数字化检测系统的智能化处理

在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制，这是现代化工业生产必不可少的基本手段。从单台计算机的直接检测控制到多台计算机的监测控制系统，以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种工业系统中得到广泛应用。

传统的检测控制大多采用常规的处理方法，如对传感器信息的处理采用常规的滤波和去噪，控制则以PID为核心算法。随着现代工业生产向大型、复杂、连续和综合化方向发展，监测控制的要求越来越高，需要组成更高性能的检测系统，采用更优的控制手段。在实际生产发展的要求下，数字化检测控制系统应运而生。数字化检测控制系统向智能化发展，是工业现代化的必然要求，也是工业自动化的一个新方向。

智能化已经成为近几年使用频率最高的词汇之一，智能仪表、智能制造、数字化控制、智能CAD、智能家电、智能大厦等词汇经常出现在文献资料及报纸杂志上。那么，什么是智能呢？

一般来说，“智能”是指一种能随外界条件的变化确定正确行动的能力。也就是说，智能是随外界条件的变化正确地进行分析判断和决策的能力。例如，在炎热的夏天或寒冷的冬天，你下班后推开家门，几秒钟后空调会自动开启，当你家里来了很多客人时，你不用担心空调的制冷量不够，空调会自动调节风量，使房间始终保持舒适的温度。而当你离家后，即使忘记关空调，也不必担心，它会自动关闭。这就是智能空调。它可以根据房间内是否有人和人数的变化确定空调的开、关或运行状态。这已不是科学的幻想，而是正在市场上销售的智能家电产品。

从信息科学的角度来看，信息技术的发展可以分为“信息化”“自动化”“最优化”“智能化”四个层次。“信息化”是把客观事物模型化、抽象化，用计算机可以识别的编码表示事物，以便于数据的存储和处理。“自动化”是按照一定的逻辑顺序或规则进行重复的处理。“最优化”是按照某一个或几个预定的目标，通过一定的算法求出使目标函数最大或最小的解答。“智能化”包括理解、推理、判断、分析等一系列功能，是数值逻辑与知识的综合分析能力。

（一）数字化检测的层次

数字化检测与监控包括两方面的含义：一方面，在传统检测控制基础上，引入人工智能的方法，实现数字化检测控制，提高传统检测控制系统的性能；另一方面，利用人工智能的思想，构成新型的检测控制系统。实际上，在不同的领域，“智能”及“智能化”有不同的含义。在检测技术领域，智能化检测可分为三个层次，即初级智能化、中级智能化及高级智能化。

1.初级智能化

初级智能化只是把微处理器或微型计算机与传统的检测方法结合起来。它的主要特征如下：实现数据的自动采集、存储与记录；利用计算机的数据处理功能进行简单的测量数据的处理，例如，被测量的单位换算和传感器非线性补偿；利用多次测量和平均化处理消除随机干扰，提高测量精度；采用按键式面板通过按键输入各种常数及控制信息。

2.中级智能化

中级智能化是检测系统或仪器具有部分自治功能。它除了具有初级智能化的功能外，还具有自校正、自补偿、自动量程切换、自诊断、自学习功能，具有自动进行指标判断、逻辑操作、极限控制及程序控制的功能。目前，大部分智能仪器或数字化检测系统属于这一类。

3.高级智能化

高级智能化是检测技术与人工智能原理的结合，利用人工智能的原理和方法改善传统的检测方法。其主要特征为具有知识处理功能。利用领域知识和经验知识，通过人工神经网络技术和专家系统解决检测中的问题，具有特征提取、自动识别、冲突消解和决策的能力；有多维检测和数据融合功能，可实现检测系统的高度集成，并通过环境因素补偿提高检测精度；具有“变尺度窗口”。通过动态过程参数预测，可自动实时调整增益与偏置量，实现自适应检测；具有网络通信和远程控制功能，可实现分布式测量与控制；具有视觉、听觉等高级检测功能。

（二）检测系统的智能化

实现检测系统及仪器的智能化，建立具有智能化功能的检测系统，是克服传统测量系统的局限，获得高稳定性、高可靠性、高精度以及提高分辨率与适应性的必然趋势。以微型计算机、微处理器为核心的数据采集系统与传感器相结合的检测系统可以在最少硬件条件的基础上，采用强大的软件优势，赋予检测系统智能化的功能。可以说，检测系统的智能化归功于计算机技术的发展，微型计算机技术使检测仪器在测量过程的自动化、测量结果的智能化处理等方面获得巨大的进步。例如，德国PIB的坐标测量机和意大利的专家坐标测量机是具有部分高级智能的坐标测量机，它们可以根据被测零件图纸自行确定测量策略，自动实现编程和测量方案优化，实现信息自动化和决策智能化。智能坐标测量机具有CAD文件特征识别系统、零件位置识别系统、测量路径规划系统，同时具有数据库、知识库及人机交互接口。CAD文件特征识别系统根据CAD设计图形文件提取测量信息，生成零件定义模型。零件位置识别系统利用计算机视觉处理零件图像，完成零件在测量机中的位置测量，建立零件坐标系。测量路径规划系统根据坐标测量机的知识库，自动规划测量顺序，选择测头及附件，设计测量点分布。系统统一的数据结构和统一的数据库便于数据的传输以及数据库、知识库的维护。

