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  中国工程科学 2017年 第19卷 第1期 DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.01.015 中国仪器仪表工程科技2035发展趋势研究 1 2 王雪 ,张莉 1. 100084 2. 100088 ( 清华大学,北京 ; 中国仪器仪表学会,北京 ) 摘要:仪器仪表工程科技是智能制造、科学研究、三菱plc计数器co怎么复位环境监测、医疗健康、国防建设等必不可少的基础技术和装备核心。仪器 仪表工程科技作为实现国家创新驱动战略的重要支撑,其发展水平决定新兴信息产业、高端装备制造业、新能源和新材料等 战略性新兴产业的发展。本文分析了仪器仪表领域2035 年的发展目标,围绕新型仪器仪表的数字化、智能化、网络化的发 展趋势,从智能仪器仪表、医疗仪器和微机电系统(MEMS )三个领域阐述了未来我国仪器仪表工程科技领域的发展方向及 关键技术,提出了2035 年我国仪器仪表工程科技领域的总体趋势。 关键词:仪器仪表;智能仪器仪表;医疗仪器;微机电系统;趋势分析 中图分类号:TP393 文献标识码:A Development Trends for China’s Instrumentation Engineering Science and Technology to 2035 1 2 Wang Xue , Zhang Li (1. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. China Instrument and Control Society, Beijing 100088, China) Abstract: Instrumentation is the fundamental technology and essential equipment for intelligent manufacturing, scientific research, environmental monitoring, healthcare, national defense construction, and so forth. As an important support toward achieving a national innovation strategy, instrumentation development determines the level of strategic new industries, which include the innovative infor- mation industry, high-end equipment-manufacturing industry, energy industry, materials industry, and so forth. This paper analyzes development trends of instrumentation engineering science and technology to 2035. Within the requirements of digital, intelligent, and networked instruments, key technologies and future trends are depicted for three main aspects: intelligent instrumentation, medical instruments, and micro-electro-mechanical systems (MEMS). Development strategies and suggestions for China’s instrumentation en- gineering science and technology to 2035 are also put forward. Keywords: instrumentation; intelligent instrumentation; medical instrument; MEMS; trend analysis 一、前言 象地比喻为工业生产的“倍增器”,科学研究的“先 行官”,军事上的“战斗力”以及现代社会活动的“物 仪器仪表工程科技是智能制造、科学研究、环 [1] 化法官” 。 