試論測量儀器新概念——測量儀器云

姚 鈧，趙 偉，黃松嶺

（清華大學電機系電力系統國家重點實驗室，北京 100084）

0 引 言

現今，云計算技術正迅猛發展。云計算意味著一種服務、交互和使用模式，它基于龐大的硬件平臺和網絡環境將大量計算資源經聯網被統一管理和調度，以構成一個計算資源池。依托云計算，任意用戶通過網絡、合適的接入設備及標準的瀏覽器，可實現文檔處理、資料存儲、問題分析、科學計算、數值仿真等任務。云計算昭示著人類工作和生活方式的一種變革。

云計算技術將會大力推動具有鮮明計算機化、網絡化、智能化、軟硬件結合日益緊密特征的測量儀器的發展。本文論及的測量儀器云概念，就是將云計算技術架構應用于新型測量儀器模型建立的一個探索性嘗試。

1 測量儀器的沿革及其新概念

1.1 測量儀器的沿革以及需求帶動下的進步趨勢

縱觀利用測量儀器進行試驗、從事科學研究的歷史，測量儀器的發展變化大致經歷了模擬指針式儀器、數字式儀器、初步智能儀器以及虛擬儀器4個階段[1]。

早期的測量儀器都是獨立式的，每臺儀器都包含有被測對象信息傳感拾取、信號調理、分析處理、存儲輸出等所有功能單元。到了虛擬儀器亦即計算機化的儀器階段，測量儀器的構成發生了根本性變化，傳感器獨立出測量儀器之外，不同被測對象被轉換成符合共性標準的電壓信號后，被采集送入計算機，測算、分析及處理、輸出及顯示等任務均交由計算機來完成。裝設在計算機中的測量儀器軟件，能實現對傳感器輸出的測得數據的采集、測算、分析、處理、結果顯示等傳統測量儀器的絕大部分功能。對不同種類被測對象的測量，差別主要在傳感器和所調用的裝設在計算機中測量軟件功能的不同。測量儀器以“傳感器+計算機+測算軟件”為載體，并得益于這三者的不斷優化，在測量自動化、儀器尺寸減小、測量效率提高、測量結果更準確、測量功能拓展等很多方面比傳統測量儀器有明顯改進和提高，已在越來越多的領域和方面，以越來越高的比例取代了模擬式、數字式及初步智能式儀器[2]。

但到了今天，虛擬儀器這種與計算機高度融合的構建模式，在更大規模、更快實現以及更多樣化的測量任務需求面前，又表現出了不適應性，因為它的性能受限于構建它的單臺計算機。如果能利用網絡平臺資源，例如利用多臺計算機并行處理測量數據、采用新的測量算法等，則將可能在現有測量儀器資源水平不變的情況下，進一步提高測量儀器的能力和水平。因此，突破測量軟件資源僅與單件儀器硬件即單臺計算機緊密融合這種資源有限的約束，是日益增長的新測量任務對測量儀器提出的新需求，這也成為了測量儀器技術發展的動因。

1.2 測量儀器新概念——測量儀器云

云計算是將規模宏大的計算任務提交到由大量計算機構成的計算資源池，獲取到所需計算能力、存儲空間和軟件服務的一種技術，是計算機科學概念的商業實現。云計算能以一種服務的方式提供給用戶所需的計算能力，允許用戶無需了解計算服務的具體技術細節，就能獲取到滿意的計算能力服務[3]。

測量儀器云是虛擬儀器、網格儀器、云計算及測量等多種技術整合、融通、演進并躍升的結果，即測量儀器云將云計算技術架構應用到虛擬儀器和網格儀器上，將它們升級為更廣闊、更通用、更靈活的系統平臺上的儀器資源。測量儀器云采用了云計算的技術架構，繼承、吸納云計算的構建模式和技術特征，具體將各種現有的、大量的測量儀器資源集中在一個先進的平臺之上，通過整合、融通及共享，使它們在統一的管理和調配下具備更大的使用靈活性和更高的利用效率，從而將宏大的、滿足各類不同需求的測量儀器資源，以一種服務的形式提供給用戶，使用戶能獲得所需的更強測算能力的測量儀器資源。

