刘辉
中电科仪器仪表有限公司信息化部 山东省青岛市 266555
摘 要： 仪器云是电子测量仪器和云计算相结合的产物，本质上是基于电子测量仪器的支撑智能制造的一套使能技术体系。结合当前智能制造、数字化转型、物联网技术的快速发展，首先分析了仪器云的必要性，提出了面向装备全寿命周期测试仪器管理的仪器云平台方案，分析了平台的基本架构、关键技术和应用模式，开发了相关的软硬件系统，最后对仪器云的应用场景和应用价值点进行了分析。
关键词： 仪器云；仪器物联网；智能制造；仪器效能管理；
引言
测试测量技术是现代工业的基石之一，是装备研发、生产、调试、计量、检测、维修保障等活动不可或缺的技术手段。测试仪器资产对于企业来说属于重资产的一种，其产生的测试数据也是企业的关键资源。但目前仪器相关资源的管理手段尚较为落后，难以满足智能制造体系的需要。近十多年来，云计算技术在企业信息化领域得到了广泛应用，展现出多方面的优势。仪器与物联网技术的有机结合，也成为仪器未来发展的趋势[1][2][3][4]。如是德科技推出的集仿真、设计、测试于一身的PathWave平台。美国国家仪器推出的SystemLink平台。因此，本文在提出了仪器云体系架构的基础上，探讨了仪器云实现的若干关键技术，并结合智能制造和数字化转型的需要，对仪器云的应用场景和预期效果进行了分析。
1 仪器云体系架构
仪器云是一个非常复杂的系统，需要解决的问题很多且性质各不相同。但其本质上是一个信息物理系统，通过集成仪器状态感知、计算、通信、控制等技术，构建了仪器物理空间与测试信息空间中人、机、物、法、环等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内测试资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。
仪器云的最底层为边缘测试层。边缘测试是仪器云的感知终端，能够测量或感知特定仪器的状态和变化，并转化为可传输、可处理的信息，是实现仪器物联的首要环节。边缘测试层主要包括自动测试软件平台、仪器机内软件Agent和状态监测网关三部分，三者有机结合，获取仪器测试数据、工况数据和环境信息，实现仪器测试控制、仪器状态监测和仪器效能管理。
边缘计算层通过过多种模式的通信，接入云平台基础设施层，交由连接管理层进行处理。由于仪器本身一般情况下均提供了通信接口，如LAN、USB、串口等，网络接入不存在技术层面的障碍。可以根据实际需要选择NB-IoT、4G、WIFI、LoRa等合适的协议和网关。
仪器云涉及到的数据主要包括结构化和非结构化数据。从门类上说，包括BOM数据、过程定义数据、属性数据等结构化数据，这些数据构成云平台的元数据，用于描述系统工作流程和数据属性。测试数据则可以划分为非结构化数据，尽管很多情况下可以作为结构化存储。但由于不同测试对象导致的数据结构不同，难以进行统一的格式匹配。因此数据管理则通过结构化数据库、NoSQL数据库和时序数据库的联合应用，实现多模态数据的有效管理。
通过上述各层的有机协作，为测试资产管理、测试数据管理、装备健康管理等应用场景提供支撑。
2 仪器云的关键技术
仪器云的实现涉及到自动测试、故障诊断、网络通信、数据管理、机器学习与人工智能等多方面的技术。限于篇幅，仅选其中代表性的几项进行论述。
2.1基于现场测试的边缘计算平台技术
由于目前测试仪器的现场特性，同时多仪器协作一般有着较强的时序要求，现场测试管理问题是整个边缘计算层的核心问题。通过采用标准化设计思路，基于测试行业相关标准，建立了现场测试管理软件的开放式分层架构。在解决运行管理机制、虚拟资源建模与管理、测试路径选择、虚拟仪器、辅助开发环境等关键问题的基础上，实现测试任务管理、测试序列生成及自动执行、实时监视、数据管控等功能，为现场测试仪器的集成与控制提供一个全面的创新解决方案。
