基于物聯網技術的智慧計量實驗室管理平臺

凌 璐 陳雅倫 楊聰明

1.南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司；2.江蘇省專用通信局

0 引言

隨著計算機技術和通信技術的不斷發展，國家電網有限公司提出“國際領先能源互聯網企業”的發展戰略，推動電網計量業務智能化升級，實現營銷計量體系數字化轉型。目前傳統的計量實驗室中，各設備間信息相互孤立，缺乏有效的連接，數據維護工作量大；實驗設備缺乏必要的身份驗證信息，設備使用情況以及定位信息無法掌握；實驗人員與設備缺乏聯動性。傳統計量實驗室已經到了必須升級改造的階段，需要基于大數據、微服務、RFID等先進技術，立足泛在電力物聯網建設發展背景，圍繞通信管理、數據存儲、計算分析、業務應用、數據共享等內容，構建互聯互通的智慧實驗室綜合管理平臺。

1 現有實驗室管理存在的問題

計量實驗室業務管理工作目前還處于手工處理階段，缺乏信息化、智能化的有效管理手段。

（1）計量實驗室檢測自動化程度低

標準量傳實驗室存在設備種類繁多，信息化程度各異的問題，造成實驗室檢測過程自動化程度低，試驗項目需要大量人工干預，測量結果不能自動采集、上傳。同時，檢測軟件與實驗室信息管理系統沒有建立有效的交互通道，不能實現試驗過程的場景感知。

（2）人員的檔案、資質信息缺乏信息化統一管理

目前人員的檔案、資質信息等沒有統一管理，部分試驗項目（如電磁兼容試驗）需要持有特殊資質的人員才能開展，檢定檢測試驗人員信息管理缺少統一管理的平臺。計量實驗室的試驗樣品種類多、試驗項目多，在人員不足、試驗時間長的情況下，人工調配人員無法充分利用所有設備、人員，實驗方案、實驗計劃、任務安排完全手工操作，給實驗管理帶來繁重的工作負擔。

（3）實驗裝置、儀器儀表未統一建檔

實驗設備、儀器、儀表等沒有建立設備信息庫，以供查詢其基本信息及使用狀態，不利于對這些實驗設備的維護，且對儀器設備的領用、借用、修理、報廢、溯源信息、證書、期間核查等記錄的處理仍處于人工階段，處理過程繁瑣，試驗時容易出現使用的設備超期、損壞或丟失等現象。計量設備標準量傳線下管理效率低，計量資源難以高效均衡利用，量傳體系基礎薄弱。

（4）實驗設備種類繁多，通信協議和接口各不相同

各單位試驗室標準設備種類多，生產廠家多，沒有標準化的數據上傳協議。被檢設備品種繁多，部分是實物量具，除電能表、互感器外，多數指示儀表不具備通信接口，實現自動化檢定難度大。現場檢測設備協議不統一，檢測數據自動采錄是難點。

（5）存在數據孤島，實驗分析工作缺乏一體化數據支撐

對實驗過程和結果分析沒有建立詳細的信息管理、過程管理和試驗記錄的數據庫，無法進行所有實驗的一體化數據比對、分析工作，不能充分積累實驗經驗，更不能提供數據支撐。

2 架構設計

智慧實驗室建設架構如圖1所示，依據實驗室標準接口規范，向下連接實驗室各類儀器設備、檢定裝置、環境感知裝置、辦公輔助設備、移動設備等，實現數據采集與處理；向上面向智慧實驗室平臺各類應用，實現實驗室數據匯總和上傳。

圖1 智慧實驗室架構設計圖

數據互聯互通范圍包括試驗設備、智能設備、現場設備。試驗設備包括電能檢定裝置、互感器檢定裝置、質檢檢定裝置、數字多用表等計量裝置；智能設備包括環境感知裝置（溫濕度、電源質量、監控）、人員感知裝置（人臉識別、指紋、帶國網ESAM芯片加密的工牌）、文件掃描儀等多種設備；現場設備包括電能表智能現校儀、互感器智能現校儀等計量器具。

對于符合接口規范或者標準的設備，可按照規范進行互聯互通管理；對于某些不符合接口管理系列規范或者相關標準，設備本身可通過有線或無線方式連接智能邊緣代理感知設備。智能邊緣物聯代理感知設備管理模塊可對智能邊緣代理感知設備進行軟件管理，實現現場設備、實驗室設備互聯互通。

綜合采用軟件、硬件采錄方式，將試驗數據、環境參數、定位信息、故障告警等數據匯集，通過電力有線專網、電力無線專網等數據通道上傳至智慧實驗室管理平臺；智慧實驗室管理平臺將試驗方案、執行反饋、預告警處理等信息，下發至實驗室各類設備或臺體軟件。

3 功能實現

計量實驗室的要素包括：人、機、料、法、環，是計量體系管理的重要工作，分別對應人員管理、計量設備管理、電子身份認證管理、規程規范查新、實驗室管理等要素管理，并使用其他功能輔助完成對要素的管理工作。智慧實驗室管理平臺的主要功能如圖2所示，分為7個部分：電子身份認證管理、智能接入管理、人員數字化管理、實驗室在線管理、計量設備數字化管控、計量標準數字化管理和綜合展示。

圖2 智慧實驗室功能實現

3.1 電子身份認證管理

電子身份標識主要分為計量器具標簽、抗金屬電子標簽、定位與感知標簽三大類，代碼為24位十進制數據組成，由公司代碼段、識別碼、流水號和校驗碼四部分構成。計量器具標簽主要貼在普通資產類設備上，利用電子身份認證標簽的中短距離批量掃描特性，使用移動終端，快速識別設備信息；抗金屬電子標簽主要貼在移動設備、現場校驗設備上，能適應戶外各種場景，具備耐高低溫、防水防潮、耐輻射等各種惡劣環境，同時又具有北斗定位等功能；定位與感知標簽主要貼在檢定臺體、實驗室智能設備上，動態記錄更新設備的保管人員、質檢、檢定、維修、位置等信息，建立計量設備“人-財-物-時-空”五位一體管理機制。

