基于智能實驗室聯(lián)盟的產(chǎn)業(yè)計量市場技術實現(xiàn)途徑研究

李勇 趙培 王繼迎 張彥鵬

[摘 要]文章通過設計一個基于互聯(lián)網(wǎng)的分布交互式多實驗室的監(jiān)管系統(tǒng)，管理人員通過這個系統(tǒng)來實現(xiàn)對多個分布式計量檢定實驗室的監(jiān)控與管理?；诙嗫偩€的遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸和基于構件化的互聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)管技術應用，可實現(xiàn)分布交互式檢測智能實驗室系統(tǒng)建設構想，引入人工智能分析理念，實現(xiàn)有效的管理與提高實驗室的工作效率，將實驗員從日常的事務性工作中解放出來，實現(xiàn)實驗、實驗室設備與人員管理的數(shù)字化與智能化。

[關鍵詞]分布式交互；智能實驗室；模塊化；智能決策

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.16.061

目前隨著檢測需求規(guī)模的不斷增大，檢測實驗室任務也不斷增多，實驗室工作人員的負擔越來越重。在現(xiàn)有條件下，比較好的辦法就是設計一個基于互聯(lián)網(wǎng)的分布交互式多實驗室的監(jiān)管系統(tǒng)，管理人員通過這個系統(tǒng)來實現(xiàn)對多實驗室的監(jiān)管。

分布交互式智能實驗室是一種高端智能實驗室的監(jiān)管應用。智能監(jiān)管系統(tǒng)能夠自動識別監(jiān)管對象和監(jiān)管環(huán)境，發(fā)現(xiàn)監(jiān)管環(huán)境中的異常信息，能夠以最快和最佳的方式提供解決預案和處置信息，從而能夠更加有效地協(xié)助實驗人員處理日常業(yè)務工作，并最大限度地降低人工失誤現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)設計思路

由于計量系統(tǒng)的檢測實驗室很多，且各實驗室的環(huán)境也不相同，要求開發(fā)出來的系統(tǒng)要有很強的適應性與可擴展性，因此，開發(fā)采用基于構件化的智能監(jiān)測技術就十分必要。系統(tǒng)中工作任務重的通信控制模塊，采用基于多總線的優(yōu)先級處理方式的全雙工實時遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸，可有效降低監(jiān)管數(shù)據(jù)流量較大時，遠程監(jiān)控主機端口通信信息吞吐量重的問題，又可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實時性和可靠性，還減少遠程主機與各監(jiān)控點間大量的重復數(shù)據(jù)交換，避免網(wǎng)絡延時帶來的監(jiān)管不同步的問題，降低應用對網(wǎng)絡連接的帶寬及可靠性和穩(wěn)定性的開銷，提高系統(tǒng)的遠程實時交互可靠性及運行的穩(wěn)定性。

根據(jù)構件化的原理及多總線系統(tǒng)的特殊性，設計如圖1所示的體系結構。整個智能監(jiān)管系統(tǒng)由實驗室智能化服務器系統(tǒng)進行任務調(diào)度，系統(tǒng)中的各個功能模塊根據(jù)功能分工，采用不同的結構模型。設備控制管理模塊在實際開發(fā)時采用基于多總線混合型控制模塊架構，對通信信息按照優(yōu)先度等級進行分類，智能選取通信路徑，降低通信信道阻塞的可能性。信息采集模塊負責從各分布式智能實驗室采集監(jiān)管過程的各種實時信息，并存入服務器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。當實驗人員需要使用和分析這些數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)再從數(shù)據(jù)庫文件中取出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資料分析模塊應有感知、推理和決策判斷等人工智能功能，可根據(jù)以往實驗中信息處理、推理、規(guī)則集和知識庫進行對比分析。數(shù)據(jù)資料分析模塊根據(jù)自身的知識庫和規(guī)則集，判斷出調(diào)用哪種或多種功能服務和需要哪些數(shù)據(jù)，并從數(shù)據(jù)庫文件中取得所需數(shù)據(jù)，傳送給其他功能模塊，最后還要把功能執(zhí)行的結果返回給中心服務器系統(tǒng)，因此這部分的開發(fā)可以采用基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡決策理論的數(shù)據(jù)分析模型。環(huán)境感知模塊和視頻監(jiān)管模塊，接收中心服務器發(fā)出的指令信息，對該信息做出正確的判斷，并啟動相應的行動執(zhí)行程序。在這個系統(tǒng)里，我們在實驗室中安放由溫度傳感器、濕度感覺器和攝像頭構成的硬件設施，通過溫度傳感器、濕度感覺器來實時獲取實驗室內(nèi)和工作中的溫度與濕度。攝像頭則用于監(jiān)測實驗室內(nèi)的檢驗員做實驗的情況，并通過信號數(shù)據(jù)線傳輸給交互式實驗室工作計算機。在多總線接口傳輸中實現(xiàn)多個發(fā)送器和多個接收器共用一條線路，增強抗干擾能力，加快數(shù)據(jù)傳送速度，各個數(shù)據(jù)采集點與計算機間用星形網(wǎng)絡拓撲結構，以廣播方式進行數(shù)據(jù)通信。進行通信時，用作控制的中心服務器向各交互式實驗室工作計算機發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，然后傳感器將采集的各種數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，再由數(shù)據(jù)采集卡將接收的數(shù)據(jù)傳輸給交互式實驗室工作計算機，最終傳輸給中心服務器。數(shù)據(jù)資料分析模塊對當前實驗室的情況進行智能判斷。

