РАЗВИТИЕ НОВОЙ МЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЕДЕНИЦ В СОВРЕМЕННОМ НАПРАВЛЕНИИ РАЗВИТИЯ МЕТРОЛОГИИ д.т.н., проф. П.М.Матякубова, к.т.н., доц. Ш.А.Тураев, докторант PhD Р.Р. Кулуев

Ташкентский государственный технический университет

Будущее метрологии невозможно представить без интеллектуальных и сетевых технологий, поскольку она будет играть одну из важнейших ролей в управлении производством на умных заводах будущего.

Метрология как наука, которая занимается вопросами измерений и их применением, содействует внедрению современных технологических процессов, разработке новых видов продукции и повышению конкурентоспособности промышленности в целом.

Остановимся на отдельных аспектах метрологии, поскольку именно они непосредственно оказывают существенное влияние на развитие науки, промышленности, и, в частности, на приборостроение и машиностроение.

Если говорить об основных изменениях в метрологии, то в ближайший год нас ожидает следующее. В первую очередь, это пересмотр Международной системы единиц (SI), который потребует нового подхода к пониманию этих величин, их передаче, обеспечению потребностей промышленности.

Второй аспект – это совершенствование информационных технологий, которые определенным образом сказываются на промышленных технологиях, развитие современных сенсорных технологий, т. е. новых датчиков, которые будут использоваться в рамках концепции Индустрия 4.0, переход к которой видоизменяет сферу оказания метрологических услуг.

История знает множество революций на протяжении всего существования человечества. В настоящее время во всем мире происходят изменения, касающиеся разных сфер общественной жизни, инициируемые высокотехнологичным совершенствованием производственных технологий. Это приведет мир к Четвертой промышленной революции, и, согласно многим экспертам, она уже началась. Четвертая промышленная революция, или же «Индустрия 4.0» — это прогнозируемые изменения во всех сферах общественной жизни, обусловленные современной тенденцией к автоматизации и обмену информацией в производственных технологиях. Данный термин ввёл президент Всемирного Экономического Форума — Клаус Шваб. В соответствии с его видением, это концепция, согласно которой мы стоим на пороге новой эпохи, где виртуальный мир объединен с физическим с помощью технологий. Это четвертая глобальная индустриальная эра, наступающая со времен первой индустриальной революции восемнадцатого века. Ожидается, что данные преобразования будут подкреплены такими технологиями, как киберфизические системы, интернет вещей, искусственный интеллект, робототехника, облачные технологии, 3D-печать, и квантовые вычисления.

В ближайшие годы предстоит создание эталонов единиц, которые будут опираться на фундаментальные физические константы. Мы должны будем постепенно, но достаточно быстро, отойти от артефактов, которые используем (килограмм), и перейти к созданию эталонов, связанных исключительно с фундаментальными физическими эффектами. Далее это развитие уже фундаментальной метрологии на уровне одиночных фотонов, одиночных атомов и одиночных молекул, поскольку этого требуют новые существующие технологии. Определенные работы в этом направлении уже ведутся, например, в области расходометрии, с целью создания расходомеров, позволяющих очень точно определять расход жидкостей и газов на основании одиночных молекул. То есть фактически происходит снижение уровня неопределенности и повышение более точных результатов измерений, которые не меняются.

Если говорить о переопределении единиц системы SI, то первоначально к этому процессу подтолкнуло наблюдение за артефактом − платино-иридиевым килограммом, поскольку обнаружили, что за последние 150 лет его масса изменилась примерно на 50 мг. Этот артефакт находится в Севре близ Парижа в Международном бюро мер и весов. Может быть с точки зрения промышленной метрологии вчерашнего дня это не выглядит существенным, но сегодня мы имеем дело с нанометрологией, с наноизмерениями и в этом аспекте – это чувствительное влияние на результаты измерений. Мы должны перейти к более точному установлению единиц величин, которые будут воспроизводиться независимо в различных лабораториях.

В данной ситуации новыми ключевыми позициями в этой системе является то, что фиксируются фундаментальные физические константы. Будут уточнены определения килограмма, ампера, кельвина и моля, потому что ампер, кельвин и моль взаимосвязаны с новым определением килограмма.

Очень важен аспект прослеживаемости. У нас существует классический механизм прослеживаемости от Международного бюро мер и весов через национальные метрологические институты до промышленных лабораторий. В будущем можно создавать средства измерений очень высокого уровня точности, которые могут массово применяться в промышленности и самокалиброваться. Это позволит существенно повысить точность измерений, приблизить их к национальным метрологическим институтам и в некоторой степени исключить промежуточные звенья в процессе передачи единиц величин от Международного бюро мер и весов к потребителю.

