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    智能自动化及其在仪器仪表中的应用
    2015-11-24 14:17
    一 智能科技周全振兴

    当今的智能科技分支林立,蓬勃旺盛,在国表里已获得了飞速成长,诸如模糊逻辑、遗传算法、神经收集、专家体系、仿人智能、粗拙集理论、物元可拓办法、常识工程、模式辨认、定性控制、小波分析、分形几何、混沌控制、数据融合技巧等等,真可谓是八仙过海,各显神通。其各有所长,分别组合,取长补短,相得益彰。

    人工神经收集是当今智能科技中的基本技巧,它的连接机制与人工智能的符号推理机制并列,成为智能科技的两大年夜阵营。它模仿人脑的解剖心理学特点,用很多并行的简单神经元,以必定的拓扑构造贯穿连接成网,既接收外界信息,又互相刺激,更擅善于分布存储,联想记忆,反馈求精,黑箱映射,权值均衡,动态切近亲近,全息存录,容错防掉,加之以神经元巨量互连,形成强大年夜的自进修、自适应、自组织、自诊断、自修复才能,其收集节点间权值强度赓续反馈,动态分析,与说话、视听人机接口的密切合营,可主动获取仁攀类专家丰富的常识与经验,并模仿人脑的逻辑推理、形象思维以至灵感突现,恰到好处地处理各类不精确、不完美、不肯定的信息,推理得出精确结论。

    模糊逻辑模仿人脑的不肯定性概念断定、推理思维方法,对于模型未知或不克不及肯定的描述体系,以及强非线性、大年夜滞后的┞菲握对象,应用模糊集合和模糊规矩进行推理,表达过渡性界线或定性常识经验,模仿人脑方法,实施模糊综合断定,推懂得决惯例办法难于对于的规矩型模糊信息问题。模糊逻辑善于表达界线不清楚的定性常识与经验,它借助于附属度函数概念,区分模糊集合,处理模糊关系,模仿人脑实施规矩型推理,解决因“排中律”的逻辑破缺产生的衷灾只肯定问题。
    遗传算法是一种以“电子束搜刮”特点克制搜刮空间的计算量爆炸的搜刮办法,它能以解空间的多点充分搜刮,应用基因算法,反复交叉,以突变方法的操作,模仿事物内部多样性和对情况变更的高度适应性,其特点是操作性强,并能同时避免陷入局部极小点,使问题快速地全局收敛,是一类能将多个信息全局应用的自律分散体系。应用遗传算法(GA)等进化办法制成的可进化硬件(EHW),可产生超出现有模型的技巧综合及设计者才能的新鲜电路,特别是GA独特的全局优化机能,使其自进修、自适应、自组织、自进化才能获得更充分的发挥,为在无人空间场合进行主动综合、扩大大年夜范围并行处理(MPP)以及及时、灵活地设备、调用基于EPGA的函数级EHW,解决多维空间中不肯定性的复杂问题开通了航向。

    专家体系是收集应用仁攀类专家的常识和经验,模仿专家处理常识和解决问题的办法,编制成计算机灵能软件体系,在经由过程人机结合赓续获得反馈信息的情况下,及时在线地对规矩、事例和模型实施自力决定计划的一种问题求解或控制体系。这种计算机灵能体系具有启发性、透明性和灵活性,在不受英国沃森WSEN进口传感器时光、空间和情况影响情况下,高效力、精确无误、严密周全、敏捷不疲惫地完成工作,其解决问题才能和常识的广博性可跨越仁攀类专家,又克服了仁攀类专家因忽视、遗忘、重要、疲惫等干扰身分造成的误差和缺点,因而其推广、运器具有巨大年夜的经济和社会效益。

    模式辨认是模仿人脑形象思维,根据事物的特点、形象或关系,辨识、剖断和处理事物的一种智能决定计划办法和技巧,它广泛应用于科研临盆中,是一种具有重大年夜价值的技巧办法。

