建设水运监测装备产业计量测试中心 助推装备国产化、系列化高质量发展 - 声学多普勒流速仪的寿命

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　　水运作为现代综合立体交通网的重要组成部分，承担着我国90%以上外贸货物的运输工作，在集装箱、原油、矿石、粮食等物资运输中发挥了重要作用。港口、航道等水运设施是构建智慧、绿色、安全、经济的现代水运体系的基础保障，其建设的科学性、运营的高效性、维护的便利性均需要长期、可靠的监测数据支撑，没有潮流波浪泥沙的数据，港口设计无从谈起，没有准确的水深数据，船舶航行安全将受到影响。水运监测装备是了解水运基础设施健康状态、提升水运智慧、安全水平，保护内河、港口、航道环境生态的重要工具，包括水文、水体、地形地貌及水工结构监测类装备，当前，我国正在加快形成空间、水面、水下、水底立体式水运监测装备体系，并向一体化、实时化、多尺度、高精度的方向发展。

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产业计量是水运监测装备国产化、系列化的基础保证

　　构建水运监测装备产业计量测试技术体系，发挥先进计量测试的支撑保障作用，推进水运领域科学研究和应用技术相互融合与协调发展，为我国水运监测装备产业提高核心竞争力提供技术支持，提升我国水运监测装备科技整体实力，促进产业健康发展。

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　　产业计量是水运监测装备“完备可控”的重要保障。产业计量从水运监测装备产业链上游的原材料、基础传感器、机械配件到产业链中游的结构设计、加工工艺、测试方法，以及产业链下游的安装、使用、维护过程，均对关键过程参数提出了可控的指标要求，保障了水运监测装备全寿命周期内的质量水平和适用性，提升了交通水运行业的智慧、安全水平及运行效率。

　　产业计量是水运监测装备“先进适用”的重要途径。目前，国内水运监测装备与国际先进水平的差距正在缩小，在浪、潮、流等主流监测装备关键过程参数上已达到国际先进水平，但在产品附加值高的高精度传感器制造、特殊功能传感技术研究及设计、制造等领域以及装备现场测量的精准性、适用性、稳定性、耐久性上与国外仍存在着较大的差距，这往往是国内实验室计量测试环境水平达不到装备性能验证要求造成的。产业计量在水运监测装备全寿命周期内，为设计方案验证、技术缺陷分析、工艺流程优化建立科学、可信的计量测试环境，解决水运监测装备研发、使用过程中的技术难题，提升水运监测装备国际化水平。

　　产业计量是水运监测装备规范化、系列化发展的重要支撑。产业计量通过梳理、整合上下游产业链，打破企业间的技术壁垒，聚集优势资源，突破关键技术难题，建立水运监测装备产业计量测试保障体系和检测评价体系，规范产品设计、生产、使用，提升产品工艺、质量水平，实现我国水运监测装备产业从生产到“智造”的转变以及体系化和规模化发展。

　　产业计量是水运监测装备加快国产化进程的重要推进力。以打破垄断、满足需求、自主创造、稳固市场为目的，建立起真正自主知识产权的综合性、系统性、国产化的水运监测装备研发和产业化体系，将计量的思维融入水运监测装备设计研发、加工制造、性能测试过程及工艺流程控制中，解决“测不准、测不到、测不了”的难题，从全产业链提升国产水运监测装备的质量水平，推进水下声呐设备、潜水器等中高端水运监测装备国产化发展步伐。

水运监测装备产业中计量测试的短板

　　整体来看，水运监测装备产业计量测试领域，已针对浪、潮、流、沙等传统测量装备以及水深、地形地貌、水下定位等高端装备的关键参量建立了有效的实验室量值溯源路线，逐渐重视在复杂条件、现场环境下计量测试能力的建设，并针对复杂量、极端量、多参量开展了计量测试技术研究，但在全产业链、全寿命周期计量测试能力建设方面，尤其是高端水运监测装备，由于缺乏完整的计量技术体系，先进计量测试技术仍处在探索阶段，能力较为欠缺。

