基于數據驅動的企業智慧計量數字化實驗室構建

胡建宇，張安陽

（1.赤峰市產品質量檢驗檢測中心，內蒙古自治區 赤峰 024000；2.南京明德軟件有限公司，南京 210000）

在數字經濟時代，數據已經成為企業競爭的重要資源和生產要素。傳統計量實驗室中的實驗人員與設備之間缺乏有效的聯動，存在大量的人工、重復性工作，導致實驗室效率低下且運行風險高。在數字化轉型的大趨勢下，需要對傳統計量實驗室進行升級改造，采用物聯網、大數據、人工智能等先進技術，建立基于數據驅動的互聯互通智慧計量數字化實驗室，實現器具管理、計量檢定、計量數據應用等功能，提高實驗室設備之間的互聯互通性，減少數據維護工作量，為計量工作提供更加智能和高效的解決方案。

1 行業趨勢與問題梳理

1.1 行業形勢

《計量發展規劃2021-2035》提出，要完善企業計量體系，強化對工業測量過程、測量數據的管理，推廣智慧計量理念[1]。南京市計量監督檢測院為適應計量檢測設備數字化轉型趨勢，采用物聯網和通信技術，研發了一套統一的檢測設備聯網上云和檢測數據采集平臺。該平臺可實現設備的統一監控和管理服務，并將檢測數據上傳至云端進行共享[2,3]。方逸洲等通過結合AIoT產品和技術，為6種計量校準實驗項目設計了物聯網網關和數據分析軟件，以管理實驗數據流，將大量人工操作改進為智能型自動化操控，該項改進顯著提質增效[4]。

1.2 當前主要矛盾

傳統計量實驗室的管理工作目前大多還采用手工或簡易的信息化管理方式，缺乏智能化的有效管理手段，主要矛盾如下：

1）計量器具管理工作量大、共享程度低且易錯。計量管理環節由不同的部門和不同的人負責，并且都在線下以紙質記錄的形式進行操作，使整個管理過程缺乏有效的銜接和溝通，無法實現互相融合和互相協作。同時，由于計量器具種類繁多且數量龐大，管理工作也面臨著很大的困難。另外，計量實驗室中各類記錄文件分散，缺乏有效的記錄和整理，無法為設備更新和技術改進項目提供有力的參考依據。更重要的是，計量器具管理也缺乏全生命周期管理的理念，無法從整體上對器具進行全方位的管理和維護，導致效率低下。

2）計量檢定工作量大。計量實驗室普遍存在著“人少量多活雜”的現象，檢定工作量龐大，重復工作頻繁。在自動化檢定程度日益提高的行業中，檢定結果大多仍需要手動編制原始記錄，并進行檢定證書的出具。

3）實驗室體系管理方式傳統，風險高。計量人員的檔案、資質信息缺乏動態閉環的信息化管理；實驗室質量管理活動基本無流程，隨意性較大。

4）計量數據應用基本沒有涉及。計量數據是通過計量器具進行定量測量獲得的數據，具有時間間隔、比率、標稱和有序的標度特征，可支撐正確構造出有用的數據，并應用不同場合和不同產品的制造過程，成為實現工業自動化、智能化的重要途徑。但目前整體處于“雷聲大、雨點小”的局面，計量數據的應用尤其與生產過程的結合應用尚未多見成熟案例。

針對當前行業面臨的問題與發展趨勢，亟需從計量工作和管理角度出發，利用物聯網、大數據、AI等先進技術，推動智慧計量實驗室的建設。通過信息技術手段的充分應用，提高計量信息采集、追蹤、分析和處理的能力，加強計量大數據分析運用，實現數字化和智能化的計量實驗室管理。