2 測量儀器云產生的技術基礎

伴隨著計算機技術近20年的迅猛發展，作為測量儀器云構建基礎的傳感器、分布式處理、并行計算、網格儀器等關鍵技術均已有成功實踐，甚至已得到了廣泛的應用。

2.1 現代傳感器已具備與測量儀器云互聯的性能

現代傳感器將傳統測量儀器感知、拾取被測對象信息的測量功能承擔起來，在新材料、微電子技術、數字化技術等的支撐下，體積越來越小，規格系列越來越齊全，對被測對象影響越來越小，即感知、拾取被測對象信息的準確度越來越高，去噪能力越來越強，測量范圍越來越大，自動化、智能化水平越來越高；且由于其輸出即為計算機的輸入，故已具備標準、通用I/O接口；相比于傳統單臺式測量儀器，構建成本明顯降低，感知、拾取被測對象的種類及量值范圍也明顯增大。目前，科學家也在努力使傳感器變得更智能，會自動進行有意義的分析和處理。現代傳感器的上述技術特征，十分適合于測量儀器云平臺對現代傳感器應具有與其連接的標準接口，從而可無障礙地向其提供測量數據的需求。

2.2 分布式處理技術是測量儀器云構建的技術基礎之一

分布式處理技術是由多個自主、相互連接的信息處理系統在一個高級操作系統協調下共同完成同一任務時處理相應數據信息的一種方式。為滿足越來越多領域要求應用計算機解決其不斷膨脹的任務需求，具備相應功能信息處理系統的結構也越來越復雜。運用分布式處理技術，能在短時間內動態地完成面向不同服務對象的計算、分析及處理系統的構建。這對滿足大量并發、復雜的多個測量任務對測量儀器資源的需求是必要的。分布式處理技術所具有的這種能力和特性，無疑可為測量儀器云的海量數據處理提供技術支撐[4]。

2.3 并行計算使測量儀器云實現快捷測算成為可能

并行計算是同時執行多個處理機的一種計算方法。實施并行計算，旨在節省求解大型或復雜問題所需的時間。不少現代測量任務完成過程中產生的中間結果、需調用的其他結果等數據，可能是大量的、復雜的，且還具有多類型等特點，因此在完成相應測量任務時，十分必要實施并行計算。并行計算的實施，是追求時間并行與空間并行的結合。時間并行是指對一個任務的多個相互獨立部分同時進行處理；空間并行指用重復的計算能力資源同時服務于任務的完成。通過時間重疊和資源重復的綜合應用，可實現加快計算、分析及處理任務數據之目的。顯見，并行計算應成為測量儀器云的運作模式，即由測量儀器云實施、完成的測量也應是時間并行與空間并行相結合的。將來，借助測量儀器云，一個測量任務中多個相互獨立的子任務可同時享用相應的測量儀器資源被完成，同時，分處在不同位置的更多測量儀器資源均被調動，從而加快完成整個測量任務的進程[4]。

2.4 測量儀器網格是測量儀器云的雛形

前幾年出現的網格儀器構建的初衷，就是想盡可能地利用各種現有的儀器資源。測量儀器網格是在可靠的網絡傳輸基礎上建立起來的測量信息處理的基礎設施平臺，它將分散的、能夠連網的測量儀器設備以及網絡上的測量信息，以一種合理、有效的方式粘合起來，形成有機的整體，向用戶提供遠比單臺測量儀器強大的測算、存儲能力，以及測量儀器設備訪問即信息融合與共享能力，并為測量儀器資源的深層次共享與協同工作提供可能。不少專業性網格儀器構建的成功實踐，為構建更廣泛、更通用、更大規模的測量儀器云提供了先期經驗，相應于測量儀器云的初級階段或雛形[5-6]。

有了傳感器、分布式處理，并行計算和網格儀器等關鍵技術作支撐，實現測量儀器云的條件正日益成熟。因此完全有理由相信，在不久的將來，會實現測量儀器軟硬件資源可經由網絡提供，因為只要有相應的網絡化、智能化傳感器及合適的接入設備，就可方便地從測量儀器云的平臺上獲取到所需的測量儀器資源，即借助測量儀器云快捷完成測量任務將成為一種新的測量方式。