　　目前水运监测装备产业计量测试的短板主要体现在以下几个方面。

　　顶层设计不足，产业计量测试体系构建困难。水运监测参数的准确性取决于水运监测装备量值溯源与传递的准确性，水运监测装备的计量保障必须得到确认，不仅要注重研制过程的计量保障，更要注重装备使用过程的计量保障。水运监测装备涉及产品范围较广、品种多样，上下游企业规模、生产能力差异巨大，目前我国水运监测装备产业计量测试缺乏统筹布局与顶层设计，计量测试体系构建困难，难以对水运监测装备进行统一规范化计量管理，导致产品参数、测量精度各异，通用性、安全性和可靠性均有待规范与验证。尤其随着新技术的引入、融合发展，装备更新换代速度加快，现有的水运监测计量服务体系已不能满足新装备的计量测试需求，亟需完善。此外，多波束测深仪、扫描声呐等水下声学装备、浮标、潜标、潜水器等综合性监测平台装备等高端水运监测装备涉及专用精密计量测试技术研究，在基础零部件设计、加工，核心制造工艺水平等方面与国外存在较大差距，单独依靠某个计量机构或科研院所难以实现“三全”的能力覆盖和“一前”的技术突破。生产厂家在尚未突破国外“卡脖子”技术的情况下，对已有技术、工艺的封闭式发展，使得水运监测技术或装备的国家或行业技术标准不足，大部分装备的关键技术参数未形成规范的计量测试方法，工程样机技术水平参差不齐，数据接口与格式互不兼容，产品整体稳定性和测试精度上与国外存在一定差距，难以获取高质量可靠的水运监测数据。绝大部分装备技术处于国际上20世纪90年代初中期水平，技术含量高的自动化仪表及系统、科学测试仪器、传感器元器件等产品同国外差距明显，产品的可靠性低于国外产品2个数量级，测量精度低于国外产品1个数量级。在基础技术和制造工艺上的精度有所欠缺，对产品品质的控制仍不够严格，特别是在可靠性问题上，一些关键技术还没有得到突破。

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　　计量测试基础保障能力不足，水运监测装备产业发展缓慢。水运监测装备产业链前端主要包括水声、浮力、耐压材料、基础传感器及各类机械配件。以水声材料为例，主要包括平面层状材料、均匀和分层均匀材料、密实高分子材料、压电陶瓷材料、稀土材料等，其声压反射系数、透射系数、吸声系数、损耗因数、插入损失、纵波声速、复反射系数、纵向伸缩模频率常数、谐振频率、机械品质因数、杂质含量、颗粒度等参数，既是装备设计过程中的重要依据，也是声学换能器加工制造性能的重要保证。目前，国内已发布了声压透射系数、衰减系数、声学材料阻尼性能测试方法的多项国家标准，但目前国内鲜有计量测试机构具备上述参数的测试能力。在水密接插件方面，考虑水运领域应用的特殊性，对其外表面的防腐蚀膜厚度、抗拉强度、抗弯强度、抗冲击等力学性能具有计量测试需求，对连接端的锁紧力矩、轴径向强度、插拔力等机械性能具有计量测试需求。目前，国内仅就声呐用水密连接器、水下电连接器等发布了军工标准，尚未有成熟的方法对其性能参数进行计量测试。

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　　水运监测装备产业链中端的计量测试涉及产品的设计参数、加工制造工艺的计量测试以及环境适应性、现场工作稳定性等多项质量特性，需运用多个指标对多个参评质量单位进行评价，装备类别的纷繁和测量平台的多样化使得计量测试能力覆盖所有仪器难度极大。以水下声学换能器设计为例，主要设计流程为：依据要求的电声指标选择水声材料、确定换能器的类型，利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸，进行换能器结构设计，设计合理的预应力施加工艺、装配工艺、封装工艺。目前，针对换能器结构设计、电声设计参数涉及较少，尚未形成统一的标准和技术规范。在加工制造阶段，目前国内仍以各生产厂家自己制定的工艺流程开展工作，尚未形成统一的、成熟的技术规范，此阶段产品过程控制的重要节点，影响着装备的最终性能。此外，由于缺乏有效的计量手段，室内环境试验、检验和测试并不能完全模拟实际的水运环境，致使新产品在试用时和初期使用阶段暴露出一些问题，影响了监测装备的推广使用。我国自行研制的温盐深（CTD）传感器，其室内温度测量精度达到±0.001℃，电导率测量精度达到±0.0003S/m，压力测量精度达到±0.015%，但由于数据采样、传输效率不高，缺乏水上工作的稳定性、可靠性，现场观测精度仍难以保证，尚未达到国际水平。

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　　在产业链后端的使用、维护阶段，在现场动态水体环境中，温度、盐度、海流等环境参数的变化、安装、定位误差的存在都将对装备的整体性能造成影响，需综合考虑和修正，如船载水下监测装备在安装使用中存在的艏摇、横摇、纵摇误差的测量及修正，GPS定位延时的测量与修正，声学延时的测量与修正，以及使用过程中升沉、声速、航向等参数的计量测试等。目前，科研机构、高校等正积极开展相关技术研究，但尚未形成切实有效的计量保障能力。

