測(cè)控裝備智能化水平成熟度評(píng)估模型研究

摘 要：測(cè)控裝備是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析、控制執(zhí)行的核心載體，是發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)，其數(shù)字化、智能化水平?jīng)Q定了智能制造的水平。我國測(cè)控裝備智能化評(píng)估相關(guān)研究工作總體上較為薄弱，缺乏理論模型研究。為推動(dòng)我國測(cè)控裝備智能化水平的進(jìn)步，在測(cè)控裝備智能化發(fā)展演進(jìn)規(guī)律特征分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)控裝備產(chǎn)品智能化的現(xiàn)狀、問題和需求，本文提出表征測(cè)控裝備智能化水平的技術(shù)特征，構(gòu)建測(cè)控裝備智能化水平成熟度評(píng)估模型，為我國測(cè)控裝備產(chǎn)業(yè)智能化水平成熟度評(píng)估工作提供了實(shí)現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞：智能制造，測(cè)控裝備，智能化評(píng)估模型

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.24.009

當(dāng)前，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正在向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，已成為各國整體提升制造業(yè)國際競(jìng)爭(zhēng)力和影響力的重要發(fā)展戰(zhàn)略。當(dāng)前，以智能制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)變革迅猛發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為制造業(yè)的主要趨勢(shì)[1]。

智能測(cè)控裝備制造業(yè)是橫跨傳統(tǒng)制造業(yè)的新興行業(yè)，是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其細(xì)分子行業(yè)主要包括數(shù)控機(jī)床、金屬切割和焊接設(shè)備、儀器儀表、工控自動(dòng)化等裝備制造。相比于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品呈現(xiàn)“自動(dòng)化”“智能化”特征，是具有感知、分析、推理、決策和控制功能的智能測(cè)控裝備。近年來，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)等部門相繼發(fā)布《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》[2]《智能檢測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2023—2025年）》[3]等相關(guān)政策，大力推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型和智能制造，為智能測(cè)控裝備制造創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境和廣闊的發(fā)展空間。然而，目前我國測(cè)控裝備智能化水平與能力缺乏客觀評(píng)價(jià)，難以支撐裝備數(shù)字化智能化發(fā)展，亟需開展測(cè)控裝備系統(tǒng)智能化水平成熟度評(píng)估技術(shù)研究工作。

本文在測(cè)控裝備智能化發(fā)展演進(jìn)規(guī)律特征分析的基礎(chǔ)上，建立了測(cè)控裝備智能化評(píng)估模型，提出了測(cè)控裝備智能化成熟度等級(jí)評(píng)定方法，為我國測(cè)控裝備產(chǎn)業(yè)智能化水平評(píng)估工作提供了實(shí)現(xiàn)路徑。

1 測(cè)控裝備智能化發(fā)展演進(jìn)規(guī)律

測(cè)控裝備由模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，由數(shù)字化向智能化發(fā)展則是在數(shù)字化技術(shù)、自動(dòng)化控制、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展過程中逐漸發(fā)展起來。通過對(duì)變送器、閥門定位器、變頻器、PLC、數(shù)控機(jī)床等典型測(cè)控裝備的智能化發(fā)展歷程進(jìn)行梳理，測(cè)控裝備智能化演進(jìn)規(guī)律可總結(jié)為如下幾個(gè)階段：

第一階段：手動(dòng)測(cè)控。主要依靠非自動(dòng)化的手段，基于人工操作和控制的測(cè)量和控制方法，通過手動(dòng)操作測(cè)量和控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄、處理和反饋控制。例如：手動(dòng)操作器、手動(dòng)指示儀、手動(dòng)記錄控制儀等。比較常見的溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)可以直觀顯示測(cè)量結(jié)果，都屬于手動(dòng)測(cè)控范疇。

第二階段：模擬測(cè)控。能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)測(cè)量和控制功能。輸出的信號(hào)和處理電路都是模擬信號(hào)。例如：模擬指示儀、模擬控制器、模擬調(diào)節(jié)器、模擬記錄儀、模擬信號(hào)變送器等。

第三階段：數(shù)字化測(cè)控。采用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制功能的裝備，輸出的信號(hào)和處理電路都是數(shù)字化信號(hào)。例如：數(shù)字變送器、數(shù)字閥門定位器、數(shù)控機(jī)床等。