3 測量儀器云的技術特點和優勢

3.1 測量儀器云的技術特點

與傳統的測量儀器相比，測量儀器云有2個突出特點：

（1）構建目標不同。鑒于對眾多不同領域被測對象實施數字化測量時，在經傳感器將它們變換為計算機可接受的電壓量之后，測算、分析、處理、存儲和顯示等所有功能幾乎都是依靠AD、DA、計算機、網絡、軟件化的數學模型實現，而不論被測對象屬于哪個領域，故構建測量儀器云的目標，就是要盡可能地利用各種網絡化的測量儀器軟硬件資源，將它們加以集中并全面整合，構建起測量用的“云”平臺；同時，要能夠將大量的測量數據分割成互相獨立的眾多小測算處理任務，然后交由“云”平臺上不同的測量儀器資源去測算、分析；隨后將這些結果回收，再經分析、處理、整合，最后形成被測對象的完整測量結果并返回給用戶。構建測量儀器云實際上是在構建一種測量系統平臺，在其上，不同領域、不同種類的測量任務，均能夠被可靠、有效、快速地完成。而傳統測量儀器，包括非網絡化的虛擬儀器，其目的則是為測量某種或某些種對象專門設計的，通常只能完成單一或為數不多的功能（非網絡化虛擬儀器雖可完成較多功能，但需要相應測量硬件做支撐，且其數據處理能力較有限），即傳統測量儀器在更廣范圍意義上的通用性較差。

（2）資源分配方式不同。在外界看來，測量儀器云就是一個巨大的且可不斷擴充測量儀器軟硬件資源池[4]。測量儀器云借助儀器虛擬化技術將相關儀器資源加以整合、配置，用戶只需按特定格式，將測量任務提交給測量儀器云平臺即可。測量儀器云平臺會自動找尋為解決該測量任務所需的儀器資源，然后優化地將任務加以分解和分配，直至整個任務被完成。

而對于傳統測量儀器，由于其軟硬件資源均是確定的、有限的，測量人員只需按規程對有限的被測對象實施測量即可，如此的測量方式，不存在分配測量儀器資源的問題。

3.2 測量儀器云的技術優勢

相比于傳統的測量儀器和測量方式，測量儀器云至少有如下7點技術優勢：

（1）超大規模。測量儀器云具有宏大的儀器資源規模，能賦予用戶前所未有的測算、分析、處理及存儲能力。例如已有的某些云計算平臺，擁有幾十萬臺到上百萬臺服務器，它們并行地工作，共同完成一個計算目標。試想，構建成如此規模的測量儀器云，其測算、分析、處理、存儲等能力無疑將遠遠超過普通測量儀器或單臺PC儀器的能力[3]。

（2）功能強大。測量儀器云可提供各種類型的測量儀器資源服務，宏觀上包括數據采集、顯示、量值超標報警提示，根據測得數據計算需量（例如電、水、氣、熱、有線電視、網絡、電話等生活需量）耗用的花費，存儲數據，執行工作安全性監視，為增強現實（augmented reality）技術實現提供海量以往信息支撐等；微觀上，可實現家庭醫療管理，江、河全流域水文氣象信息監測，電力系統全網域功率潮流及電能質量監控，國家或省市級全地域地震信息實時監測及統計分析，中心城市汽車尾氣排放狀況監測及結果實時統計分析等。測量儀器云能給用戶巨大的測量儀器軟硬件資源利用空間，讓其按照相應標準和規范，能更容易地共享大量測量儀器和測得信息。

（3）通用性強。測量儀器云不限于應對特定的測量任務，具有很強的通用性，且可同時支撐多個不同測量任務的解決。在測量儀器云中，測量儀器軟件的能力可得到充分發揮；測量數據不再被約束于一臺特定計算機的特殊數據采集、分析過程；傳感器獲取到的測量數據可同時由測量儀器云中的多臺應用服務器接收并處理。

（4）高可靠性。測量儀器云擁有大量的儀器資源，可使用測量數據多副本容錯、計算節點同構等技術措施來保障其所提供儀器資源服務的高可靠性，而這比使用本地計算機更加可靠[3，6]。

