王立之 葉 坤 楊坤明
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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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。