　　自主创新能力不足，缺少面向高端水运监测装备的计量测试能力。目前，西方国家仍然对我国禁运的智能装备包括水下ROV、AUV、UUV系列产品，高精度激光惯性导航及组合系统产品，各类高精度传感器技术和部件，合成孔径声呐产品，海底警诫声呐产品等。而目前我国主要靠进口的深水多波束测深系统、深水浅地层剖面仪、水下高精度定位系统和水下通信系统等产品和技术有可能成为将来“卡脖子”的禁运产品和技术。以当前科技水平、集成度较高的潜水器为例，由于结构复杂、生产工艺流程较多、市场需求量有限，目前尚未形成标准化、产业化生产模式，国内仅针对轻型有缆遥控水下机器人（ROV）发布了系列国家标准，规定了水下机器人的水下脐带缆的通信带宽、液压系统额定输出流量、导管螺旋桨推进器一致性、摄像、照明与云台中心水平分辨力、承压水密光学窗口玻璃光透射比等参数设计要求，但尚未形成有效的计量测试手段。对于AUV等潜水器的机械结构设计、电源、控制、采集、传输等电路系统设计方面，目前仍以各厂家自己的技术标准为准，尚未有发布的统一技术规范。从国内外整体情况来看，凡是拥有先进水下机器人研制技术的机构，都有一套与之匹配的专门测试系统，相比国外先进的水下机器人制造及测试技术，国内相关机构还是以测试海洋船舶相关性能为主，很少或未开展水下机器人性能测试的研究，而已开展水下机器人测试的机构，很多也是由船舶测试系统改造过来的，设备较为大型，测试代价较高。

　　产业计量测试成效未显现，企业认可度、参与度不高。当前，国外在水运监测技术和装备上都明显处于领先地位，以传感器为例，在其核心技术如算法、封装工艺上，我们的差距还很大。水运监测装备研发周期长、投资大且风险高，缺乏针对使用对象而开发的专用解决方案，主要研究机构为高校和研究院所，其专业划分过于琐细，科研成果转化速度慢、效率低，市场推广更是缺乏积极性。民营企业资金有限、缺乏人才，且各自为阵，难以获得国家科研项目的支撑，研发投入很难持续。上述现状造成的结果是，科研院所、高校对技术的开放度较高，也愿意投入资金进行关键过程参数计量测试技术的研究，但缺少企业的参与，技术研发与市场机制未能有效结合，成果的适用性、市场推广度较低。生产单位尚未认识到计量测试对产品质量、企业效益的提升作用，更愿意按照自己的技术方案、工艺流程进行产品研发，只有在遇到解决不了的问题或自身不具备测试条件时，才会联合科研机构或专业计量测试机构开展相关技术研究和验证活动。这都导致了国内水运监测装备企业的参与积极性普遍不够高，企业总体数量较低，而具有较强竞争力和产业链整合能力的龙头企业不多，装备上下游生产单位、计量测试单位、科研院所间资源、技术、人才流动性较差，有效成果转化率、利用率较低，阻碍了整个产业的发展与壮大。

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创新产业计量测试技术，助推水运监测装备产业高质量发展

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　　产业计量以为产业提供全溯源链、全产业链、全寿命周期以及前瞻性的计量测试服务为目标和任务，致力于解决产业发展对精准测量测试的需求与计量支撑不充分、不平衡之间的矛盾，注重由常规的实验室计量向现场、原位、在线计量测试的转变，由终端产品计量向装备过程控制计量方向转变，由公益属性向市场化计量测试转变。我国已转向高质量发展阶段，国内国际新形势对加快建设交通强国、构建现代化高质量国家综合立体交通网提出了更高要求。随着现代水运体系的逐步构建，水运监测装备正朝着高精确度、高集成度、智能化、自动化方向发展，如何将现有的计量测试手段、能力水平向产业链的两端延伸，在全寿命周期内建立水运监测装备关键过程参数的量值溯源与传递路线，实现水运监测装备产业规范化、系列化发展，推进中高端水运监测装备国产化水平，是当前亟需解决的重要问题。

　　筹备建设国家水运监测装备产业计量测试中心，聚焦产业发展短板、瓶颈，坚持需求牵引、创新驱动，进一步完善基础设施建设，加强基础性、前瞻性、产业关键共性计量技术研究和测试服务，建立水运监测装备量值传递和溯源体系，基本形成水文、水体、地形地貌等重点水运监测装备全寿命周期计量测试保障能力。重点开展声学多普勒流速剖面仪、多波束测深仪、含沙量测深仪、水下机器人等中高端水运监测装备过程控制参数计量测试方法，复杂工况、极端环境下计量测试模拟平台与量值评定技术以及现场、在线计量性能保障技术研究与装备研制。推动建立水运监测装备产业计量测试联盟，建设资源、技术、成果、人才共享平台，深度融合产业优势资源，加强科研成果的转化应用和技术对接，为推动产业技术创新和质量提升发挥积极作用，进一步提高我国水运监测装备产业的质量水平和国际竞争力，助推水运监测装备产业国产化、规范化、系列化发展。（本刊通讯员 柳义成）

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供稿：市场监管总局计量司

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《产业计量专刊》由市场监管总局计量司组织编写，该《专刊》收录54篇文章，是各地开展产业计量测试中心建设工作的资料，是各地开展产业计量培训的必备教材，是从事产业计量工作人员的必备学习资料之一。

《计量法律法规专刊》收录的计量法律、法规、规章均为截止到2021年1月31日的最新版。该《专刊》可作为政府计量行政管理部门人员的必备案头书，还可作为政府计量行政管理部门人员和计量法制检定人员的培训教材。

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