В новой системе единиц величин SI семь базовых величин: ампер, кельвин, секунда, метр, килограмм, кандела и моль. Они уже непосредственно взаимосвязаны с фундаментальными физическими константами и практически неопределенность этих фундаментальных констант является той технической возможностью, которая может быть достигнута при формировании единиц величин.

После завершения реформы Международной системы единиц SI планируется будет дан старт развитию новой метрической системы единиц. Это грандиозный этап в развитии метрологии и этого события с нетерпением ждёт все метрологическое сообщество. Столь высокий уровень точности позволит решать многие проблемные задачи в области метрологии, которые сегодня находятся в стадии решения. Это связано с развитием нанобиоэлектроники, наноразмерных величин, спектроники и наномагнетизма, терагерцовой метрологии и трехмерной нанометрологии.

В мире получает развитие дистанционная телеметрия, совместная обработка данных, новые сенсорные технологии, моделирование процессов, использование численных алгоритмов, которые позволяют проводить измерения непосредственно в нужное время и в нужном месте. В этой ситуации мы должны понимать, каковы будут основные направления развития промышленной метрологии. С одной стороны − это точность, надежность, гибкость и комплексность. Но за этим стоит очень серьезная работа, связанная с цифровой интеграцией измерительных систем, где используются наноразмерные и сенсорные технологии.

Если говорить о каждом из этих аспектов коротко – это работа в режиме онлайн, получение очень большого количества результатов измерений, их оцифровка и принятие решений на основании этих результатов. И, естественно, мы должны говорить о понижении уровня неопределенности, повышении точности измерений и принятии решений о том, каков уровень неопределенности допустим при управлении теми или иными аспектами технологического процесса. Нужно принимать решения с учетом неопределенности измерений, причем допуски должны снижаться на уровне неопределенности измерений.

Если мы говорим о метрологии для Индустрии 4.0, то мы должны говорить об интеллектуальной метрологии, смарт-метрологии, которая должна оперировать большими базами данных и работать с алгоритмами нейронных сетей.

За время, прошедшее с момента возникновения термина Индустрия 4.0, большое количество ученых заинтересовалось этой концепцией, которые углубились в изучение аспектов новой промышленности. Также он привлек пристальное внимание ученых со всего мира.

Новой системы организации человеческой деятельности на промышленность, следует отметить ряд особенностей функционирования так называемого цифрового производства.

  1. Основной ценностью в новом обществе является информация, а основной целью – глобальная оптимизация процессов получения, обработки и обмена информацией как внутри предприятия, так и в масштабах всей планеты.
  2. Автоматизация процесса производства становится всеобъемлющей за счет применения обрабатывающих центров с ЧПУ, промышленных роботов-манипуляторов, беспилотных транспортных средств доставки готовой продукции.
  3. Сетевые технологии и облачные сервисы обеспечивают легкий доступ заинтересованных лиц непосредственно к производителю, оптимальному по соотношению цены, скорости производства и доставки, с минимумом посредников. В идеале, пользователь способен сам дистанционно загружать приведенную к стандартному формату данных математическую модель своего объекта в систему ЧПУ обрабатывающего центра.
  4. Персонификация промышленных товаров делает нецелесообразным массовое производство, и для выживания крупные производители будут вынуждены конкурировать с малым бизнесом за индивидуальные заказы, что приведет к резкому снижению стоимости единичного или мелкосерийного производства и к рывку технологий стандартизации предоставления данных и сетевого взаимодействия различных протоколов передачи и обработки информации.

Метрологическое обеспечение являлось основой получения информации о качестве изготавливаемой продукции на всех предыдущих этапах промышленной революции, обеспечивая единство и стандартизацию получаемых данных. Тем не менее в большинстве примеров, описываемых в литературе, а также во многих официальных документах, этап получения информации о физических и геометрических параметрах изготавливаемых в цифровом производстве материальных объектов упоминается только в момент «оцифровки» прототипа дублируемого изделия. При этом, в качестве средства быстрого создания полигональной трехмерной модели объекта предлагаются различные варианты лазерного сканирования или проекционной фотограмметрии. Подобная распространенность упоминания именно этого способа измерения геометрии вкупе со спецификой маркетинговой политики поставщиков производственного оборудования, заявляющих о микронной точности и «сверхпрецизионности» продаваемых моделей станков, создает у потребителя ощущение, что контроль качества изготовления обеспечивается самим обрабатывающим центром. Однако интересно проследить реальное место метрологического обеспечения в цифровом производстве.

(Доклад публикуется в сокращенном виде)