基于MDS架構的智慧實驗室管理系統設計與實現

朱東升，章 昕，凌 璐，曹 菲，楊 茹

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

電力計量實驗室及現場的試驗檢測業務面臨諸多問題：試驗設備自動化程度低、傳感器傳輸信號異構化程度高、資源管理共享程度低和數字化程度低等；檢測業務未有效協同，檢測數據存在采集效率低、錯誤率高、數據孤島等；多數試驗檢測數據的關鍵信息分析、提取在很大程度上仍依賴于人工；試驗檢測的數據獲取效率低、數據離散度高、數據準確度難以保證，直接導致試驗檢測數據對業務高效開展支撐力度不足；實驗室資源和數據共享程度低，大量檢測數據未得到有效貫通和融合應用。

針對以上問題，本文建立電力計量智慧實驗室管理系統，以實現設備互聯互通，推進計量量傳和質檢業務數字化轉型研究及應用建設。

1 現狀及業務需求分析

實驗室業務范圍主要包含室內和現場兩部分，以及實現對計量設備全壽命周期各業務環節的管理。

室內實驗分析如圖1所示。

圖1 室內試驗分析

室內試驗完成設備安裝之前的檢定檢測。由于檢測臺體來源于不同廠家，臺體軟件的風格不統一，設置參數時容易出現參數漏設、錯設的情況。而人工判斷試驗準入條件，容易出現條件漏判的情況[1]。監控試驗過程中，由于缺乏檢測臺體的設備狀態和環境參數的有效手段，無法判定對試驗的影響。檢測報告由人工編制，因此格式不統一、出錯率高、易篡改，可信度較低。

現場試驗完成設備安裝之后的質量監控?，F場實驗室業務分析如圖2所示。

圖2 現場試驗分析

除上述問題之外，現場試驗檢測還存在線下溝通、確認不充分，檢測設備漏帶/錯帶、人員行程無法跟蹤等問題。

由此可見，實驗室各類業務多采用手工作業方式，試驗前手動設置被試品參數，試驗后試驗數據以手工記錄為主，原始記錄和報告需要手工編制。這些過程因人為干預過多而無法保證數據安全及準確性，無法感知設備運行狀態及試驗過程，對設備的質量管控存在真空的環節，為電網的穩定和安全埋下隱患。

實驗室業務包括實驗室量傳檢定、實驗室質檢檢驗、現場檢定/檢測。各專業的試驗檢測裝置種類繁多，缺乏有效的手段對裝置的狀態進行監控[2]，相關的檢測業務數據也無法通過自動化的手段進行記錄，存在數據孤島的問題。通過對實驗室設備的摸底排查，實驗室內相關的互聯互通設備范圍如表1所示。

表1 互聯互通設備范圍

基于以上業務現狀和需求，本文提出一種基于省級計量中心生產調度系統(measurement dispatching system，MDS)的智慧實驗室管理系統，并依據計量標準設備、現場試驗設備接口系列規范，通過不同的數據采錄方式完成試驗檢測裝置的狀態數據、任務數據、試驗數據等與智慧實驗室管理系統信息交互，以實現實驗室的自動化、智能化管理。

2 實驗室管理系統設計

電力計量智慧實驗室管理系統的整體方案建設是在MDS基礎上進行徹底改造升級。 對于省級現有業務系統，MDS作為省級計量量傳和質檢業務數據中樞，開放標準化數據接口，接入用電采集系統的現場檢驗試驗過程、結果和失準更換等數據。對于滿足國家電網公司總體安全防護策略和相關安全要求并具備安全評測報告的自建系統，通過數據接口將管理支撐要素、質量活動、基礎能力、數字化試驗等數據上傳至MDS[3]。地市公司可通過省級MDS實現標準器具送檢和溯源計劃等活動。省公司依托MDS與國網MDS(stater grid MDS,SG-MDS)現有通道，實現到國網計量中心的溯源活動，管控數據通過該通道實時下發推送[4]。SG-MDS與國家質量基礎設施(national quality infrastructure,NQI)服務平臺的實現數據的雙向交互，從而實現國網公司與政府監管部門試驗業務的全流程貫通。系統拓撲關系如圖3所示。

圖3 系統拓撲關系

2.1 數據采集方案設計

由于實驗室開展室內試驗和現場試驗的環境不同，試驗設備也有對應的特點，對于室內和現場的數據采集采用不同的方式。具體設計如下。

(1)實驗室內數據采集。實驗室設備按照其分類、特性、數據生產方式、設備通信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。根據不同試驗過程數據和結果數據表征形式的不同，制定了以下三種不同的信息采集方式。

①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不具備上位機且不提供對外數據訪問接口的設備稱作“啞設備”，可通過圖像分析與識別技術實現數據提取[5]。

(2)現場數據采集?，F場數據按照業務實時性要求，分為非實時業務數據和實時狀態數據。

①非實時業務數據?，F場設備安裝國網公司的嵌入式加密認證模塊(embedded secure access module,W-ESAM)，實現現場移動作業APP終端的身份認證、數據加密、無線傳輸?，F場移動作業終端支持移動、聯通、電信全網通無線網絡通信，通過用采閉環的專用無線傳輸通道，將數據傳輸至用采閉環系統。實驗室管理系統與用采閉環系統采用數據同步的方式，從而獲取計量設備的現場數據。

