建設計量智慧實驗室的探索研究

馬勝國 孫永明 魏本海 梁國青 王郡 孫傳汀

摘?要：隨著我國電力行業的快速發展，對于電力行業計量的設備的需求不斷增加，傳統的計量方式，會造成設備計量效率低、數據管理不合理、設備臺賬維護量大等問題，建設計量智慧實驗室的研究非常關鍵。本文立足于電網行業計量智慧實驗室的研究，分析了傳統計量實驗室的現狀，總結了計量智慧實驗室所實現的功能；并且設計了計量智慧實驗室的總體架構，細化其組成，分析了計量智慧實驗室的安全架構，為實現計量智慧實驗室的設計提供參考。

關鍵詞：計量；智慧實驗室；功能；實驗室總體架構；安全架構

隨著我國經濟的不斷發展，計量檢測、檢定/校準行為是維護貿易平等和保護人民公平交易的重要衡量手段，是一種維護消費者合法權利的法律基礎，是維護市場經濟的保證［1-3］。因此，各國也建立了標準計量實驗室，從而進行標準的量值傳遞以及溯源工作。然而，計量檢測、檢定/校準的精準性受計量環境等因素影響嚴重。因而，計量實驗室是確保計量結果公平、公正的重要前提，是檢測設備是否準確的基礎，為量值傳遞提供規范、精準的物質基礎，不僅僅需要為相關的檢測機構提供相應的監督數據，還需要對標準量具提供相應的計量數據，因此計量實驗室數據的準確性、可靠性，不僅僅反映了實驗室的“硬實力”，也是保證國家計量標準的重要手段［4-7］。

但是隨著時代的進步，科技的不斷發展，智能化的計量方式不斷進步，建設智慧實驗室能夠提升計算實驗室的信息化水平，從而實現信息化計量實驗室的進一步發展［8-10］。傳統計量行業的方法和標準發展非?？欤嬃繕藴势骶叩闹悄芑?、科技化更高，更多的計量設備需要標準化的計量實驗室進行測量，而且智能化的計量實驗室是數字化改革前提，因此，探索研究智能化計量實驗室的建設是目前研究的重點。

1 計量實驗室的現狀

雖然我國計量實驗室已經發展迅速，但是伴隨著計量任務的增加，使得傳統的計量實驗室出現了檢測時間長、數據處理慢的問題。

1.1 實驗室計量設備煩瑣，缺乏智能化通信

隨著我國科技的快速發展，各種各樣的計量設備不斷增加，使得實驗室需要的標準計量設備種類、數目也不斷增加，但是不同的計量設備生產廠家并不一樣，設備的接口類型、傳輸數據的協議并不相通，許多設備根本不存在相應的通信接口，使得計量設備的定檢自動化難度大，設備協議不同，進行相應的設備采錄也非常困難。

1.2 計量設備缺乏自動化檢測手段

目前，多數的計量實驗室的設備信息化程度低，并且檢測過程中，使用的檢測設備種類繁多，使得計量檢測過程非常煩瑣，實驗室計量過程中，需要大量的人力進行干預，得到的試驗、測試結果不能夠自動化處理，需要進行人工的采集、分析以及上傳。設備與設備之間的通信渠道缺乏，不能立刻進行數據的處理，實現不同工序的無縫銜接。

1.3 實驗室設備、儀器無統一的信息庫

目前，計量實驗室的裝置和設備并沒有統一的建檔，對于設備查找、使用、維修、報廢等流程仍存在人工操作的情況，除此之外，進行設備的登記過程時間非常長，由于人工干預的情況，可能會發生實驗室設備登記時遺漏，運輸時損壞，甚至丟失等情況，使得計量實驗室的設備管理效率低下，計量資源利用率低。

1.4 實驗室人員資質信息管理不規范

由于計量實驗室的部分設備需要特殊資質的人員才能夠進行，使得部分人員并沒有檢測資質，卻對特殊設備進行操控，這也是由于缺少實驗室人員資質管理問題造成的。另外由于實驗室計量任務多，人手不夠，就會出現無法合理安排試驗設備，降低實驗室的檢測效率，同時會給特殊設備檢測帶來一定的風險和誤差。

1.5 實驗室環境管理存在缺陷

目前，常見的計量實驗室的環境檢測系統未實現智能化、信息化，多數為人工檢測的方法，如實驗室的環境溫度、濕度、顆粒度都是需要人工，每天進行相應的檢測，另外，實驗室大樓的空調、排風扇、加濕器等電子化設備，都需要人工進行控制，無法實現計量實驗室的智能化控制。

1.6 計量業務流程效率低、數據管理差

目前，計量實驗室的計量任務多為半自動化，需要填寫相應的委托單，并且還需要進行排隊、審核、檢驗、確定等各個步驟，使得整個計量業務的效率非常低；另外，檢驗的數據需要進行人工的抄錄，或者通過U盤等存儲的設備進行導出；缺乏相應的監督、共享的方法和途徑，會造成設備數據的丟失、篡改以及錯錄等問題。

