面对面——张钟华院士谈计量筑基新质生产力

  今年“世界计量日”的中国特别主题是“计量筑基新质生产力，促进可持续发展”，为学习贯彻“新质生产力”发展理念，发挥计量基础设施在“新质生产力”中的支撑保障作用，《中国计量》杂志特开设计量筑基新质生产力专栏，邀请专家结合工作实践、专业或行业特点等谈“新质”计量的体会和感悟，并阐述理论对未来工作规划、工作重点等的实际指导意义。

  为深入探讨计量的创新性，以及计量创新如何为新质生产力的发展提供技术支撑，《中国计量》杂志专程对张钟华院士进行了一次面对面的访谈。

  张钟华院士：计量不仅是人类认识物质世界的重要工具，也是推动科学技术进步和社会持续健康发展的关键力量。计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动，要做到这一点，就必须确保测量数据溯源到计量标准。我认为计量创新最重要的包含以下几个方面：

  一是方法创新。任何科学研究，都必须在研究方法上进行创新，才有机会取得突破。以我曾从事的国家计算电容基准研究工作为例，在研究精密电容器的几何尺寸误差引起的电容量误差时，往往需要在不规则边界的边值条件下求解拉普拉斯方程，但一般来说，要求出边界有任意不规则变形时的解答是相当困难的。我提出了一种解决这类问题的“变动边界微扰法”，从理论上解决了电极几何形状误差的计算问题。以此为基础，中国计量科学研究院建立了我国的计算电容基准，使我国的交流阻抗标准有了独立自主的溯源依据，为电力电子、通信系统、新能源技术等众多领域的研发与生产提供了可靠的电容测量标准。

  另一个例子也可以充分说明方法创新的重要性。在我主持的“建立超导强磁场标准”项目中，为解决核磁共振信号难以长距离传输的问题，我通过深入的理论计算和分析后，提出了一种干扰抑制方法，突破了这一技术难题，关键技术指标达到了国际领先水平。这一研究成果明显提高了强磁场标准的准确度，为我国几十台超导磁体定标，以及物理学、材料科学、生物医学等领域的前沿探索提供了强有力的支持，社会效益和经济的效果与利益明显，被评为当年的国际十大科技进展之一。

  二是技术创新。19世纪下半叶到20世纪上半叶，国际计量局(BIPM)以及各国的计量中心实验室建立起了经典的计量基准。这些计量基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现，故称为实物基准。这种实物基准的缺点在于它们容易受一些不易控制的物理和化学过程的影响，导致所保存的量值发生缓慢变化，进而不足以满足现代工业和科学技术对计量准确度日益提高的要求。如果只从改善材料稳定性和制作流程与工艺的方向努力，已很难大幅度提高实物基准的准确度。但是，20世纪量子物理学的光辉为计量科学提供了飞跃发展的机会，特别是建立量子基准以代替传统的实物基准的可能性。我有幸在精密电磁测量研究过程中经历了电阻基准从实物到量子基准的重要变革时期，并牵头负责我国量子化霍尔电阻国家基准的研究和建立工作。此项目获得了2007年度国家科技进步奖一等奖。在研究过程中，我和项目组成员通过自主创新，实现了多项技术突破：(1)在国际上首次从理论上证明了任意形状的霍尔器件量子化时均满足普适公式，降低了对工艺的要求;在此理论指导下，基于我国现有工艺条件成功研制了国产的量子化霍尔电阻器件。(2)利用非线性反馈系统的理论在相平面上对低温电流比较仪中工作电流发生跳跃的现象进行了分析，找到了产生此种现象的原因。并提出对系统中前馈环节的动态特性进行细致补偿的方法，克服了测量装置产生电流跳跃的难题，将装置中的低温电流比较仪的比例绕组匝数较国外提高了8倍，信噪比提高了一个数量级，比例准确度提高了40倍。测量准确度世界第一。(3)发明了一种涡流屏滤波器技术，有效抑制了高频干扰，提高了低温电流比较仪电桥工作时的稳定性。(4)提出了一种低温电流比较仪的整体校验方法，确保了量子化霍尔电阻国家基准复现和量传时的准确度。

