越來(lái)越多的行業(yè)正在尋找一種不使用傳感器測(cè)量物理量（壓力、溫度……）的方法。

這種方法便是軟傳感器。

而軟件傳感器的挑戰(zhàn)在于：如何在不測(cè)量物理量的情況下獲得其值？

1. 什么是軟傳感器？

傳感器是將觀察到的物理量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可用量的裝置。例如，傳感器將汽車的速度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為儀表盤上的顯示值，供駕駛員使用。一般而言，傳感器可分為兩種：物理現(xiàn)實(shí)中的傳感器與軟傳感器。

物理傳感器是測(cè)量物理量的設(shè)備，例如：壓力傳感器（氣壓計(jì)）、 速度傳感器（轉(zhuǎn)速表）和溫度傳感器（溫度計(jì)）等等。

而軟傳感器，也稱為虛擬傳感器，是軟件的通用名稱，其可以同時(shí)處理多個(gè)測(cè)量。通常，軟傳感器基于控制理論，有時(shí)也被稱為 “觀察者”，它是通過(guò)間接使用的，可能有數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)測(cè)量值。

軟傳感器在數(shù)據(jù)融合中特別有用，它將不同特性和動(dòng)態(tài)的測(cè)量結(jié)合在一起。因此，軟傳感器可以用于故障診斷以及控制應(yīng)用。典型的軟傳感器包括卡爾曼濾波器，而最新的軟傳感器會(huì)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊計(jì)算。

軟傳感器應(yīng)用示例：卡爾曼濾波器用于估計(jì)位置、電動(dòng)機(jī)速度估算器、使用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算過(guò)程數(shù)據(jù)、過(guò)程控制中的模糊計(jì)算、食品質(zhì)量評(píng)估。

綜上所述，軟傳感器是一種利用其他傳感器的信息來(lái)估計(jì)物理量的軟件程序，而不是直接測(cè)量。

2.軟傳感器是如何運(yùn)作的？

軟傳感器經(jīng)常被用于在線估計(jì)，基于對(duì)硬件傳感器的測(cè)量信號(hào)的分析，用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型。通常情況下，建模采用第一原理模型、回歸模型或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。軟傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制。

軟傳感器需要測(cè)量、模型和估計(jì)算法來(lái)工作。

測(cè)量：

由于軟傳感器技術(shù)的無(wú)限可能實(shí)現(xiàn)，對(duì)所需硬件的確切需求是逐一研究的。利用系統(tǒng)知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，可以使用更經(jīng)濟(jì)的儀器來(lái)獲得所需精度的測(cè)量。軟傳感器可以共享一些現(xiàn)有的硬件能力。

模型：

軟傳感器中使用的模型代表了系統(tǒng)的知識(shí)，這些知識(shí)被用來(lái)提高測(cè)量的質(zhì)量。所需模型的復(fù)雜度取決于軟傳感器開(kāi)發(fā)的目標(biāo)和系統(tǒng)的復(fù)雜度，范圍從無(wú)到數(shù)千個(gè)動(dòng)態(tài)變量。

簡(jiǎn)單的模型只需要很少的計(jì)算能力來(lái)執(zhí)行估計(jì)算法。如果是更復(fù)雜的模型，可能需要安裝額外的計(jì)算能力。許多模型允許作為嵌入系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這些模型可能是基于 1)有關(guān)過(guò)程變量的物理過(guò)程知識(shí)——即所謂的第一原理模型或白箱模型；2)從系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中確定，但對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有洞察力——即所謂的黑箱模型；3)混合灰箱模型，合并前兩種方法。

估計(jì)算法：

同樣，在模型的情況下，可以應(yīng)用廣泛的估計(jì)算法來(lái)計(jì)算感興趣的變量。從Lueneberger Observer或Kalman Filter等簡(jiǎn)單的線性濾波技術(shù)開(kāi)始，到Extended Kalman Filter或Moving Horizon State Estimation等最先進(jìn)的非線性估計(jì)算法，將軟傳感器的適用范圍擴(kuò)大到在頻繁變化的工作點(diǎn)上運(yùn)行的具有挑戰(zhàn)性的高度非線性系統(tǒng)。

3.應(yīng)用：從物理傳感器到軟傳感器

軟傳感器為工業(yè)中遇到的許多問(wèn)題提供解決方案，這些問(wèn)題涉及可用性，成本，質(zhì)量和測(cè)量的實(shí)用性。通過(guò)改進(jìn)的過(guò)程控制，操作和故障檢測(cè)，改進(jìn)的措施可以提高產(chǎn)品或系統(tǒng)性能的質(zhì)量。

在由于經(jīng)濟(jì)或技術(shù)限制（例如，空間不足，惡劣的環(huán)境條件，極端的操作條件）而無(wú)法使用經(jīng)典儀器完全或頻繁地測(cè)量這些變量的情況下，軟傳感器可提供所需的過(guò)程變量的估計(jì)值。這些估計(jì)值可以解決以下問(wèn)題。

問(wèn)題1：測(cè)量非常昂貴，因此只能定期執(zhí)行。

解決方案：軟傳感器為變量提供連續(xù)的估計(jì)。

問(wèn)題2：儀器過(guò)于昂貴且尚未安裝，因此該過(guò)程更加難以控制。

解決方案：軟傳感器提供廉價(jià)的變量近似值估計(jì)值，從而改善了操作。

問(wèn)題3：沒(méi)有儀器可以直接測(cè)量感興趣的過(guò)程變量，例如系統(tǒng)的熱負(fù)荷。

解決方案：軟傳感器使用可用的測(cè)量值來(lái)提供變量的估計(jì)值，例如，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)以及冷卻劑質(zhì)量流量和系統(tǒng)溫度的測(cè)量值來(lái)計(jì)算熱負(fù)荷。

問(wèn)題4：由于惡劣的條件或僅缺少空間，無(wú)法在目標(biāo)位置安裝任何儀器，例如，在目標(biāo)位置沒(méi)有放置溫度計(jì)的地方。

解決方案：軟傳感器提供了變量的估計(jì)，使用在不同地點(diǎn)進(jìn)行的測(cè)量，與感興趣的地點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，例如，使用感興趣點(diǎn)周圍的溫度知識(shí)和系統(tǒng)模型允許估計(jì)該地點(diǎn)的溫度。