智能化測(cè)試儀器的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)研究

摘

要：測(cè)試技術(shù)的智能化發(fā)展主要靠測(cè)試儀器、測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試生態(tài)的智能化，而測(cè)試儀器的智能化是整個(gè)測(cè)試技術(shù)智能化的核心。鑒于此，介紹了智能化測(cè)試儀器的主要特點(diǎn)，并對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了一些對(duì)智能化測(cè)試儀器在信息處理、通用化、集約化、無(wú)線(xiàn)通信、虛擬化、智能生態(tài)等方面的發(fā)展及趨勢(shì)的看法。關(guān)鍵詞：測(cè)試技術(shù)；測(cè)試儀器；測(cè)試智能化；智能算法；標(biāo)準(zhǔn)化；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)0

引言測(cè)試技術(shù)與各個(gè)學(xué)科都是緊密相連的，它的發(fā)展對(duì)各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都有著重要影響。大部分科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都離不開(kāi)測(cè)試技術(shù)的支撐，也都需要采用測(cè)試技術(shù)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試以及補(bǔ)充完善。當(dāng)前的測(cè)試技術(shù)已經(jīng)滲透到很多領(lǐng)域中。世界各國(guó)都將“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“人工智能”相結(jié)合的智能制造作為改造提升傳統(tǒng)工業(yè)制造、塑造未來(lái)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的共同選擇，美國(guó)提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA（IndustrialInternetReferenceArchitecture），德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)RAMI4.0（ReferenceArchitectureModelIndustries4.0），日本提出了產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)IVRA（IndustrialValueChainReferenceArchitecture）……為推動(dòng)工業(yè)控制領(lǐng)域通信的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，全球工業(yè)強(qiáng)國(guó)和組織紛紛開(kāi)展了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)參考架構(gòu)的研究。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通信等技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)試儀器儀表和測(cè)試計(jì)量技術(shù)在開(kāi)發(fā)領(lǐng)域正日趨智能化，智能化的測(cè)試儀器已不再是以傳統(tǒng)的儀器儀表和測(cè)量手段來(lái)對(duì)物品進(jìn)行測(cè)試計(jì)量，而是采用了以多種傳感器為“智能儀表”，以智能信息處理的核心的多維度的智能檢測(cè)設(shè)備。智能化測(cè)試儀器的發(fā)展也帶動(dòng)著其他領(lǐng)域的研究與發(fā)展，比如工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)工程、化工工程、海洋工程、石油工程、航空制造等領(lǐng)域的很多測(cè)量檢測(cè)問(wèn)題，都會(huì)隨著智能化儀器的發(fā)展而得到有效解決。伴隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等的快速發(fā)展，測(cè)試儀器與它們相互結(jié)合之后也獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步。很多文獻(xiàn)對(duì)測(cè)試儀器、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試生態(tài)等多個(gè)方面進(jìn)行了研究和分析。例如介紹了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較分析，也對(duì)虛擬儀器在計(jì)量測(cè)試的溫度試驗(yàn)箱檢測(cè)中使用不科學(xué)和誤差理論認(rèn)識(shí)不足等展開(kāi)分析，并給出了一些發(fā)展建議；給出了計(jì)量測(cè)試技術(shù)在氣體傳感器產(chǎn)業(yè)的需求分析，主要從產(chǎn)業(yè)量值傳遞需求、產(chǎn)業(yè)中具體關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試需求、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的需求等三個(gè)方面進(jìn)行了分析。黃兆鵬等基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)對(duì)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究。謝慧等設(shè)計(jì)了一種聲學(xué)多普勒流速剖面儀計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)。還有文獻(xiàn)對(duì)新能源與智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試服務(wù)平臺(tái)的建立及服務(wù)模式進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)從多個(gè)角度研究了測(cè)試技術(shù)，給出了很多有意義的研究結(jié)果，但是很少緊密地將人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通信等新技術(shù)與測(cè)試技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究。測(cè)試技術(shù)的智能化發(fā)展主要靠測(cè)試儀器、測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試生態(tài)的智能化，測(cè)試儀器的智能化是整個(gè)測(cè)試技術(shù)智能化的核心。本文主要對(duì)智能測(cè)試儀器的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述和分析，同時(shí)基于人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通信等新技術(shù)對(duì)測(cè)試技術(shù)展開(kāi)了分析和研究，進(jìn)而提出了測(cè)試儀器的發(fā)展及趨勢(shì)。1

