电工测量数字仪

前文回顾：几何量数字化测量技术发展趋势我们目前经常讨论的测量，一般都是对于某个特性和指标开展的。但随着测量技术的发展，面向过程的在线检测、面向应用的性能综合测试，以及面向产品全生命周期的监控等需求也日益呈现，已成为一种新的趋势，使测量的对象和范围得到了极大的拓展，同时也对测量技术，以及测量技术的融合应用提出了全新的要求，这对测量界而言更是一种挑战。为了应对挑战，近年来，测量技术本身的数字化、自动化和系统化水平也在不断提升，同时大批的技术规范和操作规程被修制订，从而在根本上保障了测量数据的可信度。随着数字化进程的推进，测量又会担纲一个怎么样的角色呢？今天在讨论数字化转型时，都会谈到数字孪生（Digital Twin）这一概念。国际ISO在《ISO 23247-1:2021自动化系统和集成制造系统数字孪生架构 第1部分:概述和一般原则》标准中给出了数字孪生的定义：Digital Twin fit for purpose digital representation of an observable manufacturing element with a means to enable convergence between the element and its digital representation at an appropriate rate of synchronization数字孪生制造系统可观测要素满足要求且具有同步特性的数字表达。（注：作者译）这里的制造系统可观测要素（Observable manufacturing element ，OME）是指制造系统中可观测的物理存在以及操作的内容，包括人、设备、材料、过程、设施、环境 、产品、以及支持文档等。从ISO数字孪生的定义中我们可以看到数字孪生的核心在于实体和对象相关特征属性与其数字表达之间的同步，以及实时性。在这个数字环境的表达过程中，实体方面特征参数的获取就是靠测量来实现的。换句话说，没有测量就没有ISO标准中所定义的数字孪生。面对数字孪生的同步表达要求，其对测量操作要求就不仅是精准、还有实时的要求，因为数字孪生另一个特点是需要在实时精准数据基础上完成实时的控制和互动。在这种情况下，就形成了对测量操作更高的要求：1. 测量数据的精准可信是测量根本，其间，规范和控制测量操作是核心，它要求操作者关注人、机、料、环和法的影响，通过规范操作来控制这些影响，并通过测量不确定度估算等数字化手段来评估和控制测量系统的能力，确保测量数据可信度，并支撑数据的交付。随着实时、同步和全生命周期的数字表达要求，对测量系统能力的控制要求也必然会拓展到这些场景；2. 当测量操作走出实验室，融入进系统和设备、融合到生产现场，实时实地开展动态数据的高精度采集，海量的数据必然会对边缘计算、基于互联网的数据处理和数据管理提出全新的要求；3. 对测量操作而言有一个最基本的对偶原则，即必须正确响应前端设计给出的要求，并按规范进行测量操作。换句话说，测什么是由前端设计给出的。因此，要真正形成数字孪生的数字表达，其被测对象和要素的定义将是关键，在这个定义过程中，就必然会要求测量介入前端，以配合前端被测要素定义时的可测性分析，以及测量结果的表达形式、处理操作、集成方法和管理方法；4. 在用数字表征要素时，甚至整个系统要素属性的测量数据到手后，就必然会有开展更深层次的数据关联需求，以便更为精准地描述孪生模型，此时大数据工具将会有用武之地，当然这方面工作到底由谁有做是一个问题，但当成体系的数据在测量手里时，测量也确实能够做一些数据处理，如边缘计算、相关性分析及换视角的深层次观察等；从上面的讨论和分析中我们可以看到，数字化时代的测量技术除了本身的专业性以后，还将被数字时代赋以同步性和系统性特点，在此，需要重点关注以下几个方面的问题：1. 测量技术的应用在测得了（被测对象的多样性和复杂性）、测得快（被测对象的动态性和实时性）、测得准（各种尺度下技术参数的高精度测量）和测得省（系统角度的经济性）、测得全（被测对象的全数字表达）等方面又有了更新、更高的要求；2. 