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林雪萍 张耀文 | 无计量不强国 德国基石新光芒

www.cechina.cn2022.06.30阅读 2719

  打造全新战舰出航
  一个多世纪以前,德国工业晋级“德国制造”。这正是德国计量学科兴起的时候,德国国家计量院(PTB)因此而诞生。加上多样化的标准和无处不在的认证,它们共同成为德国精密制造的保障。
  今天,测量和测试技术又一次在历史上起着决定性的作用——所有创新学科领域都依赖于大量复杂联网的测量数据,智能能源网络需要精准的电计量,尤其是对参与高频交易的电力和应对灾害风险,汽车自动驾驶也产生了大量精准计量的需求。数字化车间、个性化医疗或基于测试数据,都使得计量成为新的焦点。
  这一切,高频数据、海量数据、人工智能算法,是否真的可以成为令人信赖的透明生产力,都需要得到严密的监控。
  从技术创新,产品开发,到标准化的监管和批准,乃至市场准入的连续质量保证,计量创新必不可少。“德国制造”提出了新愿景,其涉及的计量和测试必须是网络化和便捷的,这需要全新的架构和程序,确保联网(测量)数据、参考和测试数据集的质量。上述新措施事关人们对人工智能决策的信任。
  测量和测试技术作为德国国家质量基础设施(NQI)的核心组成部分,其前沿和基石领域都有哪些激动人心的进展?都在体系层面进行了哪些扁平化的革新并与产业,特别是制造业紧密结合?
  德国国家计量院给出了全新的答案,那就是数字化计量。因此它申请德国政府,成立了专门数字化的计量院:系统计量学创新中心(IZSM)。就像是为了旨在保持美军颠覆性创新的能力和美国国防部高级预研局(DARPA)的活性,美国也成立了更具独立和灵活性质的第二创新中心(DIUX),而且就放在硅谷。每一个老机构,即使是致力于创新,也需要培育出第二机体。
  系统计量学创新中心(IZSM)的使命是,对于传感器、网络和算法所构成的数字世界,必须保持精准性和确定性。
  这个任务听上去很简单,其实不然,这是一种对百年计量基石的一次颠覆,它需要一种古老计量学所不熟悉的科学和数据能力。于是,IZSM中心必须以扁平化、灵活性、项目为导向的组织结构,保证系统能力的快速实施。IZSM和德国计量研究院通过互补的组织和秩序形式发挥作用。
  
系统计量学创新中心
  敏捷、灵活、开放的IZSM,是数字化的催化剂,加快了数字和网络测量数据产品的创新周期。作为一个跨应用研发能力的中心,IZSM其实是最重要的“系统计量”。它需要有一种系统工程的视角,重新审视已经确立的秩序。这需要它以合法独立的中心来运营,而且需要获得长期的基本公共资金。在最初每年约5000万欧元的基础上,实现逐年增长。计划初期雇用500人,并在PTB的两个院区同地办公,IZSM将在建筑和基本设备方面投资总共约1亿欧元。 
  全新成立的系统计量学创新中心(IZSM),成为德国计量这条百年大船派出驶向深海的一艘先驱战舰。系统计量学创新中心(IZSM)充当基于数据的产品创新周期的催化剂,而PTB则保证了可靠的框架。
  风光无限的能源计量
  俄乌冲突为德国的能源转型暂时带来了阴云。但德国能源转型目标长期并不会动摇。它需要在几十年内创建一个全新的、可持续的、分布的能源系统,实现二氧化碳零排放。德国国家计量机构,就是要建立可靠的测量,满足从工业界、政策层面决策者以及消费者保护领域的计量和检测。
  德国国家计量机构已经开发出部分世界独一无二的测量和校准技术选项,不仅在太阳能和风能领域,也包括输配电网络、电池和其他存储元件、氢技术的发展和能源效率。
