文/汪建鋒

研發(fā)4.0：未來實驗室解決方案

文/汪建鋒

最終實現(xiàn)“無人研發(fā)”的智能化全面解決方案

2015年9月，我有幸參與“未來實驗室創(chuàng)新與發(fā)展高峰論壇”，并提出“研發(fā)4.0”概念，嘗試將以往與眾多實驗室建設(shè)方、設(shè)計方及用戶的探討，與我公司在智能化研發(fā)方面所做的探索進(jìn)行總結(jié)，共同探討未來實驗室的方向。最終得到眾多與會專家及用戶的高度認(rèn)可，并獲得了“2015年中國實驗室建設(shè)行業(yè)最佳貢獻(xiàn)獎”。欲借此文具體闡述“研發(fā)4.0”概念，以期后續(xù)與業(yè)內(nèi)專家就此話題深入探討。

2013年4月，德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會上，正式提出“工業(yè)4.0”概念，隨后在德國工程院、眾多科研機(jī)構(gòu)、學(xué)會、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的一致建議和推動下，上升為德國國家級戰(zhàn)略。

與美國的概念區(qū)別在于，德國將第一次工業(yè)革命分成了兩個階段：1784年的第一臺機(jī)器織布機(jī)的使用，代表機(jī)械式的第一次工業(yè)革命的開始；1870年在美國出現(xiàn)的利用電力進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)則是第二次工業(yè)革命的發(fā)端。同時，德國人將第三次工業(yè)革命定義為自動化技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)的大規(guī)模使用，其標(biāo)志性事件是：1969年第一臺可編程邏輯控制器(PLC)的誕生，幾十年來，PLC得以廣泛應(yīng)用和推廣。

即使美國和德國對于幾次工業(yè)革命的定義略有不同，但是美德兩國一致認(rèn)為第四次工業(yè)革命，即德國人提的工業(yè)4.0時代已經(jīng)到來。而共通的認(rèn)識，即使有所偏差，但核心仍是通過設(shè)備互聯(lián)，數(shù)據(jù)分析，以及外部通過云技術(shù)及通訊技術(shù)，鏈接外部用戶端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器的對話，以及其對自身的自主管理，而將人類從單純生產(chǎn)制造管理中解脫出來。

如果說工業(yè)4.0更加關(guān)注的是通過智能化的技術(shù)手段，大幅提高效率，同時能減少對于人類的依賴，更好地降低生產(chǎn)成本。那么顯而易見，更加有迫切需求的是研發(fā)領(lǐng)域。尤其對于室內(nèi)存在危險化學(xué)品、病毒、放射性物質(zhì)的實驗室，如何通過更加智能化的方式，在確保安全的同時，創(chuàng)造一個更加舒適、節(jié)能、靈活、高效的研發(fā)環(huán)境，甚至最終實現(xiàn)“無人研發(fā)”，便是“研發(fā)4.0”的發(fā)展方向。

毫無疑問，“研發(fā)4.0”將同樣基于設(shè)備互聯(lián)（IOT），數(shù)據(jù)分析以及智能硬件（如機(jī)器人技術(shù)）的深入發(fā)展。所謂“無人研發(fā)”的基礎(chǔ)，將包括：“研發(fā)設(shè)施數(shù)字化”、“研發(fā)流程數(shù)字化”以及“外部資源數(shù)字化”三個環(huán)節(jié)。

圖1. 四次工業(yè)革命發(fā)展史。

研發(fā)設(shè)施數(shù)字化

研發(fā)設(shè)施數(shù)字化本身，作為“智能建筑”的延展，將更多關(guān)注研發(fā)設(shè)施的特殊性。包括內(nèi)部可能存在的潛在危害的化學(xué)品、病毒、放射性物質(zhì)等，以及設(shè)施本身使用的功能性要求，包括如何讓設(shè)施能夠靈活應(yīng)對研發(fā)對象和內(nèi)容的不確定性及變化性。而最為關(guān)鍵的，始終是安全性：

圖2. 研發(fā)4.0概念。

圖3. 智能化整體解決方案。

● “環(huán)境”安全，確保室內(nèi)環(huán)境安全以及外部環(huán)境安全。

● “人員”安全，人員進(jìn)入研發(fā)設(shè)施全流程的安全保障。

● “危險物”安全，對潛在危險物的安裝、存放、運(yùn)輸、處置各環(huán)節(jié)安全。

為確保設(shè)施安全，應(yīng)從實驗設(shè)施建設(shè)的源頭開始，對安全的考察將貫穿全程所有環(huán)節(jié)。在項目規(guī)劃、方案設(shè)計、招投標(biāo)控制、施工管理、驗收、使用培訓(xùn)、維護(hù)各個環(huán)節(jié)，均應(yīng)將“安全評估”作為獨(dú)立線索貫穿整體考慮。由于安全與能耗、初投資在很多情況下都是一對矛盾點，絕對的安全可能意味著絕對的能耗及初投資，最好能在兩者間找到一個平衡點。比如很多實驗室投入使用后，為節(jié)約巨大的運(yùn)行、維護(hù)成本，而閹割其使用功能，從而產(chǎn)生安全隱患。因此，在方案規(guī)劃階段，就細(xì)致地進(jìn)行“能耗評估”及“功能評估”就顯得非常重要。

