试论测量仪器新概念——测量仪器云

姚 钪，赵 伟，黄松岭

（清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京 100084）

0 引 言

现今，云计算技术正迅猛发展。云计算意味着一种服务、交互和使用模式，它基于庞大的硬件平台和网络环境将大量计算资源经联网被统一管理和调度，以构成一个计算资源池。依托云计算，任意用户通过网络、合适的接入设备及标准的浏览器，可实现文档处理、资料存储、问题分析、科学计算、数值仿真等任务。云计算昭示着人类工作和生活方式的一种变革。

云计算技术将会大力推动具有鲜明计算机化、网络化、智能化、软硬件结合日益紧密特征的测量仪器的发展。本文论及的测量仪器云概念，就是将云计算技术架构应用于新型测量仪器模型建立的一个探索性尝试。

1 测量仪器的沿革及其新概念

1.1 测量仪器的沿革以及需求带动下的进步趋势

纵观利用测量仪器进行试验、从事科学研究的历史，测量仪器的发展变化大致经历了模拟指针式仪器、数字式仪器、初步智能仪器以及虚拟仪器4个阶段[1]。

早期的测量仪器都是独立式的，每台仪器都包含有被测对象信息传感拾取、信号调理、分析处理、存储输出等所有功能单元。到了虚拟仪器亦即计算机化的仪器阶段，测量仪器的构成发生了根本性变化，传感器独立出测量仪器之外，不同被测对象被转换成符合共性标准的电压信号后，被采集送入计算机，测算、分析及处理、输出及显示等任务均交由计算机来完成。装设在计算机中的测量仪器软件，能实现对传感器输出的测得数据的采集、测算、分析、处理、结果显示等传统测量仪器的绝大部分功能。对不同种类被测对象的测量，差别主要在传感器和所调用的装设在计算机中测量软件功能的不同。测量仪器以“传感器+计算机+测算软件”为载体，并得益于这三者的不断优化，在测量自动化、仪器尺寸减小、测量效率提高、测量结果更准确、测量功能拓展等很多方面比传统测量仪器有明显改进和提高，已在越来越多的领域和方面，以越来越高的比例取代了模拟式、数字式及初步智能式仪器[2]。

但到了今天，虚拟仪器这种与计算机高度融合的构建模式，在更大规模、更快实现以及更多样化的测量任务需求面前，又表现出了不适应性，因为它的性能受限于构建它的单台计算机。如果能利用网络平台资源，例如利用多台计算机并行处理测量数据、采用新的测量算法等，则将可能在现有测量仪器资源水平不变的情况下，进一步提高测量仪器的能力和水平。因此，突破测量软件资源仅与单件仪器硬件即单台计算机紧密融合这种资源有限的约束，是日益增长的新测量任务对测量仪器提出的新需求，这也成为了测量仪器技术发展的动因。

1.2 测量仪器新概念——测量仪器云

云计算是将规模宏大的计算任务提交到由大量计算机构成的计算资源池，获取到所需计算能力、存储空间和软件服务的一种技术，是计算机科学概念的商业实现。云计算能以一种服务的方式提供给用户所需的计算能力，允许用户无需了解计算服务的具体技术细节，就能获取到满意的计算能力服务[3]。

测量仪器云是虚拟仪器、网格仪器、云计算及测量等多种技术整合、融通、演进并跃升的结果，即测量仪器云将云计算技术架构应用到虚拟仪器和网格仪器上，将它们升级为更广阔、更通用、更灵活的系统平台上的仪器资源。测量仪器云采用了云计算的技术架构，继承、吸纳云计算的构建模式和技术特征，具体将各种现有的、大量的测量仪器资源集中在一个先进的平台之上，通过整合、融通及共享，使它们在统一的管理和调配下具备更大的使用灵活性和更高的利用效率，从而将宏大的、满足各类不同需求的测量仪器资源，以一种服务的形式提供给用户，使用户能获得所需的更强测算能力的测量仪器资源。

