21世紀電子測量技術中的專家系統技術和虛擬測試技術分析

李彥飛

摘 要：由于測試技術的突破帶來的電子測量儀器的革命性變化.同時 ，針對業界自動測試系統的發展歷史和現狀提出了作者的一些看法 ，并介紹了業界的最新進展和最新標準 . 近年來，以信息技術為代表的新技術促進了電子行業的飛速增長，也極大地推動了測試測量儀器和設備的快速發展。

關鍵詞：虛擬技術、測量、專家系統技術

一、專家系統技術

由于專家系統具有很好實用性，已被廣泛應用于科學、工程制造，尤其是宇航領域得到了廣泛應用。美國自由號空間站、歐洲尤里卡平臺、哥倫布空間艙，以及日本的吉姆艙都設計了故障診斷專家系統。在新一代載人航天器——航天飛機、載人飛船，作為可靠性的重要保障手段之一的故障診斷專家系統得到了廣泛應用。“自由號”空間站是美國大型載人航天工程。由于該工程結構龐大，設計復雜以及高可靠和高自主性要求，基于人工智能的故障診斷專家系統是其重要組成部分。NASA投入大量資金用于空間站系統級管理、故障診斷以及分系統級故障診斷專家系統的研制工作，包括診斷推理專家系統。由于故障診斷專家系統以其在實際應用中發揮的作用和取得的效益受到了工程界的普遍重視，專家系統已成為故障診斷技術發展的主流。專家系統是一門綜合性很強的學科，開發一個成功的專家系統需要系統設計人員與應用領域中的人類專家密切合作，一般將專家系統的設計人員稱為知識工程師（Knowledge Engineer），將參加專家系統開發的人類專家稱為領域專家（Domain Expert）。專家系統（Expert System）是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統。專家系統內部含有大量的某個領域的專家水平的知識與經驗，能夠運用人類專家知識和解決問題的方法進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，來解決該領域的復雜問題。從處理問題性質看，專家系統善于解決那些不確定性、非結構化的問題，主要用于知識處理，而不是數據信息處理。從處理問題的方法看，專家系統則主要依靠知識表達技術、知識推理、知識收集和編碼，知識存貯和編排，建立知識庫及其管理系統，利用專家知識和經驗求解專門問題，而不是數學描述的方法來解決問題。從系統結構看，專家系統則強調知識與推理的分離，因而系統具有很好的靈活性和擴充性。從知識推理能力看，專家系統的工作是在環境模式驅動下的知識推理過程，而不是在固定程序控制下的指令執行過程。從咨詢解釋能力看，專家系統不僅對用戶的提問給出解答，而且能夠對答案的推理過程做出解釋，提供答案的可信度評估。專家系統能不斷對自己的知識進行擴充、完善和提煉。而傳統程序都無法做到。專家系統內部包括兩個主要部分：知識庫和推理機。因為專家系統依賴于推理，它必須能夠解釋這個過程，所以它的推理過程是可檢查的，解釋機是復雜專家系統的一個必要部分。

由于專家系統具有很多突出優點，如：適應強。它能在任何計算機硬件上使用。專家系統是專家知識的集成，具有高水平的復合性，由幾個專家復合起來的知識，其水平可能會超過一個單獨的專家，而且復合專家知識在任何時候可同時和持續地解決某一問題。而且持久性好。專家知識是持久的，不會像專家那樣會退休，或者死亡，專家系統可以比專家反應更迅速或更有效。某些突發的情況需要響應得比專家更迅速，因此實時的專家系統具有重要應用。

專家系統的廣泛應用促進了專家系統的發展。一般診斷專家系統開發可以采用高級程序語言、通用人工智能語言、專家系統工具，也叫專家系統外殼來進行。

根據需求采用專家系統工具來開發故障診斷專家系統。因為，專家系統工具是一個具有知識表示和推理機的基本框架系統，能保證快速、高質量的組建、開發出故障診斷專家系統。因此，研究和開發專家系統和專家系統工具是組建測試系統和故障診斷系統的基礎和關鍵技術，是測試技術的重要研究內容。