基于互联网/物联网的全方位、多参数的同步测量、数据融合和边缘计算能力等，已成为现代数字测量的一个全新特征，并将推动测量传感器、测量仪器和测量系统的发展；3. 测量操作重心将在原有的基础上得到前移，特别是在前端采用基于模型的定义（MBD）技术传输测量要求并驱动后端时，测量操作的自动化程度将越来越高，值得注意的是这种趋势并不是简单的淘汰第一线的测量操作人员，用机器换人，而是对测量从业人员和行业提出了更高的要求，它进一步要求测量从业人员在坚守原测量操作专业性的基础上，更具有测量可行性分析、测量规范设计、自动化测量操作转换和系统构建、测量能力数字化评估、测量数据分析和协同管理等能力。而对于测量行业而言，则提出了数字化转型的更高要求。测量作为一项基础技术，不仅在数字化转型中必不可少，而且在联合国和我们国家目前积极创导的双碳中的碳轨迹、碳排放和碳交易活动中，同样扮演着不可或缺的角色，因为在整个双碳过程中，所有决策的数据全部依赖于第一线通过测量得到的基础数据。换句话说，只有具备了强大的测量技术和能力，特别是基础平台的支撑，才会有双碳、绿色，可持续发展。由于测量的重要性，联合国将其列为国家质量基础（National Quality Infrastructure，NQI）中三大要素之一。此外，2021年，国务院印发了《计量发展规划（2021-2035）》，明确提出到2025初步建立“国家现代先进测量体系”。总之，测量在整个国家数字化和制造业转型升级中将发挥更加重大的作用，测量的价值也将越来越重要，并被释放。 作者介绍：李明，上海大学机电工程与自动化学院，教授/博导。robotlib@shu.edu.cn韦庆玥，上海大学机电工程与自动化学院，实验师

几何量数字化测量技术发展趋势李明，韦庆玥测量的实质是通过与标准器/参数比较并赋值的过程，常规意义上是用于产品验收和质量控制。随着科学技术的发展，测量方法也在不断进步。就产品几何质量检测技术来讲，计算机和数字化技术的应用让测量技术从基于实物标准器的测量方法进化到基于虚拟标准器的测量方法。坐标测量机就是其中的典型产品，其通过对被测对象离散点云的精确获取，将实物几何特征导入CAD系统，并通过测量软件的专业处理，实现与标准“器”（模型）的比较，并开展误差计算和评定，以及符合性判定。目前，坐标测量机已在企业广泛应用，并成为企业质量数据和过程控制操作基础数据的重要来源。从某种角度看，测量操作可以分为二个部分，一个是测（取），一个是量（计算和评定）。在“测”的方面，随着光学测量技术的飞速发展，在原接触式测量的基础上，极大地拓展了应用领域，提高了测量效率，其主要呈现以下的发展趋势:1）蓝光、白光和激光，以及影像等测量技术的发展和应用，带动了测量技术向生产现场的拓展和延伸，实现了复杂零部件海量测量点云的快速获取和快速误差评定。2）高速影像测量技术、图形识别和相关智能算法正被应用于生产线/流水线中对产品的精度检测和快速分选场合，并成为当今智能制造研究中的一个热点。3）激光跟踪仪、激光雷达、光笔测量仪、关节臂等移动测量装置，以及其与扫描测量的结合，使数字测量技术跨入大尺寸时代，不仅能应对大型工件/场景的几何精度测量，还作为大型现场的装配辅助测量工具，实现了测量辅助装配（Measurement Aided Assemble，MAA）与精度控制技术。4）光学测量技术，特别是光学显微、光学干涉、光谱共焦、原子力等测量技术的发展的应用，使测量技术实质性进入了微纳领域。这其中不仅包括表面形貌和结构的测量与评定，更涉及到三维微小特征及参数的测量。为微纳器件（M/NEMS）的质量检测和过程控制提供了利器，同时，这些精密测量技术的应用已拓展至生物医药等技术领域。测量是一项系统性技术，测量操作的主要任务是按要求测取并计算和评估，因此测什么和如何计算与评估就体现在“量”的方面。这方面近年来同样在突飞猛进，特别是国际ISO从1993年起，就开始了对几何质量定义和过程控制整个标准体系的数字化转型，标准体系取名为产品几何技术规范和验证标准体系（Geometry product specification and verification，GPS&V）,这是一个由150多个标准组成的技术体系，我国转化ISO标准并已发布了大部分的GPS&V标准。