    粗拙集理论则是在离散归一化处理其在测量中所得的数据集合,经由过程基于集合元素的弗成分辨关系的代数运算,应用前提与结不雅属性中的大年夜量有效特点、有效数据发明常识,在决定计划规矩的初步简化计算中取得核值,然落后一步简化规出场根据问题请求拔取最小决定计划算法赐与实际应用,去除大年夜量信息中的多余属性,降低信息空间的维数和属性数量。它可大年夜大年夜简化收集构造和样本数量,缩短练习时光,是智能科技一一种具有根本意义的分析办法。这种办法是基于测量数据集而获取常识的,故对虚拟仪器的智能化成长具有重大年夜意义。

    混沌活动是肯定性体系中局限于有限相空间的高度不稳定活动,是无序中的有序,它使事物在长时光的行动中显示出外面上的某种纷乱。混沌现象的特点是“非周期背后隐蔽的有序性”以及“对初始前提的敏感依附性”,充分应用混沌特点,在智能信息处理中实施非线性决定计划和猜测、非线性体系辨识、模式辨认、图像数据紧缩、高机能保密、多目标搜刮,以及无穷丰富、出色绝伦的计算机绘画等各种神奇应用。
    分形理论研究非线性体系产生的不但滑和弗成微的几何形体及其内涵构造的比例自类似性,为研究控制天然界一切复杂事物的活动变更规律供给了强有力的对象和办法。

    因为仪器与计算机一旦构成收集,即可凭借智能化软硬件(诸如模式辨认、神经收集的自进修、自适应、自组织和联想记忆功能),充分发挥灵活调用和合理设备网上各类计算机和仪器仪表的各自资本特点和潜力,产生1+1>2的组合优势。例如,今朝已可应用连接到Web 的数字万用表和示波器,经由过程因特网和模式辨认软件差别不合的时空前提和仪器仪表的类别特点以及测出临界值,作出不合的特点响应;也可应用分布式数据采集体系代替以前零丁应用的数据采集设备,以至可跨越以太网或其他收集,实施长途测量和采集数据,并进行分类的存储和应用。
    小波分析是现代分析数学这棵大年夜树的骨干和最完美的结晶。大年夜形象直不雅上看,小波是指人们可以不雅察到的最短、最简单的┞俘负雷同、具有衰减性的┞否荡波;而大年夜数学上说,小波函数f(t)是具有个中间三个前提的窗口函数,它既能刻划旌旗灯号在时域和频域的局部化特点,又能完全保存旌旗灯号的全部信息,并且具有变焦距性质,即对于只在刹时出现的高频旌旗灯号具有很窄的时光窗口,而在低频段又具有很宽的不合标准的变换。小波分析的本质是反竽暌钩事物世界的波粒二重性以及局部与整体多层次展示的辩证关系,其最吸惹人的特点就在于时频定位和多标准近似才能,在自适应控制、鲁棒控制、非线性控制、过程辨识、神经收集等浩瀚范畴都取得了丰富的结不雅。

    分形与混沌是本质上一致的两个方面。混沌事宜在不合的时光表示出类似的变更模式,而分形则是在空间标度下表示的类似性。混沌所存眷的是其复杂的不稳、发散、收敛的过程,而分形则是描述混沌活动的直不雅的几何说话。混沌、分形和小波分析的有机结合有着极丰富的内涵和深刻的┞奋理,它必将为材料分子主动组装、高速基因测序及高效蛋白质构造猜测等重大年夜的精微科技难题的解决供给强有力的对象,也将为仪器仪表的虚拟化、收集化和智能化开辟出光辉前景。

    物元可拓办法是在多种已知的一般决定计划的比较和优选的基本上,根据各层次、各阶段产生的不相容的抵触问题的须要,进而冲破惯例地、拓展性地采取创造性决定计划技能,抓住关键策略,最大年夜限度地知足主体系、不相容的抵触转化为相容关系,大年夜而实现全局性最佳决定计划目标。它是在复杂体系中化解次要抵触,解决重要抵触和关键性难题的有力手段,也将会对仪器仪表的虚拟化、收集化和智能化的成长过程作稳重大年夜供献。


    数据融合技巧是对多信息源测得的数据,根据其在全部体系的重要性和可托度分派以不合的权值比重,综合计算出该特点属性总体最优化表征值的一种技巧办法。它是一种对复杂事物属性的优化测量和表征技巧,对高技巧开辟研究具有极重要的意义。

