我国仪器仪表发展的战略研究

      一、现代仪器仪表的重要作用

　　当今世界已经进入信息时代，信息技术成为推动国民经济和科学技术告诉发展的关键技术。著名科学家钱学森明确指出：“信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是关键和基础。

　　现代仪器仪表是对物质世界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和组成部分。美国商务部1999年报告在关于新兴数字经济部分提出，信息产业包括计算机软硬件行业、通信设备制造及服务行业、仪器仪表行业。

　　根据国际发展潮流和我国的现状，现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类，即工业自动化仪表与控制系统，科学仪器，电子与电工测量仪器，医疗仪器，各类专用仪器，传感器与仪器仪表元器件及材料。工业自动化仪表与控制系统，主要指工业，特别是流程产业生产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置。科学仪器主要指应用于科学研究、教学实验、计量测试、环境监测、质量和安全检查等各个方面的仪器仪表。电子与电工测量仪表，主要指低频、高频、超高频、微波等各个频段测试计量专用和仪器仪表。医疗仪器主要指用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器。各类专用仪器指农业、气象、水文、地质、海洋、核工业、航空、航天等各个领域应用的专用仪器。现代仪器仪表虽然作了大致分类，实际上各类仪器仪表存在着许多交叉，比如农业所用的大量仪器都是科学仪器。

　　现代仪器仪表在当今社会具有极为重要的作用。

　　在工业生产中，仪器仪表是“倍增器”。美国商务部国家标准局20世纪90年带中发布的调查数据表明，美国仪器仪表产业的产值约占红叶总产值4%，而它拉动的相关经济的产值却达到社会总产值66%，仪器仪表发挥出“四两拨千斤”的巨大的“倍增”作用。事实上，现代化大生产，如发电、炼油、化工、冶金、飞机和汽车制造，离开了只占企业固定资产大约10%的各种测量与控制装置就不能正常安全生产，更难以创造巨额的产值和利润。专家们形象地把仪器仪表比喻为国民经济中的“卡脖子“产业。

　　在科学研究中，仪器仪表是“先行官“。离开了科学仪器，一切科学研究都无法进行。在重大科技公关项目中，几乎一半的人力财力都是用于购置、研究和制作测量与控制的仪器设备。诺贝尔奖设立至今，众多获奖者都是借助于先进仪器的诞生才获得重要的科学发现；甚至许多科学家直接因为发明科学仪器而获奖。据统计，近80年来或诺贝尔奖同科学仪器有关的达到38人。诺贝 尔奖获得者R.R.Ernse说过：“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展。”基因测量仪器的问世，使世界基因研究计划提前6年完成就是最好的证明。要加快科学研究和高新技术的发展，仪器仪表必须先行。

　　在军事上，仪器仪表是“战斗力”。现代战争中，夺取技术优势已经成为军事战略的根本目标。主要目标是全球监视与通信和精确打击固定及瞬变目标。1991年海湾战争美国使用的精密制导炸弹和导弹只占8%，12年后伊拉克战争中美国使用的精密制导炸弹和导弹提高了90%以上。这些先进武器都是靠一系列先进的测量与控制仪器仪表系统装备并实现其控制功能的。1994年美国国防部成立了“自动测试系统执行局”，以统一海路空三军的测试技术、产品与标准，保证立体作战方式的有效实施。现代武器装备，几乎无一不配备相关的测量控制仪器仪表。

　　现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。检查产品质量，监测环境污染，查服违禁药物，识别指纹假钞，侦破刑事案件等，无一不依靠仪器仪表进行“判定”。此外，仪器仪表在教学实验，气象预报，大地测绘，交通指挥，探测灾情，尤其是越来越受人关注的诊治疾病等社会生活许多领域都有着广泛应用，可以说遍及“吃穿用、农轻重、海陆空”无所不在。

　　因此，现代仪器仪表的发展水平，是国家科技水平和综合国力的重要体现，仪器仪表的制造水平反映出国家的文明程度。为此，世界发达国家都高度重视和支持仪器仪表的发展。前面已经反复提到了美国对发展仪器仪表的重视和支持；日本科学技术厅把测量传感器技术列为21世纪首位发展的技术；德国大面积推广应用自动化测控仪器系统，20世纪90年代6年就增加了350%的市场，保证了劳动生产率增长1.9%；欧共体制定第三个科技发展总体规划，将测量和检测技术列为15个专项之一。我国政府在国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中明确提出“把发展仪器仪表放到重要位置”，国家发改委列专项支持仪器仪表的发展，今年国家制定中长期科学和技术发展规划对仪器仪表也给予了高度的重视。