2 测量仪器云产生的技术基础

伴随着计算机技术近20年的迅猛发展，作为测量仪器云构建基础的传感器、分布式处理、并行计算、网格仪器等关键技术均已有成功实践，甚至已得到了广泛的应用。

2.1 现代传感器已具备与测量仪器云互联的性能

现代传感器将传统测量仪器感知、拾取被测对象信息的测量功能承担起来，在新材料、微电子技术、数字化技术等的支撑下，体积越来越小，规格系列越来越齐全，对被测对象影响越来越小，即感知、拾取被测对象信息的准确度越来越高，去噪能力越来越强，测量范围越来越大，自动化、智能化水平越来越高；且由于其输出即为计算机的输入，故已具备标准、通用I/O接口；相比于传统单台式测量仪器，构建成本明显降低，感知、拾取被测对象的种类及量值范围也明显增大。目前，科学家也在努力使传感器变得更智能，会自动进行有意义的分析和处理。现代传感器的上述技术特征，十分适合于测量仪器云平台对现代传感器应具有与其连接的标准接口，从而可无障碍地向其提供测量数据的需求。

2.2 分布式处理技术是测量仪器云构建的技术基础之一

分布式处理技术是由多个自主、相互连接的信息处理系统在一个高级操作系统协调下共同完成同一任务时处理相应数据信息的一种方式。为满足越来越多领域要求应用计算机解决其不断膨胀的任务需求，具备相应功能信息处理系统的结构也越来越复杂。运用分布式处理技术，能在短时间内动态地完成面向不同服务对象的计算、分析及处理系统的构建。这对满足大量并发、复杂的多个测量任务对测量仪器资源的需求是必要的。分布式处理技术所具有的这种能力和特性，无疑可为测量仪器云的海量数据处理提供技术支撑[4]。

2.3 并行计算使测量仪器云实现快捷测算成为可能

并行计算是同时执行多个处理机的一种计算方法。实施并行计算，旨在节省求解大型或复杂问题所需的时间。不少现代测量任务完成过程中产生的中间结果、需调用的其他结果等数据，可能是大量的、复杂的，且还具有多类型等特点，因此在完成相应测量任务时，十分必要实施并行计算。并行计算的实施，是追求时间并行与空间并行的结合。时间并行是指对一个任务的多个相互独立部分同时进行处理；空间并行指用重复的计算能力资源同时服务于任务的完成。通过时间重叠和资源重复的综合应用，可实现加快计算、分析及处理任务数据之目的。显见，并行计算应成为测量仪器云的运作模式，即由测量仪器云实施、完成的测量也应是时间并行与空间并行相结合的。将来，借助测量仪器云，一个测量任务中多个相互独立的子任务可同时享用相应的测量仪器资源被完成，同时，分处在不同位置的更多测量仪器资源均被调动，从而加快完成整个测量任务的进程[4]。

2.4 测量仪器网格是测量仪器云的雏形

前几年出现的网格仪器构建的初衷，就是想尽可能地利用各种现有的仪器资源。测量仪器网格是在可靠的网络传输基础上建立起来的测量信息处理的基础设施平台，它将分散的、能够连网的测量仪器设备以及网络上的测量信息，以一种合理、有效的方式粘合起来，形成有机的整体，向用户提供远比单台测量仪器强大的测算、存储能力，以及测量仪器设备访问即信息融合与共享能力，并为测量仪器资源的深层次共享与协同工作提供可能。不少专业性网格仪器构建的成功实践，为构建更广泛、更通用、更大规模的测量仪器云提供了先期经验，相应于测量仪器云的初级阶段或雏形[5-6]。

有了传感器、分布式处理，并行计算和网格仪器等关键技术作支撑，实现测量仪器云的条件正日益成熟。因此完全有理由相信，在不久的将来，会实现测量仪器软硬件资源可经由网络提供，因为只要有相应的网络化、智能化传感器及合适的接入设备，就可方便地从测量仪器云的平台上获取到所需的测量仪器资源，即借助测量仪器云快捷完成测量任务将成为一种新的测量方式。

