電子測量儀器行業(yè)發(fā)展綜述

單月暉 連潞文 任水生 譚 旭 高 媛

(1.軍委裝備發(fā)展部某中心，北京 100034；2.中國人民解放軍海軍八〇七廠，北京 102401;3.中電科思儀科技股份有限公司，山東青島 266555)

1 引 言

電子測量儀器是以模擬電路技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)為基礎(chǔ)，涵蓋信號處理技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)等多學(xué)科融合的高精尖測量設(shè)備或系統(tǒng)。其用途是對電特性進(jìn)行定性或定量測量，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。電子測量儀器的技術(shù)水平體現(xiàn)了一個國家的科技水平，關(guān)系到國家在眾多高科技領(lǐng)域中的能力，同時也是國防實力的重要標(biāo)志。隨著科技的發(fā)展，電子測量儀器呈現(xiàn)出智能化、軟件化等新的發(fā)展形態(tài)。本文在梳理電子測量儀器特點、國內(nèi)電子測量儀器行業(yè)發(fā)展存在問題的基礎(chǔ)上，重點探討了未來電子測量儀器發(fā)展的趨勢。

2 電子測量儀器的特點

2.1 基礎(chǔ)作用重要

電子測量儀器作為信息獲取的物質(zhì)基礎(chǔ)，是開展電子裝備科研、生產(chǎn)、試驗的關(guān)鍵設(shè)備，是國家科技現(xiàn)代化的先行者，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基石和倍增器。目前，電子測量儀器已經(jīng)成為工業(yè)系統(tǒng)科研生產(chǎn)能力建設(shè)的一項重要內(nèi)容，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國約30%的基建技改費用于購買電子測量儀器，其重要性由此可見一斑。

2.2 技術(shù)門檻高

一般來講，電子測量儀器的性能指標(biāo)要比被測對象的相應(yīng)性能指標(biāo)至少有一個數(shù)量級的提升，對其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性要求會更高，特別是不少高性能的指標(biāo)已接近物理極限，涉及的技術(shù)難點多，研制難度大，導(dǎo)致電子測量儀器的發(fā)展具有很高的技術(shù)門檻。

隨著科技的快速發(fā)展，用戶對電子測量儀器的功能和性能不斷提出新的需求，呈現(xiàn)出高速、高頻、寬帶、高純、大動態(tài)、高靈敏度等高要求，并呈現(xiàn)出朝著功能多樣化、指標(biāo)極限化、產(chǎn)品模塊化、應(yīng)用智能化方向發(fā)展態(tài)勢，其研制生產(chǎn)需要綜合應(yīng)用很多前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，對電子測量儀器研制單位的技術(shù)積累、加工工藝條件、測試條件、環(huán)境試驗條件等方面均有很高的要求，進(jìn)一步抬高了電子測量儀器行業(yè)的技術(shù)門檻。

2.3 資源投入高

一方面，電子測量儀器的技術(shù)創(chuàng)新需要強(qiáng)大的資金支撐。近年來，國家高度重視電子測量儀器的研發(fā)工作，陸續(xù)實施了“科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專項”、“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)重點專項”等一系列技術(shù)攻關(guān)專項，據(jù)統(tǒng)計，十二五以來，國家自然科學(xué)基金委、科技部等國家部委累計投入的科研經(jīng)費近百億元，其中單個儀器項目的經(jīng)費資助力度已經(jīng)超過500萬元。

另一方面，電子測量儀器的研發(fā)需要高技術(shù)人才的支撐。電子測量儀器的科技含量高，導(dǎo)致電子測量儀器行業(yè)成為一個高技術(shù)集約型行業(yè)，對從業(yè)人員的專業(yè)能力要求很高。通常，培養(yǎng)一名高水平的電子測量儀器專業(yè)技術(shù)人員往往需要10年以上的時間,無形之中抬高了電子測量儀器行業(yè)準(zhǔn)入的人才門檻。

2.4 研制周期長

由于電子測量儀器組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、研制技術(shù)難度大，其產(chǎn)品從基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)到投入市場往往需要十幾年的時間，包括從基礎(chǔ)技術(shù)到產(chǎn)品化應(yīng)用的研究周期10年左右、從產(chǎn)品立項到正式投入市場的研制周期3～5年。總體上來說，電子測量儀器產(chǎn)品普遍存在研制周期長、投入大、見效慢的特點，投資風(fēng)險比較高。

3 電子測量儀器行業(yè)存在的問題

經(jīng)過多年的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)積累，我國電子測量儀器行業(yè)已經(jīng)具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和生產(chǎn)規(guī)模，初步完成產(chǎn)業(yè)布局，具備了與國外公司同臺競爭的能力，基本滿足我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電子測量儀器的需求，電子測量儀器依賴進(jìn)口的局面得到了一定程度的改善。但是，目前國內(nèi)具備一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模的電子測量儀器企業(yè)整體偏少，銷售額超10億元的電子測量儀器制造企業(yè)僅有一家，大部分企業(yè)尚未實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，其產(chǎn)品的技術(shù)水平與國外同類產(chǎn)品相比也有一定差距。