      二、我国仪器仪表产业的现状

　　经过几十年来，特别是近十几年来的建设与发展，我国仪器仪表已经初步形成产品门类品种比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。据不完全统计，年产值低于500万元的企业未列入统计，部分军工企业和产品未列入统计，2003年我国仪器仪表生产企业总数2232个，工业总产值970亿元，销售收入921亿元；包括医疗仪器，工业总产值和销售收入均突破1000亿元。其中，工业自动化仪表与控制系统企业企业总数620个，工业总产值285亿元，销售收入282亿元，分别占仪器仪表全行业28%，，28.5%和29%。科学仪器企业总数525个，工业总产值263亿元，销售收入251亿元，各项数据大约都占全行业25%左右。电子与电工测量仪器企业总数285个，工业总产值148亿元，销售收入147亿元，分别占全行业13%，14%和14.6%。其他各类仪器仪表企业总数、工业总产值和销售收入占全行业不足34%。

　　“九五”以来，尤其是近3年来，我国仪器仪表发展很快，形式很好，主要体现在以下几个方面。

　　1、仪器仪表行业工业总产值和销售收入年平均增长率超12%，2003年同比2002年增长率达到26.2%和25.4%;

　　2、一批技术先进的具有国际竞争力的产品不断涌现。特别是国产工业控制系统DCS水平显著提高，已经承接30万千瓦发电机组60套，一半投入运行良好，并在60万千瓦发电机组新建工程国际招标中中标，充分具备了国际竞争能力。横河川仪公司生产的中高档压力/差压变送器年产量突破7万台，进入世界前10名。

　　3、仪器仪表产品进出口贸易迅速增长，2003年进出口总额大121亿美元，出口29.5一美元,同比2002年增长52.6%。出口产品中已经包含有技术含量较高的工业控制系统和精密科学仪器。中低端数字万用表出口占据世界市场60%份额。出口国家不只限是亚洲、非洲、许多产品已经进入欧美市场。

　　4、我国仪器仪表企业体制发生了巨大的变化，三资企业的迅速发展和民营企业的很快崛起，已经成为仪器仪表的主体。2003年，三资企业销售收入占全行业40%以上，利润占全行业53.6%。民营企业紧随其后，而且加大了投资力度，如正泰集团投资1亿元进入工业自动化仪表行业，时代集团兼并了全国最大的试验机企业济南试金集团。浙江中控技术（集团）公司、上海新华控制技术公司和北京和利时系统工程公司3家民营企业已经发展成为我国最有实力的工业控制系统公司，年销售收入均超过5亿元，而且发展势头很好。应当清醒地看到，虽然我国仪器仪表产业有了较大的发展，但还远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切需求。我国仪器仪表产品大部分属于中低端产品，技术水平相当于20世纪90年代初中期国际水平，高端大型仪器几乎全部依赖进口。2003年我国仪器仪表进口总额91.5亿美元，相当于国内全行业总产值73%。除去出口部分，我国国产仪器仪表大约只占据国内市场51.4%的份额，缺口高达一半。当然这是就市场销售总额而言，但反映出的现状却是严峻的。

　　我国仪器仪表落后于国际先进水平，差距是全方位的，包括测量与控制的精度不高，品种短缺，外观不美等各个方面，但最致命的差距表现在产品的可靠性和稳定性上。使用国产仪器仪表，一次开机成功率普遍不高，使用中维修率却不低。可靠性和稳定性问题长期得不到根本性解决，成为我国仪器仪表发展中的“瓶颈”，严重地阻碍了国产仪器仪表的应用。我国仪器仪表进口90亿美元，年年大幅度增加，除了部分用户确实购置我国短缺的高端大型精密仪器外，不少业主购进的是我国已有的仪器仪表。究其原因，主要就在于可靠性和稳定性不高影响到了国产仪器仪表的可信度。制约国产仪器仪表的可靠性和稳定性的主要原因是：（1）长期忽视了基础技术的研究和开发；（2）国产通用件和基础件质量不过关；（3）企业对产品的质量管理和培训能力。值得欣慰的是，近年来可靠性和稳定性问题得到了极大的重视，状况有了改善，一批可靠性和稳定性较高的产品不断问世，国产DCS系统能够得到广泛应用就是最好的证明。

      三、我国仪器仪表发展的战略研究

　　现代仪器仪表在当今社会具有重要的作用和地位。我国仪器仪表的总体发展水平落后发达国家10至15年。面对我国国民经济、科学技术、国防建设以及社会生活各方面发展的迫切需求，仪器仪表必须加快发展。发展的战略目标和主要方向是什么？要回答这个问题，必须了解国际仪器仪表的发展趋势。

