隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略地位的確立，為新興產(chǎn)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展提供測量能力支撐的材料計(jì)量、能源計(jì)量、生物與醫(yī)學(xué)計(jì)量、環(huán)境計(jì)量等已被普遍認(rèn)同為計(jì)量前沿研究的重點(diǎn)。各國計(jì)量界最新出臺的發(fā)展規(guī)劃，如美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的《2013-2015三年規(guī)劃》、中國計(jì)量科學(xué)研究院的《“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃》等，也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
2012年3月，全球領(lǐng)先的計(jì)量科學(xué)研究機(jī)構(gòu)——英國物理技術(shù)研究院(NPL)發(fā)布了其《2020年計(jì)量愿景規(guī)劃》(以下簡稱“規(guī)劃”)。規(guī)劃在明確上述重點(diǎn)領(lǐng)域的同時，描繪了NPL致力于實(shí)現(xiàn)的精密測量技術(shù)，以及這些技術(shù)將給人類經(jīng)濟(jì)、社會和生活帶來的重大改觀。該規(guī)劃的制定緊密建立在對未來社會發(fā)展程度和用戶實(shí)際需求的前瞻性判斷上，勾勒的六幅圖景，生動展現(xiàn)了全新的科學(xué)研究理念和技術(shù)服務(wù)模式，具有格外深刻的啟發(fā)意義。
規(guī)劃內(nèi)容簡介
規(guī)劃簡約生動，由“三大需求”、“四個主題”和“六幅圖景”構(gòu)成。
三大需求
“三大需求”即建立可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科技創(chuàng)新和技術(shù)密集型增長，提高公民福祉和公眾安全。“三大需求”代表了NPL計(jì)量科技發(fā)展所服務(wù)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
四個主體
“四個主題”即以量子物理為基礎(chǔ)的新一代國際單位制(SI)，前沿測量技術(shù)，智能和互聯(lián)式測量，嵌入式和普及式測量?！八膫€主題”指明了NPL計(jì)量研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和主要內(nèi)容。
其中，前兩個主題與國際計(jì)量界公認(rèn)的重大課題無異。主題一即利用以量子物理為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)手段，將國際單位制基本單位定義在基本物理常數(shù)的基礎(chǔ)上；主題二提出的前沿測量技術(shù)則要解決超小(原子)和超大尺度下的測量，在超短(一原秒)和超長(一千年)的時間范圍內(nèi)對物質(zhì)屬性的測量，在復(fù)雜苛刻、有干擾或快速變化等極端環(huán)境中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量等。
與前兩個主題不同，在主題三和主題四中，規(guī)劃提出了一種較新的校準(zhǔn)概念。主題三“智能和互聯(lián)式測量”是指將大量多功能傳感器的應(yīng)用與互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用結(jié)合起來，即物體將被集成到一個全球性的信息網(wǎng)絡(luò)中形成“物聯(lián)網(wǎng)”，每個物體中將被裝入大量的、附于多個節(jié)點(diǎn)的、測量不同參數(shù)的、可進(jìn)行智能測量的傳感器，通過互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化校準(zhǔn)。主題四“嵌入式和普及式測量”則提出，測量功能將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就被嵌入到機(jī)器或儀器中，成為機(jī)器或儀器的既有功能，使得用戶在生產(chǎn)過程中就可以進(jìn)行“實(shí)時測量”并在測量當(dāng)時就完成溯源。當(dāng)然，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和以量子物理、生物技術(shù)、納米技術(shù)為基礎(chǔ)的多種類傳感器的研究和應(yīng)用。
六幅圖景
“六幅圖景”作為規(guī)劃最精彩的部分，描述了上述四個優(yōu)先主題下的先進(jìn)計(jì)量科技可能給人類經(jīng)濟(jì)、社會和生活帶來的重大改觀。六幅圖景緊密圍繞開篇提出的建立可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)科學(xué)發(fā)展、科技創(chuàng)新和技術(shù)密集型增長，提高公民福祉和公眾安全這“三大需求”，反映了規(guī)劃內(nèi)容相對于其戰(zhàn)略目標(biāo)的回歸。
