智能自動(dòng)化技術(shù)為儀器儀表與測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)辟?gòu)V闊前景
發(fā)布時(shí)間：2013-08-10 新聞來(lái)源：中國(guó)工控行業(yè)網(wǎng)
眾所周知，自動(dòng)化儀器儀表是科學(xué)進(jìn)步的前提和生產(chǎn)活動(dòng)的依據(jù)。當(dāng)人類活動(dòng)的領(lǐng)域越過(guò)感覺(jué)器官極限的時(shí)候，儀器儀表就成了科學(xué)進(jìn)步和一切事業(yè)取得成功的前提。許多科學(xué)的進(jìn)展首先取決于儀器儀表的進(jìn)展。儀器儀表技術(shù)是通過(guò)測(cè)量獲得數(shù)據(jù)信息的信息技術(shù)，自動(dòng)化儀器儀表工業(yè)是信息工業(yè)的源頭，它的根本屬性就是信息性。
1、在儀器儀表結(jié)構(gòu)、性能改進(jìn)中的應(yīng)用
首先，智能自動(dòng)化技術(shù)為儀器儀表與測(cè)量的相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。運(yùn)用智能化軟硬件，使每臺(tái)儀器或儀表能隨時(shí)準(zhǔn)確地分析、處理當(dāng)前的和以前的數(shù)據(jù)信息，恰當(dāng)?shù)貜牡�、中、高不同層次上�?duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行抽象，以提高現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)的性能和效率，擴(kuò)展傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的功能，如運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化計(jì)算、混沌控制等智能技術(shù)，使儀器儀表實(shí)現(xiàn)高速、高效、多功能、高機(jī)動(dòng)靈活等性能。
其次，也可在分散系統(tǒng)的不同儀器儀表中采用微處理器、微控制器等微型芯片技術(shù)，設(shè)計(jì)模糊控制程序，設(shè)置各種測(cè)量數(shù)據(jù)的臨界值，運(yùn)用模糊規(guī)則的模糊推理技術(shù)，對(duì)事物的各種模糊關(guān)系進(jìn)行各種類型的模糊決策。其優(yōu)勢(shì)在于不必建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也不需大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，只需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)合適的控制規(guī)則，應(yīng)用芯片的離線計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，按我們的需要和精確度產(chǎn)生準(zhǔn)確的分析和準(zhǔn)時(shí)的控制動(dòng)作。
特別是在傳感器測(cè)量中，智能自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛。用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波，如快速傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換、小波變換等技術(shù)，是簡(jiǎn)化硬件，提高信噪比，改善傳感器動(dòng)態(tài)特性的有效途徑，但需要確定傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，而且高階濾波器的實(shí)時(shí)性較差。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高性能的自相關(guān)濾波和自適應(yīng)濾波。充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)強(qiáng)有力的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織能力，聯(lián)想、記憶功能以及對(duì)非線性復(fù)雜關(guān)系的輸入、輸出間的黑箱映射特性，無(wú)論在適用性和快速實(shí)時(shí)性等各方面都將大大超過(guò)復(fù)雜函數(shù)式，可充分利用多傳感器資源，綜合獲取更準(zhǔn)確、更可信的結(jié)論。
其中實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)的、快變與緩變的、模糊和確定性的數(shù)據(jù)信息，可能相互支持，也可能相互矛盾，此時(shí)，對(duì)象特征的提取、融合，直至最終決策，作出正確的判斷，將成為難點(diǎn)。于是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊邏輯將成為最值得選用的方法。例如，氣體傳感陣列用于混合氣體識(shí)別，在信號(hào)處理方法上可采用自組織映射網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，先進(jìn)行分類，再識(shí)別組分，將傳統(tǒng)方法的全程擬合轉(zhuǎn)化為分段擬合，以降低算法的復(fù)雜度，提高識(shí)別率。又如，食品味覺(jué)信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別的難度，曾一度是研究與開(kāi)發(fā)單位的主要障礙所在。