这个标准体系的核心是对几何质量的整个业务链进行全面规范，其中有相关部分内容是对测量操作的规范，充分体现了测量在验证中的地位和作用。GPS&V标准提供的规范和数字化转型支撑主要包括：1）对测量内容定义、测量操作过程、测量评定方法等方面进行了全面的基于数字化的规范，这些规范不仅有效地保障了测量结果的可信性，还为测量过程的自动化提供了技术保障。2）给出了大量面向综合功能和面向过程控制的规范标注方法以及相应的规范检验操作集，为测量技术走进现场、走向功能交会提供了依据和技术保障。3）给出了测量不确定的估算方法和管理流程（Process Uncertainty Management，PUMA），使测量系统的构建和测量能力的评估实现了数字化转型。4）根据现场测量、大型工程场景的测量需求，以及测量过程的数字化控制要求，给出了面向测量任务的测量不确定度评估技术和基于数字化的操作规范。5）给出了大量的面向三维形貌的规范计算和评估方法，为微纳领域的测量操作提供了保障。6）数字坐标测量技术在特殊几何特征方面也得到了极大的拓展，如齿轮、螺纹、叶片特型且有高精度测量要求的零部件等，有效地提高这些零部件的加工精度和产品质量。此外，为进一步将测量及其测量数据应用纳入整个数字化体系，基于模型的定义（Model based definition，MBD）技术、以及在MBD基础上的质量信息架构（Quality information frameworks，QIF）技术等相关国际标准也正在加速制订和完善中，所有这些都预示着数字测量与智能制造系统的集成化趋势。此外在测量的具体操作层面，各大测量机和测量软件供应商，如蔡司（ZEISS）、海克斯康（Hexagon）等，除了进一步根据ISO标准和工程应用场景完善测量软件功能外，还关注了测量编程集成、测量数据管理、测量系统管理、测量知识库构建和应用等环节，为测量融入智能制造系统提供有效的数字化工具。随着数字测量技术的发展和应用的不断拓展，越来越多的个性化测量需求被提出。于是，订制的数字化测量功能系统的研发和基于CAD测量软件的功能模块二次开发也将成为测量领域中的一个关注热点和重要趋势。作者介绍：李明，上海大学机电工程与自动化学院，教授/博导。robotlib@shu.edu.cn韦庆玥，上海大学机电工程与自动化学院，实验师

据中国机械工业联合会、机械工业景气监测中心的统计数据据表明，因全国城乡电网改造拉动，国内电工仪器仪表市场正发生一系列变化。国内市场需求分析电工仪器仪表产品应用面极其广泛，电力部门是电工仪器仪表产品的第一大用户。来自电力物资部门的分析报告指出：目前，在电能计量仪器仪表与系统方面，用户需求以86系列感应式电能表为主，电子式电能表（主要是单相）的需求预计会有大的上涨空间。 　　市场对精密电表的需求将趋于萎缩，便携式电表整个需求也将减少。对该产品的要求主要集中在仪表外观、结构设计、扩大应用领域、提高可靠性等方面。数字仪表发展的重点是提高可靠性。 　　需求量预测及价格走势目前国内的电工仪器仪表产品的生产能力已严重过剩，全行业处于微利状态。但一些高技术含量产品（如电子式电能表等）的性价比与老产品相比将有明显的竞争优势。 　　有数据表明，未来几年，国内市场对电工仪器仪表产品的年需求量将维持在6000万台（套）左右。其中，电力部门需求5400万台（套），其他部门需求600万台（套）。从产品结构上看，电能表产品需求4800万台，安装式电表产品需求700万台，便携式电表需求250万台，数字仪表需求150万台，其他仪表需求100万台。各类产品的需求结构亦在变化，电能表产品中的电子式电能表比重将逐步加大，从&ldquo 十五&rdquo 初期的200万台到末期预期可达1200万台。安装式电表、便携式电表、数字仪表的技术含量亦将增加，产品水平不断升级。因此，尽管近几年产品年需求总量不会有太大变化，但总销售量有不断增加的趋势，预计年增长幅度为8%。