  我国的量子化霍尔电阻国家基准已两次参加BIPM组织的国际关键比对，均取得优异成绩。此项基准不仅为我国赢得了国际话语权和地位，还保证了我国电学量传系统的国际等效，促进了我国电学仪表行业的技术发展和进步。

  三是时刻保持对计量技术发展的敏锐性。2018年，第26届国际计量大会批准了对千克等4个基本单位的重新定义，这一重大事件被称为自“法国大革命以来的最伟大变革”。实际上，早在2005年国际计量委员会(CIPM)建议采用基本物理常数对国际单位制的基本单位做定义时，我就关注到了这一重要议题。为积极应对国际单位制的重要变革，我和课题组在2006年的国际精密电磁测量会议上(CPEM2006)发表了“能量天平”法测量普朗克常数以及复现千克的新方案，受到国际同行的广泛关注。在科技部支撑计划、国家自然科学基金重大研究计划(重点支持项目)和国家重点研发计划的持续支持下，目前我们已研制出NIM-2能量天平装置。该装置2019年和2021年两次代表我国参加了BIPM组织的“千克复现国际关键比对”，在电学方案中，位于加拿大(加拿大的功率天平装置于2009年从英国购入，英国于1976年在国际上首次提出功率天平方案并启动研究)和美国(1981年开始研究)之后，处于国际第三的水平，并为首个国际质量共识值的确定贡献了中国权重。能量天平方案也受到部分国家的重视，瑞士计量院和土耳其计量院慢慢的开始部分采用能量天平方案的测量原理。

  四是数字化转型的推进。虽然我年岁已大，进入退休阶段了，但对计量科技的发展依然关注，尤其是计量数字化转型的推进。我了解到，在国务院发布的《计量发展规划(2021—2035年)》中，把数字计量摆在突出的位置，强调加强计量和数字技术深层次地融合，为发展数字化的经济夯实测量基础，这让计量在数字时代焕发勃勃生机。加快计量数字化转型，推动科学计量、法制计量、民生计量、产业计量全方位深度应用新一代数字技术和信息技术，规范促进计量器具智能化、网络化发展。充分运用在线监测、远程校准等数字化计量技术，提质增效，为科研院所、工业和企业等贡献计量力量。数字化计量包括数字校准证书的推行和计量数据的融合、共享与应用。计量校准机构每年出具的证书上百万份，甚至上千万份，怎么来实现对出具的每一份证书的计量过程来控制，实现过程可追溯、结果可靠，离不开计量数字化。众多领先的第三方计量检验测试的机构，如华测检测、广电计量和天溯计量等，积极研发和推广智慧实验室计量检测管理系统等，通过数字化转型，增强自身创造新兴事物的能力，发挥了计量创新促进新质生产力发展的示范引领作用。

  五是独立自主的科研路线。我始终认为，最高精尖的技术是买不来的，尤其是计量基准，涉及国家的技术主权，一定要坚持独立自主的道路，特别是符合中国产业发展需求的计量检测装置、计量检验测试标准方法等方面的科研。随着我们国家综合国力的提升，我们有这个实力和能力，在国际计量领域发出中国声音，展现中国智慧。

  张钟华院士：我觉得计量支撑“产业创新”最重要的包含以下几个方面：一是提供准确数据支持。计量为各类生产和研发活动提供了准确的数据支持，这是产业创新的基础。没准确的测量数据，任何产业创新都无从谈起。二是推动产业技术进步与升级。在所有的领域计量科研人员的不懈创新研究下，逐步解决了一些高精尖领域的“测不了、测不准、测不全”等难题，建立了完善的现代计量体系，推动了如半导体制造(光刻机)、航空航天和生物医药等领域许多高新技术产业的发展。在这些领域，计量技术确保了生产的全部过程的精准控制，从而推动了产业的技术升级。像我国研制的智能电能表质量抽查与故障预警平台，通过大数据分析预警电能表故障，延长了设备常规使用的寿命，降低了维护成本。三是促进资源节约和环保。通过精确的计量，可以优化资源的使用，减少浪费。例如，在能源管理中，通过计量可以精确掌握能耗情况，从而采取比较有效措施降低能耗，实现绿色发展。

