大數(shù)據(jù)在在線計量中的應(yīng)用展望

肖天雷　聶曉曄　符堃

摘? 要：大數(shù)據(jù)具有容量大、速度快、多樣性的特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)中。文章結(jié)合在線計量與大數(shù)據(jù)技術(shù)的特點，對智能指針表讀數(shù)模塊、預測性維護和軌道在線檢測這三種計量場景的現(xiàn)狀進行分析，并對結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)后的應(yīng)用場景進行了展望，可作為在線計量智能化的參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);在線計量;應(yīng)用

中圖分類號：TP216? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0182-02

Abstract： High volume， high velocity and high variety have been labeled as the feature of "big data"， which has been widely used in daily life. The article discussed metrology cases such as reading module of pointer instruments， predictable maintenance and online railway inspection. The future of these cases is presented with the implementation of big data technology， which is useful for the smart online metrology.

Keywords： big data; online metrology; application

引言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及智能終端的快速普及，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到人們的日常工作生活之中[1]。在這些技術(shù)中，大數(shù)據(jù)（Big Data）技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)中得到應(yīng)用， 推進了企業(yè)改革與創(chuàng)新[2]。數(shù)據(jù)，特別是海量的數(shù)據(jù)，是當今這個時代最寶貴的資源。它不僅關(guān)系到生活、生產(chǎn)，也對貿(mào)易、國防等方面有著顯著的影響。國家已多次號召要將大數(shù)據(jù)與實體經(jīng)濟深度融合，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云處理技術(shù)，提升我國生產(chǎn)制造水平，改善人民生活。

大數(shù)據(jù)被定義為一種規(guī)模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)的主要特點可以概括為：大容量（Volume）、速度快（Velocity）和多樣性（Variety）[3]。此外，它還具有真實性（Veracity）和低價值密度（Value）。由于這些數(shù)據(jù)容量大、獲取速度快、信息來源廣泛，信息類型多樣，所以這些數(shù)據(jù)往往具有極高的戰(zhàn)略意義。通過對這些大數(shù)據(jù)進行專業(yè)化的處理和分析，再配以云計算和云存儲技術(shù)，可以實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識、從知識到?jīng)Q策的轉(zhuǎn)化[4]。目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金融、電商、醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)和智能制造等領(lǐng)域[5-7]。而在計量測試領(lǐng)域使用大數(shù)據(jù)技術(shù)也必將成為一種趨勢。

1 大數(shù)據(jù)在在線計量中的應(yīng)用

計量是保證單位統(tǒng)一、量值準確可靠的科學。它是科學技術(shù)進步的有力保障。傳統(tǒng)的計量工作通常指將儀器設(shè)備送至指定計量機構(gòu)的實驗室，在標準環(huán)境下對其進行檢定、校準或檢測。隨著信息化的發(fā)展，現(xiàn)場計量、在線計量越來越多地受到了客戶的歡迎和各計量機構(gòu)的重視。這種計量方法不僅可以最小程度地減小計量對客戶生產(chǎn)和工作的影響，也能在最接近工況的條件下完成量值傳遞，更符合實際情況，得到的計量結(jié)果也更有意義。在線計量強調(diào)準確性和便攜性，準確性是計量工作一貫的要求，而便攜性就體現(xiàn)出了在線計量的特點。對于涉及多種儀器的計量任務(wù)，攜帶多套標準器去現(xiàn)場并不是一個好方法。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念興起，互聯(lián)網(wǎng)+計量可以很方便地解決在線計量的便攜性難題。它可以極大地提高工作效率，減少空間因素帶來的阻礙。然而，在目前的計量過程中，讀數(shù)還是以人工觀察為主，這樣會使主觀因素影響測量結(jié)果，從而增大不確定度，影響計量工作的質(zhì)量。而通過對計量行為、計量設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進行分析，不僅能夠減少人為因素的干擾，還可以提升智能化水平，為實現(xiàn)智能制造2025打下扎實的基礎(chǔ)。

本文將對幾種計量場景進行現(xiàn)狀分析和應(yīng)用展望，結(jié)合大數(shù)據(jù)、圖像處理和人工智能等技術(shù)之后，可以很好地提高計量效率，解決計量難題。

1.1 指針式表盤綜合讀數(shù)模塊

采用指針式表盤的儀器儀表主要為各種類型的壓力表、指針式溫度計、百分表和千分表等。目前階段的計量方法仍以人工計量為主，并以肉眼估讀指針位置進行讀數(shù)。該方法的效率和讀數(shù)的準確性受計量人員的技能水平、觀測位置和精神狀態(tài)的影響較大?，F(xiàn)有的自動讀數(shù)系統(tǒng)僅適用于某一特定種類的儀表，如果用該讀數(shù)系統(tǒng)去識別完全不同的儀表，就會發(fā)生錯誤。如果在一個需要同時計量壓力表、指針式溫度計和百分表的任務(wù)中，為了對壓力、溫度和長度儀表進行自動讀數(shù)，必須攜帶三種不同的讀數(shù)系統(tǒng)。這就增加了人力成本，也非常不方便。

而在利用大數(shù)據(jù)之后，就可以將適用于某一特定類型的指針式表盤讀數(shù)模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性指針式表盤讀數(shù)模塊。它可以適用于多種類型的儀表，為自動化系統(tǒng)的整合打下基礎(chǔ)。該系統(tǒng)利用照相機對表盤進行拍照，結(jié)合圖像處理系統(tǒng)對表盤圖像進行預處理。在提取指針和刻度信息后，系統(tǒng)可以根據(jù)已有經(jīng)驗，從各類指針式儀表的表盤圖像數(shù)據(jù)庫里尋找和本次提取的圖像最匹配的信息，從而識別被測表的類型。這樣就可以以最小的成本，完成多種被檢儀器的自動化讀數(shù)，在整合計量資源的同時，改善在線計量需要攜帶多套標準器的難題。