境监测、医疗健康、国防建设等必不可少的基础技 仪器仪表工程科技作为实现国家创新驱动战略 术和装备核心。著名科学家王大珩院士曾经将其形 的重要支撑,其发展水平决定了新兴信息产业、高 收稿日期:2016-12-15 ;修回日期:2016-12-27 通讯作者:王雪,艾默生变频器接线图清华大学,教授,研究方向为精密测量与智能传感技术、物联网测控技术等;E-mail: wangxue@ 资助项目:中国工程院咨询项目“中国工程科技2035 发展战略研究”(2015-ZD-14) 本刊网址: 103 专题研究 中国仪器仪表工程科技2035发展趋势研究 端装备制造业、新能源和新材料等战略性新兴产业 共性技术等做出研判,得出我国仪器仪表工程科技 [2] 2035 的发展 。面向数字化、智能化、网络化的新型仪 的发展趋势。 器仪表的发展是实现测量信息智能感知、决策控制 的重要手段,是智能制造装备的重要组成部分。仪 二、发展目标 器仪表工程科技的发展水平已经成为衡量一个国家 创新水平和制造能力的重要标志[3~5]。 我国仪器仪表工程科技发展将通过跟踪信息技 仪器仪表所涉及的技术领域众多,对新技术高 术、纳米技术和生物技术等高新技术来实现发展, 度敏感,是现代工业中更新换代快、新技术应用和 研究前沿技术和新兴技术,突破关键仪器,有效地 发展极快速的领域之一。其关键技术的研发涉及数 缩小与国外产品的差距;成体系、成系统地发展仪 学、力学、材料学、工业学、电子学、信息学、控 器仪表产业相关的材料、元器件、设备,构建门类 制论、人工智能等多种学科的综合性交叉应用以及 齐全、结构相对合理的产业结构,打造具有世界先 许多边缘科学。麦格米特变频器故障代码查询 进技术水平的仪器仪表产品体系;坚持高质量和高 仪器仪表产品的设计、开发、制造涉及敏感 标准的发展原则,突破长期制约我国仪器设备发展 机理、敏感材料、工艺技术、工艺装备、测试技 的可靠性和稳定性问题,增强我国仪器设备的工程 术等基础研究,攻关难度较大。其产业的发展, 化和产业化能力。 不仅涉及产品的技术水平,而且与工程应用技术 2025 年战略目标为突破物理量获取与传感技 密切相关。 术,延伸仪器仪表的应用范围,解决环境污染监测、 仪器仪表应用领域广泛,其广泛应用于工业、 核能辐射安全监测、物质成分分析、生物化学分析、 农业、国防、科研和人类生活的各个方面。针对不 新能源和绿色能源发展等难题;利用量子力学、纳 THz 同的应用需求须开展专用技术研究,并为用户制定 米电子学、太赫兹( )电磁学、物联网测量技 个性化的解决方案。 术和人工智能信息处理等新兴学科的研究成果解决 仪器仪表领域的上述特点,决定了仪器仪表工 制约仪器仪表技术发展的瓶颈问题,麦格米特变频器故障代码查询实现关键技术 程科技发展对专业型人才和复合型人才的高要求和 的突破和工程化应用,为科学研究、能源开发、生 大需求。 命健康等提供高端仪器设备。2035 年战略目标为我 综上所述,提出我国面向2035 年的仪器仪表 国发展所需的高端仪器仪表基本实现国产化,完善 工程科技的发展目标,提出若干具有重大需求、符 高端仪器技术体系;构建以“网络为中心”的远程 合重大发展趋势的重点任务,突出重点和新亮点, 测量与故障诊断平台以及嵌入式测量平台;突破仪 进一步深化研究其发展路径,对行业发展和政府决 器仪表故障预测与健康管理技术,实现仪器仪表的 策具有借鉴意义。 零故障、自修复、免维修等智能化功能。我国仪器 仪器仪表工程科技的研究前沿,目前主要集 仪表技术水平总体达到世界先进水平,产品质量和 中在高灵敏度“源”与“探测器”、新型传感技术、 可靠性达到世界先进水平[8,9]。 智能感知系统互联互通技术、微机电系统(MEMS ) 共性技术。在应用技术上需要突破无损、快速、在 三、发展趋势 线检测技术,痕量精准定量检测技术,全集成基因 检测系统等。以MEMS 技术为基础,将传感器与 面向2035 年,量子计算机与量子通信、干细 信号处理、控制电路、微执行器相互集成,形成具 胞与再生医学、合成生物和人造叶绿体、纳米科技 有一定完整功能的微系统已成为业界的研究热点和 和量子点技术、石墨烯材料等方向诱人的应用前景, 投入重点,其规模效应和应用拓展的前景,将给个 以及新材料、艾默生变频器接线图生命科学、空间利用、海洋开发、新 人消费、交通运输、工业控制、军事国防等众多领 能源等领域的开拓,都对仪器精度提出了更高层次 域带来革命性的影响[6,7]。 