通過電子身份認證標識RFID的獲取、安裝、監控等環節管控，實現計量設備的全生命周期管理，實現設備互聯互通的規范化。對公司各級（國網、網省、地市）計量機構所使用的計量設備進行規范化管理，包括標準設備的準入、使用維護、定期審查、退出運行的全過程管理，便于各級機構能夠自上而下實時監控轄區內計量設備的總體分布、設備狀態、計劃執行等情況。

3.2 智能接入管理

實驗室設備按照其分類、特性、數據生產方式、設備通訊協議等方面進行分析和分類，確定設備控制和數據采集方法，針對不同類型方法，開發對應的控制和數據采集軟件程序與硬件設備，。主要分為三類：

（1）試驗設備

根據不同試驗過程數據和結果數據表征形式的不同，制定了三種不同的信息采錄方式：（1）具備系統的可結構化信息采集，具備上位機的設備，通過組態軟件接口進行數據采集，包括Web Service、數據庫連接等方式；（2）不具備上位機或開放接口的設備，以及在試驗過程中需要數據采集的被測設備，可通過協議轉換方式將不同協議轉換為統一協議，再通過數據采集程序或采集設備進行數據采集；（3）不具備系統的不可實時采錄信息采集的設備，叫做“啞設備”，可通過圖像分析與識別技術來實現數據提取。

（2）智能設備

智能設備通過智能邊緣物聯代理感知設備接入，對環境、人員、安全信息數據進行采集，對室內檢定參考條件做合格化判定，在室內檢定標準化作業和試驗安全管控方面能夠發揮關鍵作用。當采集到的數據有違規時及時預警，向管理員推送預警消息，同時將預警數據上傳至智慧實驗室管理平臺；具有實時控制能力，必要時可采取自動切斷電源等安全措施。

（3）移動設備

移動設備主要指現場校驗裝置，采用國網公司的W-ESAM加密模塊，實現與現場移動作業終端的身份認證、數據加密、無線傳輸；現場移動作業終端支持移動、聯通、電信全網通無線網絡通訊，實現遠程數據交換；現場移動作業終端在無通訊網絡狀態時，支持測試過程數據及結果數據暫存功能，在具備通信條件時，可實現數據的傳輸。

通過統一的接入交互標準，實現實驗室各類設備接入。通過對接入設備進行狀態分析、故障監控達到實時管控、及時發現問題的目的，精準定位故障，減少由于接入設備的問題影響相應業務工作。

3.3 人員數字化管理

計量人員數字化管理是對計量管理人員和計量技術人員的基本信息、崗位信息、授權信息、能力信息、教育和專業資格信息、專業技能和經驗信息、培訓學習等信息進行管理。

通過人員資質管理、變更管理、培訓管理，有效地管控計量體系人員，保存到計量人員臺賬中，實現計量體系人員的準確、精細管控。

3.4 實驗室在線管理

實驗室在線管理是指對計量檢定機構獲得計量授權、中國合格評定國家認可委員會（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，CNAS）、中國計量認證（China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval，CMA）的考核過程中產生的申請書、行政許可決定書、授權證書以及相關信息進行維護管理，以及實驗室比對、實施內審流程全過程線上管控并記錄。

通過實驗室的機構考核、實驗室比對、實驗室內審等管理，明晰實驗室資質及狀態、促使實驗室管理工作準確、高效完成。

3.5 計量設備數字化管控

計量標準數字化管控，建立電能、電測及高壓計量標準器、計量標準裝置及計量測試設備的臺帳，并對其量值溯源、期間核查、停用、啟用、維護故障維修、報廢等環節全流程管理，全過程采用電子身份RFID認證并統一關聯，對報告生成環節、校核環節、審批環節采用電子簽章技術。

通過對設備精準管控，對計量設備的各項工作不漏項、不誤用。同時計量設備量值溯源等工作為計量標準考核提供考核資料依據。

3.6 計量標準數字化管理

計量標準數字化管理，省、地、縣建立電能、電測及高壓計量標準臺帳，并對其新建/復查考核、穩定性考核、重復性試驗等環節全流程管理，確保對計量標準的及時準確管控，同時將計量標準的各類文檔數字化存儲。

3.7 綜合展示

通過計量體系消息看板、試驗誤差分析、標準規范在線查新、設備質量監督等一系列大數據分析手段，對計量體系的各項工作進行統計和分析。計量業務數據進一步深化應用，為后續工作的優化改進提供支撐。

4 結束語

智慧實驗室的應用建設，實現了設備“一物一碼、自主識別”，檔案“一次錄入、全網通用”，計劃“自動生成、實時推送”，委托“線上受理、智能排期”，試驗“自動采錄、多端校驗”，證書“線上審批、安全高效”，環境“全面感知、協同聯動”，質量“動態監督、實時預警”，數據“渠道暢通、嚴謹可控”，異常“科學預測、智能研判”等一系列功能，達到數字化轉型的要求。

國網公司計量設備互聯互通，實時掌控設備運行、實驗室資質、試驗人員、受控文件、試驗任務等狀況，嚴控計量業務活動操作合法性，實現計量業務、質量體系全面線上處理與數據聯動，高效提升計量活動執行效率、質量和智能化程度，進一步開展試驗數據應用智能化研究，挖掘海量試驗數據價值。