1.2 預測性診斷和維護

隨著智能制造的高速發(fā)展，工業(yè)傳感器、工業(yè)儀表已經(jīng)成為生產(chǎn)線上的標準配置，其特點是數(shù)量多、種類多。對于這些儀表，大規(guī)模地拆卸送檢會嚴重影響生產(chǎn)，所以目前以現(xiàn)場計量為主。但每次計量時都必須讓生產(chǎn)線停止工作，這樣設(shè)備維護人員才能將儀表卸下，交給計量人員進行現(xiàn)場計量。這種操作方式雖然對生產(chǎn)的影響較傳統(tǒng)方式已經(jīng)小了很多，但還是浪費人力物力，導致設(shè)備暫時停產(chǎn)。此外，通常情況下只有在生產(chǎn)線上某個設(shè)備出現(xiàn)故障的情況時，維護人員才能發(fā)現(xiàn)和定位故障，然后對其進行排查、檢測和維修。這樣地后知后覺將會讓企業(yè)承擔較大的風險。

其實，生產(chǎn)制造過程會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)加以整合和分析，維護人員就可以根據(jù)一些異常的數(shù)據(jù)指標來判斷可能存在的故障風險。例如，當某個設(shè)備的電流異常增大或者設(shè)備某個位置溫度異常升高時，根據(jù)大數(shù)據(jù)的分析判斷，該設(shè)備或其周圍設(shè)備有較大的可能將會發(fā)生故障。這樣，在故障還沒有真正發(fā)生之時，維護人員就可以定位潛在的隱患，從而對相關(guān)設(shè)備儀表進行檢測、替換或維修，極大地減小了企業(yè)可能要承擔的損失。同樣地，對于線上的傳感器和儀表，也可以通過類似的方法判斷其故障隱患并尋找解決方案，從而實現(xiàn)“按需計量”。

1.3 軌道在線測試系統(tǒng)

軌道交通是人們?nèi)粘３鲂械闹匾ぞ?，也是一個城市現(xiàn)代化的重要標志。所以，對軌道狀態(tài)的監(jiān)測和日常維護就顯得十分重要。它關(guān)系到城市公共安全、市民日常出行和城市的正常運轉(zhuǎn)。我國的軌道交通總里程較長，各個大型城市都已經(jīng)具有一定規(guī)模的軌道交通網(wǎng)，像上海的軌道交通運營里程已經(jīng)達到了705km，排名前十的城市也都有200km以上的運營里程。在每天的運營時間里，列車在運行過程中的加減速、轉(zhuǎn)彎都會造成鐵軌一定程度的損耗。在一定時間后，鐵軌的平行度、高度都會產(chǎn)生細微的變化，對運營安全造成隱患。

目前采用的巡檢方式通常為利用專用檢測車在非運營期間從頭至尾沿著線路行駛一次，并沿途記錄所需參數(shù)。這類檢測車檢測的參數(shù)較多，并且存在嚴重的技術(shù)壟斷，很難通過第三方計量機構(gòu)進行計量，并且還需要專業(yè)人員對得到的數(shù)據(jù)需要進行解析才能判斷出軌道的狀態(tài)。

運用大數(shù)據(jù)和圖像處理技術(shù)，可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和照相機對軌道進行可見光成像，并采用圖像識別技術(shù)分析圖像，以現(xiàn)有的先驗知識和軌道維護大數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對軌道的狀態(tài)進行診斷，診斷項目可以包括軌道水平度、平行度、間距、焊點損傷等等。在測量精度達到一定要求的情況下，該方法就可以實現(xiàn)對專用檢測車的比對計量。擴展了計量機構(gòu)的業(yè)務(wù)能力，也幫助企業(yè)節(jié)約了質(zhì)量管理成本。此外，根據(jù)系統(tǒng)自動識別和提取的軌道數(shù)據(jù)，結(jié)合鐵軌和列車運營大數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)鐵軌的預測性維護，減少維修成本，實現(xiàn)風險的管控。

2 結(jié)束語

隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)的日益完善，大數(shù)據(jù)技術(shù)必將和它們一起深入我們生活的方方面面。大數(shù)據(jù)每天源源不斷地從我們的日常生活和生產(chǎn)中產(chǎn)生，通過對大數(shù)據(jù)進行一定的篩選、分析、加工和應(yīng)用，我們可以釋放出數(shù)據(jù)所蘊含的巨大價值，實現(xiàn)從量變到質(zhì)變的飛躍。所以，應(yīng)用大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵就在于對其的“加工”。在線計量、現(xiàn)場計量目前也一種炙手可熱的計量方法，它不僅強調(diào)準確性和便攜性，更比傳統(tǒng)計量方式對自動化、智能化有著更大的需求。將兩者相結(jié)合的方法可以提高計量服務(wù)智能化、自動化水平。更關(guān)鍵的是，它能夠大幅度減小人為因素引起的測量誤差、整合計量資源，從而節(jié)約成本。這樣，計量人員就可以提升工作效率，而客戶則能夠大幅減小故障風險，為企業(yè)生產(chǎn)和城市運行保駕護航。本文選取了三種應(yīng)用場景，對其計量現(xiàn)狀進行分析，并提出了與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用前景，為在線計量的智能化提供參考。

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