胡建宇，張安陽

（1.赤峰市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 赤峰 024000；2.南京明德軟件有限公司，南京 210000）

在數(shù)字經(jīng)濟時代，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)競爭的重要資源和生產(chǎn)要素。傳統(tǒng)計量實驗室中的實驗人員與設(shè)備之間缺乏有效的聯(lián)動，存在大量的人工、重復(fù)性工作，導(dǎo)致實驗室效率低下且運行風(fēng)險高。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢下，需要對傳統(tǒng)計量實驗室進行升級改造，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的互聯(lián)互通智慧計量數(shù)字化實驗室，實現(xiàn)器具管理、計量檢定、計量數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能，提高實驗室設(shè)備之間的互聯(lián)互通性，減少數(shù)據(jù)維護工作量，為計量工作提供更加智能和高效的解決方案。

1 行業(yè)趨勢與問題梳理

1.1 行業(yè)形勢

《計量發(fā)展規(guī)劃2021-2035》提出，要完善企業(yè)計量體系，強化對工業(yè)測量過程、測量數(shù)據(jù)的管理，推廣智慧計量理念[1]。南京市計量監(jiān)督檢測院為適應(yīng)計量檢測設(shè)備數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢，采用物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，研發(fā)了一套統(tǒng)一的檢測設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上云和檢測數(shù)據(jù)采集平臺。該平臺可實現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和管理服務(wù)，并將檢測數(shù)據(jù)上傳至云端進行共享[2,3]。方逸洲等通過結(jié)合AIoT產(chǎn)品和技術(shù)，為6種計量校準實驗項目設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)分析軟件，以管理實驗數(shù)據(jù)流，將大量人工操作改進為智能型自動化操控，該項改進顯著提質(zhì)增效[4]。

1.2 當(dāng)前主要矛盾

傳統(tǒng)計量實驗室的管理工作目前大多還采用手工或簡易的信息化管理方式，缺乏智能化的有效管理手段，主要矛盾如下：

1）計量器具管理工作量大、共享程度低且易錯。計量管理環(huán)節(jié)由不同的部門和不同的人負責(zé)，并且都在線下以紙質(zhì)記錄的形式進行操作，使整個管理過程缺乏有效的銜接和溝通，無法實現(xiàn)互相融合和互相協(xié)作。同時，由于計量器具種類繁多且數(shù)量龐大，管理工作也面臨著很大的困難。另外，計量實驗室中各類記錄文件分散，缺乏有效的記錄和整理，無法為設(shè)備更新和技術(shù)改進項目提供有力的參考依據(jù)。更重要的是，計量器具管理也缺乏全生命周期管理的理念，無法從整體上對器具進行全方位的管理和維護，導(dǎo)致效率低下。

2）計量檢定工作量大。計量實驗室普遍存在著“人少量多活雜”的現(xiàn)象，檢定工作量龐大，重復(fù)工作頻繁。在自動化檢定程度日益提高的行業(yè)中，檢定結(jié)果大多仍需要手動編制原始記錄，并進行檢定證書的出具。

3）實驗室體系管理方式傳統(tǒng)，風(fēng)險高。計量人員的檔案、資質(zhì)信息缺乏動態(tài)閉環(huán)的信息化管理；實驗室質(zhì)量管理活動基本無流程，隨意性較大。

4）計量數(shù)據(jù)應(yīng)用基本沒有涉及。計量數(shù)據(jù)是通過計量器具進行定量測量獲得的數(shù)據(jù)，具有時間間隔、比率、標稱和有序的標度特征，可支撐正確構(gòu)造出有用的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用不同場合和不同產(chǎn)品的制造過程，成為實現(xiàn)工業(yè)自動化、智能化的重要途徑。但目前整體處于“雷聲大、雨點小”的局面，計量數(shù)據(jù)的應(yīng)用尤其與生產(chǎn)過程的結(jié)合應(yīng)用尚未多見成熟案例。

針對當(dāng)前行業(yè)面臨的問題與發(fā)展趨勢，亟需從計量工作和管理角度出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等先進技術(shù)，推動智慧計量實驗室的建設(shè)。通過信息技術(shù)手段的充分應(yīng)用，提高計量信息采集、追蹤、分析和處理的能力，加強計量大數(shù)據(jù)分析運用，實現(xiàn)數(shù)字化和智能化的計量實驗室管理。