    总之,当当代界的智能科技正在飞速、周全地向前成长。
    二 智能科技在仪器仪表及测量中的应用
    智能主动化技巧的应用正在周全渗入到仪器仪表工业。

    (1)在仪器仪表构造、机能改进中的应用

    起首,智能主动化技巧为仪器仪表与测量的相干范畴的应用开辟了广阔的前景。应用智能化软硬件,使每台仪器或仪表能随时精确地分析、处应当前的和以前的数据信息,恰本地大年夜低、中、高不合层次上对测量过程进行抽象,以进步现有测量体系的机能和效力,扩大传统测量体系的功能,如应用神经收集、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技巧,使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高灵活灵活等机能。

    其次,也可在分散体系的不合仪器仪表中采取微处理器、微控制器等微型芯片技巧,设计模糊控制法度榜样,设置各类测量数据的临界值,应用模糊规矩的模糊推理技巧,对事物的各类模糊关系进行各类类型的模糊决定计划。其优势在于不必建立被控对象的数学模型,也不需大年夜量的测试数据,只需根据经验,总结合适的┞菲握规矩,应用芯片的离线计算、现场调试,按我们的须要和精确度产生精确的分析和准时的┞菲握动作。


    特别是在传感器测量中,智能主动化技巧的应用更为广泛。用软件实现旌旗灯号滤波,如快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等技巧,是简化硬件,进步信噪比,改良传感器动态特点的有效门路,但须要肯定传感器的动态数学模型,并且高阶滤波器的及时性较差。应用神经收集技巧,可实现高机能的自相干滤波和自适应滤波。充分应用人工神经收集技巧强有力的自进修、自适应、自组织才能,联想、记忆功能以及对非线性复杂关系的输入、输出间的黑箱映射特点,无论在实用性和快速及时性等各方面都将大年夜大年夜跨越复杂函数式,可充分应用多传感器资本,综合获取更精确、更可托的结论。个中及时与非及时的、快变与缓变的、模糊和肯定性的数据信息,可能互相支撑,也可能互相抵触,此时,对象特点的提取、融合,直至最终决定计划,作出精确的断定,将成为可贵。于是神经收集或模糊逻辑将成为最值灯揭捉用的办法。例如,气体传感阵列用于混淆气体辨认,在旌旗灯号处理办法上可采取自组织映射收集和BP收集相结合,先辈行分类,再辨认组分,将传统办法的全程拟合转化为分段拟合,以降低算法的复杂度,进步辨认率。又如,食咀嚼觉旌旗灯号的检测和识其余难度,曾一度是研究与开辟单位的重要障碍地点。如今可应用小波变换进行数据紧缩和特点提取,然后将数据输入用遗传算法练习过的模糊神经收集,则大年夜大年夜进步了对简单复合味的辨认率。再如,在布匹面料质量的评定,柔性操作手对触觉旌旗灯号的处理,机械的故障诊断范畴,智能主动化技巧也都取得了大年夜量的成功实例。

    (2)在虚拟仪器构造设计中的应用
    仪器与测量技巧和计算机技巧的结合,不只大年夜大年夜进步了测量精确度与智能主动化程度,特别是计算机的硬件软化和软件模块化的虚拟仪器的迅猛成长,以及其与收集化体系资本法度榜样的同一和优化机能设备,为仪器仪表的智能化程度的敏捷进步,创造了越来越优胜的前提。



    起首,推敲要兼顾用户的直不雅、易用与尽可能进步运行效力,并保持本来VXI总线即插即竽暌姑标准的高层编程接口,以供给雷同的功能函数调用格局。
    在仪器仪表构造设计中,仪器厂家以前都是以源代码情势向用户供给智能虚拟仪器即插即竽暌姑的仪器驱动器,为了简化最终用户的应用操作与开辟过程,赓续进步运行效力,以及编程质量和编程灵活性,相干仪器厂家在VXI即插即竽暌姑的总线仪器驱动器标准的基本上作出了一套新的智能化仪器驱动软件规范,在虚拟仪器构造与机能长进行了下述多方面改进。