  能源转型提供了成为“德国制造”气候友好型技术舞台的机会。但这只有凭借出色的测量技术才能成功。它是环境和气候保护以及安全、环保和经济的能源供应关键学科。
  根据德国政府的计划,到2050年,所需电能50%将来自风力涡轮机。对大转子直径的高性能、高大风力涡轮机的技术要求是巨大的,并且非常需要对涡轮机的可靠运行进行校准。因此,PTB建立了一个风能能力中心,成为第一个能够为风能行业提供可靠和全面质量保证的国家计量机构。专有技术包括:大型三坐标测量机,用于对高精度齿轮部件等大型部件(5m×4mx2m测量体积)进行计量追溯。
  世界上最大的扭矩标准测量设备,最大扭矩可达5MNm,并有望将该系统长期扩展至20MNm,它还可用于风势分析最先进的激光雷达传感器技术(光检测和测距),包括用于校准和精准确定激光雷达系统的风洞以及开发用于预测由风力涡轮机引起的飞行安全设备中断的预测方法。
  光伏也是如此。2035年光伏预计占德国总发电量的20%左右。德国计划投资多达1000亿欧元的太阳能模块。太阳能模块效率的每1%测量不确定性,都会直接导致10亿欧元财务的损失或盈余。因此,德国计量研究院设立了光伏计量能力中心。它提供了独特的实验室和自由场校准方法基础设施,具有世界上最低的测量不确定性。这里专注于难以确定的变量,标准测试条件下的功率、角度依赖性、太阳能模块温度对光谱的依赖性和风速依赖性。基于LED的太阳模拟器配备了1.6万个高性能LED及18种可单独控制的颜色。置身其中,简直就是穿越太阳系的星际航行。
  实际上,这已经成为欧洲唯一一家可以对参考太阳能电池的测量结果进行主要可追溯性测量的国家计量机构。全球安装的所有系统中约有50%的计量都可追溯到该机构。
  最前沿的量子计量
  量子就是鬼怪精灵。它的诞生是神秘的,但即使人们掌握了它的原理,它的运行依然是神秘的。连中科大一位教授的量子科技成果,居然也是众说纷纭,一直成为热点。但在科学家看,却越来越成功地直接控制了量子世界。量子产业应用,也紧随其后。
  从安全数据传输的量子通信和具有超乎想象的计算能力的量子计算机,到用于化学反应的量子模拟,还有用于医学诊断的量子传感器,都在释放商业化的潜力。欧盟委员会设立价值数十亿美元的“量子技术旗舰”资助计划以及配套的德国国家资助计划正在广泛推动提高这一潜力。与此同时,传统公司以及新兴企业都在推动发展,将基于量子技术 (QT) 的全新产品推向市场。
  那就必须来测量一下量子:即使它的坏脾气、即使它的不确定性、即使它具有测量即崩塌的不可知性。
  世界以量子力学方式计时的发现已有100多年的历史。今天,我们认为量子物理学的许多技术应用是理所当然的——从激光到半导体技术再到磁共振成像 (MRT)。德国计量研究院以其测量技术站在量子力学起点,正在推动第二次量子革命的计量可能性,为此,PTB专门成立量子技术能力中心。“第二代量子技术”可以控制单个量子对象并有针对性地使用基本量子效应——用于未来的技术创新,这使得使用下一代原子钟、更精确的电气标准和医学测量成为可能。
  首先是时间上的测量,如何建立量子级原子钟。原子钟广泛用于卫星导航:为了定位自身或物体,评估交换信号的传播时间,即原则上,时钟走得越精确,定位就越准确。而测量地球的引力场,也是重大挑战。原子钟对它们的位置非常敏感。根据爱因斯坦的相对论,局部引力会影响时间的进程,从而影响时钟的进程。原子钟在海平面上的滴答声,与在山上相比,二者并不相同。今天最好的时钟已经记录了几厘米的高度差异。