2 智慧實驗室框架與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實現(xiàn)目標

智慧計量的核心是緊密圍繞數(shù)據(jù)，在計量管理以及檢定工作過程中以多維度的閉環(huán)數(shù)據(jù)流重塑計量管理與檢定流程。

1）基于 PMS（Plant Management System-Requirements）設(shè)備管理體系，借助二維碼、RFID技術(shù)，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全生命周期的計量器具管理?，F(xiàn)代意義上的計量器具全生命周期管理[5]，包含設(shè)備管理的全過程，從器具臺帳、周檢計劃、安裝使用、維修保養(yǎng)、器具巡檢到報廢處置等一系列過程，既包括器具本身管理，也滲透著對器具的量值溯源和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

2）通過數(shù)字化實現(xiàn)計量多業(yè)務(wù)聯(lián)動，全場景業(yè)務(wù)數(shù)字化。圍繞周檢、委托、樣品、庫房以及體系、質(zhì)控等全要素，通過線上流程化、閉環(huán)化建設(shè)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)全程無紙化、原始記錄與證書報告無紙化，實現(xiàn)使資源與質(zhì)控?zé)o紙化，保證計量檢定業(yè)務(wù)實時可控在控、質(zhì)量風(fēng)險精準管控。

3）與檢測設(shè)備互聯(lián)互通，實現(xiàn)設(shè)備上云、檢定數(shù)據(jù)上云并全自助生成原始記錄與證書報告。將傳統(tǒng)的“設(shè)備-人-系統(tǒng)”模式轉(zhuǎn)化為“設(shè)備-系統(tǒng)”，無需人工二次錄入，大幅提高檢定效率，且降低差錯率，確保檢定數(shù)據(jù)的準確。

4）積極探索計量數(shù)據(jù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)化是基于計量數(shù)據(jù)池，結(jié)合業(yè)務(wù)管控深度挖掘數(shù)據(jù)價值，實現(xiàn)基于全量數(shù)據(jù)的精細化管控。

2.2 架構(gòu)設(shè)計

智慧實驗室建設(shè)架構(gòu)如圖1所示。依據(jù)實驗室管理體系、信息安全以及相應(yīng)的標準接口規(guī)范，圍繞計量實驗室全方位要素，向下連接實驗室各類儀器設(shè)備、檢定裝置，實現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)動態(tài)可感知；核心面向?qū)嶒炇业臉I(yè)務(wù)、體系、檢定工作構(gòu)建智慧化應(yīng)用；向上可支持通過各類終端進行操作與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展現(xiàn)與可視化。

因計量檢測工作存在以下特點：計量檢測發(fā)展地越來越快，相應(yīng)變化和需求日新月異；智慧計量實驗室的建設(shè)是一項長期的，需不斷探索的工作[6]；計量檢定工作普遍性項目多、數(shù)據(jù)量大、本地資源交互多等現(xiàn)象。針對前述特點，智慧計量實驗室的構(gòu)建技術(shù)需具有先進的技術(shù)和設(shè)計理念，能夠自我進化、快速適應(yīng)需求變化的能力。因此，在圖1所示的架構(gòu)中，技術(shù)中臺的目的是用于為智慧數(shù)字化實驗室的底層架構(gòu)提供滿足具有行業(yè)通用性、可移植性、高聚合、低耦合、性能可擴展、靈活性、可組合性、開源特性的技術(shù)架構(gòu)，同時通過技術(shù)中臺使部分功能使用人員可自主配合、維護以及二次開發(fā)，減少對外部要素的依賴。

圖1 智慧計量數(shù)字化實驗室架構(gòu)Fig.1 Architecture of smart measurement digital laboratory

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

智慧計量的核心目標是通過標準接口和智能軟硬件構(gòu)建檢定工作操作簡便、實驗結(jié)果智能分析、實驗報告快速出具的高效流程，從而實現(xiàn)計量檢定設(shè)備數(shù)據(jù)、檢定記錄和證書報告之間的數(shù)據(jù)打通，將檢定結(jié)果的數(shù)據(jù)實現(xiàn)物聯(lián)傳遞，形成融合效應(yīng)。