的要求[3]。 本文采用德尔菲法开展技术预测,对面向2035 先进制造正向结构功能一体化、材料器件一体 年仪器仪表工程科技领域需重点发展的关键技术、 化的方向发展,极端制造技术向极大(如航母、极 104 中国工程科学 2017年 第19卷 第1期 大规模集成电路等)和极小(如微纳芯片等)方向 手术与康复领域,重点发展智能化骨科手术和脑外 迅速推进。人机共融的智能制造模式、智能材料与 科手术智能化定位导航机器人、智能护理机器人、 3D 4D 打印结合形成的 打印技术,将推动工业品 有感知的智能假肢及辅具设备。在临床检验领域, 由大批量集中式生产向定制化分布式生产转变,从 重点发展第三代测序技术及新型的测试技术;建立 而引领“数码世界物质化”和“物质世界智能化”。 基于基因检测的个人健康管理信息系统;建立人类 仪器仪表作为工业生产的基础支撑,必将适应新兴 基因组数据库;发展自主研发的基因数据读取与分 产业的需求,产生新的测量方法[10]。 析处理软件系统;构建基于人体特征参量的体域 网;基于大规模云计算的人工智能方法,发展可穿 (一)智能仪器仪表领域 戴的人体健康体征辨识参数检测监控设备;开展基 发展传感器融合感知技术,实现振动、温度、 因库资源应用研究。在有源植入物领域,重点发展 压力、噪声、应变、图像等多参量的监测;发展多 电磁兼容性更好的无线心脏起博器、神经刺激器、 源自供电微功耗连续传感器,从根本上解决测量前 治疗与监测用植入性生物芯片等。 端的电源供给问题;充分利用无线通信系统和网络 平台性技术相应发展较快,如医疗经验挖掘技 平台,实现全天候、全空间的传感和监测,实现不 术、智慧医疗技术、面向医疗的智能技术、云诊断 [11] 受空间、麦格米特变频器故障代码查询环境限制的传感 。 技术、医疗资源智能化运营平台技术,以及专家系 与人工智能方法相结合,突破一批关键的本体 统和医疗路径描述体系。 检测技术,提高仪器仪表本体的管控智能化程度, 构建自诊断等高级智能功能。构建本体现场数据自 (三)MEMS领域 动跟踪的收集能力,打造仪器仪表全生命周期质量 进一步研究并重点突破MEMS 一体化设计 跟踪体系[12]。 与仿真技术、先进功能材料的MEMS 制造技术、 构建基于物联网的传感测量架构,从顶层应 芯片级MEMS 集成技术、MEMS 可靠性技术、 用到底层传感,搭建端到端的大数据传输链路和大 MEMS 测试与标准化技术等。研制各类国产微纳制 数据网络。突破仪器仪表单机本地化运行现状,构 造、检测设备。 建仪表无缝接入现场总线或者集散型分布式系统 面向仪器仪表工程科技2035 发展战略优先布 DCS MEMS ( )网络的连接能力,实现通信网络融合接入 局研究方向,包括高可信度的系统级 正向 仪表技术。提高仪表数据信息的丰富程度,在仪表 设计理论、复杂三维MEMS 制造工艺方法、单片 本身扩展主变量信息以外,提升数据源的多样化程 MEMS 集成方法、极端条件下的MEMS 应用方法、 度,提高数据流的数据规模,形成支持大数据和工 MEMS 集成射频前端技术、微型导航定位授时技术、 业互联的多元服务和庞大的数据基础。 MEMS MEMS 智能传感微系统技术、 执行器技术等。 突破兼容多种有线和无线通信的汇聚网络设备 的相关技术,从数据链路上整合多种通信方式,提 四、基础研究方向 高智能仪器仪表的组网能力和通信网络节点的丰富 程度。构筑工业物联网打通仪器仪表传感网的最后 (一)智能仪器仪表领域 一公里,促进仪器仪表更高端的智能化服务和智能 研究传感层相关设备、链路、数据安全处理 功能发展,凸显仪器仪表的工业互联数据价值。 与功能的安全技术;研究适应于全生命周期数据 管理的智能仪器仪表;研究仪表适应工况的本地 (二)医疗仪器领域 和远端自学习调整功能;研究仪表的本地、远端 推进医疗产品科技与巅覆性技术的发展。在医 数据冗余功能;研究仪表的远程升级及回溯功能; 学影像领域,重点发展应用分子成像、脑磁成像、 研究仪表的自动预防性检测与维护功能;研究基 荧光成像、太赫磁成像、电阻抗成像、激光成像、 于人工智能的高精度测量方法;提高各种仪表本 虚拟成像等未来新技术的产品。在急救领域,重点 体测量能力和测量精度,研究仪表本体硬件诊断和 发展自适应呼吸机、智能中央监护及远程监护。