物聯網技術在環境可靠性實驗室智能化改造中的應用

鄭建福，許奕，趙常均

（1.廣州智能裝備研究院有限公司，廣州 510700； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

環境可靠性實驗室信息化、智能化改造的本質是實驗室數據的采集和處理，受檢測對象非標性、檢測設備多樣性和檢測設備技術滯后性的影響，物聯網技術在環境可靠性實驗室的應用水平不高。當前信息化、智能化改造的主要工作是業務流程管理、無紙化辦公和統計分析，信息系統的數據來源主要由人工記錄，數據的全面性、及時性不足，也可能引入人為誤差。應用物聯網技術，可以為信息系統的數據來源提供一個全新的維度——物理層數據（設備運行數據和傳感器數據），這個維度的數據更客觀、更及時，可以有效提升實驗室的效率、管理，也為上層軟件的功能拓展提供了新的方向。本文通過研究設計基于物聯網的信息化系統的架構、智能網關的設計實現，提出環境可靠性實驗室信息化、智能化改造的設計方案。

1 概述

物聯網技術在實驗室的使用，以異構集成、全面感知、按需架構、自適應為技術特征，以信息集成、融合處理系統和中間件為基礎，解決檢測過程中的信息綜合感知和設備管控困難的問題，可以打通設備、樣品、材料、環境與信息化系統、人員之間的信息壁壘，同時確保檢測數據的準確性、及時性、全面性和可追溯性，全面提升信息化系統的內涵和外延，進而達到實驗室提質增效、透明化管理的目的。

當前，物聯網技術在環境可靠性實驗室信息化改造中的應用包括三個階段：

階段1，通過溫濕度傳感器、視頻監控系統、消防報警系統對實驗室運行環境進行監控。

階段2，可以對部分試驗設備進行遠程監控，以監為主，設備的主要運行數據可以上傳，可以實現設備啟停等簡單的控制功能，進行信息化改造的試驗設備類型以二次開發協議相對成熟的氣候類環境試驗設備為主。

階段3，通過通信協議解析轉換、視覺識別等手段，實現主要試驗設備的全監全控，涵蓋主要的環境可靠性試驗設備，包括氣候類環境試驗設備、力學環境試驗設備和輔助設備等。

2 系統架構設計

物聯網從架構上可以分為感知層、網絡層和應用層。感知層負責信息采集和物物相連；網絡層是利用無線、有線網絡對采集的數據進行編碼、認證和傳輸；應用層與行業需求相結合，提供基于物聯網的應用。結合環境可靠性實驗室關鍵設備及應用業務特點，本文設計的環境可靠性實驗室物聯網信息化系統架構如圖1所示。

圖1 環境可靠性實驗室物聯網系統架構

基于上述信息化系統架構，形成系統交聯圖，如圖2所示。試驗設備、傳感器、攝像頭等設備與系統服務器之間的數據交互主要通過智能網關實現，網關可以完成通訊接口與協議的轉換統一，實現數據傳輸優化與調度，解決實驗室設備接口類型繁多、數據格式不一的問題。

圖2 系統交聯圖

3 智能網關的設計

業務特點決定了環境可靠性實驗室的智能化改造是無法照搬制造業的經驗，除應用層的差別外，前者對智能網關的要求更加嚴苛，要求其具有很高的適應性。這是因為環境可靠性實驗室是以平臺的方式進行搭建，試驗設備的數量、種類、品牌長期處在動態變化過程中，接口類型繁多、數據格式不一，新設備互聯互通的需求持續存在。智能網關的作用詳見圖3。

圖3 智能網關在系統中的作用

實驗室的業務特點需要我們開展相應的標準化工作，使智能網關兼容多種通訊接口和多種數據格式；針對采集數據進行部分邊緣處理，緩解后續上位機數據處理壓力，利用數據緩存的加速機制，保障通信的實時性和準確性[1]。智能網關包括中央處理器、管理模塊、存儲模塊、通信接口驅動模塊、通信適配模塊、定制開發模塊，詳見圖4。

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圖4 智能網關模塊架構

3.1 智能網關兼容性設計

在硬件設計方面，智能網關涉及上聯鏈路與下聯鏈路兩種方式，主要負責將系統收集的感知信息以及執行策略進行承載。其中，下聯鏈路主要通過RS485、RS232、Bluetooth 、LoRa、ZigBee等通訊方式與設備及傳感網絡保持連接；而上聯鏈路在場景部署中主要以網絡接口為主，如移動通信網絡、窄帶物聯網以及以太網等，與應用層保持連接。另外，上行鏈路與下行鏈路的接口需要根據實際的應用需求進行選擇與切換，因此，智能網關需要根據應用需求兼容本段提及的主要的通信模式。

