聚焦儀器儀表 | 探討：儀器儀表的智能+未來

當(dāng)前，以智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)變革正迅猛發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化正日益成為制造業(yè)的主要發(fā)展方向，這一趨勢無疑將對(duì)智能儀表的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，促進(jìn)智能儀表行業(yè)的快速發(fā)展。智能感知是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。傳感技術(shù)、采集技術(shù)與通訊技術(shù)不斷高度集成并應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，智能儀表是其中不可或缺的一部分，它通過采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析加工成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知的源頭。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)智能制造的重要抓手，其大規(guī)模發(fā)展必然帶動(dòng)智能儀表在工業(yè)制造各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

為滿足制造業(yè)用戶的智能制造需求，儀器儀表行業(yè)正在從自動(dòng)化向智能化方向發(fā)展，更確切地說，是朝著微型化、多功能化、人工智能化、虛擬化等方向發(fā)展，本期聚焦欄目特別邀請(qǐng)來自研究院所與企業(yè)的專家共同探討儀器儀表的智能化發(fā)展趨勢。

王春喜：智能儀表技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢

全國工業(yè)過程測量控制和自動(dòng)化標(biāo)委會(huì) （SAC/TC124）秘書長王春喜

儀器儀表（Instrument或Instrumentation）是指用以檢出、測量、觀察、計(jì)算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等的器具或設(shè)備。溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、分析儀表、實(shí)驗(yàn)室儀表、工控機(jī)、控制系統(tǒng)、可編程序控制器（PLC）、分散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、執(zhí)行系統(tǒng)、工業(yè)通信系統(tǒng)等均屬于儀器儀表。按國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類，儀器儀表大類包括9個(gè)中類、 20個(gè)小類。

根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)定義，智能傳感器及儀器儀表應(yīng)具有數(shù)字通信和除基本要求外其他輔助功能（如仿真和優(yōu)化、自診斷、自維護(hù)、無線通信、功能安全和信息安全等）。隨著第四次工業(yè)革命的到來，世界開始進(jìn)入數(shù)字化和智能化時(shí)代。在智能化的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)和信息，而智能傳感器及儀器儀表是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中數(shù)據(jù)和信息的主要途徑與手段，在當(dāng)今時(shí)代推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有非常重要的地位，其研究、制造和應(yīng)用技術(shù)水平是衡量一個(gè)國家綜合國力、科技水平、創(chuàng)新能力的重要指標(biāo)。

2017年，工信部印發(fā)了《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南 （2017-2019年）》，指出智能傳感器及儀器儀表市場應(yīng)用正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢，已成為決定未來信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心與基礎(chǔ)之一。發(fā)達(dá)工業(yè)國家都把傳感器及儀器儀表技術(shù)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，美、日、英、法、德和獨(dú)聯(lián)體等國都把傳感器技術(shù)列為國家重點(diǎn)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)之一。

標(biāo)準(zhǔn)化工作一直在技術(shù)與開發(fā)、科研與生產(chǎn)、市場與需求、供應(yīng)與采辦、政府與企業(yè)之間，發(fā)揮著“橋梁”和“紐帶”的作用，是促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。目前，我國傳感器及儀器儀表行業(yè)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共有約540余項(xiàng)。涉及的標(biāo)委會(huì)主要包括：SAC/TC124（工業(yè)過程測量控制和自動(dòng)化）、SAC/TC78（半導(dǎo)體器件）、SAC/TC103（光學(xué)和光學(xué)儀器）、SAC/TC104（電工儀器儀表）、SAC/TC284（光輻射安全和激光設(shè)備）、SAC/TC419（儀表功能材料）、SAC/TC526（實(shí)驗(yàn)室儀器及設(shè)備）、機(jī)械工業(yè)儀器儀表元器件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等十幾個(gè)標(biāo)委會(huì)和行業(yè)歸口單位。其中最主要的標(biāo)委會(huì)是SAC/TC124（對(duì)口IEC/TC65），近年來TC124組織行業(yè)專家構(gòu)建了涵蓋17小類、119系列的“融合開放、協(xié)調(diào)配套，科學(xué)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理”的工業(yè)過程測量控制和自動(dòng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并將其納入了《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)指南》和《國家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》中。

近年來，我國傳感器及儀器儀表技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展充分體現(xiàn)了國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略，逐步向高靈敏度、高適應(yīng)性、高可靠性、新材料、MEMS集成、無線通信、嵌入式、微型化、模塊化、智能化方向發(fā)展，但在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢、關(guān)鍵核心技術(shù)匱乏、高端產(chǎn)品被國外長期壟斷、產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性不足等方面與國外的差距仍然較大。

當(dāng)前，全球信息技術(shù)發(fā)展正處于跨界融合、加速創(chuàng)新、深度調(diào)整的歷史時(shí)期，呈現(xiàn)萬物互聯(lián)、萬物智能的新特征。智能傳感器及儀器儀表是信息產(chǎn)業(yè)的源頭和組成部分，對(duì)促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展、推動(dòng)現(xiàn)代國防建設(shè)、保障和提高人民生活水平發(fā)揮著重要作用。我國應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展，整合現(xiàn)有資源，突出重點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，通過政策和資金的支持，充分發(fā)揮企業(yè)的主體地位和作用，著力增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，攻克基礎(chǔ)共性和高端核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