  同样,量子磁场传感器也将在医学成像发挥重要作用。人类对磁场没有感觉,但通过传感器可以检测生物体内的磁场,并将它们专门用于医学成像,量子效应越来越多地用于收集使用传统方法无法获得的信息。了解人体内部情况的方法之一是测量大脑在思考时或心跳时产生的非常微弱的磁场。对这种弱磁场反应非常敏感的传感器使用量子效应,例如超导性来实现计量测试。还有医学生物标志物,医学会使用“间谍传感器”来找出内部病变的情况。如纳米颗粒被植入到患者体内,它们的路径可能会受到某些颗粒特性的影响,例如可以追踪它们的磁性来实现医学检测。而超导量子干涉装置 (SQUID) 是高度敏感的传感器,特别适用于检测非常弱的磁场。SQUID磁力计多年来一直用于测量人脑神经元活动产生的最小磁场。德国计量研究院的SQUID技术由“光泵磁强计(OPM)”补充,其中原子自旋用激光“读取”,与SQUID相比,且不需要在如液氦等低温下冷却。
  生物体内的磁场非常小,相比之下,地球磁场和我们电气化世界的磁场是巨大的。因此,德国计量研究院在世界上“磁最安静的地方”(“柏林磁屏蔽室BMSR”)的特殊屏蔽室中执行其生物磁参考测量。该设施和技术也对来自工业和研究的外部合作伙伴开放。
  还有令人痴迷的量子计算机。经典比特的值为0或1,这种二进制是当前计算机的根基,所有芯片、操作系统和应用,都是建立在这样的基石之上。然而,量子比特(qubit)却没有描述这种选择,而是同时描述了两种可能性。经典计算机只能以大量位和非常快的单个步骤连续计算,而量子计算机则可以大规模并行工作。然而,先决条件是对脆弱的量子位进行极好的隔离,并对这些量子位的状态进行极好的控制。如果满足这些要求,量子计算机已经可以解决当今超级计算机无法解决的具有约50个量子比特的特殊任务。
  量子密码学也令人感兴趣。大数据时代,人已经被彻底数字化、透明化。大量数据被收集、处理并通过光纤、空气或卫星进行交换。每个人都以无数比特的方式,形成永无止境的信息流,以光速横穿全球。但是,这类数据需要在发送者和接收者之间安全地交换,从医学中的患者数据,到银行之间的财务数据,到高度敏感政治和经济数据。量子世界的原则承诺具有内在安全的数据传输。使用基于自然定律而不是数学算法的量子加密,物理上不可能被“窃听”。
  在德国计量研究院的量子技术能力中心,已经为这些层出不穷的量子应用,牢牢打下基础。
  精准医疗的关键
  医学测量有着悠久的传统,而定量和个性化医疗的发展,正在有着更广阔的未来。测量必须精确、可靠并建立信任。这就是计量的核心竞争力所在,因为它确保了许多重要测量方法的可追溯性。欧盟体外诊断法规以及德国医疗器械法,都有明确的计量要求。根据《测量和校准法》,德国计量研究院是德国唯一一家进行声级计型式检验的指定机构。计量学对于医学最重要的发展之一至关重要:越来越多的定量测量趋势,例如在定量磁共振成像领域。德国计量研究院也在进一步加强与医生、诊所和医疗技术行业的连接性。
  在为个体量身定制的医学之路上,声学发挥着开创性的作用,因为它长期以来一直关注在明确的个体和年龄相关领域建立可量化的测量数据。例如,在一个欧洲项目中开发了一种耳朵模拟器,该模拟器显著改善了新生儿的听力测试,并能够为所有年龄组使用特定的听力阈值。另一项重要任务是防止噪音,欧洲环境署将其归类为日益严重的环境问题,其测量必须符合法律要求。在超声波领域也是如此,它维护国家标准并进行水听器的校准。所有这些任务都关乎患者和超声用户(如医生)的安全,以及加强现有的计量基础设施。在听觉频谱的另一端,对于可能由各种环境因素引起的次声,必须首先建立这个基础设施,声学专家仍然看到了很大的研究潜力。