3.1 基礎(chǔ)性、前沿性和關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)能力不強(qiáng)

國產(chǎn)測試儀器的發(fā)展，在很大程度上受制于國內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)支撐不足的情況。近年來，不少電子測量儀器制造企業(yè)更多地關(guān)注儀器產(chǎn)品的開發(fā)，在事關(guān)儀器長遠(yuǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)性、前瞻性、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵共性技術(shù)研究方面的資金投入、人力投入嚴(yán)重不足，導(dǎo)致核心競爭力較弱。

3.2 高水平專業(yè)技術(shù)人才缺乏

科技創(chuàng)新本質(zhì)是人才驅(qū)動，電子測量儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要高技術(shù)專業(yè)人才支撐。目前，我國電子測量儀器行業(yè)的從業(yè)人員不足萬人，與國外大型電子測量儀器企業(yè)人員數(shù)量相差甚遠(yuǎn)，尤其在高端創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才、專業(yè)工程人才上嚴(yán)重缺乏，遠(yuǎn)不能滿足我國電子測量儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

3.3 高端電子測量儀器嚴(yán)重依賴進(jìn)口

我國測試儀器產(chǎn)業(yè)雖然有了一定的發(fā)展，但還不能滿足國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)日益增長的迫切需求，特別是在高端電子測量儀器方面嚴(yán)重依賴進(jìn)口。據(jù)行業(yè)協(xié)會以及海關(guān)數(shù)據(jù)估計，我國90%以上電子測量儀器依賴進(jìn)口。其中，美國是德科技、德國羅德與施瓦茨、美國泰克科技等國外公司產(chǎn)品在我國電子測量儀器高端市場占據(jù)很大份額。

另外，由于我國高端電子測量儀器長期依賴進(jìn)口，相關(guān)的用戶單位已經(jīng)習(xí)慣使用進(jìn)口儀器，導(dǎo)致對國產(chǎn)儀器的了解不足、認(rèn)可度不高，使用意愿較低。

4 發(fā)展趨勢

針對電子測量儀器的特點以及我國電子測量儀器行業(yè)存在的現(xiàn)實問題，建議從兩方面著手加快推進(jìn)電子測量儀器的發(fā)展。一方面，應(yīng)持續(xù)加大投入，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、人才隊伍建設(shè)、產(chǎn)業(yè)化建設(shè)等，夯實電子測量儀器發(fā)展基礎(chǔ)，提升國產(chǎn)化能力，逐步緩解高端儀器嚴(yán)重依賴進(jìn)口的被動局面。另一方面，應(yīng)持續(xù)跟蹤測試技術(shù)前沿發(fā)展動態(tài)，前瞻布局測試儀器軟件化、智能化等新形態(tài)研究，提升測試儀器領(lǐng)域的自主創(chuàng)新和原始創(chuàng)新能力，增強(qiáng)行業(yè)發(fā)展后勁。本節(jié)著重介紹電子測量儀器軟件化和智能化兩個發(fā)展趨勢。

4.1 電子測量儀器軟件化

伴隨著測試需求的多樣化和復(fù)雜化，以及動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，可以重新配置的測試系統(tǒng)應(yīng)運而生。其系統(tǒng)硬件應(yīng)具備可編程、可重新配置能力，系統(tǒng)軟件應(yīng)具備足夠的靈活性在儀器內(nèi)部實現(xiàn)智能處理。其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)是軟件定義儀器技術(shù)，即基于單片系統(tǒng)技術(shù)，構(gòu)建儀器系統(tǒng)硬件通用平臺，對傳統(tǒng)儀器的硬件、軟件組成進(jìn)行合理的模塊化，定義標(biāo)準(zhǔn)的控制接口、互聯(lián)接口、結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)硬件電路的靈活組合和連接，信號處理的可重配置，軟件功能的可擴(kuò)展和測試任務(wù)可重構(gòu)，滿足不同的測試需求。

軟件定義儀器技術(shù)是對以結(jié)構(gòu)和功能固化為特征的傳統(tǒng)測量儀器的柔性化升級，包括硬件可重構(gòu)技術(shù)和軟件可重構(gòu)技術(shù)。

硬件可重構(gòu)技術(shù)是以FPGA等可編程邏輯器件作為系統(tǒng)的邏輯控制核心，在儀器運行過程中通過軟件實時控制，根據(jù)用戶需求重新加載硬件的配置信息，改變其內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)和布局布線，實現(xiàn)電路重構(gòu)，從而使固定的硬件實現(xiàn)多種可編程解法。硬件可重構(gòu)技術(shù)不僅可以提高測試系統(tǒng)的實時處理能力、自適應(yīng)能力、可靠性，還可以減小系統(tǒng)硬件的規(guī)模和降低功耗。

軟件可重構(gòu)技術(shù)是利用已有的軟件成分來構(gòu)造新的軟件，實現(xiàn)軟件框架和軟件功能的重構(gòu)。在軟件定義儀器體系結(jié)構(gòu)中，測試軟件在可重構(gòu)儀器系統(tǒng)平臺的結(jié)構(gòu)或者任務(wù)發(fā)生變化時，改變相應(yīng)的軟件，或調(diào)用已有的但未啟用的組件，配合可重構(gòu)儀器系統(tǒng)進(jìn)行快速重構(gòu)實現(xiàn)功能擴(kuò)展，以滿足測試任務(wù)的要求。