  具体而言，在机器人制造领域，精确的计量技术能保证机器人的每一个部件都契合设计要求，从而提高机器人的性能和稳定能力。这不仅提升了产品质量，还降低了生产所带来的成本和维修率。此外，通过高精度的计量仪器，我们大家可以实时监测生产的全部过程中的各种参数，及时有效地发现并处理问题，确保生产线的稳定运行。这种实时监测和反馈机制大幅度提高了生产效率，同时也为公司可以提供了宝贵的数据支持，有助于他们一直在优化生产流程，提升市场竞争力。

  张钟华院士：加快发展新质生产力，核心在科学技术创新，而计量是孕育科学技术创新的“种子”和驱动科学技术进步的“引擎”，与计量科学相关的诺贝尔物理学奖至少有18项。计量作为科学技术创新和产业高水平发展的重要技术基础，必将成为发展新质生产力的重要组成部分，为科学技术创新、产业升级和绿色发展提供强有力的计量技术支撑。我具体谈一下：

  一是科学技术创新。科技创新能够催生新产业、新模式、新动能，是发展新质生产力的核心要素，而计量基础和计量前沿核心技术探讨研究，为科学技术创新提供了广阔空间。例如，湖南省计量检测研究院针对新能源装备的直流电能计量需求，研制了超高准确性的直流电能计量标准装置，促进了新能源装备的发展。

  二是现代化产业体系完善。现代化产业体系是新质生产力要素的产业载体。计量测试作为产业高质量发展的重要技术基础，与产业变革息息相关。计量测试技术服务和支撑产业高水平质量的发展，推动现代化产业体系完善。例如，在智能制造领域，高精度的计量技术确保了生产线的精准控制，提升了生产效率和产品质量。

  三是绿色发展。绿色发展是高水平发展的底色，新质生产力本身就是绿色生产力。计量是经济活动量化的一把“标尺”，是提升经济质量效益、推动绿色低碳循环发展、建设生态文明的有效手段，支持绿色低碳转型发展和资源能源循环利用。比如，在能源领域，通过精准的能源计量和能效评估，企业能够准确掌握能源消耗情况，识别节能潜力，采取比较有效措施降低能耗和排放。

  记者：请您具体谈谈国家为何需要全力支持类似计量检测行业这样的“生产性服务业”?

  张钟华院士：高水平质量的发展是全面建设社会主义现代化国家的第一个任务，而新质生产力的发展是实现高水平发展的必由之路。计量检测作为国家质量基础设施的重要组成部分，对新质生产力的发展具有至关重要的技术支撑作用。计量检测中的计量包括计量检定和计量校准，是确保数据准确、产品质量提升以及市场公平竞争的基础。计量检定体现了从上至下的量值传递，确保法制管理的权威性，而计量校准则体现了从下至上的量值溯源，是国际互认、市场准入的信任背书。两者相辅相成，是现代工业生产里不可或缺的一部分，共同为产品质量的提升和国际竞争力的增强提供技术保障。中国计量科学研究院等法定计量检定机构以及华测检测、广电计量、天溯计量等计量校准机构，它们通过高质量、高科技、高效能的发展模式，为新质生产力的发展提供了强有力的支持，保障了高端制造业的高水平质量的发展,有助于我国制造业更好地融入全球产业链、供应链，提升国际竞争力。然而，尽管我国制造业规模已稳居全球前列，占据全球市场的显著份额，但与之配套的生产性服务业，特别是计量检测行业的发展相对滞后，这在某些特定的程度上制约了我国在全球产业链中的位势提升。

  因此，为加快新质生产力的发展，推进中国式现代化，实现高水平质量的发展，我们一定要加快发展计量检测行业等这样的生产性服务业，特别是要加强计量检定及计量校准关键环节，以提升我国制造业的国际互认和市场地位。

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