李建：人工智能助力智能儀表發(fā)展

儀器儀表是制造行業(yè)邁向智能建設(shè)的基礎(chǔ)，是智能制造的“眼”和“手”，儀表的智能化程度從某種程度也決定了智能制造的“智慧化”程度。

AI（人工智能）技術(shù)，簡而言之就是將人的思維的過程進(jìn)行模擬，將人的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的過程，通過算法如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法、遺傳算法等，使儀器儀表能通過自我認(rèn)知、自我學(xué)習(xí)、自我繼承的方式達(dá)到“智能”甚至“智慧”的水平。

利用AI技術(shù)，個(gè)人認(rèn)為儀器儀表的智能化發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)：

（1）保證儀表使用的可靠性和精度

儀表在生產(chǎn)制造時(shí)通過使用先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線可以保證高穩(wěn)定性，達(dá)到要求的精度。但當(dāng)儀表應(yīng)用到實(shí)際的現(xiàn)場時(shí)，往往穩(wěn)定性和精度都會(huì)受損，達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。出現(xiàn)這種情況的原因主要是兩方面：一是實(shí)際現(xiàn)場的環(huán)境比較復(fù)雜比較惡劣（如高溫、高寒、電磁干擾等），二是安裝和使用時(shí)不規(guī)范導(dǎo)致達(dá)不到預(yù)期要求。

利用人工智能技術(shù)，尤其是弱人工智能技術(shù)，可以使現(xiàn)場儀表對(duì)其工作的環(huán)境進(jìn)行感知、記憶，利用虛擬設(shè)計(jì)和算法不斷繼承和訓(xùn)練，最后可以使儀表在特定的環(huán)境中保持高可靠性，也可以使設(shè)計(jì)廠家快速和低成本地設(shè)計(jì)出符合特定行業(yè)要求的產(chǎn)品。安裝時(shí)，儀表可以對(duì)現(xiàn)場的安裝習(xí)慣進(jìn)行記憶，優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提供良好的人機(jī)交互系統(tǒng)矯正安裝操作。達(dá)到制造商和客戶的雙贏。

（2）自我校準(zhǔn)，自我診斷，消除漂移，減少維護(hù)成本

物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)以及智能制造都需要安裝成千上萬，甚至上百萬的儀表到現(xiàn)場，由于地球經(jīng)緯度變化、使用過程中老化影響，導(dǎo)致儀表的零點(diǎn)漂移、線性發(fā)生變化。儀表發(fā)生漂移就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)是智能生產(chǎn)、智能分析、智能決策的基礎(chǔ)，所以儀表的校準(zhǔn)工作就顯得尤為重要。而大量儀表的校準(zhǔn)對(duì)于客戶來說是非常困難的，甚至是不可能完成的工作。

通過人工智能技術(shù)，儀表可自我感知地理信息的變化，以及自身傳感器件的線性變化，自我調(diào)整自己的零點(diǎn)以及線性。客戶無需耗費(fèi)大量的財(cái)力人力去做儀表的校準(zhǔn)，減少停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

各類儀表在物聯(lián)網(wǎng)和制造行業(yè)中大批量的使用，提供了“全面感知”的數(shù)據(jù)，但同時(shí)也面臨著大量的儀表要進(jìn)行維護(hù)。怎么快速定位儀表的故障點(diǎn)，快速維修，減少停機(jī)時(shí)間，是客戶非常關(guān)注的一點(diǎn)。而智能儀表就要解決這個(gè)問題，儀表自我感知，自我診斷，自動(dòng)檢測出故障部位甚至檢測出故障原因，給出故障處理方法，大大方便了儀表的維護(hù)工作。

（3）自我學(xué)習(xí)，自我繼承，節(jié)能優(yōu)化

智能儀表利用自身的專家?guī)?、算法庫、大?shù)據(jù)分析算法燈，結(jié)合控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制和動(dòng)作過程及頻次。如：智能農(nóng)業(yè)，對(duì)農(nóng)田的農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，智能儀表可以結(jié)合天氣預(yù)報(bào)信息、歷史灌溉的頻次和水量，合理的調(diào)整目前的灌溉水量和頻次，保證農(nóng)作物生產(chǎn)的同時(shí)節(jié)約用水。

（4）良好的人機(jī)交互能力

未來的智能儀表應(yīng)該具備良好的人機(jī)交互能力，可以方便和工程師進(jìn)行交互，如通過語音或者書面描述。智能儀表同時(shí)可以根據(jù)不同工程師交互的內(nèi)容，通過記憶和累計(jì)比較不同人員關(guān)注的參數(shù)，進(jìn)行定制化推送，方便工程師快速得到自己想要的信息。

總之，人工智能技術(shù)正在推動(dòng)儀表的智能化發(fā)展，讓儀表具備自我認(rèn)知、自我學(xué)習(xí)、自我繼承的能力，逐漸走向智慧化。從而大大縮減設(shè)計(jì)廠商的研發(fā)時(shí)間，加快切入市場的能力，客戶利用更加智能的儀表，可以提高自己的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。