面對面——張鐘華院士談計量筑基新質生產力

為深入探討計量的創新性，以及計量創新如何為新質生產力的發展提供技術支撐，《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“創新性”體現在哪些方面？

張鐘華院士：計量不僅是人類認識物質世界的重要工具，也是推動科技進步和社會發展的關鍵力量。計量是實現單位統一、量值準確可靠的活動，要做到這一點，就必須確保測量數據溯源到計量標準。我認為計量創新主要包括以下幾個方面：

一是方法創新。任何科學研究，都必須在研究方法上進行創新，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則變形時的解答是相當困難的。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，中國計量科學研究院建立了我國的計算電容基準，使我國的交流阻抗標準有了獨立自主的溯源依據，為電力電子、通信系統、新能源技術等眾多領域的研發與生產提供了可靠的電容測量標準。

另一個例子也可以充分說明方法創新的重要性。在我主持的“建立超導強磁場標準”項目中，為解決核磁共振信號難以長距離傳輸的問題，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，突破了這一技術難題，關鍵技術指標達到了國際先進水平。這一研究成果顯著提高了強磁場標準的準確度，為我國幾十臺超導磁體定標，以及物理學、材料科學、生物醫學等領域的前沿探索提供了強有力的支持，社會效益和經濟效益明顯，被評為當年的國際十大科技進展之一。

二是技術創新。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典的計量基準。這些計量基準一般是根據經典物理學的原理，用某種特別穩定的實物來實現，故稱為實物基準。這種實物基準的缺點在于它們容易受一些不易控制的物理和化學過程的影響，導致所保存的量值發生緩慢變化，進而無法滿足現代工業和科學技術對計量準確度日益提高的要求。如果只從改善材料穩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世紀量子物理學的光輝為計量科學提供了飛躍發展的機會，特別是建立量子基準以代替傳統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新，實現了多項技術突破：（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；在此理論指導下，基于我國現有工藝條件成功研制了國產的量子化霍爾電阻器件。（2）利用非線性反饋系統的理論在相平面上對低溫電流比較儀中工作電流發生跳躍的現象進行了分析，找到了產生此種現象的原因。并提出對系統中前饋環節的動態特性進行細致補償的方法，克服了測量裝置產生電流跳躍的難題，將裝置中的低溫電流比較儀的比例繞組匝數較國外提高了8倍，信噪比提高了一個數量級，比例準確度提高了40倍。測量準確度世界第一。（3）發明了一種渦流屏濾波器技術，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現和量傳時的準確度。

我國的量子化霍爾電阻國家基準已兩次參加BIPM組織的國際關鍵比對，均取得優異成績。此項基準不僅為我國贏得了國際話語權和地位，還保證了我國電學量傳系統的國際等效，促進了我國電學儀表行業的技術發展和進步。

三是時刻保持對計量技術發展的敏銳性。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對國際單位制的基本單位進行定義時，我就關注到了這一重要議題。為積極應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）發表了“能量天平”法測量普朗克常數以及復現千克的新方案，受到國際同行的廣泛關注。在科技部支撐計劃、國家自然科學基金重大研究計劃（重點支持項目）和國家重點研發計劃的持續支持下，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“千克復現國際關鍵比對”，在電學方案中，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，并為首個國際質量共識值的確定貢獻了中國權重。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開始部分采用能量天平方案的測量原理。

四是數字化轉型的推進。雖然我年歲已大，進入退休階段了，但對計量科技的發展依然關注，尤其是計量數字化轉型的推進。我了解到，在國務院發布的《計量發展規劃（2021—2035年）》中，把數字計量擺在突出的位置，強調加強計量和數字技術深度融合，為發展數字經濟夯實測量基礎，這讓計量在數字時代煥發勃勃生機。加快計量數字化轉型，推動科學計量、法制計量、民生計量、產業計量全方位深度應用新一代數字技術和信息技術，規范促進計量器具智能化、網絡化發展。充分運用在線監測、遠程校準等數字化計量技術，提質增效，為科研院所、工業和企業等貢獻計量力量。數字化計量包括數字校準證書的推行和計量數據的融合、共享與應用。計量校準機構每年出具的證書上百萬份，甚至上千萬份，如何實現對出具的每一份證書的計量過程進行控制，實現過程可追溯、結果可靠，離不開計量數字化。眾多領先的第三方計量檢測機構，如華測檢測、廣電計量和天溯計量等，積極研發和推廣智慧實驗室計量檢測管理系統等，通過數字化轉型，增強自身創新能力，發揮了計量創新促進新質生產力發展的示范引領作用。

五是獨立自主的科研路線。我始終認為，最高精尖的技術是買不來的，尤其是計量基準，涉及國家的技術主權，必須堅持獨立自主的道路，特別是符合中國產業發展需求的計量檢測裝置、計量檢測標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，在國際計量領域發出中國聲音，展現中國智慧。

