“大數(shù)據(jù)”帶來(lái)新機(jī)遇 儀器儀表提供安全保障
時(shí)間：2020-08-27 11:09
一般而言，“大數(shù)據(jù)”指具有大容量、高速度、內(nèi)容多樣性和價(jià)值密度低等四個(gè)關(guān)鍵特性的數(shù)據(jù)和信息。儀器儀表是一類重要的“大數(shù)據(jù)”數(shù)據(jù)源，反映的是觀察、記錄、描述自然世界時(shí)所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，如科研數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等。相對(duì)互聯(lián)網(wǎng)線上活動(dòng)、社交網(wǎng)絡(luò)、人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、金融交易行為、電子商務(wù)、通信行為明細(xì)等由人類社會(huì)行為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)源，儀器儀表引起的“大數(shù)據(jù)”現(xiàn)象具有單個(gè)數(shù)據(jù)塊大、數(shù)據(jù)總量巨大、形式上非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的獲取、轉(zhuǎn)換、存貯、處理和揭示物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是儀器儀表的基本任務(wù)。
為此，在這里主要探討兩類問(wèn)題：針對(duì)“大數(shù)據(jù)”引起的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，研究?jī)x器儀表技術(shù)的本身發(fā)展問(wèn)題;抓住“大數(shù)據(jù)”帶來(lái)的空前機(jī)遇，研究?jī)x器儀表技術(shù)對(duì)“大數(shù)據(jù)”的支撐問(wèn)題。
一、“大數(shù)據(jù)”現(xiàn)象下的儀器儀表可研究方向
1、儀器儀表中“大數(shù)據(jù)”的獲取與傳輸問(wèn)題
“大數(shù)據(jù)”的獲取通常是高速率的，這對(duì)儀器儀表檢測(cè)通道的D/A轉(zhuǎn)換能力提出了很高的要求，開發(fā)高采樣率、高速率的數(shù)據(jù)采集裝置成為一個(gè)值得研究的方向。電信號(hào)傳輸方面，SFP和QSFP接口技術(shù)正在普及，下一代25G接口技術(shù)也正在研發(fā);光信號(hào)傳輸也非常值得研究。一個(gè)典型案例比如測(cè)繪地理信息，諸如海島、山脈等地理圖形，依靠傳統(tǒng)測(cè)量手段來(lái)獲取不具有可操作性，現(xiàn)在一般采用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，這被看做測(cè)繪行業(yè)進(jìn)入數(shù)字化測(cè)量時(shí)代的象征，由于飛機(jī)航速快、測(cè)繪面積大，帶來(lái)的單位時(shí)間數(shù)據(jù)量巨大。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)集成GPS、IMU、激光掃描、數(shù)碼相機(jī)等多種光譜成像儀器，具有很強(qiáng)的數(shù)字成像能力。“大數(shù)據(jù)”中測(cè)繪儀器儀表的測(cè)量技術(shù)更強(qiáng)調(diào)具有高頻掃描、寬視角的能力。
2、儀器儀表中“大數(shù)據(jù)”的存儲(chǔ)問(wèn)題
長(zhǎng)久、可靠的保存“大數(shù)據(jù)”，并保證其在可用性和可訪問(wèn)性以及在使用“大數(shù)據(jù)”過(guò)程中，存儲(chǔ)技術(shù)如何充分利用、發(fā)揮現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、介質(zhì)訪問(wèn)技術(shù)，從而及時(shí)高效地為高層決策提供滿足讀寫要求的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。現(xiàn)有的儀表磁盤故障、陣列存儲(chǔ)形式會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)管理、訪問(wèn)、可靠性的瓶頸。開發(fā)對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)、具有冗余糾錯(cuò)副本功能儲(chǔ)存技術(shù)，儀器儀表存儲(chǔ)“大數(shù)據(jù)”的能力有待研究。傳統(tǒng)的“磁盤文件系統(tǒng)”的儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)不適應(yīng)“大數(shù)據(jù)”，采用“Flash云”的儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)應(yīng)用于儀器儀表亟待研究。
3、儀器儀表中“大數(shù)據(jù)”的處理、利用問(wèn)題
不同的儀器儀表獲得的“大數(shù)據(jù)”的格式結(jié)構(gòu)不一致，比如有流量、壓力、密度等物理量，也有文本、音頻、視頻等多媒體信息。儀器儀表中的“大數(shù)據(jù)”分析處理利用問(wèn)題不局限于單個(gè)單元，而是由大量嵌入設(shè)備的傳感器、控制器、執(zhí)行器構(gòu)成的整體系統(tǒng)完成。數(shù)據(jù)挖掘算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)等人工智能方法越來(lái)越被廣泛應(yīng)用到智能設(shè)備中，從而完成對(duì)“大數(shù)據(jù)”的分析處理利用。一個(gè)實(shí)例是智能電表，當(dāng)用戶安裝有太陽(yáng)能等新能源時(shí)，用戶自產(chǎn)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能與企業(yè)供應(yīng)的電能之間可以存在一個(gè)平衡關(guān)系，智能電表終端通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)單位時(shí)間采用的用戶用電習(xí)慣等“大數(shù)據(jù)”，可以智能預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)用戶用電需求，再通過(guò)電量交易平衡電網(wǎng)壓力和削減用電成本。
現(xiàn)在一種觀點(diǎn)認(rèn)為，儀器儀表的“大數(shù)據(jù)”行為強(qiáng)烈依賴IT設(shè)備，建立數(shù)據(jù)采集儀器到IT設(shè)備之間緊密聯(lián)系的端到端解決方案具有較大挑戰(zhàn)性。