  自新冠大流行开始以来,大多数人都知道实验室值在医学中的重要性。所有医学诊断决策的很大一部分是基于对体液中诊断标志物浓度的定量分析。在检验医学中,根据欧盟体外诊断法规,所有控制材料必须在计量上可追溯。德国计量研究院在血清中蛋白质的定量和流式细胞仪细胞计数方面,具有很高的声誉。
  然而,测量总是落后市场。由于生物医学和生物化学的快速发展,产生了许多诊断和治疗的新方法,导致测量技术的发展却始终跟不上。考虑到市场、立法和研究的国际性:德国计量研究院与其他九个欧洲机构一起,在欧洲国家计量机构协会 (EURAMET)的支持下联手形成了一个研究网络,“用于检验医学可追溯性的欧洲计量网络 (EMN)”。
  针对肿瘤的正确剂量也在兴起。每年有50万德国人被诊断出患有癌症——而且这种趋势还因老龄化在上升。超过一半的癌症患者接受放射治疗,单独或与化学疗法或手术相结合。精确测量各种辐射疗法所沉积的能量,是至关重要的。它的特点是测量变量“吸收剂量”。使用德国计量研究院的主要标准,该单元可以以世界上最低的测量不确定度表示,并通过二级标准的校准传递。最终,德国放射治疗诊所用于此目的的所有剂量计都可以通过完整的校准链追溯到德国计量研究院的主要标准。
  环境气候监测立新功
  环境和气候的恶化,复杂性超过了碳排放的目标,也超越了国界。由于环境和气候变化不分国界,因此在气候监测方面最重要的国际伙伴是世界气象组织 (WMO)。该组织运营全球大气监视网 (GAW) 和全球气候观测系统 (GCOS) 等。例如,后者定义了54个基本气候变量,即旨在描述全球气候状况的物理、化学和生物参数。这些数量的变化其实都非常小,需要长期、高度准确和可靠(即可追溯至国际单位制)测量,才能识别它的演进方向。
  在环境保护方面,德国计量研究院的一个重要合作伙伴是德国联邦环境署(UBA);除其他外,欧洲空气和水框架指令提供了法律框架。德国计量研究院还负责车辆尾气测量的可追溯性和认证,并不断扩展其在该领域的技能。
  气候监测的一项关键任务是观察影响温室效应的最重要的大气成分。除了使用地面站和卫星外,世界气象组织(WMO)还在其全球大气监视网 (GAW) 计划中借助飞机、气球或无人机测量大气。德国计量研究院提供计量支持活跃于水、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、挥发性有机化合物(VOC)和烟尘气溶胶测量的国际单位制可追溯性,并制定了国家标准和测量方法。
  由于新污染物(如氮氧化物、一氧化碳或颗粒物)被归类为具有优先级,定义更为严格,因此不断面临新的计量挑战。目前只能费很大力气才能确定污染物的垂直分布。而德国联邦交通和数字基础设施部资助的“MessBAR”项目出发点就是提高这种测量效率。于是,德国计量研究院与联邦环境署正在MessBAR项目框架下开发和验证基于无人机的飞行测量系统。三架直升机配备了用于检测细尘、煤烟、氮氧化物和臭氧的微型传感器,在高达一公里的城市和大都市地区附近确定空间的污染。
  小记:计量创新,是基石,更是前沿
  计量学是一门测量科学,一直以来都对人类社会的共存具有重要意义。它一直是商品交换和贸易发展的先决条件。而数字化,正在极大地扩展了计量学的边界。但计量学,依然保有着其对于社会和经济发展的基石和前沿作用。在能源转型背景下不仅提供了“德国制造”气候友好型技术、下一代原子钟和精准医学测量提供可能、刷新诊断和治疗器械的精度,都在为人类保驾护航。而基于测量数据的精准计量,是数字化世界可以令人信赖的根本保障。“德国制造”的基石,正在重新被打磨,光彩夺目地走向新质量。