3 测量仪器云的技术特点和优势

3.1 测量仪器云的技术特点

与传统的测量仪器相比，测量仪器云有2个突出特点：

（1）构建目标不同。鉴于对众多不同领域被测对象实施数字化测量时，在经传感器将它们变换为计算机可接受的电压量之后，测算、分析、处理、存储和显示等所有功能几乎都是依靠AD、DA、计算机、网络、软件化的数学模型实现，而不论被测对象属于哪个领域，故构建测量仪器云的目标，就是要尽可能地利用各种网络化的测量仪器软硬件资源，将它们加以集中并全面整合，构建起测量用的“云”平台；同时，要能够将大量的测量数据分割成互相独立的众多小测算处理任务，然后交由“云”平台上不同的测量仪器资源去测算、分析；随后将这些结果回收，再经分析、处理、整合，最后形成被测对象的完整测量结果并返回给用户。构建测量仪器云实际上是在构建一种测量系统平台，在其上，不同领域、不同种类的测量任务，均能够被可靠、有效、快速地完成。而传统测量仪器，包括非网络化的虚拟仪器，其目的则是为测量某种或某些种对象专门设计的，通常只能完成单一或为数不多的功能（非网络化虚拟仪器虽可完成较多功能，但需要相应测量硬件做支撑，且其数据处理能力较有限），即传统测量仪器在更广范围意义上的通用性较差。

（2）资源分配方式不同。在外界看来，测量仪器云就是一个巨大的且可不断扩充测量仪器软硬件资源池[4]。测量仪器云借助仪器虚拟化技术将相关仪器资源加以整合、配置，用户只需按特定格式，将测量任务提交给测量仪器云平台即可。测量仪器云平台会自动找寻为解决该测量任务所需的仪器资源，然后优化地将任务加以分解和分配，直至整个任务被完成。

而对于传统测量仪器，由于其软硬件资源均是确定的、有限的，测量人员只需按规程对有限的被测对象实施测量即可，如此的测量方式，不存在分配测量仪器资源的问题。

3.2 测量仪器云的技术优势

相比于传统的测量仪器和测量方式，测量仪器云至少有如下7点技术优势：

（1）超大规模。测量仪器云具有宏大的仪器资源规模，能赋予用户前所未有的测算、分析、处理及存储能力。例如已有的某些云计算平台，拥有几十万台到上百万台服务器，它们并行地工作，共同完成一个计算目标。试想，构建成如此规模的测量仪器云，其测算、分析、处理、存储等能力无疑将远远超过普通测量仪器或单台PC仪器的能力[3]。

（2）功能强大。测量仪器云可提供各种类型的测量仪器资源服务，宏观上包括数据采集、显示、量值超标报警提示，根据测得数据计算需量（例如电、水、气、热、有线电视、网络、电话等生活需量）耗用的花费，存储数据，执行工作安全性监视，为增强现实（augmented reality）技术实现提供海量以往信息支撑等；微观上，可实现家庭医疗管理，江、河全流域水文气象信息监测，电力系统全网域功率潮流及电能质量监控，国家或省市级全地域地震信息实时监测及统计分析，中心城市汽车尾气排放状况监测及结果实时统计分析等。测量仪器云能给用户巨大的测量仪器软硬件资源利用空间，让其按照相应标准和规范，能更容易地共享大量测量仪器和测得信息。

（3）通用性强。测量仪器云不限于应对特定的测量任务，具有很强的通用性，且可同时支撑多个不同测量任务的解决。在测量仪器云中，测量仪器软件的能力可得到充分发挥；测量数据不再被约束于一台特定计算机的特殊数据采集、分析过程；传感器获取到的测量数据可同时由测量仪器云中的多台应用服务器接收并处理。

（4）高可靠性。测量仪器云拥有大量的仪器资源，可使用测量数据多副本容错、计算节点同构等技术措施来保障其所提供仪器资源服务的高可靠性，而这比使用本地计算机更加可靠[3，6]。

