我國(guó)科學(xué)檢測(cè)儀器產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展加速

我國(guó)科學(xué)檢測(cè)儀器產(chǎn)業(yè)起步晚，但發(fā)展較快、可借鑒的空間大，近年來已經(jīng)逐步建立并完善科學(xué)儀器設(shè)備自主創(chuàng)新原理研究、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化研究和應(yīng)用示范的完整鏈條，尤其是因食品安全檢測(cè)儀器的內(nèi)需旺盛，極大地促進(jìn)了科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，取得了許多令人矚目的成績(jī)。

下面談?wù)勚悄芗夹g(shù)在儀器儀表業(yè)應(yīng)用趨勢(shì)

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)貜牡汀⒅?、高不同層次上?duì)測(cè)量過程進(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，無論在適用性和快速實(shí)時(shí)性等各方面都將大大超過復(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，食品味覺信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別的難度，曾一度是研究與開發(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，儀器廠家過去都是以源代碼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發(fā)過程，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)器代碼，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)器代碼的編程結(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，并通過智能狀態(tài)管理，使用戶可根據(jù)需要，在測(cè)試開發(fā)和正常運(yùn)行兩種模式之間隨意切換。在測(cè)試開發(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關(guān)，只通過一個(gè)初始化函數(shù)InitwithOptions來區(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)字萬用表和示波器，通過因特網(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。

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。

《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》明確要求重視科學(xué)儀器與設(shè)備對(duì)科學(xué)研究的作用，加強(qiáng)科學(xué)儀器設(shè)備及檢測(cè)技術(shù)的自主研究開發(fā)，食品安全檢測(cè)設(shè)備的重要性已得到國(guó)家各部門的共識(shí)。一方面，通過國(guó)家自然基金委的科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專項(xiàng)、重大科學(xué)儀器裝置研究專項(xiàng)(新設(shè)立)，科技部的國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用專項(xiàng)(新設(shè)立)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃科學(xué)儀器研究與開發(fā)計(jì)劃、863計(jì)劃、973計(jì)劃、火炬計(jì)劃成果推廣計(jì)劃，國(guó)家發(fā)改委的科學(xué)儀器設(shè)備高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持加大了對(duì)食品安全檢測(cè)設(shè)備研發(fā)的投入;另一發(fā)面，鼓勵(lì)企業(yè)自身投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)進(jìn)入良性發(fā)展軌道。