一切智能化的核心來源于數(shù)據(jù)?！把邪l(fā)設(shè)施的數(shù)字化”必將成為未來不斷提及的概念，在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，我們才能有機(jī)會進(jìn)行更多的分析、管理，從而通過更好地使用、維護(hù)設(shè)施，來為研發(fā)活動及參與研發(fā)的人員，提供一個更加安全、舒適、節(jié)能的環(huán)境。然而目前面臨的現(xiàn)狀是缺乏能夠給實驗室用戶從源頭提供專業(yè)、全面、細(xì)致的設(shè)計咨詢方案能力，而建設(shè)過程也往往缺乏深化能力。外圍設(shè)施方面，由于缺乏設(shè)施管理系統(tǒng)，人工維護(hù)效率較低，與業(yè)主業(yè)務(wù)主線的關(guān)聯(lián)度低；在設(shè)施方面，更多還是基于傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)，并與辦公室混合，使用效率低，對實驗室生產(chǎn)率促進(jìn)有限；國內(nèi)除少數(shù)用戶個別注重職業(yè)健康、環(huán)境友好性、實驗過程安全性外，大部分未引起重視。如何能夠真正著眼于設(shè)施建設(shè)使用全流程，并最終將設(shè)施與實驗業(yè)務(wù)主線連接，并將其作為實驗資源與條件，必將是未來“實驗設(shè)施數(shù)字化”過程將面臨的巨大挑戰(zhàn)及考驗。

研發(fā)流程數(shù)字化

與設(shè)施對應(yīng)的是對于研發(fā)樣本、儀器、過程數(shù)據(jù)及結(jié)果的管理。在此方面國外已有眾多大型研發(fā)企業(yè)及軟件公司提供不斷完善的產(chǎn)品及方案。其相關(guān)系統(tǒng)如LIMS、ELN（Electronic Lab Notebook）、SDMS（Scientifc Data Management System），以及各種類型的數(shù)據(jù)分析及效率促進(jìn)工具，旨在通過圖表化、可視化分析手段，更好管理數(shù)據(jù)間的潛在聯(lián)系與趨勢。

同樣我們看到越來越多的工業(yè)智能化手段及理論，如DCS（Distributed Control System），以及PDM（Product Data Management）、PLM（Product Life Management）理論及技術(shù)被不斷嘗試應(yīng)用于研發(fā)流程改造。伴隨云技術(shù)的不斷興起與發(fā)展，也有越來越多的國內(nèi)外公司通過SaaS（Software-as-a-Service）方式提供上述相關(guān)軟件系統(tǒng)的服務(wù)，使得使用及維護(hù)成本都在不斷降低。

研發(fā)流程數(shù)字化在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r比設(shè)施環(huán)境本身更為復(fù)雜。首先由于產(chǎn)品設(shè)計及供應(yīng)方，基本完全依賴國外公司，因而針對國內(nèi)使用狀況的理解和調(diào)整，本身就是一個巨大挑戰(zhàn)。其次，國內(nèi)很多用戶對于其自身研發(fā)、檢測流程的管理、辦公自動化、研發(fā)管理過程本身，及社會化、數(shù)據(jù)管理等孤島現(xiàn)象的處理，由于管理人員經(jīng)驗，以及缺乏切實指導(dǎo)，導(dǎo)致實施過程中的眾多問題。而國內(nèi)的儀器接口又往往標(biāo)準(zhǔn)不一、數(shù)據(jù)采集效率低，儀器設(shè)備的操作、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)的低效，又往往反過來影響系統(tǒng)整體的實施效果。

外部資源數(shù)字化

伴隨信息化技術(shù)及移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，使得使用全球智慧進(jìn)行研發(fā)過程優(yōu)化，以及評估研發(fā)方向成為可能，而這也必將成為“研發(fā)4.0”更為重要和突破性的一環(huán)。在可以預(yù)期的將來，云數(shù)據(jù)服務(wù)、技術(shù)檢索、化學(xué)結(jié)構(gòu)檢索、物質(zhì)檢索，甚至通過智力檢索方式，讓更多智慧的科學(xué)家，跨越時間和空間的障礙，共同參與研發(fā)，才會讓我們不斷站在巨人的肩膀上，更好利用已有資源，大幅推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和人類文明進(jìn)步。

后記

在本文即將完成的時候，人類頂尖圍棋手已經(jīng)0：3輸給了人工智能Alphago，人們開始對未來驚呼了。的確，我們就生活在這樣一個時代里，人工智能已經(jīng)在改變我們生活的所有環(huán)節(jié)。對于研發(fā)領(lǐng)域也是一樣?；蛟S過不了多久，尤其涉及危險品的研發(fā)工作，都將在遠(yuǎn)離人群的地方，在空曠無人的設(shè)施中，由人工智能去獨(dú)立完成。

本文資料由上海卓思智能科技股份有限公司提供。