（5）便捷性。测量仪器云支持用户在拥有可测量特定对象的传感器条件下，在任意位置使用各种终端获取应用服务。

（6）可扩展性。测量仪器云采用标准、通用的数据接口，可不断接纳新的测量仪器资源，即其规模可动态扩展，故可更好地满足测量用户规模增长的服务需求[7]。

（7）成本低。测量仪器云使用户无需为不同的测量任务购买测量仪器资源，而只需交纳少量服务费及购买相应的传感器，这无疑将大大节省用户完成相应测量任务的成本[3]。同时测量仪器资源由仪器云平台调配，也能够使用户始终获取优质的服务。

4 测量仪器云服务

测量仪器云技术是跟随云计算发展出现的一种测量服务新模式，它基于分布式计算和虚拟化技术建设系统平台，以租赁或免费方式向用户提供测量仪器资源服务（如测算、分析、处理及存储等）。广义的测量仪器云技术是指通过建立网络服务平台，向多种不同类型用户提供硬件使用、测算分析、数据存储、信息共享等完整的现代测量服务[3]。

测量仪器云中的云，就是指存在于网络环境的与数字化测量相关的各种仪器资源，包括硬件资源（如服务器、存储器和处理器等）和软件资源（如测量仪器构建工具、数据分析处理软件、系统集成开发环境等）。本地终端只需按标准格式提供测量数据和所需结果的格式，测量仪器云就会为其提供相应的仪器资源，并将测算、分析、处理、存储结果反馈给发送请求的终端。测量仪器云提供测量仪器资源的具体服务类型包括基础设施、平台及软件等3类[3]。

4.1 测量仪器云的基础设施服务

测量仪器云基础设施位于测量仪器云的底层，包括各种测量仪器设备硬件资源，它们是测量仪器云平台建立的基础[4]。测量仪器云基础设施提供给用户的服务是对所有平台仪器设施的使用，包括计算、存储和带宽等资源，通过将服务器、存储器等虚拟化成一个数据中心，来为测量仪器云用户提供服务。用户可在之上部署或运行各种软件，也可通过数据中心获取到可度量的测算、分析、存储、网络和单机操作系统等基础资源。

4.2 测量仪器云的平台服务

测量仪器云的平台能够提供软件开发环境和运行环境，这被作为一种服务通过网络提供给用户。测量仪器云的平台，构建在测量仪器云的基础设施之上[4]。用户可在测量仪器云的平台开发环境下创建自己的测量任务应用，也可直接在测量仪器云的平台运行环境中完成自己的测量任务。测量仪器云的平台还能给用户提供订阅、计费、部署、监控等服务。

4.3 测量仪器云的软件服务

测量仪器云的软件服务旨在提供基于测量仪器云平台开发出的各种测量应用软件给众多用户。从用户角度，这意味着无需自己购买测量仪器，也无需自己设计测量方法，而只需按照软件要求提供传感器输出的测量结果，即可得到由测量仪器云完成的最终测得结果。而从测量仪器云的软件服务角度，能够为更多用户提供服务，并可从中获取回报。这将有利于其不断改进、优化测量用软件，使用户得到更全面、更可靠、更先进的测量仪器软件资源。

5 测量仪器云的构建要求及部署模式

5.1 对硬件基础设施的要求

构建测量仪器云，需要着力提高网络数据处理和存储能力，并致力于高效利用基础设施资源。具体地，应从大量高性能服务器、海量存储设备等硬件基础设施的建设出发，提高测量仪器云数据处理中心的数据处理能力。测量仪器云可能面向众多并发的测量需求，面临众多测量信息存储任务，涉及大量测得数据检索、分析、处理的请求，加之相应数据及其处理的多样性等，这些均要求有很强的基础设施作支撑。

（1）大量高性能服务器。对于测量仪器云承接的多类测量任务，需要有大量高性能服务器来提供测量仪器资源服务。传统测量仪器最多用到与独立式测量仪器相连的PC机。而面对大量并发、多种多样的测量任务，如何大范围地调配不同的服务器，整合测量仪器云中尽可能多的仪器资源参与测量任务的完成，数据处理将是其中的主要瓶颈之一。鉴于PC机提供服务存在不确定性，增加大量高性能服务器将是对测量仪器云基础设施支撑的必然需求。

