溫升測試的數據自動化采集和處理技術

李 錦，王 樂

(1.國家電光源質量監督檢驗中心(北京)，北京 100022；2. 天津智橙物聯科技有限公司，天津 300384)

引言

照明檢測涉及電、光、熱、材料、機械和化學等學科多領域[1-3]，測試項目之間缺少相關性，因此檢驗設備的應用場景較為專一，適用領域有限，設備供應商對設備升級換代的動力不足。由此造成現有設備普遍自動化水平偏低，大量數據采集和分析的工作仍依賴人工完成[4]。

由于檢驗過程中，很多關鍵環節仍依賴操作人員對方法和數據進行判定，所以結果的主觀因素影響較大，缺少一致性。同時，設備自動化水平的局限性也造成了照明檢測實驗室對人員知識和經驗的較高要求，導致了人員的培訓成本的提高，并增加了人才流失所造成的管理風險。實驗室領域的自動化信息化水平落后于其他工業行業，其通信與數據標準化的進程較慢，實驗室在進行傳統的設備自動化升級時，往往缺少全局化和前瞻性的設計，造成工作的復用性和可移植性較差，因此數字化系統的實施和維護費用較高，無形中提高了實驗室推進智能化流程改造的門檻[5,6]。

以照明檢測領域最常見的溫升熱檢驗項目為例，傳統的檢驗方法中過程的數據采集、分析和判斷都基于人為操作，缺少自動化的數據采集方法和系統化分析手段，并且無法與實驗室的其他設備和過程進行有效溝通，和其他檢驗項目一樣各自隔閡成為實驗室數據和流程的孤島。本文通過實驗室SiLA(Standardization in Lab Automation)自動化協議標準和人工智能多智能代理框架MAS(Multi-Agent System)分布式控制架構，結合燈具的溫升實驗裝置，對其軟硬件進行升級，實現溫升檢驗設備的數據自動采集、控制和分析。

1 實驗測試數據自動化采集和處理的技術方法

照明產品檢測實驗裝置作為實驗室檢驗設備，對其進行升級所采用的技術方法需遵循實驗室整體信息化設計思路。如圖1所示，在信息化整體框架中，基于標準的硬件通訊協議和數據格式，通過智能化程序，實現從下至上由設備的分布式控制到數據的集中化處理。

圖1 實驗室信息化整體框架設計Fig.1 Overall framework design of laboratory informatization

1)基于MAS的設備分布式控制。對每一臺的檢驗設備和流程定制開發獨立的智能代理程序Intelligent Agent，并有多個Intelligent Agent自組網形成多智能代理系統MAS。Intelligent Agent是人工智能的核心概念之一，指對環境能夠進行監控并做出反饋的獨立式自治性程序[7，8]。在軟件設計中，如圖2所示，對設備的操控和檢驗過程進行抽象化，Intelligent Agent程序由通用的模塊組成(含知識模塊Knowledge Module、能力模塊Capability Module、通訊模塊Commuication Module、控制模塊Controller Module)，可復用的核心代碼提高設備的數據和流程的定制化開發效率，實現快捷高效的系統整合。在實驗室管理系統的自動化控制層，Intelligent Agent將通過特異性的設備通訊函數庫(*.dll)和基于XML的邏輯條件定義，實現溫升熱檢驗設備的控制功能映射，形成支持獨立檢驗行為和跨設備通訊能力的標準化數據自動采集和處理單元。同時，基于Intelligent Agent，還可以實現對人員操作、樣品流轉和檢驗環境監控等多維度的數據采集和過程監控，以標準化的分布式架構保證實驗室信息化系統的可擴展性和靈活性，滿足實驗室長期業務發展的需求。

圖2 基于MAS架構的設備控制和基于SiLA的數據通信Fig.2 Device control based on MAS architecture and data communication based on SiLA

2)基于SiLA自動化標準的數據通訊數據采集和設備控制。SiLA是由多家軟件開發商、系統整合商和生物制藥企業發起的一家非營利協會，旨在為實驗室設備的自動化控制和數據管理提供統一的數據通訊接口和格式標準，實現實驗室設備的系統快速融合。在實驗室整體信息化系統框架設計中，控制單個檢驗項目過程和設備的Intelligent Agent程序之間，以及Multi-Agent System層與上級數據處理層之間全部采用SiLA通訊協議和數據格式，打通檢驗與報告之間的流程，實現信息單元間的實時通訊和即時反應。

3)基于程序的檢驗數據實時清洗和校正。基于電子硬件的檢驗測量，會由于測試環境變化、傳感器使用時長和設備老化等因素造成檢測結果的不穩定性，也直接影響最終檢測報告的可信性。因此，除設備數據的實時采集，還需從以下幾個方面采用不同的技術方法提高數據質量：