（5）便捷性。測量儀器云支持用戶在擁有可測量特定對象的傳感器條件下，在任意位置使用各種終端獲取應用服務。

（6）可擴展性。測量儀器云采用標準、通用的數據接口，可不斷接納新的測量儀器資源，即其規模可動態擴展，故可更好地滿足測量用戶規模增長的服務需求[7]。

（7）成本低。測量儀器云使用戶無需為不同的測量任務購買測量儀器資源，而只需交納少量服務費及購買相應的傳感器，這無疑將大大節省用戶完成相應測量任務的成本[3]。同時測量儀器資源由儀器云平臺調配，也能夠使用戶始終獲取優質的服務。

4 測量儀器云服務

測量儀器云技術是跟隨云計算發展出現的一種測量服務新模式，它基于分布式計算和虛擬化技術建設系統平臺，以租賃或免費方式向用戶提供測量儀器資源服務（如測算、分析、處理及存儲等）。廣義的測量儀器云技術是指通過建立網絡服務平臺，向多種不同類型用戶提供硬件使用、測算分析、數據存儲、信息共享等完整的現代測量服務[3]。

測量儀器云中的云，就是指存在于網絡環境的與數字化測量相關的各種儀器資源，包括硬件資源（如服務器、存儲器和處理器等）和軟件資源（如測量儀器構建工具、數據分析處理軟件、系統集成開發環境等）。本地終端只需按標準格式提供測量數據和所需結果的格式，測量儀器云就會為其提供相應的儀器資源，并將測算、分析、處理、存儲結果反饋給發送請求的終端。測量儀器云提供測量儀器資源的具體服務類型包括基礎設施、平臺及軟件等3類[3]。

4.1 測量儀器云的基礎設施服務

測量儀器云基礎設施位于測量儀器云的底層，包括各種測量儀器設備硬件資源，它們是測量儀器云平臺建立的基礎[4]。測量儀器云基礎設施提供給用戶的服務是對所有平臺儀器設施的使用，包括計算、存儲和帶寬等資源，通過將服務器、存儲器等虛擬化成一個數據中心，來為測量儀器云用戶提供服務。用戶可在之上部署或運行各種軟件，也可通過數據中心獲取到可度量的測算、分析、存儲、網絡和單機操作系統等基礎資源。

4.2 測量儀器云的平臺服務

測量儀器云的平臺能夠提供軟件開發環境和運行環境，這被作為一種服務通過網絡提供給用戶。測量儀器云的平臺，構建在測量儀器云的基礎設施之上[4]。用戶可在測量儀器云的平臺開發環境下創建自己的測量任務應用，也可直接在測量儀器云的平臺運行環境中完成自己的測量任務。測量儀器云的平臺還能給用戶提供訂閱、計費、部署、監控等服務。

4.3 測量儀器云的軟件服務

測量儀器云的軟件服務旨在提供基于測量儀器云平臺開發出的各種測量應用軟件給眾多用戶。從用戶角度，這意味著無需自己購買測量儀器，也無需自己設計測量方法，而只需按照軟件要求提供傳感器輸出的測量結果，即可得到由測量儀器云完成的最終測得結果。而從測量儀器云的軟件服務角度，能夠為更多用戶提供服務，并可從中獲取回報。這將有利于其不斷改進、優化測量用軟件，使用戶得到更全面、更可靠、更先進的測量儀器軟件資源。

5 測量儀器云的構建要求及部署模式

5.1 對硬件基礎設施的要求

構建測量儀器云，需要著力提高網絡數據處理和存儲能力，并致力于高效利用基礎設施資源。具體地，應從大量高性能服務器、海量存儲設備等硬件基礎設施的建設出發，提高測量儀器云數據處理中心的數據處理能力。測量儀器云可能面向眾多并發的測量需求，面臨眾多測量信息存儲任務，涉及大量測得數據檢索、分析、處理的請求，加之相應數據及其處理的多樣性等，這些均要求有很強的基礎設施作支撐。

（1）大量高性能服務器。對于測量儀器云承接的多類測量任務，需要有大量高性能服務器來提供測量儀器資源服務。傳統測量儀器最多用到與獨立式測量儀器相連的PC機。而面對大量并發、多種多樣的測量任務，如何大范圍地調配不同的服務器，整合測量儀器云中盡可能多的儀器資源參與測量任務的完成，數據處理將是其中的主要瓶頸之一。鑒于PC機提供服務存在不確定性，增加大量高性能服務器將是對測量儀器云基礎設施支撐的必然需求。

