智能化測試儀器的特點及發(fā)展趨勢研究

摘

要：測試技術(shù)的智能化發(fā)展主要靠測試儀器、測試系統(tǒng)和測試生態(tài)的智能化，而測試儀器的智能化是整個測試技術(shù)智能化的核心。鑒于此，介紹了智能化測試儀器的主要特點，并對這些特點進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了一些對智能化測試儀器在信息處理、通用化、集約化、無線通信、虛擬化、智能生態(tài)等方面的發(fā)展及趨勢的看法。關(guān)鍵詞：測試技術(shù)；測試儀器；測試智能化；智能算法；標(biāo)準(zhǔn)化；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)0

引言測試技術(shù)與各個學(xué)科都是緊密相連的，它的發(fā)展對各個學(xué)科領(lǐng)域都有著重要影響。大部分科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都離不開測試技術(shù)的支撐，也都需要采用測試技術(shù)對其進(jìn)行準(zhǔn)確測試以及補(bǔ)充完善。當(dāng)前的測試技術(shù)已經(jīng)滲透到很多領(lǐng)域中。世界各國都將“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、塑造未來產(chǎn)業(yè)競爭力的共同選擇，美國提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA（IndustrialInternetReferenceArchitecture），德國提出了“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)RAMI4.0（ReferenceArchitectureModelIndustries4.0），日本提出了產(chǎn)業(yè)價值鏈參考架構(gòu)IVRA（IndustrialValueChainReferenceArchitecture）……為推動工業(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)國和組織紛紛開展了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)參考架構(gòu)的研究。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，測試儀器儀表和測試計量技術(shù)在開發(fā)領(lǐng)域正日趨智能化，智能化的測試儀器已不再是以傳統(tǒng)的儀器儀表和測量手段來對物品進(jìn)行測試計量，而是采用了以多種傳感器為“智能儀表”，以智能信息處理的核心的多維度的智能檢測設(shè)備。智能化測試儀器的發(fā)展也帶動著其他領(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)域的很多測量檢測問題，都會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，測試儀器與它們相互結(jié)合之后也獲得了長足進(jìn)步。很多文獻(xiàn)對測試儀器、測試系統(tǒng)、測試生態(tài)等多個方面進(jìn)行了研究和分析。例如介紹了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較分析，也對虛擬儀器在計量測試的溫度試驗箱檢測中使用不科學(xué)和誤差理論認(rèn)識不足等展開分析，并給出了一些發(fā)展建議；給出了計量測試技術(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)的測試需求、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的需求等三個方面進(jìn)行了分析。黃兆鵬等基于無線通信技術(shù)對測試技術(shù)進(jìn)行了研究。謝慧等設(shè)計了一種聲學(xué)多普勒流速剖面儀計量測試系統(tǒng)。還有文獻(xiàn)對新能源與智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)計量測試服務(wù)平臺的建立及服務(wù)模式進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)從多個角度研究了測試技術(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)與測試技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行研究。測試技術(shù)的智能化發(fā)展主要靠測試儀器、測試系統(tǒng)和測試生態(tài)的智能化，測試儀器的智能化是整個測試技術(shù)智能化的核心。本文主要對智能測試儀器的特點進(jìn)行了闡述和分析，同時基于人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通信等新技術(shù)對測試技術(shù)展開了分析和研究，進(jìn)而提出了測試儀器的發(fā)展及趨勢。1

智能測試儀器的特點智能測試技術(shù)是在傳統(tǒng)測試技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，智能測試技術(shù)是傳統(tǒng)測試技術(shù)的升華和突破。下面從多個角度對智能測試儀器的特點進(jìn)行介紹和分析。1.1

測量精度和可靠性要求一方面可以利用計算機(jī)強(qiáng)大的硬件功能提高智能測試儀器的測量精度，另一方面也可以利用不斷被開發(fā)的各種智能控制算法來提高測量精度和穩(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)測試儀器，智能測試儀器具有更高的測量精度和可靠性。1.2

