智能化测试仪器的特点及发展趋势研究

王立之 叶 坤 杨坤明

（安普森智能科技（江苏）有限公司，江苏南京210001）

0 引言

测试技术与各个学科都是紧密相连的，它的发展对各个学科领域都有着重要影响。大部分科学技术的发展都离不开测试技术的支撑，也都需要采用测试技术对其进行准确测试以及补充完善。当前的测试技术已经渗透到很多领域中[1]。

世界各国都将“工业互联网”和“人工智能”相结合的智能制造作为改造提升传统工业制造、塑造未来产业竞争力的共同选择[2]，美国提出了工业互联网参考架构IIRA（Industrial Internet Reference Architecture），德国提出了“工业4.0”参考架构RAMI4.0（Reference Architecture Model Industries 4.0）[3]，日本提出了产业价值链参考架构IVRA（Industrial Value Chain Reference Architecture）……为推动工业控制领域通信的规范化和标准化，全球工业强国和组织纷纷开展了工业互联网相关参考架构的研究[4]。

随着人工智能、大数据和5G通信等技术的快速发展，测试仪器仪表和测试计量技术在开发领域正日趋智能化，智能化的测试仪器已不再是以传统的仪器仪表和测量手段来对物品进行测试计量，而是采用了以多种传感器为“智能仪表”，以智能信息处理为核心的多维度的智能检测设备。

智能化测试仪器的发展也带动着其他领域的研究与发展，比如工业控制、农业工程、化工工程、海洋工程、石油工程、航空制造等领域的很多测量检测问题，都会随着智能化仪器的发展而得到有效解决。

伴随着微电子技术、计算机技术、通信技术、智能控制技术等的快速发展，测试仪器与它们相互结合之后也获得了长足进步。很多文献对测试仪器、测试系统、测试生态等多个方面进行了研究和分析。

文献[1]介绍了虚拟仪器与传统仪器的比较分析，也对虚拟仪器在计量测试的温度试验箱检测中使用不科学和误差理论认识不足等展开分析，并给出了一些发展建议。文献[5]给出了计量测试技术在气体传感器产业的需求分析，主要从产业量值传递需求、产业中具体关键参数的测试需求、产业标准化建设的需求等三个方面进行了分析。黄兆鹏等[6]基于无线通信技术对测试技术进行了研究。谢慧等[7]设计了一种声学多普勒流速剖面仪计量测试系统。文献[8]对新能源与智能电网产业计量测试服务平台的建立及服务模式进行了研究。

上述文献从多个角度研究了测试技术，给出了很多有意义的研究结果，但是很少紧密地将人工智能、大数据和5G通信等新技术与测试技术结合起来进行研究。测试技术的智能化发展主要靠测试仪器、测试系统和测试生态的智能化，测试仪器的智能化是整个测试技术智能化的核心。

本文主要对智能测试仪器的特点进行了阐述和分析，同时基于人工智能、大数据和5G通信等新技术对测试技术展开了分析和研究，进而提出了一些对智能化测试仪器的发展及趋势的看法。

1 智能测试仪器的特点

智能测试技术是在传统测试技术的基础上发展起来的，智能测试技术是传统测试技术的升华和突破。下面从多个角度对智能测试仪器的特点进行介绍和分析。

1.1 测量精度和可靠性要求

一方面可以利用计算机强大的硬件功能提高智能测试仪器的测量精度，另一方面也可以利用各种智能控制算法来提高测量精度和稳定性。

特别是一些智能控制算法，如深度神经网络、模糊控制、遗传算法、粒子群算法等不断被引入到智能技术中后，相比于传统测试仪器，智能测试仪器具有更高的测量精度和可靠性。

1.2 数字柔性化

智能化仪器内部集成了现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），也采用了更先进的智能化处理器，结合各种智能控制算法，大幅提高了数字的柔性化性能。在柔性化及可扩展性方面，智能化仪器远远超过传统测试仪器。

1.3 测试处理

智能测试仪器在测量采样、信号滤波、信号放大、数据补偿、信号转换、数据处理和数据输出的整个过程中都采用新一代的相关测试技术。这其中每个环节的处理速度都比之前有所提高，从而使整体智能测试仪器的测试处理速度得到了突破性的提高。