    其次,在最新Labwindows/CVI 5.0内建的开辟对象基本上,应用智能化手段,使智能虚拟仪器(IVI)的仪器驱动器代码,可以在人机交互感化下主动生成,如许既简化了大年夜量编程工作量,又同一了驱动器代码的编程构造和风格,还大年夜大年夜便利了不合程度用户的应用和保护。


    再次,应用一系列智妙手段,辨认、跟踪和治理所有各类仪器状况和设置,应用户能直接进入所有低层设置,并经由过程智能状况治理,应用户可根据须要,在“测试开辟”和“正常运行”两种模式之间随便切换。在“测试开辟”模式下,驱动器可智能主动化地完成一系列状况检查,以赞助发明各类编程缺点。当法度榜样调试正常投入应用后,用户即可切换到“正常运行”模式,以使驱动软件高速运行。如许既包管了仪器的安然性和靠得住性,又可使软件随时投入高速运行,尽可能进步其运行效力。

    别的,也因为采取了复荡蚯能化办法,使驱动器可实现多线程同时安然运行,进行多线程并行测试;同时,驱动器还具有强大年夜的仿真功能,可以在不连接实际仪器的情况下,开辟测试法度榜样。

    最后一个特点是驱动器运行只与测试功能相干,而与仪器采取的接口总线方法无关,只经由过程一个初始化函数In it with Options来区分仪寡居口总线和地区的异用。

    总之,因为虚拟仪器采取了一系列智能主动化手段,彻底改变了以往VXI总线即插即竽暌姑标准仪器驱动器的运行效力低,编程的构造、风格不一致,编程艰苦,质量低,工作量大年夜,应用、保护麻烦等等一系列缺点,大年夜而在高效、高质量、安然靠得住、应用便利、灵活的前提下实现周全地同一运行,显示出智能主动化技巧对虚拟仪器以至全部仪器仪表工业高速成长的深远影响。
    (3)仪器仪表收集化中的应用



    收集化的智能测量情况将网上各类类型,不合义务的计算机和仪器仪表有机地联系袈溱一路,完成各类情势的义务请求,如在某地采集数据后送往各类须要这些数据的处所,把雷同数据按需拷贝多份,送往各须要部分;或者按期将测量结不雅送往远方数据库保存,供须要时随时调用。而多个用户可同时对同一过程进行监控,例如各部分工程技恋人员、质量监控人员以及主管引导人员可同时分别在相距遥远的各地监测、控制同一临盆运输过程,不必亲临现场而又能及时收集各方面数据,进行决定计划或建立数据库,分析现象规律。一旦产生问题,可急速展示面前或从新设备,或即时商讨决定计划,急速采取响应办法。

    别的,智能重构信息处理技巧也将为仪器仪表创造更广阔的晃荡舞台。结合了计算机与专用集成电路(ASIC)长处的可重构计算机,不仅要根据不合的计算义务对大年夜量的可编程逻辑单位阵列(FPGA)作出灵活的响应设备,其指令级、比特级、流水线级以至义务级的并行计算,使其运行速度达到通用计算机的数百倍以上。

    综上所述,跟着智能主动化技巧应用的日益深刻及应用范围与范围的赓续扩大年夜,我国的仪器仪蓖R当的成长程度必将快速迈向更高阶段。


    三 仪器仪表智能主动化的将来前景瞻望

    智能科技在仪器仪表中的应用正日新月异地飞速成长,很多其他范畴的新技巧也赓续融合进来。例如在充分发挥光电束流最高速物性的基本上,智能化日益趋势人脑化。积极地应用人脑机制与生物DNA芯片的有机灵能,与电子,光子计算速度的无机灵能的高效、能动优势相结合,并使材料智能化,进而与虚拟化交互感化,合营进步。当今又有光互连技巧正以极高的时空带宽、极小的电磁干扰和较小的互连功耗等一系列独特的物理机能,克服了电互连技巧物理上的本质极限,为动态、灵活、高速、及时地重构收集互连构造,大年夜大年夜进步并行处理才能,开创出一个全新寰宇。这更将为仁攀类创造出形形色色、开放的人机结合体系,和五光十色的拟人高智能、高效主动化体系奠定稳定基本,大年夜而将仁攀类社会临盆力赓续推向新的更高境界,使仁攀类生活向着智能世界幸福好梦的明天大年夜步迈进!(end)
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