4.2 電子測量儀器智能化

人工智能作為一個新興前沿學(xué)科，是引領(lǐng)未來發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)，是德科技、NI等國際知名電子測量儀器生產(chǎn)企業(yè)紛紛投入大量資金和人力，加緊布局人工智能技術(shù)在測試儀器中的應(yīng)用研究。我國也將加緊布局“人工智能+測試儀器”產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)新一代人工智能與電子測量儀器深度融合，打造“有思想、會思考”的智慧儀器產(chǎn)業(yè)，用現(xiàn)代人工智能技術(shù)賦予電子測量儀器新動能。當(dāng)前，測量與計算機(jī)、控制、通信和人工智能技術(shù)的融合,形成了MCI體系架構(gòu),正朝著智能故障診斷預(yù)測、智能測試對象認(rèn)知、智能測試流程規(guī)劃、智能測試決策生成等方向發(fā)展。

智能故障診斷預(yù)測是目前應(yīng)用前景最為確定的智能測試技術(shù)研究方向。隨著大型電子設(shè)備集成化、信息化水平越來越高，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，軸承等內(nèi)部部件故障發(fā)生率和維修成本也越來越高。對電子設(shè)備部件的故障機(jī)理進(jìn)行深入研究，對監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行趨勢分析和故障預(yù)測是未來電子設(shè)備保障維護(hù)的重要發(fā)展方向。智能故障診斷預(yù)測使用大量信息數(shù)據(jù)，采用推斷統(tǒng)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等研究方法，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，從而評估電子設(shè)備剩余壽命和健康狀況，在壽命周期內(nèi)、故障發(fā)生前對指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測和采取預(yù)防舉措，最大限度保證電子設(shè)備健康工作。

智能測試對象認(rèn)知是智能測試技術(shù)的基礎(chǔ)。目前的測試模式是測試人員集成資源適應(yīng)測試對象，測試資源不具備對測試對象的自主認(rèn)知功能。在復(fù)雜環(huán)境下電子設(shè)備的測試過程中，復(fù)雜多變的被測信號或種類繁多的被測對象要求裝備測試具備自適應(yīng)測試對象認(rèn)知、測試資源構(gòu)建與參數(shù)優(yōu)化能力，實現(xiàn)多對象、多場景裝備的應(yīng)變認(rèn)知測試，為信號變化產(chǎn)生的測試對象應(yīng)變認(rèn)知提供能力支撐，進(jìn)而要求具備信號或?qū)ο蟮目焖俑兄J(rèn)知能力，為快速準(zhǔn)確無人化設(shè)備測試提供支撐，未來急需突破基于機(jī)器視覺、目標(biāo)檢測等智能交互手段的測試對象智能認(rèn)知技術(shù)。

智能測試流程規(guī)劃可以解決目前測試流程生成慢、人員依賴度高等問題，實現(xiàn)測試流程快速自主規(guī)劃，滿足電子設(shè)備的智能化測試需求。急需技術(shù)攻關(guān)的主要內(nèi)容包括：一是如何從復(fù)雜多變的測試流程中選擇精準(zhǔn)認(rèn)知的測試方法，以應(yīng)對不同測試任務(wù)下的測試流程需求。二是如何設(shè)計覆蓋指定任務(wù)、測試思維形成、測試指令全局下達(dá)、測試參數(shù)自主全局提取等各流程的測試行為響應(yīng)機(jī)制，實現(xiàn)全流程的測試行為全局自主響應(yīng)。

智能測試決策生成是智能測試技術(shù)研究的核心。未來電子設(shè)備的智能集成化、控制無人化、場景適應(yīng)化、性能尖端化程度高，對其進(jìn)行測試，需要測試儀器具備決策輔助結(jié)論的快速準(zhǔn)確生成能力。當(dāng)前，電子設(shè)備進(jìn)行性能測試以信號測試為主，對生成決策輔助結(jié)論的支撐較弱；進(jìn)行狀態(tài)測試必須依賴測試專家人為判斷，且無法生成準(zhǔn)確的決策輔助結(jié)論。未來，基于信號數(shù)據(jù)到輔助決策的決策自主生成技術(shù)研究，是實現(xiàn)智能測試決策生成的一個重要發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

科技要發(fā)展，測試需先行。作為一個工業(yè)大國、科技大國，電子測量儀器要實現(xiàn)自主發(fā)展，必須打造我國自己的電子測量儀器工業(yè)體系，培養(yǎng)自己的測量儀器尖端企業(yè)，構(gòu)建從前沿技術(shù)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研制到市場銷售各環(huán)節(jié)在內(nèi)的現(xiàn)代電子測量儀器一條龍發(fā)展的格局。本文從專業(yè)角度對電子測量儀器特點、行業(yè)發(fā)展存在問題進(jìn)行了綜合論述，并探討了電子測量儀器未來發(fā)展趨勢，希望能對電子測量儀器發(fā)展提供參考。