智能化測(cè)試儀器的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)研究

王立之 葉 坤 楊坤明

（安普森智能科技（江蘇）有限公司，江蘇南京210001）

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[1]。

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[2]，美國(guó)提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA（Industrial Internet Reference Architecture），德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)RAMI4.0（Reference Architecture Model Industries 4.0）[3]，日本提出了產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)IVRA（Industrial Value Chain Reference Architecture）……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[4]。

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”，以智能信息處理為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。

文獻(xiàn)[1]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。文獻(xiàn)[5]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[6]基于無(wú)線通信技術(shù)對(duì)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究。謝慧等[7]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)。文獻(xiàn)[8]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)而提出了一些對(duì)智能化測(cè)試儀器的發(fā)展及趨勢(shì)的看法。

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（Field Programmable Gate Array，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。智能化測(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、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)充分應(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[9]。

總之，智能測(cè)試儀器的發(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OPC UA（Open Platform Communication Unified Architecture）和OPC UA TSN（Time-Sensitive Networking）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)試儀器與工廠現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、工廠網(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。考慮到不同行業(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、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙（Bluetooth）、無(wú)線射頻辨識(shí)（Radio Frequency Identification，RFID）、紫蜂（ZigBee）、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）等已成熟應(yīng)用于很多場(chǎng)合。但是，無(wú)線通信的方式過(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)，但是這不僅增加了通信成本，還增加了通信延時(shí)。

將來(lái)，隨著新一代無(wú)線通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，包括無(wú)線通信的整個(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（Enterprise Resource Planning）、MES（Manufacturing Execution System）、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）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、環(huán)境場(chǎng)地、專(zhuān)業(yè)人才的共享，實(shí)現(xiàn)了整合復(fù)用；最后以“互聯(lián)網(wǎng)+”為核心，為智能測(cè)試技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新提供了多方位的服務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，智能化已經(jīng)成為各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域未來(lái)的趨勢(shì)及發(fā)展方向，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展亦是如此。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，測(cè)試儀器將不再是一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，未來(lái)的發(fā)展方向?qū)?huì)是以大型計(jì)算機(jī)為數(shù)據(jù)處理中心，測(cè)試儀器之間相互連通形成大型的智能測(cè)試生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G通信、低軌通信衛(wèi)星等技術(shù)的快速發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，測(cè)試儀器智能化的發(fā)展必將有革命性的突破。