如今可利用小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和特征提取，然后將數(shù)據(jù)輸入用遺傳算法訓(xùn)練過(guò)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，則大大提高了對(duì)簡(jiǎn)單復(fù)合味的識(shí)別率。再如，在布匹面料質(zhì)量的評(píng)定，柔性操作手對(duì)觸覺(jué)信號(hào)的處理，機(jī)器的故障診斷領(lǐng)域，智能自動(dòng)化技術(shù)也都取得了大量的成功實(shí)例。
2、在虛擬儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
儀器與測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，不但大大提高了測(cè)量精確度與智能自動(dòng)化水平，特別是計(jì)算機(jī)的硬件軟化和軟件模塊化的虛擬儀器的迅猛發(fā)展，以及其與網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)資源程序的統(tǒng)一和優(yōu)化性能配置，為儀器儀表的智能化水平的迅速提高，創(chuàng)造了越來(lái)越優(yōu)越的條件。
在儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，儀器廠家過(guò)去都是以源形式向用戶提供智能虛擬儀器即插即用的儀器驅(qū)動(dòng)器，為了簡(jiǎn)化最終用戶的使用操作與開(kāi)發(fā)過(guò)程，不斷提高運(yùn)行效率，以及編程質(zhì)量和編程靈活性，相關(guān)儀器廠家在VXI即插即用的總線儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上作出了一套新的智能化儀器驅(qū)動(dòng)軟件規(guī)范，在虛擬儀器結(jié)構(gòu)與性能上進(jìn)行了下述多方面改進(jìn)。
首先，考慮要兼顧用戶的直觀、易用與盡可能提高運(yùn)行效率，并保持原來(lái)VXI總線即插即用標(biāo)準(zhǔn)的高層編程接口，以提供相同的功能函數(shù)調(diào)用格式。
其次，在最新Labwindows/CVI5.0內(nèi)建的開(kāi)發(fā)工具基礎(chǔ)上，運(yùn)用智能化手段，使智能虛擬儀器(IVI)的儀器驅(qū)動(dòng)器，可以在人機(jī)交互作用下自動(dòng)生成，這樣既簡(jiǎn)化了大量編程工作量，又統(tǒng)一了驅(qū)動(dòng)器的編程結(jié)構(gòu)和風(fēng)格，還大大方便了不同水平用戶的使用和維護(hù)。
再次，應(yīng)用一系列智能手法，識(shí)別、跟蹤和管理所有各種儀器狀態(tài)和設(shè)置，使用戶能直接進(jìn)入所有低層設(shè)置，并通過(guò)智能狀態(tài)管理，使用戶可根據(jù)需要，在“測(cè)試開(kāi)發(fā)”和“正常運(yùn)行”兩種模式之間隨意切換。在“測(cè)試開(kāi)發(fā)”模式下，驅(qū)動(dòng)器可智能自動(dòng)化地完成一系列狀態(tài)檢查，以幫助發(fā)現(xiàn)各種編程錯(cuò)誤。當(dāng)程序調(diào)試正常投入使用后，用戶即可切換到“正常運(yùn)行”模式，以使驅(qū)動(dòng)軟件高速運(yùn)行。這樣既保證了儀器的安全性和可靠性，又可使軟件隨時(shí)投入高速運(yùn)行，盡可能提高其運(yùn)行效率。
另外，也由于采用了各種智能化方法，使驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)多線程同時(shí)安全運(yùn)行，進(jìn)行多線程并行測(cè)試;同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器還具有強(qiáng)大的仿真功能，可以在不連接實(shí)際儀器的情況下，開(kāi)發(fā)測(cè)試程序。
最后一個(gè)特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行只與測(cè)試功能相關(guān)，而與儀器采用的接口總線方式無(wú)關(guān)，只通過(guò)一個(gè)初始化函數(shù)InitwithOptions來(lái)區(qū)分儀器接口總線和地域的異用。
總之，由于虛擬儀器采用了一系列智能自動(dòng)化手段，徹底改變了以往VXI總線即插即用標(biāo)準(zhǔn)儀器驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行效率低，編程的結(jié)構(gòu)、風(fēng)格不一致，編程困難，質(zhì)量低，工作量大，使用、維護(hù)麻煩等等一系列缺陷，從而在高效、高質(zhì)量、安全可靠、使用方便、靈活的條件下實(shí)現(xiàn)全面地統(tǒng)一運(yùn)行，顯示出智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)虛擬儀器以至整個(gè)儀器儀表工業(yè)高速發(fā)展的深遠(yuǎn)影響。
3、儀器儀表網(wǎng)絡(luò)化中的應(yīng)用