記者：計量對“產業創新”的重要作用，您可以談談嗎？

張鐘華院士：我覺得計量支撐“產業創新”主要包括以下幾個方面：一是提供準確數據支持。計量為各類生產和研發活動提供了準確的數據支持，這是產業創新的基礎。沒有準確的測量數據，任何產業創新都無從談起。二是推動產業技術進步與升級。在各個領域計量科研人員的不懈創新研究下，逐步解決了一些高精尖領域的“測不了、測不準、測不全”等難題，建立了完善的現代計量體系，推動了如半導體制造（光刻機）、航空航天和生物醫藥等領域許多高新技術產業的發展。在這些領域，計量技術確保了生產過程的精準控制，從而推動了產業的技術升級。像我國研制的智能電能表質量抽查與故障預警平臺，通過大數據分析預警電能表故障，延長了設備使用壽命，降低了維護成本。三是促進資源節約和環保。通過精確的計量，可以優化資源的使用，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，實現綠色發展。

具體而言，在機器人制造領域，精確的計量技術能夠確保機器人的每一個部件都符合設計要求，從而提高機器人的性能和穩定性。這不僅提升了產品質量，還降低了生產成本和維修率。此外，通過高精度的計量儀器，我們可以實時監測生產過程中的各種參數，及時發現并解決問題，確保生產線的穩定運行。這種實時監測和反饋機制大幅提高了生產效率，同時也為企業提供了寶貴的數據支持，有助于他們不斷優化生產流程，提升市場競爭力。
記者：計量對“發展新質生產力”的重要作用，您認為主要體現在哪些方面？

張鐘華院士：加快發展新質生產力，核心在科技創新，而計量是孕育科技創新的“種子”和驅動科技進步的“引擎”，與計量科學相關的諾貝爾物理學獎至少有18項。計量作為科技創新和產業高質量發展的重要技術基礎，必將成為發展新質生產力的重要組成部分，為科技創新、產業升級和綠色發展提供強有力的計量技術支撐。我具體談一下：

一是科技創新。科技創新能夠催生新產業、新模式、新動能，是發展新質生產力的核心要素，而計量基礎和計量前沿核心技術研究，為科技創新提供了廣闊空間。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準裝置，促進了新能源裝備的發展。

二是現代化產業體系完善。現代化產業體系是新質生產力要素的產業載體。計量測試作為產業發展的重要技術基礎，與產業變革息息相關。計量測試技術服務和支撐產業高質量發展，推動現代化產業體系完善。例如，在智能制造領域，高精度的計量技術確保了生產線的精準控制，提升了生產效率和產品質量。

三是綠色發展。綠色發展是高質量發展的底色，新質生產力本身就是綠色生產力。計量是經濟活動量化的一把“標尺”，是提升經濟質量效益、推動綠色低碳循環發展、建設生態文明的有效手段，支持綠色低碳轉型發展和資源能源循環利用。比如，在能源領域，通過精準的能源計量和能效評估，企業能夠準確掌握能源消耗情況，識別節能潛力，采取有效措施降低能耗和排放。

記者：請您具體談談國家為什么要大力支持類似計量檢測行業這樣的“生產性服務業”？

張鐘華院士：高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任務，而新質生產力的發展是實現高質量發展的必由之路。計量檢測作為國家質量基礎設施的重要組成部分，對新質生產力的發展具有至關重要的技術支撐作用。計量檢測中的計量包括計量檢定和計量校準，是確保數據準確、產品質量提升以及市場公平競爭的基礎。計量檢定體現了從上至下的量值傳遞，確保法制管理的權威性，而計量校準則體現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，是現代工業生產中不可或缺的一部分，共同為產品質量的提升和國際競爭力的增強提供技術保障。中國計量科學研究院等法定計量檢定機構以及華測檢測、廣電計量、天溯計量等計量校準機構，它們通過高質量、高科技、高效能的發展模式，為新質生產力的發展提供了強有力的支持，保障了高端制造業的高質量發展,有助于我國制造業更好地融入全球產業鏈、供應鏈，提升國際競爭力。然而，盡管我國制造業規模已穩居全球前列，占據全球市場的顯著份額，但與之配套的生產性服務業，特別是計量檢測行業的發展相對滯后，這在一定程度上制約了我國在全球產業鏈中的位勢提升。

因此，為加快新質生產力的發展，推進中國式現代化，實現高質量發展，我們必須加快發展計量檢測行業等這樣的生產性服務業，特別是要加強計量檢定及計量校準關鍵環節，以提升我國制造業的國際互認和市場地位。來源：《中國計量》雜志2024年第10期

計量筑基新質生產力！

計量是經濟發展中不可或缺的一部分。