電子測量儀器行業(yè)發(fā)展綜述

單月暉 連潞文 任水生 譚 旭 高 媛

(1.軍委裝備發(fā)展部某中心，北京 100034；2.中國人民解放軍海軍八〇七廠，北京 102401;3.中電科思儀科技股份有限公司，山東青島 266555)

1 引 言

電子測量儀器是以模擬電路技術、數(shù)字電路技術為基礎，涵蓋信號處理技術、通信技術、軟件技術、總線技術等多學科融合的高精尖測量設備或系統(tǒng)。其用途是對電特性進行定性或定量測量，目前已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟各個領域。電子測量儀器的技術水平體現(xiàn)了一個國家的科技水平，關系到國家在眾多高科技領域中的能力，同時也是國防實力的重要標志。隨著科技的發(fā)展，電子測量儀器呈現(xiàn)出智能化、軟件化等新的發(fā)展形態(tài)。本文在梳理電子測量儀器特點、國內電子測量儀器行業(yè)發(fā)展存在問題的基礎上，重點探討了未來電子測量儀器發(fā)展的趨勢。

2 電子測量儀器的特點

2.1 基礎作用重要

電子測量儀器作為信息獲取的物質基礎，是開展電子裝備科研、生產、試驗的關鍵設備，是國家科技現(xiàn)代化的先行者，是高新技術產業(yè)發(fā)展的重要基石和倍增器。目前，電子測量儀器已經(jīng)成為工業(yè)系統(tǒng)科研生產能力建設的一項重要內容，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國約30%的基建技改費用于購買電子測量儀器，其重要性由此可見一斑。

2.2 技術門檻高

一般來講，電子測量儀器的性能指標要比被測對象的相應性能指標至少有一個數(shù)量級的提升，對其穩(wěn)定性、準確性和可靠性要求會更高，特別是不少高性能的指標已接近物理極限，涉及的技術難點多，研制難度大，導致電子測量儀器的發(fā)展具有很高的技術門檻。

隨著科技的快速發(fā)展，用戶對電子測量儀器的功能和性能不斷提出新的需求，呈現(xiàn)出高速、高頻、寬帶、高純、大動態(tài)、高靈敏度等高要求，并呈現(xiàn)出朝著功能多樣化、指標極限化、產品模塊化、應用智能化方向發(fā)展態(tài)勢，其研制生產需要綜合應用很多前沿技術和基礎技術，對電子測量儀器研制單位的技術積累、加工工藝條件、測試條件、環(huán)境試驗條件等方面均有很高的要求，進一步抬高了電子測量儀器行業(yè)的技術門檻。

2.3 資源投入高

一方面，電子測量儀器的技術創(chuàng)新需要強大的資金支撐。近年來，國家高度重視電子測量儀器的研發(fā)工作，陸續(xù)實施了“科學儀器基礎研究專項”、“重大科學儀器設備開發(fā)重點專項”等一系列技術攻關專項，據(jù)統(tǒng)計，十二五以來，國家自然科學基金委、科技部等國家部委累計投入的科研經(jīng)費近百億元，其中單個儀器項目的經(jīng)費資助力度已經(jīng)超過500萬元。

另一方面，電子測量儀器的研發(fā)需要高技術人才的支撐。電子測量儀器的科技含量高，導致電子測量儀器行業(yè)成為一個高技術集約型行業(yè)，對從業(yè)人員的專業(yè)能力要求很高。通常，培養(yǎng)一名高水平的電子測量儀器專業(yè)技術人員往往需要10年以上的時間,無形之中抬高了電子測量儀器行業(yè)準入的人才門檻。

2.4 研制周期長

由于電子測量儀器組成結構比較復雜、研制技術難度大，其產品從基礎技術研發(fā)到投入市場往往需要十幾年的時間，包括從基礎技術到產品化應用的研究周期10年左右、從產品立項到正式投入市場的研制周期3～5年。總體上來說，電子測量儀器產品普遍存在研制周期長、投入大、見效慢的特點，投資風險比較高。

3 電子測量儀器行業(yè)存在的問題

經(jīng)過多年的技術及產業(yè)積累，我國電子測量儀器行業(yè)已經(jīng)具備一定的技術基礎和生產規(guī)模，初步完成產業(yè)布局，具備了與國外公司同臺競爭的能力，基本滿足我國國民經(jīng)濟發(fā)展對電子測量儀器的需求，電子測量儀器依賴進口的局面得到了一定程度的改善。但是，目前國內具備一定產業(yè)規(guī)模的電子測量儀器企業(yè)整體偏少，銷售額超10億元的電子測量儀器制造企業(yè)僅有一家，大部分企業(yè)尚未實現(xiàn)規(guī)模化、產業(yè)化發(fā)展，其產品的技術水平與國外同類產品相比也有一定差距。