(a)異常數值識別。傳感器電子信號會偶爾出現造成明顯波峰或波谷的異常值，所以在傳感器實時采集過程中，溫度數值的采集頻率需高于檢驗要求，在Intelligent Agent程序中對連續采集的數值進行實時處理，過濾掉超過一定震蕩幅度(根據經驗人為設定正負值區間變化百分比)的異常數值，不將其反饋到檢驗判定邏輯層程序，避免其造成錯誤的檢驗結果。

(b)基于環境參數的數據校正。檢驗環境的濕度和溫度也會對傳感器的性能造成影響。基于歷史數據和設備校正過程的數據進行相關性和因果性分析，識別環境條件的差異造成的傳感器數值的非線性變化區間，并將其公式化和程序化，整合進入Intelligent Agent設備數據采集層，實現檢測初始數據的實時校正。

(c)基于程序的決策支持。對于復雜的情況，軟件程序無法完全替代有經驗的工程師做出合理的判斷。設備的自動化控制單元程序Intelligent Agent將實時檢驗數據、歷史數據、環境參數、樣品信息等多維度數據進行匯總并以圖形化展示，輔助工程師對檢驗過程進行整體把控。

2 溫升實驗數據自動采集方法

溫升熱實驗是以熱電偶(Thermocouple)作為溫度巡檢儀中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。燈具的溫升試驗，通常采用溫度巡檢儀來進行測試，將熱偶絲固定在相應測試點位，且燈具達到熱平衡后，各測試點的最終溫度數值由工作電腦界面進行呈現，工程師手動抄寫到原始記錄表單上，完成測試[9]。

由于不同燈具達成熱平衡所需要的時間不同，通常工程師在等待期間會安排其他的工作，結束后再返回記錄測試溫度值。這樣不僅大大的延長的測試時間，也嚴重占用了設備的使用資源。并由于工程師無法全程實時對設備和數據進行監控，造成管理和檢測盲點，增加了人為操作失誤的可能性，也影響了檢驗數據的可靠性。在新方法的驗證中，需要根據熱檢測的邏輯和設備特性為通用Intelligent Agent程序增加特定的能力模組(Capability)和邏輯文件(Logic)。

在溫升熱檢驗裝置中，熱電偶的溫度傳感器與工業化可編程邏輯電路PLC(Programmable Logic Controller)模組的建立物理連接，然后PLC模組通過TCP/IP接口將溫度數據實時傳輸至基于PC運行的Intelligent Agent的程序。在這一步，Intelligent Agent將對數據和設備的控制指令進行符合SiLA自動化標準的雙向轉譯，這樣就將不同設備供應商所采用的差異化數據協議進行了統一標準化的處理，實現了實驗室信息化系統內部數據的一致性。

如圖3所示，基于溫升熱檢測設備的Intelliegent Agent程序，開發面向檢驗工程師的人機交互界面HMI(Human Machine Interface)。通過熱檢測HMI，檢驗工程師在檢驗開始前可以對熱電偶數據采集頻道的順序和標記進行設置。檢驗過程中，Intelligent Agent將對設備的數據進行自動采集，并在HMI上進行實時可視化展示。當所有溫度值在一個標準區間內誤差小于給定范圍時，檢驗過程將自動終止，數據結果將被上傳至信息化系統數據分析層進行合并和評估。

圖3 溫升熱檢測Intelligent Agent HMIFig.3 Intelligent Agent HMI of thermal temperature rise test

溫升熱檢測Intelligent Agent會在檢驗完成后自動將檢驗結果、操作信息及檢驗任務信息通過基于SSL加密的Restful API接口上傳至實驗室智能管理系統，管理系統會對這些數據進行集中處理，并生成完整測試報告，整個過程不需要人為干預，保證了數據的一致性、可靠性、安全性和完整性，有效杜絕了傳統方式下數據傳遞中的各種漏洞和篡改風險，實現自動化的同時，保證了從檢驗到報告生成整個過程的數據可追溯性。

3 總結

Lab 4.0 是Industry 4.0一脈相承。在Lab 4.0的目標和理念實現中，同樣由軟件構成了智能化數據和流程處理的核心技術手段。通過在溫升熱檢測項目上基于MAS分布式控制和SiLA實驗室自動化標準的設備及軟件升級，一套可用于實驗室智能化升級改造的技術方法得到了驗證，其對實驗室管理效率的提升是顯著的。這樣的技術方法同樣適用于實驗室一些其他相關檢驗設備和項目上，基于此種標準化、通用性架構的實驗室信息化系統將具備更優異的擴展性和靈活性，滿足檢驗檢測機構長期的業務發展需要，具備成為行業標準方案的可能性。同樣，對于國外實驗室設備開發商來說，SiLA標準也在過去幾年里得到了更加廣泛的應用。所以在實驗室的信息化升級改造中采用更加主流的技術標準，本身也是必須重視的一環。具有前瞻性的設計和選擇在將來的工作中可以帶來持續性的收益，起到事半功倍的效果。