计量——质量提升的技术基础

陈 川

(中国计量科学研究院，北京 100029)

从2000多年前秦始皇推行“车同轨、书同文”，到现在“一带一路”战略下中欧班列开通和高铁出口，计量的战略地位从未改变。每一次计量精度的提高，都给相关领域的测量、科学仪器的进步以及技术创新以极大的推动力量。计量是技术创新的先导、质量管理的支柱、品牌建设的基础，更是促进产业转型升级、维护市场公平竞争、推动高质量发展的支撑[1]。党的十八大以来，党中央明确提出要把推动发展的立足点转到提高质量和效益上来，全面提高供给体系的质量和效率，把经济社会发展推向质量时代。2019年3月，李克强总理在政府工作报告中提出，要“强化质量基础支撑，推动标准与国际先进水平对接，提升产品和服务质量，让更多用户选择中国制造、中国服务”[2]。作为国家质量技术基础设施，计量、标准、合格评定的重要性不言而喻，而计量是最基本、最核心的要素，是基础之基础，没有计量，就不可能有高质量[3]。因此，本文分别从计量定义、计量体系和计量作用三方面论述计量在质量提升以及推动社会经济高质量发展中的主导作用与核心地位。

1 计量的定义及内涵

提到计量，人们首先会想到什么是计量？计量是关于测量及其应用的科学，是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动，这是计量概念最经典的表达。再看国际计量术语中对计量(Metrology)的科学定义：计量是关于测量的科学，包括涉及测量理论和实用的各个方面，不论其不确定度如何，也不论其用于什么测量技术领域。该定义是由有关测量的各个国际组织联合组成的计量学联合导则委员会(JCGM, Joint Committee for Guides in Metrology)确定的，包括：BIPM(国际计量局),IEC(国际电工委员会)，IFCC(国际临床化学和实验室医学联盟)，ISO(国际标准化组织)，IUPAP(国际纯粹与应用物理学联合会)，IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)，OIML(国际法制计量组织)和ILAC(国际实验室认可合作组织)。有关计量定义的核心是：计量是关于测量的科学[4]。

计量既然是关于测量的科学，为什么不直接叫测量呢？计量和测量的区别究竟是什么？测量是为确定量而进行的全部操作，是对非量化实物的量化过程，其目的是用数据描述事物[5]。而计量是实现单位统一、保障量值准确可靠的活动,计量的目的是确保测量结果准确。计量涉及测量新理论和新原理、测量量值准确和单位统一、测量新技术和新仪器、测量操作正确性和有效性、测量结果分析和应用等方面。计量具有准确性、一致性、溯源性和法制性等四个最重要的基本特征，而测量并不必须具备以上四个特征。因此，计量属于测量、源于测量而又严于测量[6]。狭义地讲，计量是与测量结果的置信度相关且与不确定度相联系的一种规范化测量，具备计量特性的测量活动才能获得有效的测量结果。计量是涵盖测量和测量标准的完整科学。而测量则是以确定量值为目的的一组操作。所以评价测量工作是否完整规范，可以从测量手段、测量方法、测量操作和测量结果四个方面予以评判[7]。

计量学的要素包括测量理论研究、量值溯源、测量新手段、操作科学性以及测量结果分析等要素。从专业领域来说，可分为力学、电磁学、光学、几何量、热学、无线电、化学、声学、时间频率、电离辐射十大类，随着科技快速发展，计量分类的边界越来越模糊，实际上已经打破了十大专业计量分类，并出现了一些新的计量领域，如生物计量[5]。一般认为计量有两个方面基础作用。一是建立信心，“凡是可以测量的，就要实现对它的有效测量”。计量通过建立测量的溯源性，获得可靠的测量结果，使标准的结果可以检验，过程可以复现，进而实现人们对质量的信赖。二是实现创新，“凡是还不能测量的，就要创新，实现对它的测量”。计量通过测量科学和技术进步之间的相互依存和相互促进推动创新；新的测量技术必然刺激新的产品、流程和服务创新，同时也会推动劳动力新技能的产生和掌握。

关于计量的重要性国内外有很多著名的论断，比如门捷列夫曾说“没有测量，就没有科学”，聂荣臻元帅曾指出“科技要发展，计量须先行”。日本著名计量史学家岩田重雄曾提出：“计量乃人类文明之母，文明始于计量”。如今计量已被赋予新的内涵和使命，成为国家核心竞争力的重要标志之一。是科技进步、社会发展和国防安全的重要技术支撑。是质量的保证、创新的基础，而且也是国家主权统一的重要标志。