智能測(cè)試儀器的特點(diǎn)智能測(cè)試技術(shù)是在傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，智能測(cè)試技術(shù)是傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的升華和突破。下面從多個(gè)角度對(duì)智能測(cè)試儀器的特點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。1.1

測(cè)量精度和可靠性要求一方面可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件功能提高智能測(cè)試儀器的測(cè)量精度，另一方面也可以利用不斷被開(kāi)發(fā)的各種智能控制算法來(lái)提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。特別是一些智能控制算法，如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、粒子群算法等不斷被引入到智能技術(shù)中后，相比于傳統(tǒng)測(cè)試儀器，智能測(cè)試儀器具有更高的測(cè)量精度和可靠性。1.2

數(shù)字柔性化智能化儀器內(nèi)部集成了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA），也采用了更先進(jìn)的智能化處理器，結(jié)合各種智能控制算法，大幅提高了數(shù)字的柔性化性能。在柔性化及可擴(kuò)展性方面，智能化儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)測(cè)試儀器。1.3

測(cè)試處理智能測(cè)試儀器在測(cè)量采樣、信號(hào)濾波、信號(hào)放大、數(shù)據(jù)補(bǔ)償、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出的整個(gè)過(guò)程中都采用新一代的相關(guān)測(cè)試技術(shù)。這其中每個(gè)環(huán)節(jié)的處理速度都比之前有所提高，從而使整體智能測(cè)試儀器的測(cè)試處理速度得到了突破性的提高。芯片產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展為測(cè)量測(cè)試獲得更高的速度性能提供了基礎(chǔ)條件，同時(shí)高速度數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)或服務(wù)器也為測(cè)試儀器得到更高速的處理性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.4

自補(bǔ)償與自診斷智能化測(cè)試儀器不但測(cè)量范圍廣、測(cè)量功能多、測(cè)量能力強(qiáng)，而且測(cè)試儀器還具備了強(qiáng)大的故障診斷和自我補(bǔ)償能力。隨著智能化測(cè)試儀器診斷算法的不斷進(jìn)步，其不但能夠診斷測(cè)試儀器的各種傳感器，也能夠診斷測(cè)試儀器的控制系統(tǒng)、輸入端口、輸出端口及通信端口，還能診斷軟件算法中的補(bǔ)償系數(shù)是否足夠優(yōu)化。智能的測(cè)試儀器具備了故障診斷和自我補(bǔ)償能力，相比傳統(tǒng)測(cè)試儀器，其具備更高的可靠性、自我維修性和穩(wěn)定性。1.5

信息存儲(chǔ)與可追溯智能測(cè)試儀器需要具備信息存儲(chǔ)和信息可追溯功能。測(cè)試儀器的測(cè)量和測(cè)試數(shù)據(jù)是寶貴的，需要長(zhǎng)期保存，以便用于查詢(xún)、追溯和分析。智能測(cè)試儀器可以將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到測(cè)試儀器的存儲(chǔ)器中，提升測(cè)試儀器的信息可追溯性能；也可以將測(cè)量和測(cè)試數(shù)據(jù)保存到本地服務(wù)器或霧服務(wù)器，供本地網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備和儀器共享數(shù)據(jù)；還可以將測(cè)量和測(cè)試數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，用于大數(shù)據(jù)分析處理。相比于傳統(tǒng)測(cè)試儀器，智能測(cè)試儀器不但可以存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)，而且還具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)追溯能力。1.6

自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)智能化測(cè)試儀器采用了各種自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)算法，結(jié)合嵌入式處理器或計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算處理能力，使智能化測(cè)試儀器具備自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。2