由于儀器與計(jì)算機(jī)一旦組成網(wǎng)絡(luò)，即可憑借智能化軟硬件(諸如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織和聯(lián)想記憶功能)，充分發(fā)揮靈活調(diào)用和合理配置網(wǎng)上各種計(jì)算機(jī)和儀器儀表的各自資源特性和潛力，產(chǎn)生11>2的組合優(yōu)勢(shì)。例如，目前已可使用連接到Web的數(shù)字萬(wàn)用表和示波器，通過(guò)因特網(wǎng)和模式識(shí)別軟件區(qū)別不同的時(shí)空條件和儀器儀表的類別特征以及測(cè)出臨界值，作出不同的特征響應(yīng);也可使用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)代替過(guò)去單獨(dú)使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以至可跨越以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施遠(yuǎn)程測(cè)量和采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類的存儲(chǔ)和應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)化的智能測(cè)量環(huán)境將網(wǎng)上各種類型，不同任務(wù)的計(jì)算機(jī)和儀器儀表有機(jī)地聯(lián)系在一起，完成各種形式的任務(wù)要求，如在某地采集數(shù)據(jù)后送往各種需要這些數(shù)據(jù)的地方，把相同數(shù)據(jù)按需拷貝多份，送往各需要部門;或者定期將測(cè)量結(jié)果送往遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)庫(kù)保存，供需要時(shí)隨時(shí)調(diào)用。而多個(gè)用戶可同時(shí)對(duì)同一過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，例如各部門工程技術(shù)人員、質(zhì)量監(jiān)控人員以及主管領(lǐng)導(dǎo)人員可同時(shí)分別在相距遙遠(yuǎn)的各地監(jiān)測(cè)、控制同一生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程，不必親臨現(xiàn)場(chǎng)而又能及時(shí)收集各方面數(shù)據(jù)，進(jìn)行決策或建立數(shù)據(jù)庫(kù)，分析現(xiàn)象規(guī)律。一旦發(fā)生問(wèn)題，可立即展現(xiàn)眼前或重新配置，或即時(shí)商討決策，立即采取相應(yīng)措施。
另外，智能重構(gòu)信息處理技術(shù)也將為儀器儀表創(chuàng)造更廣闊的活動(dòng)舞臺(tái)。結(jié)合了計(jì)算機(jī)與專用集成電路(ASIC)優(yōu)點(diǎn)的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)，不僅要根據(jù)不同的計(jì)算任務(wù)對(duì)大量的可編程邏輯單元陣列(FPGA)作出靈活的相應(yīng)配置，其指令級(jí)、比特級(jí)、流水線級(jí)以至任務(wù)級(jí)的并行計(jì)算，使其運(yùn)行速度達(dá)到通用計(jì)算機(jī)的數(shù)百倍以上。
儀器儀表智能自動(dòng)化的未來(lái)前景展望
智能科技在儀器儀表中的應(yīng)用正日新月異地飛速發(fā)展，許多其他領(lǐng)域的新技術(shù)也不斷融合進(jìn)來(lái)。例如在充分發(fā)揮光電束流最高速物性的基礎(chǔ)上，智能化日益趨向人腦化。積極地利用人腦機(jī)制與生物DNA芯片的有機(jī)智能，與電子，光子計(jì)算速度的無(wú)機(jī)智能的高效、能動(dòng)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，并使材料智能化，進(jìn)而與虛擬化交互作用，共同提高。
當(dāng)今又有光互連技術(shù)正以極高的時(shí)空帶寬、極小的電磁干擾和較小的互連功耗等一系列獨(dú)特的物理性能，克服了電互連技術(shù)物理上的本質(zhì)極限，為動(dòng)態(tài)、靈活、高速、實(shí)時(shí)地重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連結(jié)構(gòu)，大大提高并行處理能力，開(kāi)創(chuàng)出一個(gè)全新天地。這更將為人類創(chuàng)造出形形色色、開(kāi)放的人機(jī)結(jié)合系統(tǒng)，和五光十色的擬人高智能、高效自動(dòng)化系統(tǒng)奠定牢固基礎(chǔ)，從而將人類社會(huì)生產(chǎn)力不斷推向新的更高境界，使人類生活向著智能世界幸福美好的明天大步邁進(jìn)!
進(jìn)入21世紀(jì)，迎來(lái)了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制新時(shí)代，自動(dòng)化儀器儀表也進(jìn)入了數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的新階段。智能化已經(jīng)成為儀器儀表目前技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一�？刂评碚撆c控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了儀器儀表技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，而儀器儀表技術(shù)的新進(jìn)步，同樣對(duì)控制系統(tǒng)的發(fā)展起到了支持、推進(jìn)的作用。
綜上所述，隨著智能自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的日益深入及應(yīng)用范圍與規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)的儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平必將快速邁向更高階段。
開(kāi)關(guān)英才網(wǎng)摘自互聯(lián)網(wǎng)
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