2 国内外计量体系

由于早期制定单位时所选取的标准物并不是一个恒定不变的事物，因此早期的计量单位是混乱的。这种混乱全世界的阶段文明都经历过。我国直到秦朝才统一度量衡。英国到中世纪末期(公元13～15世纪)都还没有一个准确的长度标准。比如当时规定一英尺就是一个成年男子一只脚的长度；码是亨利一世国王的鼻尖到指尖的距离；英寸的长度相当于一节大拇指的长度。这种混乱的局面终结于法国人对通过巴黎的子午线的准确测量。1875年5月20日，17个成员国在法国签署了《米制公约》。《米制公约》规定了国际单位米、千克、秒的定义。比如一米是地球子午线的4 000万分之一，一千克是温度为3.98℃下1 L纯水的质量。

米制公约的建立是国际近代计量突破古代传统计量的标志，也标志着以国际计量局为量值源头的国际计量体系的形成。国际计量体系包括国际米制公约组织和国际法制计量组织。米制公约组织的最高权力机构是国际计量大会(CGPM)，领导机构是国际计量委员会(CIPM)，常设机构是国际计量局(BIPM)。国际法制计量组织(OIML)包括最高组织形式国际法制计量大会、领导机构国际法制计量委员会(CIML)和常设执行机构国际法制计量局(BIML)。以实物基准为基础的近代计量，促进了第一、第二次工业革命。同时也催生了现代化的国家计量院，并在第二次工业革命的激烈竞争中胜出。比如德国国家计量院——德国联邦物理技术研究院(PTB，成立于1887年)，是行政管理和技术研究合一的机构，被誉为“具有德国制造的灵魂”[8,9]；美国国家计量院——美国标准与技术研究院(NIST，成立于1901年)，被誉为“拥有创造的基因”[10]。而我国的国家计量院——中国计量科学研究院(NIM，成立于年1955)，被寄予厚望能“打通中国现代工业的经络”。

1960年第11届国际计量大会(CGPM)通过了国际单位制，包括千克(kg)、米(m)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)、坎德拉(cd)等6个基本单位及2个辅助单位和19个导出单位。1971年第14届国际计量大会(CGPM)又决定在基本单位中增加物质的量的单位摩尔(mol)，从而形成了一套完整的国际单位制。2018年11月16日第26届国际计量大会(CGPM)正式通过了修改部分国际单位制(SI)定义的决议，从而在量子计量基准的基础上，将千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)等4个基本单位，分别以物理常数普朗克常数(h)、基本电荷(e)、玻尔兹曼常数(k)和阿伏伽德罗常数(NA)来定义[11]。新的SI将于2019年5月20日起正式实施。这是国际测量体系第一次全部建立在不变的常数上，保证了国际单位制(SI)的长期稳定性，是世界计量史上一次重大变革和新的里程碑。

在国际计量体系大框架下，我国制定了一系列计量发展规划,初步形成了具有中国特色的计量体系，分为行政管理体系、法律法规体系和技术体系三部分。其中我国计量行政管理体系的源头在市场监管总局计量司；法律法规体系的源头为《中华人民共和国计量法》；技术体系的源头为我国的国家计量院——中国计量科学研究院，具体包括量传溯源体系、国家计量基标准、社会公用计量标准和标准物质[12]。为了全面提升计量水平，国务院发布了《计量发展规划(2013—2020年)》，计划到2020年使我国计量科技基础更加坚实,量传溯源体系更加完善,计量法制建设更加健全,基本适应经济社会发展的需求[13]。

校准和测量能力(CMC)是国际计量界为实现各国测量数据全球等效互认而采用的一种重要评价方式。截至2018年11月，我国获得国际互认的校准和测量能力数达到1 574，排名国际第三，亚洲第一。标志着我国国际互认的校准测量能力已跻身世界前列。

3 计量的作用

计量作为国家的基础战略资源，与标准、合格评定共同构成了国家质量技术基础(NQI),是保障经济和社会发展的基础。其中计量是质量提升的基础，标准是引领质量提升的依据，合格评定(检验检测、认证认可)是传递质量信任的手段。在现代社会经济发展中，计量的影响无处不在，其作用举足轻重，80%以上的贸易必须通过测量才能够完成，工业化国家测量活动对国民生产总值贡献率达到4%～6%；贸易结算与公平交易、精密制造与健康安全、网络互联与智能电网、火箭发射与卫星导航等，均与计量密切相关，无一能离开精密测量技术。

计量是一个国家的重要技术基础，具有不可取代的战略地位。其关联程度可以归结为5个方面：1)计量是国家主权的象征，是统一国家的工具。如秦始皇统一的度量衡制度促进了社会、军事、制造标准化的快速发展，巩固了其统治地位。美国首任总统华盛顿确定的联邦中央政府六项主要政权就包含度量衡管理权。2)计量是社会进步的重要基石，不仅是维护公平正义的法度和准绳，而且是促进社会和谐的基础和关键。3)计量是科学技术发展的基础，是人类认识自然的工具，是科技创新的主战场。4)计量是保证国民经济正常运行和公平贸易的基础。5)计量支撑国防建设，事关国家核心利益。因此，人们常说“计量就像空气一样，无时无刻不与人类的生产生活紧密相连”[14]。