第四階段：機(jī)器智能測(cè)控。機(jī)器智能測(cè)控是新一代自動(dòng)化的延伸，利用機(jī)器系統(tǒng)的感知、計(jì)算、學(xué)習(xí)、分析等能力，實(shí)現(xiàn)自主決策、自主學(xué)習(xí)和自主分析，以輔助人類進(jìn)行工作，提高工作效率和質(zhì)量。比如故障診斷和自適應(yīng)預(yù)測(cè)等功能屬于機(jī)器智能。測(cè)控裝備發(fā)展到機(jī)器智能測(cè)控階段后，能夠執(zhí)行人設(shè)置的規(guī)則、命令，實(shí)現(xiàn)部分預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)功能，替代簡(jiǎn)單的人類勞動(dòng)。

第五階段：人工智能測(cè)控。人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。它由不同領(lǐng)域的技術(shù)組成，如機(jī)器學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)視覺等。測(cè)控裝備發(fā)展到人工智能測(cè)控階段后，充分利用積累的數(shù)據(jù)和知識(shí)，開發(fā)出能夠模擬人類智能的算法和應(yīng)用系統(tǒng)，使裝備能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作，創(chuàng)造虛擬勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)力成本。比如機(jī)器人的自學(xué)習(xí)、自評(píng)估等功能屬于人工智能測(cè)控。

2 測(cè)控裝備智能化水平成熟度評(píng)估模型

當(dāng)前，智能測(cè)控裝備應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，已廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，所涉及的行業(yè)包括航空航天、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軟件開發(fā)、遠(yuǎn)程測(cè)控、交通運(yùn)輸行業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域，極大地方便了人們的生活，也促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本文根據(jù)當(dāng)前智能測(cè)控裝備的智能化發(fā)展水平，結(jié)合各行業(yè)和技術(shù)發(fā)展需要，基于大量典型測(cè)控裝備如變送器、閥門定位器、變頻器、PLC、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等智能化特征數(shù)據(jù)，采用多維度分析、總結(jié)歸納法構(gòu)建測(cè)控裝備智能化評(píng)估模型。

2.1 模型架構(gòu)

作為一種測(cè)控裝備智能化能力評(píng)估工具，測(cè)控裝備智能化水平成熟度模型給出了測(cè)控裝備智能化水平成熟度整體評(píng)估的框架。模型由以下2個(gè)維度構(gòu)成：

（1）成熟度等級(jí)：本文將測(cè)控裝備智能化水平成熟度分為五個(gè)等級(jí)，從低到高依次為一級(jí)（預(yù)備級(jí)）、二級(jí)（初始級(jí)）、三級(jí)（基本級(jí)）、四級(jí)（優(yōu)秀級(jí)）、五級(jí)（卓越級(jí)）。成熟度之間的遞進(jìn)關(guān)系如圖1所示。

（2）評(píng)估域：評(píng)估域給出了智能化成熟度評(píng)估的關(guān)鍵方面，包括智能感知、智能控制、智能管理、互聯(lián)與集成、數(shù)據(jù)與信息服務(wù)、自學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、仿真與建模七個(gè)方面。如表1所示。

評(píng)估域由評(píng)估子域構(gòu)成。其中，智能感知包括精度、響應(yīng)速度2個(gè)評(píng)估子域。智能控制包括編程控制、智能補(bǔ)償、自適應(yīng)校準(zhǔn)、自適應(yīng)優(yōu)化4個(gè)評(píng)估子域。智能管理包括故障診斷、安全保護(hù)、智能監(jiān)控、預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能運(yùn)維管理5個(gè)評(píng)估子域?；ヂ?lián)與集成包括接口、互聯(lián)與集成2個(gè)評(píng)估子域。數(shù)據(jù)與信息服務(wù)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)2個(gè)評(píng)估子域。自學(xué)習(xí)包括自學(xué)習(xí)、自感知、自評(píng)估3個(gè)評(píng)估子域。人機(jī)交互包括交互界面、易用性2個(gè)評(píng)估子域。

2.2 成熟度等級(jí)