　　数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，以个别参数的测量转变成整个系统特征参数的测量；从单纯的接收显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单台仪器测量转变为用测量系统测量；使电子测量仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据域测试。上世纪90年代，一个突破性的进展是仪器仪表智能化程度的提高；DSP芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图象处理功能。现场总线技术是90年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，Internet和Internee技术也将进入控制领域。现代仪器仪表已经向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展。跨学科的综合设计、高精尖的制造技术使之能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制时象的全方位信息。分析仪器正在经历一场革命性的变化，传统的光学、热学、电化学、色谱、波谱类分析技术都已从经典的化学精密机械电子结构、实验室内人工操作应用模式，转化为光、机、电、算（计算机）一体化、自动化的结构，并向更名副其实的智能系统发展（自诊断自控、自调、自行判断决策等高智能功能）。由于以信息技术为代表的高
新科学技术的突飞猛进，使科学仪器的工作原理，设计思想，设计方法发生了明显的变化，几种关键的技术是：（1）微分析技术，即分析仪器的微型化和微量化，其共性技术有微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微分光光学系统、微传感器等，应用上述技术分析仪器有微流控制芯片、芯片实验室、微近红外光谱仪等。（2）生物、化学传感器、包括新型传感技术在分析仪器中的应用，将生物芯片技术、新型化学传感技术、智能传感器技术应用于分析仪器的研制。（3）成像技术，包括广义成像，纳米级超高分辨成像、图象信息处理等，具体的领域有核磁共振技术、图象自动分析及综合技术、成像光谱技术、近场光学成像技术。（4）仪器的联用技术通过信息分离、专用软件接口技术，实现多种学科技术间的联用以实现复杂系统的痕量成分分析、结构分析、形态分析等综合分析，如色谱—质谱联用、色谱—光谱联用等。此外，多台仪器、多个实验室的综合分析管理系统（LIMS，Laboratory  Information Management System）已经推广应用；仪器可以上网，制造商可以同全球用户或用户之间实现信息交流，厂商对用户正在使用的仪器进行远程诊断、指导正确使用或提出维修指导，各同类仪器用户或相同分析工作用户直接进行数据、情报共享、仪器的远程校准和量值溯源等已指日可待。分析仪器在生物、环保、医学、农业、食品等有关人类生存和发展领域的应用日新月异。这些就是国际仪器仪表发展的主要潮流。


　　根据我国国民经济和社会发展提出的需求，充分认识到国际仪器仪表发展的趋势，国家制定仪器仪表发展的战略目标是：在未来１０到１５年内，充分利用我国经济高速发展和巨大的市场优势，大力推进新技术新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，使我国仪器仪表产业总体水平同国际水平的差距缩短到３至５年，约３０％的产品达到国际同期先进水平，国产仪器仪表在大工程中的配套能力达到８５％以上，在国内市场需求中占领７５％以上的份额。

　　为了实现这个战略目标，仪器仪表发展的主要方向是：


　　１、工业自动化仪表与控制系统以重大工程项目为依托，致力于新一代主控系统及其综合自动化开发和产业化，主要包括集散控制系统、现场总线控制系统和以工业计算机为基础的开放式控制系统等。２０１０年要配套５０％大型工程，２０２０年满足配套８５％大型工程。与此同时，要抓好先进控制、优化软件发发与产业化技术，包括先进控制技术、过程优化技术、实时临控软件平台、信息集成软件平台、系统集成技术等。２０１０年要达到“交钥匙”自控系统３０％的能力，２０２０年做到５０％工程项目“交钥匙”。加强智能仪表、采用现场总线技术的检测仪表、执行器与变送器、成套专用控制装置和成套专用优化系统的开发与产业化，１０年内能过取代现在进口产品７０％。
　　２、科学仪器要加快老产品更新换代，２０１０年前替代进口产品５０％，２０２０年达到替代进口产品７５％。重点围绕生命科学、农业和食品、材料科学、环境与能源等直接关系到人类生存和发展的各学科和领域的需求，加强引进消化、自主研究、开发和产业化。

　　对于各类色谱、光谱、质谱、电化学等通用仪器，重点解决提高可靠性和稳定性的问题；加快发展各种微分析仪器、智能仪器、联用仪器、虚拟仪器、成像仪器及相关技术和部件；着重发展各种科学仪器应用软件、标准化数据处理软件、提供使用可靠和扩展性强的通用性科学仪器开发平台及仪器测控数据系统与支撑系统；加强计量仪器的开发和产业化，重点是微电子制造业中的几何量在线讲师仪器，远程计量校准，以及计量基准的研究。


　　３、电子与电工测量仪器，要重点发展精密数字电表、自动测试技术与系统集成技术、网络化技术。到２０１０年生产线关键工序能配备自动化监测仪器、在线监测和故障诊断系统，满足２０％企业建立整机自动化测试系统，２０２０年５０％企业建立整机自动化测试系统，实现在线自动化检测。要加快发展通信、计算机、网络测量技术、集成电路测量仪器及系统；航天航空自动测试系统及设备。