1.建立可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)
圖景1:監(jiān)測地球狀態(tài)
監(jiān)測地球狀態(tài)，需要對氣候和環(huán)境進(jìn)行測量。未來，計(jì)量能夠使人類在一個相當(dāng)長的時間跨度內(nèi)對重要?dú)夂蜃兞窟M(jìn)行長期、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的監(jiān)測?？茖W(xué)有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以用來評估政府環(huán)境保護(hù)政策的成效。例如，地球觀測系統(tǒng)對入射輻射的測量不確定度可達(dá)0.01%、對反射輻射的測量不確定度可達(dá)0.3%的高準(zhǔn)確度溯源，將可以支持年代際氣候變化的監(jiān)測；高靈敏度和高準(zhǔn)確度的測量方法將被用來測量碳捕獲和儲存裝置的有效性，其中對二氧化碳的測量可達(dá)10-9級的準(zhǔn)確度水平；用于監(jiān)控大氣中化學(xué)物質(zhì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)將可能建成；內(nèi)置于汽車或移動設(shè)備中的傳感器將可實(shí)時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，幫助市民盡量減少對有害物質(zhì)的接觸等。
圖景2:提高能源效率和實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的多樣性
提高能源效率和實(shí)現(xiàn)多樣性供應(yīng)是節(jié)能減排和保證可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。未來，計(jì)量將為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供多方面的技術(shù)支持。計(jì)量可支持多樣性發(fā)電，通過對新一代核電廠關(guān)鍵參數(shù)以及如海浪發(fā)電等極端條件下相關(guān)材料性能的測量，推動新型發(fā)電技術(shù)的引進(jìn)并保證其安全。計(jì)量還可能幫助改善公共交通系統(tǒng)的效率與智能化，例如用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)熱區(qū)溫度測量的新型傳感器可幫助實(shí)現(xiàn)最佳的燃油效率和最少的廢氣排放，以計(jì)量科技為輔助的新一代輕質(zhì)材料的開發(fā)可以顯著降低油耗。計(jì)量還可以為能源供應(yīng)系統(tǒng)提供多方面的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，例如通過用稱重法直接測量二氧化碳排放量，可從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面為碳捕獲和封存提供可行性。
2.促進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科技創(chuàng)新和技術(shù)密集型增長
圖景3:未來工廠
計(jì)量將把未來的工廠變成一個智能設(shè)施。首先，它將具備“智能設(shè)計(jì)”與“按需制造”的功能。計(jì)量將更準(zhǔn)確地反映人類的感性需求，這些數(shù)據(jù)與部署在生產(chǎn)過程中的多個傳感器相結(jié)合將確保產(chǎn)品的按需制造和成品質(zhì)量。其次，未來工廠將可能極大地節(jié)能降耗。以計(jì)量為基礎(chǔ)的整廠傳感器技術(shù)將實(shí)現(xiàn)全自動的、完全準(zhǔn)確的制造和裝配，即只要給定條件就不會有意外出現(xiàn)，使定制產(chǎn)品的每次制造均能“一次成型”。智能的成分檢測技術(shù)還將使廢物流的實(shí)時分揀系統(tǒng)成為可能。
圖景4:大科學(xué)
大科學(xué)通常指投資大、多學(xué)科交叉的大型基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目。解決前沿科技領(lǐng)域的測量需求，為宏偉的“大科學(xué)”目標(biāo)提供技術(shù)支持，是當(dāng)前計(jì)量科學(xué)面臨的最艱巨的任務(wù)之一。未來，計(jì)量可以被用來驗(yàn)證物理學(xué)定律，例如愛因斯坦等效原理是目前我們認(rèn)識空間和時間曲率的基本依據(jù)，然而用高準(zhǔn)確度的原子鐘驗(yàn)證相關(guān)理論，我們可以看到愛因斯坦等效原理可能存在的漏洞。又如，計(jì)量可以支持對宇宙的探索，在大型望遠(yuǎn)鏡陣列(例如平方公里陣列)中同步各個望遠(yuǎn)鏡，需要原子鐘提供準(zhǔn)確的時間。