智能測(cè)試儀器的發(fā)展及趨勢(shì)目前智能測(cè)試技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各種智能化技術(shù)被充分地應(yīng)用于測(cè)試儀器的全過(guò)程開(kāi)發(fā)中，例如將智能采集、智能變換、智能存儲(chǔ)、智能傳輸、智能顯示和智能控制等技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用發(fā)展，以及將具有大容量?jī)?chǔ)存和快速處理信息的計(jì)算機(jī)技術(shù)和不斷創(chuàng)新的信息通信技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)應(yīng)用。總之，智能測(cè)儀器的發(fā)展趨勢(shì)是在這些技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上將人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通信等新技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用。2.1

新型智能信息處理方法隨著對(duì)模糊控制研究的不斷深入，數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，新型智能信息處理方法和各種智能算法將進(jìn)一步促進(jìn)智能測(cè)試儀器的性能提升。在將來(lái)的應(yīng)用中，可根據(jù)測(cè)試需求的不同采用相應(yīng)的新型智能信息處理方法。這些新型智能信息處理方法的智能算法復(fù)雜程度差異很大，依據(jù)占用系統(tǒng)資源的多少，可以分為以下三類(lèi)：（1）占用資源較少的，可以考慮將這類(lèi)智能算法直接嵌入到傳感器芯片或放置到測(cè)試儀器控制系統(tǒng)中；（2）占用資源中等的，與現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備數(shù)據(jù)交換多而頻繁，對(duì)實(shí)時(shí)性要求也高，可以考慮將這類(lèi)智能算法放置到邊緣服務(wù)器或霧服務(wù)器中；（3）占用資源多的，要用到大數(shù)據(jù)，特別是對(duì)處理器要求很高的，可以考慮將這類(lèi)智能算法放置到云服務(wù)器中。當(dāng)然這些也不是一成不變的，其與人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通信等技術(shù)的發(fā)展緊密相連，也要根據(jù)具體的測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景的需求來(lái)定。有時(shí)也可考慮將上述三類(lèi)方法結(jié)合使用。2.2

標(biāo)準(zhǔn)化——互聯(lián)互通工業(yè)領(lǐng)域一直在研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及通用架構(gòu)，目的是真正地實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的云層、工廠(chǎng)層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層、傳感器層互聯(lián)互通和一網(wǎng)到底。目前美國(guó)提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA，德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)RAMI4.0，以及OPCUA（OpenPlatformCommunicationUnifiedArchitecture）和OPCUATSN（Time-SensitiveNetworking）等，都已解決了一些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)在垂直領(lǐng)域中互聯(lián)互通的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范架構(gòu)，但是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，還有很多路要探索和開(kāi)拓。在工業(yè)領(lǐng)域中，計(jì)量測(cè)試儀器、系統(tǒng)、生態(tài)也與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展緊密相連，計(jì)量測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向緊跟著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。智能化測(cè)試儀器也應(yīng)該采用與工業(yè)領(lǐng)域相一致的通用架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器與工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、云端的互聯(lián)互通，以及信息數(shù)據(jù)的相互共享。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)可通過(guò)工業(yè)互聯(lián)架構(gòu)、5G通信、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與各種人工智能算法的結(jié)合，為不同應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試儀器設(shè)計(jì)更具通用性的架構(gòu)和模塊，讓智能測(cè)試儀器具有更強(qiáng)的互聯(lián)互通性能。2.3

集約化隨著多功能集成測(cè)試需求不斷擴(kuò)大，氣體測(cè)試、光電測(cè)試、視覺(jué)測(cè)試、超聲波測(cè)試、激光測(cè)試、電磁測(cè)試、紅外測(cè)試、仿生測(cè)試等將會(huì)被更頻繁地集成使用，進(jìn)一步增強(qiáng)測(cè)試儀器的全面性和集成性。各行各業(yè)越來(lái)越關(guān)注集約化設(shè)計(jì)，工廠(chǎng)和生產(chǎn)車(chē)間的布局要集約化規(guī)劃，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)也要集約化，測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)亦是如此。就測(cè)試儀器來(lái)說(shuō)，不但要求儀器的體積越來(lái)越小，而且要求儀器集成的功能越來(lái)越多。這些新需求都對(duì)測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，測(cè)試行業(yè)已普遍把這些當(dāng)作未來(lái)設(shè)計(jì)的基本要求。未來(lái)，隨著測(cè)試儀器的傳感器、處理器、智能算法、存儲(chǔ)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、通信等在技術(shù)上的不斷創(chuàng)新發(fā)展，測(cè)試儀器集約化設(shè)計(jì)也將取得更大的突破。2.4

