量提升以及市場公平競爭的基礎(chǔ)。計量檢定體現(xiàn)了從上至下的量值傳遞，確保法制管理的權(quán)威性，而計量校準則體現(xiàn)了從下至上的量值溯源，是國際互認、市場準入的信任背書。兩者相輔相成，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分，共同為產(chǎn)品質(zhì)量的提升和國際競爭力的增強提供技術(shù)保障。中國計量科學(xué)研究院等法定計量檢定機構(gòu)以及華測檢測、廣電計量、天溯計量等計量校準機構(gòu)，它們通過高質(zhì)量、高科技、高效能的發(fā)展模式，為新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展提供了強有力的支持，保障了高端制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,有助于我國制造業(yè)更好地融入全球產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，提升國際競爭力。然而，盡管我國制造業(yè)規(guī)模已穩(wěn)居全球前列，占據(jù)全球市場的顯著份額，但與之配套的生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，特別是計量檢測行業(yè)的發(fā)展相對滯后，這在一定程度上制約了我國在全球產(chǎn)業(yè)鏈中的位勢提升。

因此，為加快新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展，推進中國式現(xiàn)代化，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，我們必須加快發(fā)展計量檢測行業(yè)等這樣的生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，特別是要加強計量檢定及計量校準關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以提升我國制造業(yè)的國際互認和市場地位。來源：《中國計量》雜志2024年第10期

計量筑基新質(zhì)生產(chǎn)力！

計量是經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的一部分。