2 計量智慧實驗室的功能

在計量智慧實驗室中，主要完成的功能有：對人員信息的登記管理，對設備信息的登記管理，實驗室的身份證驗證和管理，計量標準器具管理，實驗室環境智慧檢測，計算數據智能化管理等。

2.1 人員設備電子身份認證

為了便于對計量實驗室設備的管理，會對計量設備上進行電子標簽認證，能夠短時間內利用電子身份證標簽進行掃描，從而獲得整個設備的詳細信息。除此之外，定位金屬標簽能夠對移動的電子儀器進行定位和感知，能夠在惡劣的環境下，保證設備標簽的正常使用，從而利用標簽建立相應的“臺賬”，對于計量設備的檢測、維修、報廢等操作流程，節省了設備的登記、審批的流程，從而提高計量實驗室的計量設備的效率。

另外，需要對計量實驗室的人員進行數字化培訓和相應的電子設備教學，提升管理人員的數字化水平。在實驗室中的科學人員以及相關的定檢人員，是整個實驗室的關鍵所在，首先，要通過信息化技術建立科研人員以及定檢人員的基本信息，并且實現、快捷的準入實驗室的方法。其次，將計量人員的基本信息，能夠操作的設備以及教育和專業情況，進行相應的登記管理，與設備信息“臺賬”進行相應地掛鉤，有效地管控計量體系人員，便于進行人員的管理以及培訓，將獲得信息保存到相關“臺賬”中，從而達到計量實驗室人員的詳細、快速、精細管理。

2.2 計量標準器數字化管理

計量標準數字化管控，保障實時監管計量標準器具的使用情況，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。對于需要進行預先加熱的設備和儀器，可以通過遠程控制的方法進行操作，提高操作的效率；并且能夠對于計量標準器具進行使用周期追蹤管理，掌握每一臺儀器的使用狀態，分析其測試數據的正確性，定期進行相關設備的保養；與此同時還需要對計量標準器具保留相關電子檔案，便于器具的智能化管理。

2.3 計量實驗室環境智慧化管理

計量實驗室在進行計量的過程中，對于環境參數要求較嚴，需要避免環境中的溫度、濕度、灰塵、氣壓等各種參數的影響，因此要對計量實驗室的環境參數進行嚴格監測。首先，要按照各種計量標準具的運行環境和技術參數使用，確保計量標準器具不受到環境因素的影響，并且檢測標準器具在實驗室環境下，不滿足運行條件時，要及時停止相關測試。而智能設備對于計量實驗室環境智慧化管理有著重要的作用。對實驗室的人員、設備、環境、安全信息等參數進行監控，并且判斷是否滿足相應的條件，對于建立安全智慧實驗室發揮著重要的作用。

除此之外，數字智能網關能夠通過無線網絡外接溫濕度探測器、通斷空調電源的智能插座、控制空調工作的紅外遙控設備、通斷加濕器、排風扇的開關控制器等設備，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操作。還可以自動化地控制空調、加濕器、排風扇等保障計量過程所需的環境要求。

2.4 計量實驗室數據的智能化管理

首先，對于計量實驗室的數據，快速識別并讀取原始數據，自動上傳邊緣云進行數據處理；實驗室需要能夠實現相應的無線數據傳輸，保證三大運營商的無線通信，保證實驗室的數據進行及時的交流和輸送；另外，需要建立相關的局域網，支持實驗測試數據的導入導出，進行存儲、分析以及傳輸等相關功能；并且，進一步提升實驗數據的記錄方法和保存安全性，避免重要數據因為筆誤、錯錄等原因，造成試驗的失敗。

另外，對于試驗數據的紙質檔案，能夠進行拍照記錄，便于后續數據庫的查證，并且在實驗室建立統一的交互模式和標準，便于不同類型的設備接入和互通。還可以通過對不同狀態的測試設備進行監控，分析其運行的狀態，及時進行相應的調整和安排，避免出現運行故障，影響試驗的進度。

2.5 計量實驗室設備智能接入管理

構建智慧計量實驗室，實現計量檢測數字化、信息化實驗室的轉型，重點解決計量實驗室標準化無線接口及其協議的設置、物聯網共享等問題。首先，要改造、優化相關檢測設備，使其具備無線連接、信息化采集功能，包括Web Service、數據庫連接等方式；如果不具備無線接口，或者上位機功能的設備，需要進行不同協議之間的轉換，再進行相關數據的采集；除此之外，還需要在實驗室建立統一的“云平臺”，能夠實現多種設備的互聯、互通，便于檢測設備的高效連接，使整個平臺內部的設備與員工相互聯系，最終能夠打造統一的、高效的信息化計量實驗室。