2.2 仪器设备效能管理技术
测试资产属于制造业的重资产，其效能管理成为实现业务目标和企业创新管理的重要因素。效能管理包含两个方面的内容，一是仪器的综合使用效率，二是仪器的健康管理。仪器的综合使用效率可通过监测仪器的实际工作时间而实现。而健康管理则需要结合多方面的数据和规则而实现。仪器必须保证有效地实施其预定功能，否则认为其发生性能退化或出现故障。而故障征兆常常表现为其运行参数或性能参数的变化。仪器的测量和功能准确度主要通过若干指标的校准对标来评判。根据对应仪器的计量检定标准，可建立完整的仪器性能特征参数。再结合仪器自检数据、使用率数据、计量检定数据、环境工况数据，通过回归、聚类、关联规则挖掘等机器学习手段，可发现仪器的效能变化规律，过评估产品偏离或退化程度与预期的正常操作条件来预测产品的未来可靠性，从而建立仪器的健康管理模型。
该技术是实现仪器健康管理与远程运维的基础性技术。从对仪器设备故障和失效的被动维护，到定期检修、主动预防，再到事先预测和综合规划管理，实现基于工业大数据的仪器远程维护，提高整体运营效益。
2.3基于混合存储的测试数据组织技术
仪器云中广泛存在半结构化-关系型混合数据、非结构化-关系型混合数据。由于数据汇集的阶段性、技术性以及不同类型数据本身的特点，导致数据汇集过程中积累了大量不同结构与不同存储方式的数据，使得数据具有突出的多源异构特点，需要采用关系数据库与NoSQL相结合的混合存储架构。
3 仪器云的应用场景分析
由于测试仪器的基础性地位，仪器云具有广泛的应用空间，包括仪器资产效能管理、电子装备生产线调测管理、计量检测实验室管理、试验数据管理、仿真试制测试一体化等。
基于仪器云可实现测试资产的真实使用率。传统的利用RFID或条形码等手段的资产管理系统，很难获得仪器的真实使用效率和健康情况。通过仪器云平台的运用，可以监测仪器的精准使用情况和工况信息，实现仪器设备的综合使用效率（OEE）和关键绩效指标（KPI）的分析,进而实现仪器全寿命周期的效能管理，为仪器资源优化配置提供数据支撑。
基于仪器云可实现计量、检测、试验、测试等资源的软整合，为检测机构提供数字化计量检测试验服务平台和工具，提升检测机构的自动化、数字化、信息化检测试验能力。
基于仪器云可实现电子装备单位内部所有仪器资产的互联。通过仪器云的应用，可实现测试软件的配置管理、测试数据的集中管理和分析，形成单位内部的网络化测试中心，实现测试工作模式的升级。从而为更高层面的应用奠定基础，比如基于全局测试数据的管理可实现设计仿真测试一体化管理和生产过程优化分析等。
4 结束语
仪器云实际上是测试仪器视角的工业4.0平台。由于测试领域的业务自成体系且标准化程度较高，因此相较于其它类型的信息化项目，其实施难度较低且效果比较显著。但仪器作为一种基础性的通用工具，结合当前军工领域保密要求，需进一步探索在军工领域的应用模式，包括接入方式、仪器健康管理、与传统信息化系统的融合等问题。
参考文献:
[1] 华镕. 仪表云初见端倪[J]. 仪器仪表标准化与计量，2011，第1期：34-37.
[2] 姚钪 赵伟 黄松岭. 试论测量仪器新概念--测量仪器云[J]. 中国测试，2012，第2期：1-5.
[3] 应怀樵 等. “云智慧仪器”结合“互联网+”和“工业4.0”、CPS的发展趋势，是面向“中国制造2025”的典型代表[J]. 国外电子测量技术，2016，第1期：1-6.
[4] 美国国家仪器（NI）有限公司. 网络测试？测试与测量物联网[J]. 国外电子测量技术，2015，第12期：10-12.