二、虛擬測試技術

通過虛擬測試系統，可以使產品歷經虛擬設計、虛擬加工、虛擬裝配、產品性能虛擬測試和虛擬使用全過程。虛擬測試的結果信息可用于優化、改進虛擬制造技術中有關的設計和過程參數。由于虛擬測試在虛擬制造技術中應用的普遍性，能促進整個虛擬制造技術體系更為完備和工程實用化。因此，開展虛擬制造環境的虛擬測試技術研究和應用具有重要而深遠的意義，而計算機技術、虛擬技術和測試技術的發展，以及大量工程實用數據的積累，也使得建立虛擬測試系統具備了現實的可能性。我們開展虛擬測試技術研究，就是用虛擬工程概念解決型號研究中的實際測試問題。通過構造型號虛擬測試環境解決型號研制過程中的測試具體問題，包括參數精度測試，各種物理參數的虛擬產生，過程測試方法的模擬、測試程序的執行檢測，對象模擬，以及虛擬模發、模飛等。

通過構建軍事裝備或大型工程的虛擬測試環境，建造一個通用的虛擬測試平臺，可以適應各種型號模擬測試試驗，對每種型號的測試需求均可在此通用的虛擬測試平臺進行試驗驗證測試，通過虛擬測試驗證，修正、完善軍事裝備的設計、提高研制質量；同時在明確軍事裝備和大型工程需求情況下通過虛擬測試環境可對需要設計的測試發射控制系統和各類測試分系統體系結構（分布式多總線復合結構或嵌入式單機箱系統）、系統組成、配置、功能模塊要求、實時性、傳輸性、可靠性、維護性均可在通用的虛擬測試平臺上完成演示驗證，進行完善設計和研制。當前，虛擬測試的研究和應用主要集中在兩方面：

一是基于虛擬儀器技術的虛擬測試，基于虛擬儀器技術的虛擬測試的核心思想是“軟件就是儀器”。其實現途徑是在一定硬件基礎上，利用計算機和軟件及相應算法來替代傳統測量儀表和裝置，如：信號調理與傳輸儀表，信號顯示記錄儀、存儲儀表、信號分析與處理儀表，以及有關控制、監控環節。

另外，就是基于虛擬現實技術的虛擬測試。基于虛擬現實技術的虛擬測量，則是在虛擬現實環境下，借助多種傳感器和必要的硬件裝備，根據具體需求，完成有關的測量任務。在虛擬環境下可以設計、構建所需要的虛擬測試系統，進行虛擬測試、虛擬測量操作、測量過程仿真及虛擬制造中的虛擬測試等。

在虛擬現實環境下進行虛擬測試，能夠將人、測量設備、測量系統模型和測量仿真軟件集成于一體，提供良好的人機交互和反饋手段，產生逼真效果。然而目前虛擬現實的硬件設備和工具價格昂貴，VR技術在測量領域的應用應注重技術功能的實現，不必追求高檔的、完全的VR環境。

上述兩類虛擬測試最大區別是：基于虛擬儀器技術（VI）的虛擬測試盡管也被稱做“虛擬”，但是，它不可能完全虛擬，其中，被測量對象模擬化不虛，傳感器不虛，數采不虛，測量操作不虛，測量結果不虛。而基于虛擬現實技術的虛擬測試，一般強調交互和沉浸，首先要使參與者有“真實”的體驗，為了達到這個目的，就必須提供多感知的能力。目前基于虛擬儀器技術的虛擬測試和基于虛擬現實技術的虛擬測試日趨走向集成和融合。虛擬測試可以降低實際測試操作的費用，減少在危險環境中實際操作的危險性，虛擬測試所具有的擬實性、靈活性和低成本，使之成為虛擬現實技術的一個主要應用領域。尤其在虛擬制造中具有重要作用，它貫穿于虛擬設計、虛擬加工制造、虛擬裝備以及產品性能檢測和使用的全過程，實現虛擬制造各個階段有機銜接，推進虛擬制造技術的發展和工程化。因此，開展虛擬制造環境的虛擬測試技術研究和應用具有重要而深遠的意義，而計算機技術，虛擬技術和測試技術的發展，以及大量工程實用數據的積累，也使得建立虛擬測試系統具備了現實的可能性。

參考文獻：

【1】唐德琴.軍用電子側量儀器技術發展戰略研究[ J ] .電子科學技