芯片产业的迅猛发展为测量测试获得更高的速度性能提供了基础条件，同时高速度数据处理的计算机或服务器也为测试仪器得到更高速的处理性能奠定了坚实的基础。

1.4 自补偿与自诊断

智能化测试仪器不但测量范围广、测量功能多、测量能力强，而且测试仪器还具备了强大的故障诊断和自我补偿能力。

随着智能化测试仪器诊断算法的不断进步，其不但能够诊断测试仪器的各种传感器，也能够诊断测试仪器的控制系统、输入端口、输出端口及通信端口，还能诊断软件算法中的补偿系数是否足够优化。智能化测试仪器具备了故障诊断和自我补偿能力，相比传统测试仪器，其具备更高的可靠性、自我维修性和稳定性。

1.5 信息存储与可追溯

智能测试仪器需要具备信息存储和信息可追溯功能。测试仪器的测量和测试数据是宝贵的，需要长期保存，以便用于查询、追溯和分析。

智能测试仪器可以将测试数据存储到测试仪器的存储器中，提升测试仪器的信息可追溯性能；也可以将测量和测试数据保存到本地服务器或雾服务器，供本地网络中其他设备和仪器共享数据；还可以将测量和测试数据上传到云服务器，用于大数据分析处理。相比于传统测试仪器，智能测试仪器不但可以存储更多数据，而且还具备更强的数据追溯能力。

1.6 自学习与自适应

智能化测试仪器采用了各种自学习和自适应算法，结合嵌入式处理器或计算机的强大计算处理能力，使智能化测试仪器具备自学习和自适应能力。

2 智能测试仪器的发展及趋势

目前智能测试技术得到了飞速发展，各种智能化技术充分应用于测试仪器的全过程开发中，例如将智能采集、智能变换、智能存储、智能传输、智能显示和智能控制等技术进行综合应用发展，以及将具有大容量储存和快速处理信息的计算机技术和不断创新的信息通信技术相结合进行综合开发应用[9]。

总之，智能测试仪器的发展趋势是在这些技术的发展基础上将人工智能、大数据和5G通信等新技术进行综合应用。

2.1 新型智能信息处理方法

随着对模糊控制研究的不断深入，数据处理能力的不断提高，以及人工神经网络的不断发展，新型智能信息处理方法和各种智能算法将进一步促进智能测试仪器的性能提升。在将来的应用中，可根据测试需求的不同采用相应的新型智能信息处理方法。

这些新型智能信息处理方法的智能算法复杂程度差异很大，依据占用系统资源的多少，可以分为以下三类：

（1）占用资源较少的，可以考虑将这类智能算法直接嵌入到传感器芯片或放置到测试仪器控制系统中。

（2）占用资源中等的，与现场其他设备数据交换多而频繁，对实时性要求也高，可以考虑将这类智能算法放置到边缘服务器或雾服务器中。

（3）占用资源多的，要用到大数据，特别是对处理器要求很高的，可以考虑将这类智能算法放置到云服务器中。

当然这些也不是一成不变的，其与人工智能、大数据和5G通信等技术的发展紧密相连，也要根据具体的测试应用场景的需求来定。有时也可考虑将上述三类方法结合使用。

2.2 标准化——互联互通

工业领域一直在研究工业互联网及通用架构，目的是真正地实现工业领域的云层、工厂层、控制层、现场层、传感器层互联互通和一网到底。目前，美国提出的工业互联网参考架构IIRA，德国提出的“工业4.0”参考架构RAMI4.0，以及OPC UA（Open Platform Communication Unified Architecture）和OPC UA TSN（Time-Sensitive Networking）等，都已解决了一些问题，实现了不同系统在垂直领域中互联互通的标准规范架构，但是在工业互联网领域，还有很多路要探索和开拓。

在工业领域中，计量测试仪器、系统、生态也与工业互联网的发展紧密相连，计量测试技术的发展方向紧跟着工业互联网技术的发展方向。智能化测试仪器也应该采用与工业领域相一致的通用架构和标准规范，从而实现测试仪器与工厂现场网络、工厂网络、互联网、云端的互联互通，以及信息数据的相互共享。

随着工业互联网技术的发展，将来可通过工业互联架构、5G通信、大数据等技术与各种人工智能算法的结合，为不同应用场景的测试仪器设计更具通用性的架构和模块，让智能测试仪器具有更强的互联互通性能。