2 系統(tǒng)功能架構設計

實驗室監(jiān)管系統(tǒng)的使用不僅僅限于實驗室管理人員，還包括實驗中心的主任、各職能部門的領導、檢驗員等，因此該系統(tǒng)的使用對象比較多。在系統(tǒng)開發(fā)時，將系統(tǒng)架構按功能劃分，系統(tǒng)功能模塊根據(jù)用戶對象的不同而分別設計，同時對系統(tǒng)用戶進行歸類，將系統(tǒng)用戶按角色分為：職能部門領導、實驗中心主任、實驗室管理人員、檢驗員等。不同角色的權限、功能與用戶界面都不一樣。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

（1）職能部門管理模塊。通過這個模塊，各職能部門領導可實時在線了解實驗人員的工作狀況，掌握管轄設備資源的工作狀況，并協(xié)助實驗室提高檢驗質(zhì)量和檢驗員服務水平。

（2）資產(chǎn)登記模塊。與資產(chǎn)管理模塊相連，該模塊采集的數(shù)據(jù)在本地硬盤存儲一份，同時上傳到辦公室。該模塊包含以下功能模塊：實驗人員管理、實驗設備管理、查詢統(tǒng)計、報表生成與打印、系統(tǒng)管理。通過該模塊，辦公室可以實時在線掌握計量檢測實驗室實驗設備資源的工作狀況，實現(xiàn)設備預約、權限、時限使用，快速統(tǒng)計評估設備資源的利用情況，真正實現(xiàn)設備資源在整個生命周期的全過程管理。

（3）信息查詢模塊。該模塊主要用于檢驗員查詢的實驗安排及實驗室設備的使用情況。該模塊由各個實驗中心的觸摸屏與網(wǎng)上操作兩個部分組成。檢驗員到實驗中心后，用工作卡在觸摸屏上的讀卡器上刷一下，系統(tǒng)自動在屏幕上顯示出檢驗員做實驗的設備編號、實驗時間等，同時系統(tǒng)記錄下該生使用儀器的編號與時間及當時設備的狀況，以便在設備出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象或檢驗員不按規(guī)范操作時，可以追究相關人員的責任。

（4）檢驗員監(jiān)控、管理模塊。該模塊是整個系統(tǒng)的核心，檢驗員可以對系統(tǒng)中硬件參數(shù)初始化設置，并選擇要監(jiān)管的實驗室，對停用實驗室可以遠程關閉實驗設備?？梢酝ㄟ^該模塊對各分布式檢測點實驗室設備狀態(tài)進行管理。實現(xiàn)在線設備性能狀況登記，并上傳到辦公室，對勘用設備在系統(tǒng)中進行標識，對故障設備進行報修，同時還協(xié)調(diào)和調(diào)度檢驗人員安排的實驗。

（5）實驗中心主任管理模塊。實驗中心主任通過該模塊可以對需在本中心做的實驗進行統(tǒng)籌安排，并提交給系統(tǒng)，由實驗管理模塊對個派駐檢測點安排的實驗進行協(xié)調(diào)與確認。同時通過該模塊還可以查詢整個分布式交互水表檢測實驗室系統(tǒng)的實驗安排情況，對其中不合理的部分及時向?qū)嶒炛行奶岢鲂薷囊庖姟Ａ硗猓ㄟ^該系統(tǒng)還可以實時掌握檢驗員所做實驗的進度與實驗效果。

目前很多計量檢測實驗室的管理還停留在手工管理上，檢測任務數(shù)不斷增長，實驗設備不斷增加，因此如何有效地管理與提高實驗室的工作效率，是目前產(chǎn)業(yè)計量檢測實驗室急需的問題。要解決該問題關鍵在于將實驗員從日常的管理和數(shù)據(jù)分析工作中解放出來，提高實驗、實驗室設備、人員管理和實驗結果處理的數(shù)字化與智能化水平。

3 結 論

智能實驗室聯(lián)盟通過基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模塊化的設計，采用面向?qū)ο蟮姆椒?、分布交互技術和多線程優(yōu)先級決斷處理機制，實現(xiàn)監(jiān)管系統(tǒng)的擴展性、實時性和穩(wěn)定性，以及全監(jiān)管過程的實時在線控制。通過對通信、管理和分析決策事務的分離，對多總線通信信道和帶寬的實時監(jiān)管統(tǒng)一調(diào)度，能大大提高整個實驗監(jiān)管系統(tǒng)的工作效能，同時通過互聯(lián)網(wǎng)的連接又能提高產(chǎn)業(yè)計量單位管理多個分布式交互實驗室的水平，如果將區(qū)塊鏈技術一并融入產(chǎn)業(yè)計量市場資源分配和檢測費用結算中，必然會使現(xiàn)有的條塊的分割嚴重，技術交流不暢，資源分配不均。

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