測(cè)控裝備智能化成熟度各個(gè)等級(jí)的智能化特征如下：

一級(jí)（預(yù)備級(jí)）：采用模擬技術(shù)進(jìn)行采樣和信號(hào)處理，測(cè)量精度和穩(wěn)定性差；響應(yīng)速度低；只具備狀態(tài)顯示功能，沒有物理接口，不支持設(shè)備互聯(lián)和集成；無法進(jìn)行本地存儲(chǔ)。

二級(jí)（初始級(jí)）：采用AD轉(zhuǎn)換技術(shù)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號(hào)，避免了傳統(tǒng)模擬設(shè)備由于信號(hào)傳輸導(dǎo)致的誤差和失真，測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較模擬設(shè)備有所提高；響應(yīng)速度明顯提高；支持人工校準(zhǔn)功能；支持人工故障診斷；具備簡(jiǎn)單的物理接口，可輸出數(shù)字信號(hào)，可支持部分通信協(xié)議；可在本地進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，不具備對(duì)外數(shù)據(jù)信息服務(wù)能力。

三級(jí)（基本級(jí)）：采用先進(jìn)的傳感技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量和控制；具有自動(dòng)補(bǔ)償能力，內(nèi)置微處理器，采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、決策生成、雙向通信，實(shí)現(xiàn)功能的自校準(zhǔn)、自適應(yīng)及精準(zhǔn)控制[4]；管理軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，利用自動(dòng)測(cè)試、故障診斷、運(yùn)行特性診斷、參數(shù)分析等功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和檢修預(yù)測(cè)[5]；能夠與上層自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制；有廣泛的輸入信號(hào)兼容性，可接受多種類型的輸入信號(hào)，并輸出多種不同類型的信號(hào)，適應(yīng)不同工業(yè)場(chǎng)合和應(yīng)用需求的變化；除進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)外，還可以實(shí)時(shí)接入上位機(jī)、主機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)云端存儲(chǔ)。

四級(jí)（優(yōu)秀級(jí)）：實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的加工精度和表面質(zhì)量，自適應(yīng)地調(diào)整加工過程中的參數(shù)和軌跡，以保證加工的一致性和穩(wěn)定性；實(shí)現(xiàn)快速的輸入和輸出響應(yīng)，滿足高速生產(chǎn)過程對(duì)于實(shí)時(shí)控制的要求；在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的控制計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，確保生產(chǎn)過程的精確控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行；能夠根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況，自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，以提高系統(tǒng)的效率和性能。自行測(cè)量被控制設(shè)備的電機(jī)電阻、電感等參數(shù)，并自動(dòng)設(shè)置參數(shù)；支持2軸/3軸加工工件自動(dòng)編程；內(nèi)置先進(jìn)的故障診斷軟件，在線進(jìn)行運(yùn)算、比較、分析、組態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線或離線故障診斷，提供自動(dòng)維修或向運(yùn)維人員發(fā)送故障報(bào)告等維修預(yù)報(bào)；進(jìn)行內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控，包括位姿監(jiān)控、輸入輸出監(jiān)控、運(yùn)行速度監(jiān)控等；預(yù)測(cè)性維護(hù)采用后臺(tái)監(jiān)測(cè)和診斷預(yù)警的維護(hù)方式，在還沒有產(chǎn)生故障或剛剛產(chǎn)生故障時(shí)，獲取信息并通過數(shù)據(jù)模型分析、預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的運(yùn)行情況和預(yù)期的時(shí)間，給出精準(zhǔn)的設(shè)備體檢報(bào)告，延長運(yùn)行時(shí)間和生命周期，明顯降低故障頻次；配備豐富的輸入輸出接口，能夠?qū)崟r(shí)采集和處理各種類型的數(shù)據(jù)具有上行互聯(lián)與集成能力，支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，支持其他自定義的數(shù)據(jù)格式與通信方式，具備自組網(wǎng)功能、已掛設(shè)備自組態(tài)功能；具備靈活可擴(kuò)展的能力，可以根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，滿足不同的加工要求和工藝需求；除進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)外，還可以實(shí)時(shí)接入上位機(jī)、主機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)云端存儲(chǔ)；支持?jǐn)嚯姳Ｗo(hù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)延時(shí)上傳、斷點(diǎn)續(xù)傳、自動(dòng)重試。