3.1 基礎性、前沿性和關鍵共性技術攻關能力不強

國產測試儀器的發(fā)展，在很大程度上受制于國內關鍵技術支撐不足的情況。近年來，不少電子測量儀器制造企業(yè)更多地關注儀器產品的開發(fā)，在事關儀器長遠發(fā)展的基礎性、前瞻性、具有自主知識產權的關鍵共性技術研究方面的資金投入、人力投入嚴重不足，導致核心競爭力較弱。

3.2 高水平專業(yè)技術人才缺乏

科技創(chuàng)新本質是人才驅動，電子測量儀器產業(yè)的發(fā)展需要高技術專業(yè)人才支撐。目前，我國電子測量儀器行業(yè)的從業(yè)人員不足萬人，與國外大型電子測量儀器企業(yè)人員數(shù)量相差甚遠，尤其在高端創(chuàng)新型領軍人才、專業(yè)工程人才上嚴重缺乏，遠不能滿足我國電子測量儀器產業(yè)發(fā)展的需要。

3.3 高端電子測量儀器嚴重依賴進口

我國測試儀器產業(yè)雖然有了一定的發(fā)展，但還不能滿足國民經(jīng)濟各行各業(yè)日益增長的迫切需求，特別是在高端電子測量儀器方面嚴重依賴進口。據(jù)行業(yè)協(xié)會以及海關數(shù)據(jù)估計，我國90%以上電子測量儀器依賴進口。其中，美國是德科技、德國羅德與施瓦茨、美國泰克科技等國外公司產品在我國電子測量儀器高端市場占據(jù)很大份額。

另外，由于我國高端電子測量儀器長期依賴進口，相關的用戶單位已經(jīng)習慣使用進口儀器，導致對國產儀器的了解不足、認可度不高，使用意愿較低。

4 發(fā)展趨勢

針對電子測量儀器的特點以及我國電子測量儀器行業(yè)存在的現(xiàn)實問題，建議從兩方面著手加快推進電子測量儀器的發(fā)展。一方面，應持續(xù)加大投入，加強關鍵技術攻關、人才隊伍建設、產業(yè)化建設等，夯實電子測量儀器發(fā)展基礎，提升國產化能力，逐步緩解高端儀器嚴重依賴進口的被動局面。另一方面，應持續(xù)跟蹤測試技術前沿發(fā)展動態(tài)，前瞻布局測試儀器軟件化、智能化等新形態(tài)研究，提升測試儀器領域的自主創(chuàng)新和原始創(chuàng)新能力，增強行業(yè)發(fā)展后勁。本節(jié)著重介紹電子測量儀器軟件化和智能化兩個發(fā)展趨勢。

4.1 電子測量儀器軟件化

伴隨著測試需求的多樣化和復雜化，以及動態(tài)可重構技術的發(fā)展，可以重新配置的測試系統(tǒng)應運而生。其系統(tǒng)硬件應具備可編程、可重新配置能力，系統(tǒng)軟件應具備足夠的靈活性在儀器內部實現(xiàn)智能處理。其中涉及的關鍵技術是軟件定義儀器技術，即基于單片系統(tǒng)技術，構建儀器系統(tǒng)硬件通用平臺，對傳統(tǒng)儀器的硬件、軟件組成進行合理的模塊化，定義標準的控制接口、互聯(lián)接口、結構形式，實現(xiàn)硬件電路的靈活組合和連接，信號處理的可重配置，軟件功能的可擴展和測試任務可重構，滿足不同的測試需求。

軟件定義儀器技術是對以結構和功能固化為特征的傳統(tǒng)測量儀器的柔性化升級，包括硬件可重構技術和軟件可重構技術。

硬件可重構技術是以FPGA等可編程邏輯器件作為系統(tǒng)的邏輯控制核心，在儀器運行過程中通過軟件實時控制，根據(jù)用戶需求重新加載硬件的配置信息，改變其內部的邏輯結構和布局布線，實現(xiàn)電路重構，從而使固定的硬件實現(xiàn)多種可編程解法。硬件可重構技術不僅可以提高測試系統(tǒng)的實時處理能力、自適應能力、可靠性，還可以減小系統(tǒng)硬件的規(guī)模和降低功耗。