3 計量智慧實驗室設計

3.1 計量智慧實驗室框架結構設計

通過上述多余計量智慧實驗室的分析，需要對人員、設備以及實驗室環境進行相關的管理，并且能夠實現統一的接口接入，對實驗室進行動態的監管，因此，計量智慧實驗室框架結構主要包括：試驗業務邊緣計算單元、環境采集單元、通信融合單元、計量標準設備、環境檢測設備。

試驗業務邊緣計算單元：是智慧實驗室多協議計量試驗集控交互應用和核心載體，是整個計量實驗室的核心所在，主要的功能有存儲、計算以及網絡應用管理等。該單元的業務主要是進行更快的網絡響應，能夠滿足不同行業的實時、智能、安全以及試驗管理的基本要求，或進行物理連接。

環境采集單元：主要是將檢測設備的各種參量信號轉換為相應的電信號，支持LoRa等多種無線有線通信方式，并且經過數字信號處理，進行環境信息的存儲、分析以及處理。環境采集單元主要是完成對實驗室環境參數的采集、計算和處理，并且對所需要的環境數據進行監控，一旦發現環境參數超標，就需要進行報警操作。

通信融合單元：通信融合機支持級聯，控制卡的上行數據端口可以駁接至另外一部機箱的通信端口，由其匯總后再行上報。

計量標準設備：主要有數字多用表、質檢檢定裝置、電能檢測裝置、傳感器檢定裝置。現場設備主要有：互感器智能現校儀以及電能表智能現校儀等，智能設備主要有：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、芯片加密的工牌）、文件掃描儀等多種設備。

環境檢測設備：智能門禁、視頻監控、智能電控、溫度、濕度、煙霧等傳感器。

3.2 計量智慧實驗室安全結構設計

計量智慧實驗室控制平臺的建設，需要考慮網絡安全、應用安全、數據安全、系統安全、物理安全等多個方面。

3.2.1 網絡安全

計量智慧實驗室控制平臺主要是在國家電網公司的內網中運行，需借助國網公司統一的安全防護體系和相關辦法，因此對于外部接入網絡，需要遵循電網的安全規范。

3.2.2 應用安全

應用安全防護需要進行員工的身份認證、實驗室的授權、設備輸入輸出的驗證、運行代碼安全保護、遠程會話管理、設備監控管理、設備運行日志管理、數據的存儲和加密、數據的備份和匯入等安全防護。

3.2.3 數據安全

業務數據是系統正常運行的基礎，因此需要保證數據的機密性、安全性以及完整性。另外，對于關鍵的數據還需要做到人員登錄進行認證、權限進行把控、數據傳輸進行加密、必要時進行相關的備份。采用數字證書、密碼以及相關的口令進行認證；對于權限的保護，要采取用戶的授權機制、避免數據的盜竊和刪除；還需要對關鍵數據進行檢測，保證其避免損壞和銷毀。

3.2.4 系統安全

系統安全是指智慧實驗室多協議計量試驗集控交互裝置及軟件系統的安全，主要有書記庫系統、操作系統以及系統中間件的安全問題。首先，需要選擇相對安全的操作系統、中間件和數據庫系統，增加系統的口令和弱口令；其次，需要對整個系統的文件進行相應的保護，避免出現篡改和替換。在系統網絡上安裝網絡病毒防治服務器，并在內部網絡服務器上安裝網絡病毒防治軟件，在單機上安裝單機環境的反病毒軟件，定期進行病毒庫的更新。

3.2.5 物理安全

智慧實驗室多協議計量試驗集控交互軟件系統運行在裝置上，還需要保證物理接口安全遵循國家電網公司的安全生產管理規定。

結語

計量智慧實驗室的建立能夠提高電力行業計量監督管理的精準性和有效性，進一步提升智能信息技術與實驗室監管工作的相互融合，統一規范計量標準、檢測設備、人員及實驗室資質等信息，推動計量標準、檢測裝置等設備智能化、網絡化，實現聯網運行和自動控制，實現實驗室內部自治、自律、高效，為電業行業提供高效、優質、滿意的計量檢測服務，推動電力行業的發展。

參考文獻：

［1］凌璐，陳雅倫，楊聰明.基于物聯網技術的智慧計量實驗室管理平臺［J］.江蘇通信，2022，38（02）：60-63.

［2］黃萬明，陸璐，程飛，等.數字化轉型：計量檢測機構發展的“新基建”［J］.計量與測試技術，2022，49（01）：101-104.

［3］趙艷，艾學璞.追溯計量管理變革——探索智慧管理模式［J］.中國檢驗檢測，2021，29（05）：67-68.

［4］賀俊賓.面向計量實驗室環境監測的多傳感器數據融合算法研究［D］.湖南師范大學，2021.

［5］杜澤翰，楊永軍，姜延歡.基于5G技術的智慧計量變革［J］.計測技術，2020，40（05）：53-57.

作者簡介：馬勝國（1985—?），男，漢族，河北保定人，本科，中級工程師，研究方向：用電信息采集、智能配用電等。