五級(jí)（卓越級(jí)）：實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的加工精度和表面質(zhì)量，自適應(yīng)地調(diào)整加工過程中的參數(shù)和軌跡，以保證加工的一致性和穩(wěn)定性；在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的控制計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，確保生產(chǎn)過程的精確控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行；采用智能控制方式，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)控制、學(xué)習(xí)控制等，具有自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng)的能力，能夠根據(jù)不同的工況和操作需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化；具有較高的可編程性，支持多種語言編程能力，包括MATLAB、C++、Java等，程序離線執(zhí)行與代碼優(yōu)化；基于歷史運(yùn)行信息自動(dòng)優(yōu)化，并及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施、參數(shù)優(yōu)化，以保護(hù)設(shè)備的安全和可靠性，具備趨勢(shì)記錄、歷史數(shù)據(jù)、自動(dòng)報(bào)表等功能；具備自學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)多種運(yùn)行變量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前元器件壽命，并主動(dòng)提醒用戶運(yùn)行部門加強(qiáng)巡視，提前準(zhǔn)備維修備件；實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度和排程，優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和工藝流程，提高生產(chǎn)效率和資源利用率；支持多種通信協(xié)議，如HART協(xié)議、Modbus協(xié)議、PROFIBUS、HART、Ethernet/IP等，以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備和系統(tǒng)的無縫集成。與其他設(shè)備、機(jī)器人、監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作；支持基于控制指令的大數(shù)據(jù)融合；除進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)外，還可以實(shí)時(shí)接入上位機(jī)、主機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)云端存儲(chǔ)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)WEB發(fā)布功能，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作（設(shè)定、監(jiān)視、診斷、初始化等），支持故障信息、錯(cuò)誤信息自動(dòng)上傳分析，具有高速、可靠存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)的管理能力，具備數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)遷移、數(shù)據(jù)安全等自主功能。

3 測(cè)控裝備智能化成熟度等級(jí)打分方法

本文中測(cè)控裝備智能化水平成熟度總分為1000分（見表2）。各評(píng)估子域得分之和為該評(píng)估域總得分，各評(píng)估域總得分之和為該裝備智能化成熟度得分。進(jìn)行智能化成熟度評(píng)估時(shí)，可以根據(jù)對(duì)需求的不同側(cè)重，為評(píng)估子域賦予不同權(quán)重。

各評(píng)估子域打分方法：首先依據(jù)等級(jí)判定要求，判斷被測(cè)設(shè)備在評(píng)估子域所對(duì)應(yīng)的等級(jí)，然后根據(jù)符合程度的差異，決定分值權(quán)重（見表3），該評(píng)估子域的得分是總分和分值權(quán)重的乘積。

舉個(gè)例子，對(duì)某測(cè)控裝備的“智能感知”能力域進(jìn)行打分，“精度”符合精度四級(jí)要求，且位于四級(jí)要求的最高水平，其分值權(quán)重取為85%，則其精度得分為50×85%=42.5分；“響應(yīng)速度”符合響應(yīng)速度三級(jí)要求，且位于三級(jí)要求的最低限，其分值權(quán)重取為50%，則其響應(yīng)速度得分為50×50%=25分。因此，某測(cè)控裝備的“智能感知”評(píng)估域能力域得分為是“精度”得分和“響應(yīng)速度”得分之和，為42.5+25=67.5分。由此依次計(jì)算各評(píng)估域得分，可得到該測(cè)控裝備的智能化成熟度得分。

對(duì)照通過智能化成熟度等級(jí)對(duì)應(yīng)的得分區(qū)間，根據(jù)依照智能化成熟度得分與智能化成熟度等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出設(shè)備的智能化成熟度等級(jí)。

4 結(jié) 語

發(fā)展智能制造業(yè)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)我國制造業(yè)從低端制造向高端制造轉(zhuǎn)變的重要途徑。隨著測(cè)控裝備制造行業(yè)由數(shù)字化向智能化發(fā)展，越來越多的測(cè)控裝備呈現(xiàn)出智能化特征。需要盡快推動(dòng)測(cè)控裝備智能化水平成熟度評(píng)估工作，針對(duì)測(cè)控裝備智能化水平進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，從而有利我國支撐測(cè)控裝備智能化發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

溫娜，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事智能制造、工業(yè)數(shù)據(jù)治理與知識(shí)管理標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)技術(shù)研究工作。

（責(zé)任編輯：張佩玉）