（2）海量存儲設備。測量儀器云廣泛涉及大量不同測量數據的處理業務。因測量需求多，數據量可能十分巨大，普通存儲設備不能滿足測量數據處理對存儲空間、穩定性和可用性等方面的更高要求。因而，需要有高效、穩定的海量存儲設備作支撐，海量存儲設備是測量儀器云硬件基礎設施的必要組成部分。

5.2 有必要建立服務商業平臺

測量儀器云服務商業平臺提供的是一種與用戶緊密結合的服務模式。它類似于搜索引擎，能將用戶的需求提供給測量儀器云，然后，測量儀器云通過該服務商業平臺反饋給用戶符合需求的軟件或服務列表，其中的費用管理子系統允許用戶在相應規格范圍內，從測量儀器云訂購所需且與價格相符的測量能力服務。通過構建服務商業平臺，能形成規范的測量儀器云服務模式，使用戶和開發者均能從測量儀器云的構建中獲益，進而促進測量儀器云技術的發展，形成良性循環[8]。

5.3 測量儀器云的部署模式

儀器云的數據安全也是儀器云實現的重要技術支撐之一。根據實際需求，測量儀器云的部署有私有測量儀器云、公有測量儀器云及混合測量儀器云之分。所謂私有測量儀器云，是指僅供一個組織單獨使用的測量儀器云。私有測量儀器云適用于對測量數據有嚴格保密要求的用戶[9]，通過數據加密權限、數據備份等建立完成的數據安全機制。借助私有測量儀器云，測量結果被存儲在特定的服務器中，同時能兼顧測量方便和安全等方面的考慮。而公有測量儀器云是指能為所有用戶提供測量儀器資源的測量儀器云。大量基本的跨領域的測量任務，均可交給公有測量儀器云去完成，從而可大大降低測量成本。至于混合測量儀器云，則是私有測量儀器云與公有測量儀器云的組合體，其在構成上保留了私有和公有測量儀器云各自獨立的實體，而這些測量儀器云實體則通過標準或私有的數據和業務遷移技術被綁定在一起[10]。

5.4 測量儀器云的架構初想

測量儀器云的基本架構應當包括基本設備層、基礎管理層、應用接口層、用戶訪問層。基本設備層：測量儀器云中的各種設備資源，測量儀器云中的大量設備分布在不同地方，它們之間通過測量儀器云平臺聯系在一起。基礎管理層：通過對大量設備資源的集群和分布式管理，使得測量儀器云中所有設備資源協同工作，整體對外提供服務。應用接口層：服務提供者可以根據需要、權限提供不同的接口和服務。用戶訪問層：用戶可以根據個人的權限通過測量儀器云公共接口來登錄，獲取所需的服務[11]。

6 結束語

將云計算技術架構應用于新型測量儀器的構建，使云計算與虛擬儀器、網格儀器相融合，構建起測量儀器云，從而可為眾多、不同領域用戶提供宏大、標準、通用的測量儀器資源。在這種模式下，測量儀器硬件將向專用傳感器方向發展，它帶標準接口，可與測量儀器云相連，將對被測信號的測算、分析、處理、存儲等均交由測量儀器云去完成。測量儀器云中的所有測量功能軟件，由測量儀器云的平臺開發者提供；而對海量測量數據的處理，將能通過分布式、并行計算等得到解決。

測量儀器云的出現，將催生新的具有服務特征的測量方式：通過硬件基礎設施、平臺和軟件3種服務模式，測量儀器云能夠為用戶提供低成本、高效率、靈活、多樣的測量儀器資源服務；測量儀器云要求有大量高性能服務器和海量存儲設備作為硬件基礎設施，并需要建立新的服務商業平臺；而出于對測量需求及測量數據安全性等考慮，可使用不同的測量儀器云部署模式。

完全有理由相信，隨著虛擬儀器、網絡技術、云計算以及測量等技術的不斷發展進步和日益緊密地相互結合與融通，先進、新型的測量儀器即測量儀器云的出現指日可待。

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