數(shù)字柔性化智能化儀器內(nèi)部集成了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FieldProgrammableGateArray，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)超過傳統(tǒng)測試儀器。1.3

測試處理智能測試儀器在測量采樣、信號濾波、信號放大、數(shù)據(jù)補(bǔ)償、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出的整個過程中都采用新一代的相關(guān)測試技術(shù)。這其中每個環(huán)節(jié)的處理速度都比之前有所提高，從而使整體智能測試儀器的測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)展為測量測試獲得更高的速度性能提供了基礎(chǔ)條件，同時高速度數(shù)據(jù)處理的計算機(jī)或服務(wù)器也為測試儀器得到更高速的處理性能奠定了堅實的基礎(chǔ)。1.4

自補(bǔ)償與自診斷智能化測試儀器不但測量范圍廣、測量功能多、測量能力強(qiáng)，而且測試儀器還具備了強(qiáng)大的故障診斷和自我補(bǔ)償能力。隨著智能化測試儀器診斷算法的不斷進(jìn)步，其不但能夠診斷測試儀器的各種傳感器，也能夠診斷測試儀器的控制系統(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。智能的測試儀器具備了故障診斷和自我補(bǔ)償能力，相比傳統(tǒng)測試儀器，其具備更高的可靠性、自我維修性和穩(wěn)定性。1.5

信息存儲與可追溯智能測試儀器需要具備信息存儲和信息可追溯功能。測試儀器的測量和測試數(shù)據(jù)是寶貴的，需要長期保存，以便用于查詢、追溯和分析。智能測試儀器可以將測試數(shù)據(jù)存儲到測試儀器的存儲器中，提升測試儀器的信息可追溯性能；也可以將測量和測試數(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)；還可以將測量和測試數(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)測試儀器，智能測試儀器不但可以存儲更多數(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算機(jī)的強(qiáng)大計算處理能力，使智能化測試儀器具備自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。2

智能測試儀器的發(fā)展及趨勢目前智能測試技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各種智能化技術(shù)被充分地應(yīng)用于測試儀器的全過程開發(fā)中，例如將智能采集、智能變換、智能存儲、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，以及將具有大容量儲存和快速處理信息的計算機(jī)技術(shù)和不斷創(chuàng)新的信息通信技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行綜合開發(fā)應(yīng)用?？傊悄軠y儀器的發(fā)展趨勢是在這些技術(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)智能測試儀器的性能提升。在將來的應(yīng)用中，可根據(jù)測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：（1）占用資源較少的，可以考慮將這類智能算法直接嵌入到傳感器芯片或放置到測試儀器控制系統(tǒng)中；（2）占用資源中等的，與現(xiàn)場其他設(shè)備數(shù)據(jù)交換多而頻繁，對實時性要求也高，可以考慮將這類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)，特別是對處理器要求很高的，可以考慮將這類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)具體的測試應(yīng)用場景的需求來定。有時也可考慮將上述三類方法結(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)，目的是真正地實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的云層、工廠層、控制層、現(xiàn)場層、傳感器層互聯(lián)互通和一網(wǎng)到底。目前美國提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA，德國提出的“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)RAMI4.0，以及OPCUA（OpenPlatformCommunicationUnifiedArchitecture）和OPCUATSN（Time-SensitiveNetworking）等，都已解決了一些問題，實現(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拓。在工業(yè)領(lǐng)域中，計量測試儀器、系統(tǒng)、生態(tài)也與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展緊密相連，計量測試技術(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，從而實現(xiàn)測試儀器與工廠現(xiàn)場網(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，將來可通過工業(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)用場景的測試儀器設(shè)計更具通用性的架構(gòu)和模塊，讓智能測試儀器具有更強(qiáng)的互聯(lián)互通性能。2.3