無(wú)線(xiàn)通信目前，隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，絕大部分測(cè)試設(shè)備都具備網(wǎng)絡(luò)通信功能?？紤]到不同行業(yè)的需求，在很多移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合和野外的應(yīng)用場(chǎng)景中，無(wú)線(xiàn)通信已被智能測(cè)試儀器廣泛地使用。如陸地專(zhuān)業(yè)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙（Bluetooth）、無(wú)線(xiàn)射頻辨識(shí)（RadioFrequencyIdentification，RFID）、紫蜂（ZigBee）、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）等已被成熟應(yīng)用于很多場(chǎng)合。但是，無(wú)線(xiàn)通信的方式過(guò)多也不利于網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通進(jìn)一步發(fā)展。雖然目前通過(guò)一些網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊將不同的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，但是這不但增加了通信成本，而且還增加了通信延時(shí)。將來(lái)，隨著新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，包括無(wú)線(xiàn)通信的整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)也將進(jìn)一步走向通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。未來(lái)5G/6G/7G通信和低軌通信衛(wèi)星技術(shù)將不斷被應(yīng)用到智能測(cè)試儀器中，提高智能測(cè)試儀器的智能化水平。2.5

虛擬技術(shù)微電子、計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)的巨大進(jìn)步，共同促進(jìn)了虛擬技術(shù)的發(fā)展。尤其是云計(jì)算、邊緣計(jì)算、霧計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、5G通信的快速發(fā)展，把虛擬技術(shù)推向了一個(gè)新的高峰。未來(lái)，虛擬技術(shù)將與現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合，提高測(cè)試儀器的虛擬性和智能性。2.6

智能測(cè)試生態(tài)智能測(cè)試生態(tài)平臺(tái)主要功能是將測(cè)試傳感器、測(cè)試儀器、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試邊緣計(jì)算服務(wù)器、測(cè)試霧服務(wù)器、測(cè)試云服務(wù)器、測(cè)試大數(shù)據(jù)服務(wù)器等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，提高測(cè)試儀器的智能化水平。智能測(cè)試生態(tài)平臺(tái)的建設(shè)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M成部分。未來(lái)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，主要依據(jù)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)建設(shè)智能測(cè)試生態(tài)平臺(tái)，將整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的所有測(cè)試儀器、測(cè)試系統(tǒng)都整合到一個(gè)平臺(tái)。這樣，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中所有測(cè)試數(shù)據(jù)都會(huì)實(shí)時(shí)被監(jiān)測(cè)、處理、分析、歷史保存，其不但能提高測(cè)試精度和穩(wěn)定性，而且還能通過(guò)這些產(chǎn)業(yè)鏈的大數(shù)據(jù)診斷和預(yù)測(cè)產(chǎn)品、設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)而做到“早發(fā)現(xiàn)，早解決”。在工業(yè)領(lǐng)域中，智能測(cè)試生態(tài)平臺(tái)最終會(huì)與ERP（EnterpriseResourcePlanning）、MES（ManufacturingExecutionSystem）、SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）等系統(tǒng)合而為一。智能測(cè)試生態(tài)平臺(tái)的建設(shè)，主要通過(guò)資源共享與供需聯(lián)動(dòng)，探索資源種類(lèi)較為齊全、服務(wù)層次較為完善的計(jì)量測(cè)試服務(wù)模式，為測(cè)試需求場(chǎng)景、測(cè)量需求場(chǎng)合、檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室等提供測(cè)試綜合服務(wù)，支持共性及個(gè)性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及設(shè)計(jì)，有力地為智能測(cè)試需求產(chǎn)業(yè)提供持續(xù)健康的技術(shù)支持。智能測(cè)試生態(tài)平臺(tái)的發(fā)展需求，首先促進(jìn)了智能測(cè)試資源的供給側(cè)提升，同時(shí)加強(qiáng)了與需求側(cè)的無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了供需對(duì)接；其次優(yōu)化了實(shí)體資源的管理體制和運(yùn)行機(jī)制，促進(jìn)了各類(lèi)測(cè)試儀器