4、儀器儀表中“大數(shù)據(jù)”的安全問(wèn)題
如何保證自身以及用戶數(shù)據(jù)的安全隱私，已經(jīng)成了“大數(shù)據(jù)”發(fā)展的首要議題。儀器儀表安裝位置廣泛，有的暴露自然環(huán)境之中，也有通過(guò)軟環(huán)境受到數(shù)據(jù)入侵造成的數(shù)據(jù)毀滅，儀器儀表技術(shù)的“大數(shù)據(jù)”安全問(wèn)題值得研究。需要建立自上而下的儀器主動(dòng)安全防護(hù)體系，對(duì)“大數(shù)據(jù)”的入侵、毀滅具有可抗性、恢復(fù)性。
總的來(lái)說(shuō)，“大數(shù)據(jù)”下的儀器儀表研究開發(fā)已逐漸突破傳統(tǒng)范疇，正在向云計(jì)算、云存儲(chǔ)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等融合發(fā)展。工程師們需要開發(fā)擁有更高帶寬和吞吐量的最先進(jìn)的高速串行數(shù)據(jù)總線技術(shù)，同時(shí)對(duì)不斷更新和復(fù)雜化的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供簡(jiǎn)單省時(shí)又精確的測(cè)量方法;解決各種瞬態(tài)信號(hào)在時(shí)間相關(guān)的多個(gè)互聯(lián)域中的聯(lián)合監(jiān)測(cè)和分析;在能源技術(shù)方面做到更高效、節(jié)能、穩(wěn)定。
二、儀器儀表技術(shù)的發(fā)展對(duì)“大數(shù)據(jù)”的支撐
1、多物理量檢測(cè)技術(shù)、RFID技術(shù)和模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等為“大數(shù)據(jù)”的獲取提供前提與支撐。
多種物理量檢測(cè)獲取到不同種類的數(shù)據(jù)，即為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，現(xiàn)代儀表檢測(cè)的靈敏度、精度、測(cè)量范圍、檢測(cè)對(duì)象都有了很大的提升，現(xiàn)代儀器儀表對(duì)物理世界的認(rèn)知交互應(yīng)用越來(lái)越廣泛。先進(jìn)的傳感檢測(cè)儀表是信息世界與物理世界互動(dòng)的前提，也是造成海量數(shù)據(jù)的原因。如美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)開發(fā)的產(chǎn)品NICompactDAQ、CompactRIO、PXI硬件，以及諸如NILabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件和DIAdem之類的工具為“大數(shù)據(jù)”實(shí)時(shí)的在采集數(shù)據(jù)的源頭處理數(shù)據(jù)。
2、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、總線技術(shù)、分布式儀表技術(shù)為“大數(shù)據(jù)”的信息融合提供多樣性保障。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過(guò)程日趨復(fù)雜，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化儀表和各種信息的集成設(shè)備信息綜合要求越來(lái)越高。據(jù)估計(jì)，到2020年，全球?qū)⒂屑s300億的儀器設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式發(fā)生互聯(lián)，無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)、智能交通等中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。一個(gè)大的復(fù)雜系統(tǒng)亟需綜合各種數(shù)據(jù)信息，不同設(shè)備檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)是不同的;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，中間點(diǎn)智能變送器發(fā)揮的作用更加重要，它將為上層設(shè)備的“大數(shù)據(jù)”分析提供可訪問(wèn)性、可用性。總的來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)、分布式測(cè)量技術(shù)為儀器儀表產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”信息的時(shí)空融合提供渠道，以保證數(shù)據(jù)多樣性。
3、低功耗、高處理能力的集成電路與存儲(chǔ)技術(shù)為“大數(shù)據(jù)”的運(yùn)算處理速度和海量存儲(chǔ)提供可能。
低功耗、高頻率的微型芯片、大規(guī)模集成電路、超大容量存儲(chǔ)技術(shù)的迅猛發(fā)展直接促進(jìn)了海量數(shù)據(jù)的有效處理與存儲(chǔ)。近年出現(xiàn)的云儲(chǔ)存技術(shù)有效突破本地單一傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的局限。1965年，GordonMoore提出著名的摩爾定律，即集成電路中晶體管數(shù)量大約每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。近50年過(guò)去，摩爾定律依然影響著電子行業(yè)，摩爾定律的效應(yīng)令技術(shù)的價(jià)格變得可以讓人承受，并且新的發(fā)明幫助工程師和科學(xué)家以先進(jìn)的電子儀器儀表采集、分析和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，正是這些變化引起了“大數(shù)據(jù)”這一奇觀現(xiàn)象。
4、嵌入“智慧”的儀器儀表為“大數(shù)據(jù)”的低密度價(jià)值信息的分析、綜合、提取、決策提供支持。
從“大數(shù)據(jù)”中汲取價(jià)值的過(guò)程是一個(gè)從原始數(shù)據(jù)獲取到有價(jià)值信息提煉的階段過(guò)程。統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法越來(lái)越被嵌入到智能儀器儀表中，使得對(duì)“大數(shù)據(jù)”的價(jià)值利用更為充分，借助現(xiàn)代化微型智能處理器、執(zhí)行單元儀表等，可以建立有效的“大數(shù)據(jù)”分析模型，并在大量數(shù)據(jù)集合上執(zhí)行多種模式的智能交互。