②實時狀態數據。在現場計量設備安裝線監測裝置[6]，實現對關鍵運行狀態量的實時采集和傳輸[7]，并經主站將設備實時運行監測數據上傳、同步至智慧實驗室管理系統。

2.2 系統應用功能設計

智慧實驗室管理系統的主要功能包括智慧實驗室綜合展示、人員管理、實驗室管理、試驗管理、計量標準管理、計量設備管理、電子身份認證管理以及接入管理這八個部分。

智慧實驗室管理系統功能架構如圖4所示。

圖4 功能架構

①智慧實驗室綜合展示。通過對試驗業務各相關環節數據的統計分析，實現試驗室情況、證書/報告統計、標準設備分布圖、標準分布圖、人員情況、試驗任務統計分析、質量監督、計量體系看板等功能，為完善實驗室“人機料法環”的管理以及后續工作的優化、改進提供支撐。

②人員管理。通過計量人員臺賬、人員資質、人員培訓等功能，實現試驗人員的準確、精細管控。

③實驗室管理。通過擴大認可范圍評審、初次評審申請、到期復查申請、初次考核申請、比對、內審、外審等功能，支撐外部機構對實驗室的認定認證的工作；通過作業指導書、技術規范、實驗室臺賬等，指導試驗人員高效、準確地完成各項工作。

④試驗管理。通過全性能試驗、量傳試驗、現場試驗、在線監測、自校準等功能模塊，實現對各項試驗業務開展的全流程管控。

⑤計量標準管理。通過申請審批、資料歸檔、制定計劃、更換申請、建標考核、考核試驗、分析處理等功能模塊，支撐計量標準新建、更換、考核、封存、恢復等工作，實現計量標準的及時、準確管控。

⑥計量設備管理。通過對計量設備量值溯源、期間核查、設備維護、停用管理、維修管理等模塊[8]，實現設備精準管控，對計量設備的各項工作不漏項、不誤用。

⑦電子身份認證管理。通過標志獲取、標志安裝、標志監控等功能模塊，實現電子身份認證標志的全環節管控，以及計量標準、計量設備全生命周期管理。這有利于各級機構自上而下地實時監控轄區內計量標準和測量設備的總體分布、設備狀態、計劃執行等情況。

⑧接入管理。通過設備狀態、系統狀態、任務調度、接入授權等功能模塊，支撐系統和設備接入更加有序規范[9-10]，最大程度地減少由于接入設備和系統問題影響相應業務工作，從而提高工作效率。

3 試點應用

智慧實驗室管理系統已經成功在遼寧、江蘇、江西、湖北等省級電力公司上線運行。

通過試點應用，本文建立的電力計量智慧實驗室管理系統主要成效如下。

①系統實現了計量試驗關鍵業務全流程跟蹤和精細化在線管控能力。

通過試驗業務的線上流轉，實現試驗數據自動上傳、試驗任務智能分配、關鍵信息預警提示等功能；對試品狀態、人員狀態、試驗方案、時長、臺體等標準量傳關鍵業務，實現了全流程跟蹤、監控;結合多維度數據綜合展現，對業務過程關鍵節點進行全過程管控，持續加強和提升了標準量傳業務的精細化管控能力。

②系統提高了試驗業務的智能化水平。

通過試驗數據自動采錄、業務流程和業務數據的上下融合，以及預告警、多渠道消息推送與提醒、試驗數據自動分析與糾錯、數據綜合統計分析等業務支撐手段，平均設備故障響應時間由原有的3 h縮短至15 min。這有力地提升了標準量傳的智能化應用水平、業務服務能力和業務全局管控能力。

③系統提高了試驗工作效率和業務水平。

檢驗裝置通過技術方式接入系統中，可實時傳遞檢驗、檢測信息。對計劃任務進行實時提醒、到期預警提醒、按照各個實驗室的待檢設備進行排序，使任務調度效率比原先提高了10%以上，生產計劃效率比原先提高50%以上。在顯著提高檢驗檢測效率的同時，系統切實提高了業務服務水平和能力。

通過系統試點應用，增強了計量生產過程管控質量，提高了計量生產精細化管理水平[11]。試點應用結果表明，計量中心生產調度管理能力得到有效提升。試驗檢測效率提升15倍，庫房利用率由原先的40%提高至95%；人工成本縮減80%；工作差錯、降低生產安排和過程管控的工作量及人員投入相應減少。該系統提升了管理效率，節省了大量時間成本，減少了資源浪費。

4 結論

本文基于互聯互通的電力計量智慧實驗室技術，設計并研制了一套智慧實驗室管理系統。系統通過人員管理、實驗室管理、試驗工作管理、計量標準以及計量設備管理等功能，實現對實驗室“人機料法環”各類要素的智能化管理。系統通過接入管理和電子身份認證管理功能模塊，實現了對試驗檢測裝置的自動化接入和被檢設備的全流程管控。基于MDS架構的智慧實驗室管理系統在省級電力計量實驗室實現了業務、設備、人員的互聯互通，以及試驗過程自動化線上流轉，也解決了傳統電力計量試驗工作以人工為主、試驗過程不規范的問題。

隨著電力計量實驗業務的不斷深入、業務流程的變化以及物聯感知設備的發展，需進一步加強對實驗室內部啞設備數據獲取技術研究，以及組網技術研究。利用窄帶物聯網技術，可實現對實驗室內部和現場數據的統一口徑獲取，減少系統中轉帶來的數據延遲和丟失風險。