3.提高公民福祉和公眾安全
圖景5:健康的公民
首先，計(jì)量將成為重要的發(fā)現(xiàn)工具，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)照護(hù)診斷和對危重病人各項(xiàng)參數(shù)的24小時不間斷評估，使未來的醫(yī)療體系能夠根據(jù)病患的需求和生活環(huán)境提供量身定制的個性化醫(yī)療方案。例如，靈敏又穩(wěn)定的“呼氣測試”可使老齡人“足不出戶”就快速診斷出一系列病情；對氣凝膠和機(jī)體組織上所受的100μg等微小力的測量將產(chǎn)生一系列新的應(yīng)用，包括精確的藥物劑量控制和無需醫(yī)院干預(yù)的自控止痛和長期用藥。其次，高端的定量測量可支持合成與系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展。例如對蜂窩環(huán)境中生物分子結(jié)構(gòu)及其原子細(xì)節(jié)的可溯源測量，結(jié)合光譜學(xué)和成像技術(shù)，將應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)功能活性的判定和對疾病起源和發(fā)展的認(rèn)識。再次，計(jì)量將支持先進(jìn)的治療方法和藥物輸送，例如，可降解的控釋裝置在入體前和入體內(nèi)的表現(xiàn)將被分別測量，從而量化地反映特定細(xì)胞和組織對它們的結(jié)構(gòu)和表面變化的影響。
圖景6:對重要資源和基礎(chǔ)設(shè)施的管理
預(yù)計(jì)到2025年，全球人口可達(dá)80億，人口增長與氣候變化、消費(fèi)增長和能源需求增長相結(jié)合，對維持和延長公共資源和基礎(chǔ)設(shè)施的壽命提出了重大需求。計(jì)量可幫助改善對重要資源和基礎(chǔ)設(shè)施的管理，支持社會的可持續(xù)發(fā)展。例如，計(jì)量可利用微生物、溫濕度等傳感與檢測技術(shù)，降低食品在加工、儲存和運(yùn)輸過程中的污染和損失。又如，計(jì)量將通過對二手材料的原位認(rèn)定和清潔度評估加強(qiáng)對稀缺材料的回收；通過精確數(shù)據(jù)支持成形過程的模擬分析和優(yōu)化，擴(kuò)大“近凈成形”技術(shù)的應(yīng)用，減少對稀有或枯竭資源的依賴。再如，道路、鐵路、機(jī)場等交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)和修繕日益昂貴，通過使用嵌入式微型傳感器對材料性能以及由地震活動造成的變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)材料的高效維護(hù)和壽命最大化。
結(jié)束語
NPL愿景的實(shí)現(xiàn)有賴于一系列與之相關(guān)的科學(xué)技術(shù)在下一個十年成為可能，然而，該規(guī)劃所提出的計(jì)量科學(xué)研究的新理念和計(jì)量技術(shù)服務(wù)的新模式，卻具有格外深刻的啟發(fā)意義，主要表現(xiàn)在:
一、充分體現(xiàn)出國家計(jì)量體系的發(fā)展是一個與工業(yè)界、科學(xué)界、公共管理者等各個要素相互作用的一個整體性發(fā)展。計(jì)量發(fā)展規(guī)劃的先進(jìn)性和務(wù)實(shí)性，基于計(jì)量人對各利益相關(guān)方未來發(fā)展程度、需求和期望，以及他們對計(jì)量的反作用力的深入、準(zhǔn)確的了解上。NPL愿景的構(gòu)建充分體現(xiàn)了英國計(jì)量界與上述主體之間的良好合作與溝通。
二、計(jì)量服務(wù)應(yīng)用，將成為未來計(jì)量科學(xué)研究的重要目標(biāo)，這也將從根本上改變國家計(jì)量院服務(wù)用戶的方式。國家計(jì)量院的校準(zhǔn)服務(wù)將可能逐步被可自我校準(zhǔn)的便攜式計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所取代，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場、實(shí)時溯源，國家計(jì)量院服務(wù)的重點(diǎn)因此將可能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q復(fù)雜情況下的高端測量和溯源問題。這將需要計(jì)量科研人員具備在測量應(yīng)用方面的更多知識和技巧。
三、計(jì)量院研制的“產(chǎn)品”，將可能從單個量的計(jì)量基(標(biāo))準(zhǔn)向多個量的傳感器的轉(zhuǎn)變。傳感器融合到復(fù)雜的模型當(dāng)中，可能要實(shí)現(xiàn)某類產(chǎn)品的整體溯源而非單個傳感器的溯源，計(jì)量校準(zhǔn)的概念將被進(jìn)一步拓展。