設(shè)備物聯(lián)技術(shù)的核心是建立一個端到端深度融合的聯(lián)網(wǎng)中間件，通過連接設(shè)備、數(shù)據(jù)和人員，實現(xiàn)智慧計量實驗室的建設(shè)。該技術(shù)將傳統(tǒng)的計量檢測模式向智慧檢測模式轉(zhuǎn)型，通過軟件和數(shù)據(jù)接口的打通，采集并控制計量檢定設(shè)備，并將數(shù)據(jù)匯聚至云上進行處理和分析。最終，云上平臺會自動生成原始記錄、證書等。這種技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備上云、數(shù)據(jù)上云的目標，并將新一代信息技術(shù)和制造業(yè)深度融合，為計量檢定工作提供高效配置的載體。

2）計量數(shù)據(jù)中臺技術(shù)

計量數(shù)據(jù)中臺技術(shù)旨在通過全面的數(shù)據(jù)集成、流程集成、應(yīng)用集成、服務(wù)集成以及生態(tài)鏈集成，打通數(shù)據(jù)壁壘，盤活技術(shù)數(shù)據(jù)，并可提供整套大數(shù)據(jù)技術(shù)、產(chǎn)品、方法論及服務(wù)，讓數(shù)據(jù)持續(xù)走向業(yè)務(wù)、賦能業(yè)務(wù)，助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。圖2為計量數(shù)據(jù)中臺結(jié)構(gòu)圖。

圖2 計量數(shù)據(jù)中臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Measurement data center structure diagram

數(shù)據(jù)中臺中的數(shù)據(jù)倉庫是一個同時支持實時和離線導(dǎo)入的數(shù)據(jù)存儲平臺，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進行高效分析。從業(yè)務(wù)中臺和技術(shù)中臺集成數(shù)據(jù)到中央存儲庫，數(shù)據(jù)倉庫將當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)存儲在一起，用于為整個系統(tǒng)的用戶創(chuàng)建分析報告。

存儲在倉庫中的數(shù)據(jù)從業(yè)務(wù)中臺與數(shù)據(jù)中臺上傳。這些數(shù)據(jù)需要通過ODS數(shù)據(jù)庫，并且進行額外操作的數(shù)據(jù)清理，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后才能在數(shù)據(jù)倉庫中用于報告。數(shù)據(jù)中臺需要自定義維護數(shù)據(jù)源，通過溯源連接器獲取元數(shù)據(jù)，并支持數(shù)據(jù)的自定義處理，通過數(shù)據(jù)處理引擎完成對數(shù)據(jù)的加工、清洗、匯總，通過目標連接器將處理后的數(shù)據(jù)上報，供上層應(yīng)用調(diào)用，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中臺提供支持。

3 應(yīng)用成效

基于計量器具全生命周期管理與計量檢定工作閉環(huán)化的工作流程如圖3所示，在該流程模式下，使得信息無障礙共享，數(shù)據(jù)準，效率高，大幅降低人工工作量。

圖3 企業(yè)智慧計量數(shù)字化實驗室主要效果圖Fig.3 Main rendering of enterprise intelligent measurement digital laboratory

3.1 計量器具數(shù)字化管控

圍繞計量器具啟用、安裝、維修、保養(yǎng)、巡檢、周期檢定、報廢等各類事實，實現(xiàn)計量器具全生命周期的全動態(tài)化管理，為計量器具的智能化管理提供了技術(shù)支撐。同時，將大量的線下工作流程實現(xiàn)線上運營模式，建立標準化和規(guī)范化的業(yè)務(wù)流程體系，大幅提高管理效率，同時提高管理維護質(zhì)量。

基于RFID、NFC、二維碼等技術(shù)，為新購置和已投用的計量器具都粘貼上電子標簽，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立計量器具動態(tài)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)計量器具臺賬在線數(shù)據(jù)交互管理。計量器具臺賬支持分級分權(quán)限管理，如使用車間可查看權(quán)限范圍人的器具清單、狀態(tài)、歷年來的檢定證書等信息，并可在權(quán)限范圍內(nèi)維護相應(yīng)信息，如保管人、使用地點等信息。此外，可通過手機APP、PAD等移動設(shè)備進行隨時隨地的查詢信息、查看檢定證書、說明書等，且可進行維護，使獲取信息以及更新計量器具臺賬信息的方式變得靈活，避免了設(shè)備信息變更不及時導(dǎo)致設(shè)備設(shè)計參數(shù)、設(shè)備入廠、安裝與調(diào)試、檢定結(jié)果不全的現(xiàn)象。