集約化隨著多功能集成測試需求不斷擴(kuò)大，氣體測試、光電測試、視覺測試、超聲波測試、激光測試、電磁測試、紅外測試、仿生測試等將會被更頻繁地集成使用，進(jìn)一步增強(qiáng)測試儀器的全面性和集成性。各行各業(yè)越來越關(guān)注集約化設(shè)計，工廠和生產(chǎn)車間的布局要集約化規(guī)劃，自動化生產(chǎn)線的設(shè)計也要集約化，測試儀器的設(shè)計亦是如此。就測試儀器來說，不但要求儀器的體積越來越小，而且要求儀器集成的功能越來越多。這些新需求都對測試儀器的設(shè)計提出了更高的要求，測試行業(yè)已普遍把這些當(dāng)作未來設(shè)計的基本要求。未來，隨著測試儀器的傳感器、處理器、智能算法、存儲、數(shù)模轉(zhuǎn)換、通信等在技術(shù)上的不斷創(chuàng)新發(fā)展，測試儀器集約化設(shè)計也將取得更大的突破。2.4

無線通信目前，隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，絕大部分測試設(shè)備都具備網(wǎng)絡(luò)通信功能?？紤]到不同行業(yè)的需求，在很多移動應(yīng)用場合和野外的應(yīng)用場景中，無線通信已被智能測試儀器廣泛地使用。如陸地專業(yè)移動無線、移動網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙（Bluetooth）、無線射頻辨識（RadioFrequencyIdentification，RFID）、紫蜂（ZigBee）、無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）等已被成熟應(yīng)用于很多場合。但是，無線通信的方式過多也不利于網(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)，但是這不但增加了通信成本，而且還增加了通信延時。將來，隨著新一代無線通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，包括無線通信的整個通信網(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)用到智能測試儀器中，提高智能測試儀器的智能化水平。2.5

虛擬技術(shù)微電子、計算機(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。尤其是云計算、邊緣計算、霧計算、現(xiàn)場總線技術(shù)、5G通信的快速發(fā)展，把虛擬技術(shù)推向了一個新的高峰。未來，虛擬技術(shù)將與現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合，提高測試儀器的虛擬性和智能性。2.6

智能測試生態(tài)智能測試生態(tài)平臺主要功能是將測試傳感器、測試儀器、測試系統(tǒng)、測試邊緣計算服務(wù)器、測試霧服務(wù)器、測試云服務(wù)器、測試大數(shù)據(jù)服務(wù)器等通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，提高測試儀器的智能化水平。智能測試生態(tài)平臺的建設(shè)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)胁煌木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M成部分。未來，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，主要依據(jù)實時工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)來建設(shè)智能測試生態(tài)平臺，將整個產(chǎn)業(yè)鏈的所有測試儀器、測試系統(tǒng)都整合到一個平臺。這樣，整個產(chǎn)業(yè)鏈中所有測試數(shù)據(jù)都會實時被監(jiān)測、處理、分析、歷史保存，其不但能提高測試精度和穩(wěn)定性，而且還能通過這些產(chǎn)業(yè)鏈的大數(shù)據(jù)診斷和預(yù)測產(chǎn)品、設(shè)備可能會出現(xiàn)的問題，進(jìn)而做到“早發(fā)現(xiàn)，早解決”。在工業(yè)領(lǐng)域中，智能測試生態(tài)平臺最終會與ERP（EnterpriseResourcePlanning）、MES（ManufacturingExecutionSystem）、SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）等系統(tǒng)合而為一。智能測試生態(tài)平臺的建設(shè)，主要通過資源共享與供需聯(lián)動，探索資源種類較為齊全、服務(wù)層次較為完善的計量測試服務(wù)模式，為測試需求場景、測量需求場合、檢測實驗室等提供測試綜合服務(wù)，支持共性及個性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及設(shè)計，有力地為智能測試需求產(chǎn)業(yè)提供持續(xù)健康的技術(shù)支持。智能測試生態(tài)平臺的發(fā)展需求，首先促進(jìn)了智能測試資源的供給側(cè)提升，同時加強(qiáng)了與需求側(cè)的無縫對接，實現(xiàn)了供需對接；其次優(yōu)化了實體資源的管理體制和運行機(jī)制，促進(jìn)了各類測試儀器