軟件可重構技術是利用已有的軟件成分來構造新的軟件，實現(xiàn)軟件框架和軟件功能的重構。在軟件定義儀器體系結構中，測試軟件在可重構儀器系統(tǒng)平臺的結構或者任務發(fā)生變化時，改變相應的軟件，或調用已有的但未啟用的組件，配合可重構儀器系統(tǒng)進行快速重構實現(xiàn)功能擴展，以滿足測試任務的要求。

4.2 電子測量儀器智能化

人工智能作為一個新興前沿學科，是引領未來發(fā)展的戰(zhàn)略性技術，是德科技、NI等國際知名電子測量儀器生產企業(yè)紛紛投入大量資金和人力，加緊布局人工智能技術在測試儀器中的應用研究。我國也將加緊布局“人工智能+測試儀器”產業(yè)，推進新一代人工智能與電子測量儀器深度融合，打造“有思想、會思考”的智慧儀器產業(yè)，用現(xiàn)代人工智能技術賦予電子測量儀器新動能。當前，測量與計算機、控制、通信和人工智能技術的融合,形成了MCI體系架構,正朝著智能故障診斷預測、智能測試對象認知、智能測試流程規(guī)劃、智能測試決策生成等方向發(fā)展。

智能故障診斷預測是目前應用前景最為確定的智能測試技術研究方向。隨著大型電子設備集成化、信息化水平越來越高，其結構越來越復雜，軸承等內部部件故障發(fā)生率和維修成本也越來越高。對電子設備部件的故障機理進行深入研究，對監(jiān)測指標進行趨勢分析和故障預測是未來電子設備保障維護的重要發(fā)展方向。智能故障診斷預測使用大量信息數(shù)據(jù)，采用推斷統(tǒng)計、神經(jīng)網(wǎng)絡等研究方法，對測試數(shù)據(jù)進行分析和預測，從而評估電子設備剩余壽命和健康狀況，在壽命周期內、故障發(fā)生前對指標進行預測和采取預防舉措，最大限度保證電子設備健康工作。

智能測試對象認知是智能測試技術的基礎。目前的測試模式是測試人員集成資源適應測試對象，測試資源不具備對測試對象的自主認知功能。在復雜環(huán)境下電子設備的測試過程中，復雜多變的被測信號或種類繁多的被測對象要求裝備測試具備自適應測試對象認知、測試資源構建與參數(shù)優(yōu)化能力，實現(xiàn)多對象、多場景裝備的應變認知測試，為信號變化產生的測試對象應變認知提供能力支撐，進而要求具備信號或對象的快速感知認知能力，為快速準確無人化設備測試提供支撐，未來急需突破基于機器視覺、目標檢測等智能交互手段的測試對象智能認知技術。

智能測試流程規(guī)劃可以解決目前測試流程生成慢、人員依賴度高等問題，實現(xiàn)測試流程快速自主規(guī)劃，滿足電子設備的智能化測試需求。急需技術攻關的主要內容包括：一是如何從復雜多變的測試流程中選擇精準認知的測試方法，以應對不同測試任務下的測試流程需求。二是如何設計覆蓋指定任務、測試思維形成、測試指令全局下達、測試參數(shù)自主全局提取等各流程的測試行為響應機制，實現(xiàn)全流程的測試行為全局自主響應。

智能測試決策生成是智能測試技術研究的核心。未來電子設備的智能集成化、控制無人化、場景適應化、性能尖端化程度高，對其進行測試，需要測試儀器具備決策輔助結論的快速準確生成能力。當前，電子設備進行性能測試以信號測試為主，對生成決策輔助結論的支撐較弱；進行狀態(tài)測試必須依賴測試專家人為判斷，且無法生成準確的決策輔助結論。未來，基于信號數(shù)據(jù)到輔助決策的決策自主生成技術研究，是實現(xiàn)智能測試決策生成的一個重要發(fā)展方向。

5 結束語

科技要發(fā)展，測試需先行。作為一個工業(yè)大國、科技大國，電子測量儀器要實現(xiàn)自主發(fā)展，必須打造我國自己的電子測量儀器工業(yè)體系，培養(yǎng)自己的測量儀器尖端企業(yè)，構建從前沿技術研究、關鍵技術攻關、產品研制到市場銷售各環(huán)節(jié)在內的現(xiàn)代電子測量儀器一條龍發(fā)展的格局。本文從專業(yè)角度對電子測量儀器特點、行業(yè)發(fā)展存在問題進行了綜合論述，并探討了電子測量儀器未來發(fā)展趨勢，希望能對電子測量儀器發(fā)展提供參考。