2.3 集约化

随着多功能集成测试需求不断扩大，气体测试、光电测试、视觉测试、超声波测试、激光测试、电磁测试、红外测试、仿生测试等将会被更频繁地集成使用，进一步增强测试仪器的全面性和集成性。

各行各业越来越关注集约化设计，工厂和生产车间的布局要集约化规划，自动化生产线的设计也要集约化，测试仪器的设计亦是如此。

就测试仪器来说，不但要求仪器的体积越来越小，而且要求仪器集成的功能越来越多。这些新需求都对测试仪器的设计提出了更高的要求，测试行业已普遍把这些当作未来设计的基本要求。

未来，随着测试仪器的传感器、处理器、智能算法、存储、数模转换、通信等在技术上的不断创新发展，测试仪器集约化设计也将取得更大的突破。

2.4 无线通信

目前，随着工业控制网络和互联网的快速发展，绝大部分测试设备都具备网络通信功能。考虑到不同行业的需求，在很多移动应用场合和野外的应用场景中，无线通信已被智能测试仪器广泛地使用。如陆地专业移动无线、移动网络、蓝牙（Bluetooth）、无线射频辨识（Radio Frequency Identification，RFID）、紫蜂（ZigBee）、无线局域网络（Wi-Fi）等已成熟应用于很多场合。但是，无线通信的方式过多也不利于网络的互联互通进一步发展。虽然目前通过一些网络转换模块将不同的网络互联，但是这不仅增加了通信成本，还增加了通信延时。

将来，随着新一代无线通信技术的不断创新，包括无线通信的整个通信网络也将进一步走向通用化和标准化。未来5G/6G/7G通信和低轨通信卫星技术将不断被应用到智能测试仪器中，提高智能测试仪器的智能化水平。

2.5 虚拟技术

微电子、计算机、信息、网络、通信等技术的巨大进步，共同促进了虚拟技术的发展。尤其是云计算、边缘计算、雾计算、现场总线技术、5G通信的快速发展，把虚拟技术推向了一个新的高峰。未来，虚拟技术将与现实技术进一步结合，提高测试仪器的虚拟性和智能性。

2.6 智能测试生态

智能测试生态平台主要功能是将测试传感器、测试仪器、测试系统、测试边缘计算服务器、测试雾服务器、测试云服务器、测试大数据服务器等通过网络互联互通，提高测试仪器的智能化水平。智能测试生态平台的建设在不同的应用领域将会有不同的网络拓扑和组成部分。

未来，在工业控制系统中，主要依据实时工业以太网或工业5G网络来建设智能测试生态平台，将整个产业链的所有测试仪器、测试系统都整合到一个平台。这样，整个产业链中所有测试数据都会实时被监测、处理、分析、历史保存，其不但能提高测试精度和稳定性，而且能通过这些产业链的大数据诊断和预测产品、设备可能会出现的问题，进而做到“早发现，早解决”。在工业领域中，智能测试生态平台最终会与ERP（Enterprise Resource Planning）、MES（Manufacturing Execution System）、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）等系统合而为一。

智能测试生态平台的建设，主要通过资源共享与供需联动，探索资源种类较为齐全、服务层次较为完善的计量测试服务模式，为测试需求场景、测量需求场合、检测实验室等提供测试综合服务，支持共性及个性关键技术的研发及设计，有力地为智能测试需求产业提供持续健康的技术支持。

智能测试生态平台的发展需求，首先促进了智能测试资源的供给侧提升，同时加强了与需求侧的无缝对接，实现了供需对接；其次优化了实体资源的管理体制和运行机制，促进了各类测试仪器、环境场地、专业人才的共享，实现了整合复用；最后以“互联网+”为核心，为智能测试技术进步和创新提供了多方位的服务。

3 结语

在这个科学技术发展日新月异的时代，智能化已经成为各个学科领域未来的趋势及发展方向，测试技术的发展亦是如此。随着计算机技术与网络技术的不断创新，测试仪器将不再是一个单独的个体，未来的发展方向将会是以大型计算机为数据处理中心，测试仪器之间相互连通形成大型的智能测试生态网络平台。随着人工智能、大数据技术、5G通信、低轨通信卫星等技术的快速发展，相信在不久的将来，测试仪器智能化的发展必将有革命性的突破。