计量作为控制质量的基础，常被称作工业生产的“眼睛”和“神经”。产品生产过程中每个环节质量控制水平的提升，都离不开精准的计量。基于计量的战略地位，西方发达国家对其高度重视，美国、德国、英国等44个国家和地区把计量(度量衡)写入宪法，作为中央事权和统一管理国家的基本要求。下面通过几个例子介绍计量的具体应用。

高精度时间频率事关国家社会安全稳定，已成为科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，中国计量科学研究院从20世纪60年代开始，在时间频率领域开展了系列深入研究。其中，2014年完成的“NIM5铯原子喷泉钟”是我国的时间频率基准，其不确定度达到1.5×10-15，相当于2 000万年不差一秒。在此基础上，建立远程时间频率溯源网络，开展时间频率远程校准服务，可直接服务于民用及国防用户，实时提供最精准的时间，推动整个产业发展[15]。

节能环保离不开计量的技术支撑。例如燕京啤酒集团建立的能源计量与管理信息系统，可实时采集、监测能源信息，查找“跑、冒、滴、漏”问题，为企业实现节能减排提供了有效支撑[15]。整个厂区综合能耗下降19.8%，一个厂区全年节约能源费用4 000多万元，生产率提升30%，成为该企业投资收益最快的一个项目。以此为基础研制的锅炉烟尘脱硫脱硝监控系统，使燕京集团燃煤锅炉污染物排放指标已低于燃气，成为全国首家氮氧化物排放达标的燃煤企业，目前该监控系统已经在燕京啤酒集团30多家分公司推广应用。

国家食品药品监督管理总局2017年发布了“关于3批次特殊医学用途配方食品不合格情况的通告(2017年第111号)”，通告指出某企业经销的某种配方奶粉，硒检出值为0.438μg/100kJ，比产品包装标签明示值(0.70 μg/100kJ)低37.4%，罚款2 600万元[16]。企业不服判决要求复检。结果复检和初检结果大相径庭。通过国家最高计量技术机构——中国计量科学研究院复检，采用精准的测量方法给出了正确答案。结果显示奶粉中的硒含量是达到合格标准的。此案例既维护了企业的合法权益，又彰显了执法的公正公平。

纵观全球计量发展进程，我们可以把计量分为几个阶段：从古代到18世纪末的计量1.0：度量衡，19世纪初至今的计量2.0：米制公约和国际单位制(SI)，到2019年以后的计量3.0：测量科学。未来的计量将基于量子物理的新一代国际单位制,即基于量子基准采用基本物理常数重新定义SI基本单位，如千克(kg)、开尔文(K)、摩尔(mol)、安培(A)4个基本单位已被重新定义，计量基准全面量子化，形成量值源头多极化态势，突破极限的测量。在量子化的新科技背景下，多个SI单位将逐步实现对时间频率的溯源，实现“从实物到量子”的变革，开启SI单位量子化的新时代。如:实现从原子尺度到超大尺寸范围内的测量，在从1原秒到1 000年时间范围内的测量，以及在干扰或快速变化环境中的测量；计量与信息技术高度融合,实现智能和互联式测量；实现计量植入到生产过程，计量基标准融入机器的嵌入式测量。人类认知世界的测量精度将由此得到不断提升，测量范围得到不断扩大，测量应用的领域也将不断扩展，这些进步将对世界产生深远的影响[17]。

综上所述，计量一直和创新密切相关，并引领了科技和产业创新，同时与人类社会生活紧密相连。伴随着计量科技的不断进步，我国计量服务保障能力不断增强，在卫星导航、航天工程、三峡工程、南水北调、西气东输等重大工程中；在抗震救灾、食品安全、医疗卫生等突发事件中；在生物安全、医学、新材料等前沿科技中；在节能减排、环境保护等社会现实问题中，以及在与人们生活息息相关的民生领域，计量科技提供了重要的技术支撑和服务保障[14]。同时也应看到，我国虽然是计量大国，但其计量发展水平与以美国为首的发达国家等计量强国相比还有相当大的差距，比如目前我国铯原子冷喷泉钟已达到2 000万年不差一秒，而发达国家的锶原子光格钟已实现三亿年不差一秒，甚至10 亿年不差一秒。

面对当前世界经济环境的严峻形势，我国经济发展迈入新常态后高质量发展的要求更加突出，加强国家质量技术基础建设也更为迫切。《中国制造2025》强调质量为先，专门就“夯实质量发展基础”进行了战略部署。同时，亟需进一步完善国家量传溯源体系，提升国际计量基标准和社会公共计量标准服务能力，构建国家计量科技创新体系、产业计量测试体系和区域计量支撑体系，深化计量领域军民融合。不断提升国家质量技术基础的综合竞争能力，实现计量立国、质量强国的目标，为实现中华民族的伟大复兴打下坚实的基础。