在 软件诊断技术等[13]。 105 专题研究 中国仪器仪表工程科技2035发展趋势研究 研究仪器网络化的构建技术。研究传输层通信 恶劣环境下的失效机理与验证方法等研究,解决 技术,研究可以支撑仪器仪表的服务数据和控制数 MEMS 器件建模仿真及正向设计理论和方法的科学 据融合的全生命周期数据传输手段,重点研究支撑 前沿问题。 大数据流传输的工业新型高速两线制通信网络及网 研究MEMS 领域的核心技术工艺。开展单片 络通信卡、通信芯片、通信安全。研究汇聚层设备、 3D 集成、 集成和混合集成方法研究,研究先进结 通信核心技术,研究可支撑多链路诊断分析等特 构与先进材料工艺,研究MEMS 晶圆级封装及在 色各异的服务数据和控制数据聚合与分离的网络 线监控,解决MEMS 器件与微系统的芯片级集成 关键设备、网络接口卡及网络安全相关技术。研 方法及核心关键工艺技术。 究适应于传统现场总线的主站数据处理、路由处 突破MEMS 领域的重点应用。MEMS 器件与微 理和流量控制、数据安全和优先级通信调度技术 系统的应用环境适应性也必须重视,如面向发动机、 等。研究骨干层通信调度和传输技术,研究支撑 燃气轮机等MEMS 器件与系统,面向战术武器的超 控制网络和服务互联网分离的数据交换、分发设 高精度、高过载的MEMS 器件与系统,艾默生变频器接线图面向汽车工 备,研究数据隔离等网络安全技术。研究基于工 业的高可靠、高性能的MEMS 器件与系统,面向未 业物联网的安全通信技术,研究基于工业互联网 来物联网的集成化、智能化MEMS 器件与系统等方 的智能制造系统的安全传输和冗余。 面都需要进一步加强研究,解决我国亟须突破的重 大战略需求问题。 (二)医疗仪器领域 重点开展医学影像新型成像机理、影像融合技 五、结语 术及远程图像诊断信息的系统研究。重点研究新型 手术器械及仪器设备、应用新技术的新型急救设备 随着MEMS 技术的不断成熟,其应用领域也 工程基础技术,以及根据临床疾病特征开展的新的 会不断增加。微型化是未来仪器仪表发展的必然趋 智能化急救仪器设备基础理论与工程技术。开展先 势,微型仪器仪表将不仅具有传统仪器仪表的功能,三菱plc计数器co怎么复位 进治疗的仪器设备机理与工程技术应用和智能化医 而且能在自动化、航天、三菱plc计数器co怎么复位军事、生物、医疗等领域 用机器人的生物力学基础应用,开展软体机器人技 起到独特的作用。 术、远程手术技术、基于人工智能的医疗大数据分 多功能化是仪器仪表发展的重要趋势,多功能 析技术、辅助介入治疗技术、智能化仿生假肢及智 的综合型产品在各种测试功能上提供了较好的解决 能辅具的智能技术与生物力学基础研究。开发预测 方案。 重大疾病发病风险的生物芯片,发展全基因组测序 随着网络技术的飞速发展,物联网技术正在 技术和全系列、高通量、集成式、流程化的实验室 逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗 检验分析系统。开发基因读取与分析系统以及基因 透,网络化仪器仪表的概念是对传统测量仪器概 资源应用的基础研究。重点推进生物相融性更好的 念的突破。 智能化记忆骨科植入物、血管支架及应用生物材料 人工智能技术将在仪器仪表领域得到更广泛的 的开发,研究智能化新型生物材料。对生物材料性 应用,未来仪器仪表将进一步智能化,可以代替人 能及其加工工艺与处理技术、生物相融性及生物力 的一部分脑力劳动,其在视觉、听觉、思维等方面 学基础、有源植入物与生物融合基础应用,加大研 具有一定的类人能力。人工智能在仪器仪表领域的 [13] 应用,不仅可以解决传统方法难以解决的问题,而 究力度 。 且有望解决用传统方式根本不能解决的问题,能够 (三)MEMS领域 极大地提高生产效率和能力。 重点突破MEMS 领域的科学前沿研究。MEMS 制造、器件与微系统的一体化正向设计至关重要, 参考文献 突破正向设计理论及方法,优先开展跨尺度多能 [1] . “ ” 中华人民共和国工业和信息化部 十二五 装备制造业发展 [R]. : 域系统的建模仿真、材料性能表征与工艺兼容性、 和结构调整的思路、目标、重点及对策研究 北京 中华人 106 中国工程科学 2017年 第19卷 第1期 民共和国工业和信息化部, 2010. 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