数字化检测系统是以微机为核心，以检测和智能化处理为目的的系统。一般用于被测过程物理量的测量，并进行智能化处理，获得精确数据，通常包括测量、检验、故障诊断、信息处理和决策等多方面内容。由于数字化检测系统充分利用计算机及相关技术，实现了检测过程的智能化和自动化，因此可以在最少人工参与下获得最满意的结果。

检测智能化的水平和实现方法因检测对象、检测要求和应用环境的不同而异。不同的检测应用对智能化水平的要求也不相同，片面追求高智能化通常会增加不必要的系统开发成本与维护费用。因此，检测系统智能化功能需要根据检测系统的要求与应用环境而定。对检测精度要求较高、自动化水平较高或在环境恶劣条件下工作的检测系统，其智能化水平也应较高。在一般的检测系统中，可以采用较初级的智能化功能，以提高性能价格比。

检测智能化的方法大致可以分为两类：一类是传感信号处理方法；另一类是以知识为基础的决策处理方法。典型的数字化检测系统经常是两种方法或子系统的混合。

传感信号处理系统以传感信号调理为主，主要通过硬件和少量软件实现。敏感元件感受被测参数，经信号调理电路可实现自动量程转换、自动校正、自动补偿等功能。(www.xing528.com)

知识处理系统涉及知识库、数据库与推理机，利用显式及隐式存储知识及数据，通过专家系统、人工神经网络技术、模式识别技术等人工智能的方法，实现环境识别处理和信息融合，从而达到高级智能化的水平。

智能传感器通常是传感器与信号调理器和微处理器的集成。因此，其智能化主要是用传感信号处理方法实现的，采用硬件方式实现传感器本身的性能补偿和优化，一般还不能实现整个仪器的补偿和智能化。

智能仪器和虚拟仪器是从不同的思路实现仪器与微处理器融合的两种方式。智能仪器将微处理器嵌入仪器内部形成基于微处理器的独立仪器，而虚拟仪器则是将仪器功能板插入计算机，或直接与微型计算机连接，使计算机具有仪器的功能。这两类仪器都可以采用传感信号处理方法和知识处理方法实现检测智能化，但是智能仪器由于用途专一，因而更便于提高智能化水平。而虚拟仪器由于考虑到柔性与重用性，便于用户自行构建检测系统，一般来说智能化水平稍差，采用知识处理方法提高智能化的难度较大。

通用数字化检测系统由于采用通用微型计算机，可以充分发挥计算机内存量大、运算速度快的特点，利用知识处理方法实现高级智能。例如，用于质量保证的智能化加工检测与诊断系统，系统中包括趋势分析模块和规则式专家系统模块。系统根据检测的传感器信息（切削力、主轴振动、切削温度及声发射信息）经过人工神经网络数据融合，预测加工尺寸及表面粗糙度数值。趋势分析模块对传感信息及预测信息进行趋势分析，得到加工过程及质量参数的连续变化轨迹，并由专家系统模块对生产过程及质量状态做出智能决策。

（三）数字化检测系统的特点

1.测量速度快

计算机技术的发展为数字化检测系统的快速检测提供了有利条件，使其与传统检测过程相比，具有更快的检测速度。

2.高度灵活性

以软件为工作核心的数字化检测系统可以很容易地进行设计生产、修改和复制，方便地更改功能和性能指标。

3.智能化数据处理

计算机可以方便快捷地实现各种算法，用软件对测量结果进行在线处理，从而提高测量精度。同时，可以方便地实现线性化处理、算术平均值处理及相关分析等信息处理。

4.实现多信息数据融合

系统中配备多个测量通道，由计算机对多个测量通道进行高速扫描采样，依据各路信息的相关特性，实现数字化检测系统的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、可靠性和容错性。

5.自检查和故障诊断

系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断功能，检查各单元的故障类型和原因，显示故障部位，并提示对应采取的故障排除方法。

6.检测过程的软件控制

采用软件控制可以方便地实现自动极性判断、自校零与自校准、自动量程切换、自补偿、自动报警、过载保护、信号通道和采样方式的自动选择等。

此外，数字化检测系统还具备人机对话、打印、绘图、通信、专家知识查询和控制输出等智能化功能。