依據(jù)計量器具臺賬管理中檢定周期的相關(guān)規(guī)定，可自動生成周檢計劃并建立計量器具周期檢定預(yù)警機制，對即將超期未檢的計量器具進行報警。在檢定周期內(nèi)，下達檢定計劃，將計量器具進行送檢時相應(yīng)的信息直接推送至計量業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并實現(xiàn)檢定證書與檢定信息的自動更新。

采用智能巡檢的方式，器具維護人員日常巡檢時攜帶手持終端PAD或手機對巡檢計量器具進行掃描上傳，在全生命周期管理信息平臺中產(chǎn)生巡檢軌跡，便于優(yōu)化巡檢流程，形成圖形化展示。對于計量器具故障的診斷不僅僅局限于現(xiàn)場巡檢時發(fā)現(xiàn)問題，還可以依靠實時數(shù)據(jù)庫對計量器具數(shù)據(jù)進行實時采集，通過在遠程觀察計量器具的歷史數(shù)據(jù)曲線和發(fā)展趨勢，進行數(shù)據(jù)比對，來判斷計量器具運行狀況是否存在故障。

3.2 檢測設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)前的計量實驗室設(shè)備主要可以分為3類：第一類是具有系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)化信息采集能力，并且能夠通過組態(tài)軟件接口連接上位機進行數(shù)據(jù)采集，例如接口、文件、數(shù)據(jù)庫連接等方式；第二類是沒有上位機或沒有開放接口的設(shè)備，以及在試驗過程中需要進行數(shù)據(jù)采集的被測設(shè)備。這類設(shè)備可以通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式將不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一協(xié)議，然后使用數(shù)據(jù)采集程序或采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集；第三類設(shè)備則是沒有系統(tǒng)化、實時的信息采集能力，但是可以通過圖像分析與識別技術(shù)來提取數(shù)據(jù)。

聯(lián)網(wǎng)中間件可通過設(shè)備廠商的檢定校準軟件進行深入融合，如北京康斯特研發(fā)的ACal軟件支持壓力、溫度等60多個項目，國內(nèi)外近120余種不同廠商的計量設(shè)備。ACal軟件與聯(lián)網(wǎng)中間件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向?qū)?，針對可支持的設(shè)備可實現(xiàn)檢定員僅需要完成檢定工作，后續(xù)原始記錄、證書報告無需人工干預(yù)，大幅減少人工重復(fù)工作量。此外，聯(lián)網(wǎng)中間件提供標準的API接口與ACal無法支持的計量檢定設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.3 數(shù)字化體系與質(zhì)量管控

基于1033、1069、17025等相關(guān)規(guī)范與準則，圍繞“人、機、料、法、環(huán)”對實驗室全要素進行數(shù)字化管理，如標準器、計量標準、人員、技術(shù)依據(jù)、內(nèi)審、比對等各項要素，使實驗室管理工作準確、高效完成并且降低實驗室運行風(fēng)險。

通過數(shù)字化管理可以方便對實驗室人員進行授權(quán)管控以及數(shù)據(jù)分析和決策，計量標準數(shù)字化管理除建立計量標準臺賬外，可對其全過程進行管理，包括新建項目、復(fù)查考核等，并能夠自動生成履歷書等各類考核用材料。

3.4 計量數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

通過對計量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、計量器具數(shù)據(jù)、檢定測量數(shù)據(jù)的誤差分析以及實驗室體系運行數(shù)據(jù)等進行一系列源數(shù)據(jù)歸集、清洗、處理，并建立計量數(shù)據(jù)中心；利用大數(shù)據(jù)分析手段，對各項工作進行建模、統(tǒng)計和分析，將相應(yīng)的分析結(jié)果應(yīng)用于器具管理、計量檢定等各項工作中去，為后續(xù)工作的優(yōu)化改進提供支撐，并且可通過大屏或?qū)嶒炇铱窗逶O(shè)備進行數(shù)據(jù)可視化。

4 結(jié)束語

智慧計量數(shù)字化實驗室，是針對計量器具的全生命周期管理、計量檢定設(shè)備的互聯(lián)互通，實時掌控計量檢定、實驗室運行、設(shè)備管理等狀況，實現(xiàn)計量器具管理、計量檢定、實驗室管理活動的全面線上處理和數(shù)據(jù)聯(lián)動，高效提升計量管理的效率、質(zhì)量和智能化程度，并且可進一步開展試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化研究，挖掘海量試驗數(shù)據(jù)價值。