　　４、医疗仪器，重点发展医用光学仪器；以数字成像、高档黑白超、彩超、彩超换能器为研发关键技术的超声医用仪器；Ｘ线图像处理系统，开放式超导型核磁共振系统等大型医疗仪器和临床信息系统；高能智能化肿瘤治疗大型仪器系统。

　　５、大力发展各类传感技术及传感器的研究开发。

　　６、加强仪器仪表基础技术，包括制造工艺如ＭＥＭＳ，提高可靠性和稳定性的共性技术，系统集成应用软件，测量控制网络化应用技术等开发研究。


　　为了推动我国仪器仪表科学技术和产业的加快发展，实现仪器仪表发展的战略目标，除了明确各类仪器仪表的主要方向以外，国家还必须确定重点项目支持发展。专家们经过调查研究，提出了未来１０年内我国仪器仪表发展重点项目的建议是：

　　（１）新型传感器及信息获取、传感技术

　　传感技术不仅是检测的基础，也是控制的基础。控制必须以检测输入的信息为基础，并且控制达到的精度和状态也必须感知，否则不明确控制效果的控制是盲目的控制。信息获取、传感技术是所有测量控制仪器仪表的基础技术，新型传感器是发展高水平测量控制仪器仪表的基础。传感技术已成为制约测量控制仪器仪表发展的瓶颈。


　　新型传感器及信息获取、传感技术涉及到各种学科、遥感遥测、新材料、信息融合技术、传感器制造技术等。具体项目的立项宜同重大工程相结合。

　　（２）与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术
　　 
      工业发达国家高新技术仪器仪表产品品种约占总品种数的７５％，而国内还不到２０％。工业自动化仪表和控制系统的仪表品种国内满足率，一般性工程项目达８０％，大型工程项目还不到５０％，主要缺少智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。

　　系统集成技术直接影响测量控制仪器仪表的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响，它是系统级层次上的信息融合控制技术，应用层控制策略实施技术等，在操作人员主多种不同岗位的操作群体情况下，还应包括各级操作人员需求分析技术。系统集成技术还涉及智能控制技术，它要求测控系统以接近最佳方式监控智能化工具、装备、系统以达到既定目标的技术，是直接涉及测控系统的效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键。智能控制技术可以说是测控系统中最重要和最关键的软件资源。从目前发展趋势看，在企业信息化ERP/MES/PCS三级结构的计算机测控系统中，软件的价格已超过硬件的3倍。而有关石化、冶金、电力、制药行业中自动化测控系统的先进控制软件价格就超过系统硬件价格。智能控制技术包括仿人的特征提取技术，目标自动辨识技术，知识的自学习技术，环境的自适应技术，最佳决策技术等。

　　（3）微系统测量控制仪器仪表及其制造技术

　　微系统测量控制仪器仪表包括纳米测控仪器仪表、微分析仪器仪表等。测量控制仪器仪表的微型化制造技术，将主要依托于微机电系统（MEMS）的微米/纳米制造技术和微电子IC制造技术，将主要依托于微机电系统（MEMS）的微米/纳米制造技术和微电子IC制造技术，使仪器仪表产品集机械、传感、测控等部件于一个芯片上，并能按微电子IC批量加工工艺制造。应用MEMS技术制造的微型仪器仪表被称为芯片上的仪器仪表或芯片上的实验室，具有体积小、重量轻、性能稳定，按IC加工工艺批量生产，成本低，性能一致性好，功耗低等优点。它的产品包括汽车加速计，各种压力、化学、流量传感器，微光谱仪等。广泛应用于环境科学、航天、生物获学、汽车工业、军事、工业控制等领域。

　　（4）新型计量测试仪器及计量基准研究

　　计量测试仪器是保证设备产品质量，提高产品创新能力的不可或缺的手段。我国计量测试仪器的落后，在一定程度上制约了我国制造业的发展。随着科学技术发展，国际上新的基于高新技术的基准不断出现。加入WTO后，我国的计量水平与国际水平的一致性变得越来越重要，必须使我国的计量能力保持与我国经济发展适应的水平。因此，开展重要的计量基准的研究也是振兴装备业的重要组成部分。

　　新型计量测试仪器包括先进机械制造及微电子制造业中的几何量在线计量仪器，如视觉传感器和其他在线测量传感器、光学式数字化列导轨在线三坐标测量机、大尺寸三维空间坐标现场效准仪等。

　　计量基准研究包括远程计量校准研究、主要计量基准研究等。远程计量校准研究包括在线测量仪器动态校准研究和量值溯源研究等。主要计量基准研究包括温度量子标准器件研制、电流基准器件（SET）研制、阿佛加德罗常数测定质量基准实现研究等。

　　我国仪器仪表的发展任重而道远，但前途一片光明。