在協議轉換方面，應分析相關的設備種類，如三綜合試驗箱、溫濕度試驗箱、溫沖試驗箱、低氣壓試驗箱、振動臺、離心機等，根據其功能、參數、控制特點進行聚類分析，針對不同種類的設備，研究合適的數據感知方法、數據傳輸接口以及數據通信方式等，規范信息的解析方式，統一語義、語法、時序和存儲方式，從而實現從應用層到感知層的集成與共享。

在連接只有機械表盤的液氮罐、無通信接口的UPS時，智能網關需要兼容視覺識別的功能。首先，通過屏顯OCR自動讀取技術，完成圖像自動分割和識別，采用臨近搜索圈出單行字符，進行文本切割將單行字符切割為單字，再對單字進行卷積神經網絡識別；最后，智能網關將識別出的數據按照設定的格式傳輸到服務器。

3.2 傳輸優化與調度設計

在傳輸優化與調度設計方面，主要包含以下兩方面設計內容：

1）由于本系統中設備種類多、傳感器類型多的情況，存在通信接口、通信協議差異化以及數據格式、數據結構多樣化等問題，這些異構數據將加重中間件的處理負擔，進而影響整個系統的處理響應速度。因此，智能網關將下行數據轉換為一種普適性通訊協議，將異構數據整合為便于后續處理的統一的數據格式。該協議必須具有一定的靈活性，而且方便配置。智能終端將各個設備自身協議轉換為標準協議，標準協議的數據部分為標識+字段，其中標識由ASCII碼組成，字段內容由設備狀態信息數據組成。中間件根據配置文件，解析標識所代表的物理含義，將其與后面字段內容對應上，完成解析。

2）基于優先級的傳輸調度機制。對于不同的數據業務流，根據環境可靠性實驗室的特點和要求，對報警信息、指令信息、狀態信息進行優先級分級，智能網關應具有按優先級動態轉發的能力。

4 應用平臺設計

基于以上研究成果，研發設計基于物聯網的環境可靠性實驗室智能化管理系統應用平臺。該應用平臺在ISO/IEC 17025標準要求的基礎上，上位機軟件采用“高內聚、低耦合”的思想劃分為：Web界面、服務層、數據層。Web界面一方面顯示設備狀態信息，另一方面接受并處理用戶請求，并將處理結果響應給用戶；服務層在當前階段主要完成用戶所需的統計、生成報表、門限判斷等功能，未來可基于大數據做測試數據挖掘、設備的預測性維護等；數據層主要是存儲統計表報、數據處理結果。系統實現了各類試驗箱、振動臺、電表、溫濕度傳感器、液氮、UPS、循環水系統等設備的互聯互通，涵蓋了設備遠程監控、智能排程、設備計量維保、故障管理、委托單編制、統計分析、供應商管理等業務流程。系統示例如圖5所示。

圖5 大屏展示模塊示例

5 展望

隨著新一代信息技術、物聯網、大數據、云計算等新技術的發展，隨著監管部門對第三方檢測機構數字化、信息化、智能化要求的提升[2]，環境可靠性實驗室智能化改造將逐漸成為未來發展的主要趨勢之一，物聯網技術作為實驗室底層數據的采集傳輸手段，將在智能化改造中起到基礎性和關鍵性作用。目前，物聯網在環境可靠性實驗室的應用普遍處在第一階段，部分權威的實驗室，如中國賽寶實驗室、中國航天科技集團公司某環境可靠實驗室、中國船舶重工業集團某實驗室開發應用的系統勉強處在第二階段。因此，為了實現實驗室真正的智能化，還需要在以下方面進行更多的研究探索：

1）解決異構集成問題。目前智能網關的兼容性還需要進一步提升，需要物聯網技術提供商與設備生產制造商加強合作。

2）實現部分測試工作自動化。針對流程化、標準化較強的檢測項目實現自動測試，如測試功率自動采集，元器件的電流、電壓、電感的自動測試，電機測試等。

3）數據挖掘和功能拓展。通過對底層數據的采集和分析，結合業務要求和大數據技術，可以進行數據挖掘和深度分析，提供更多的增值服務。

4）與云計算、邊緣計算、機器學習、數字孿生、PHM等應用技術的深度融合。通過技術融合，可以實現異地實驗室的統一管理、創建基于賽博空間的3D實驗室以及實現檢測設備的狀態監測和故障診斷。

6 結束語

在檢驗檢測服務轉型升級的大背景下，環境可靠性實驗室通過構建基于物聯網的智能檢驗新模式，搭建一個線上網絡化、線下智能化的綜合服務平臺，同時運用大數據、物聯網等技術，可以打造全新檢驗檢測模式，提升工作效率，優化資源配置，節省檢測成本，最終實現現代檢驗檢測服務模式的可持續發展。