（2）海量存储设备。测量仪器云广泛涉及大量不同测量数据的处理业务。因测量需求多，数据量可能十分巨大，普通存储设备不能满足测量数据处理对存储空间、稳定性和可用性等方面的更高要求。因而，需要有高效、稳定的海量存储设备作支撑，海量存储设备是测量仪器云硬件基础设施的必要组成部分。

5.2 有必要建立服务商业平台

测量仪器云服务商业平台提供的是一种与用户紧密结合的服务模式。它类似于搜索引擎，能将用户的需求提供给测量仪器云，然后，测量仪器云通过该服务商业平台反馈给用户符合需求的软件或服务列表，其中的费用管理子系统允许用户在相应规格范围内，从测量仪器云订购所需且与价格相符的测量能力服务。通过构建服务商业平台，能形成规范的测量仪器云服务模式，使用户和开发者均能从测量仪器云的构建中获益，进而促进测量仪器云技术的发展，形成良性循环[8]。

5.3 测量仪器云的部署模式

仪器云的数据安全也是仪器云实现的重要技术支撑之一。根据实际需求，测量仪器云的部署有私有测量仪器云、公有测量仪器云及混合测量仪器云之分。所谓私有测量仪器云，是指仅供一个组织单独使用的测量仪器云。私有测量仪器云适用于对测量数据有严格保密要求的用户[9]，通过数据加密权限、数据备份等建立完成的数据安全机制。借助私有测量仪器云，测量结果被存储在特定的服务器中，同时能兼顾测量方便和安全等方面的考虑。而公有测量仪器云是指能为所有用户提供测量仪器资源的测量仪器云。大量基本的跨领域的测量任务，均可交给公有测量仪器云去完成，从而可大大降低测量成本。至于混合测量仪器云，则是私有测量仪器云与公有测量仪器云的组合体，其在构成上保留了私有和公有测量仪器云各自独立的实体，而这些测量仪器云实体则通过标准或私有的数据和业务迁移技术被绑定在一起[10]。

5.4 测量仪器云的架构初想

测量仪器云的基本架构应当包括基本设备层、基础管理层、应用接口层、用户访问层。基本设备层：测量仪器云中的各种设备资源，测量仪器云中的大量设备分布在不同地方，它们之间通过测量仪器云平台联系在一起。基础管理层：通过对大量设备资源的集群和分布式管理，使得测量仪器云中所有设备资源协同工作，整体对外提供服务。应用接口层：服务提供者可以根据需要、权限提供不同的接口和服务。用户访问层：用户可以根据个人的权限通过测量仪器云公共接口来登录，获取所需的服务[11]。

6 结束语

将云计算技术架构应用于新型测量仪器的构建，使云计算与虚拟仪器、网格仪器相融合，构建起测量仪器云，从而可为众多、不同领域用户提供宏大、标准、通用的测量仪器资源。在这种模式下，测量仪器硬件将向专用传感器方向发展，它带标准接口，可与测量仪器云相连，将对被测信号的测算、分析、处理、存储等均交由测量仪器云去完成。测量仪器云中的所有测量功能软件，由测量仪器云的平台开发者提供；而对海量测量数据的处理，将能通过分布式、并行计算等得到解决。

测量仪器云的出现，将催生新的具有服务特征的测量方式：通过硬件基础设施、平台和软件3种服务模式，测量仪器云能够为用户提供低成本、高效率、灵活、多样的测量仪器资源服务；测量仪器云要求有大量高性能服务器和海量存储设备作为硬件基础设施，并需要建立新的服务商业平台；而出于对测量需求及测量数据安全性等考虑，可使用不同的测量仪器云部署模式。

完全有理由相信，随着虚拟仪器、网络技术、云计算以及测量等技术的不断发展进步和日益紧密地相互结合与融通，先进、新型的测量仪器即测量仪器云的出现指日可待。

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