2 智慧實驗室框架與關鍵技術

2.1 實現目標

智慧計量的核心是緊密圍繞數據，在計量管理以及檢定工作過程中以多維度的閉環數據流重塑計量管理與檢定流程。

1）基于 PMS（Plant Management System-Requirements）設備管理體系，借助二維碼、RFID技術，結合工業互聯網實現全生命周期的計量器具管理。現代意義上的計量器具全生命周期管理[5]，包含設備管理的全過程，從器具臺帳、周檢計劃、安裝使用、維修保養、器具巡檢到報廢處置等一系列過程，既包括器具本身管理，也滲透著對器具的量值溯源和數據分析應用。

2）通過數字化實現計量多業務聯動，全場景業務數字化。圍繞周檢、委托、樣品、庫房以及體系、質控等全要素，通過線上流程化、閉環化建設，實現業務全程無紙化、原始記錄與證書報告無紙化，實現使資源與質控無紙化，保證計量檢定業務實時可控在控、質量風險精準管控。

3）與檢測設備互聯互通，實現設備上云、檢定數據上云并全自助生成原始記錄與證書報告。將傳統的“設備-人-系統”模式轉化為“設備-系統”，無需人工二次錄入，大幅提高檢定效率，且降低差錯率，確保檢定數據的準確。

4）積極探索計量數據應用。數據產業化是基于計量數據池，結合業務管控深度挖掘數據價值，實現基于全量數據的精細化管控。

2.2 架構設計

智慧實驗室建設架構如圖1所示。依據實驗室管理體系、信息安全以及相應的標準接口規范，圍繞計量實驗室全方位要素，向下連接實驗室各類儀器設備、檢定裝置，實現檢定數據動態可感知；核心面向實驗室的業務、體系、檢定工作構建智慧化應用；向上可支持通過各類終端進行操作與數據處理、數據展現與可視化。

因計量檢測工作存在以下特點：計量檢測發展地越來越快，相應變化和需求日新月異；智慧計量實驗室的建設是一項長期的，需不斷探索的工作[6]；計量檢定工作普遍性項目多、數據量大、本地資源交互多等現象。針對前述特點，智慧計量實驗室的構建技術需具有先進的技術和設計理念，能夠自我進化、快速適應需求變化的能力。因此，在圖1所示的架構中，技術中臺的目的是用于為智慧數字化實驗室的底層架構提供滿足具有行業通用性、可移植性、高聚合、低耦合、性能可擴展、靈活性、可組合性、開源特性的技術架構，同時通過技術中臺使部分功能使用人員可自主配合、維護以及二次開發，減少對外部要素的依賴。

圖1 智慧計量數字化實驗室架構Fig.1 Architecture of smart measurement digital laboratory

2.3 關鍵技術

1）設備物聯技術

智慧計量的核心目標是通過標準接口和智能軟硬件構建檢定工作操作簡便、實驗結果智能分析、實驗報告快速出具的高效流程，從而實現計量檢定設備數據、檢定記錄和證書報告之間的數據打通，將檢定結果的數據實現物聯傳遞，形成融合效應。

設備物聯技術的核心是建立一個端到端深度融合的聯網中間件，通過連接設備、數據和人員，實現智慧計量實驗室的建設。該技術將傳統的計量檢測模式向智慧檢測模式轉型，通過軟件和數據接口的打通，采集并控制計量檢定設備，并將數據匯聚至云上進行處理和分析。最終，云上平臺會自動生成原始記錄、證書等。這種技術實現了設備上云、數據上云的目標，并將新一代信息技術和制造業深度融合，為計量檢定工作提供高效配置的載體。

2）計量數據中臺技術

計量數據中臺技術旨在通過全面的數據集成、流程集成、應用集成、服務集成以及生態鏈集成，打通數據壁壘，盤活技術數據，并可提供整套大數據技術、產品、方法論及服務，讓數據持續走向業務、賦能業務，助力數字化轉型工作。圖2為計量數據中臺結構圖。

圖2 計量數據中臺結構圖Fig.2 Measurement data center structure diagram

數據中臺中的數據倉庫是一個同時支持實時和離線導入的數據存儲平臺，能夠對海量數據進行高效分析。從業務中臺和技術中臺集成數據到中央存儲庫，數據倉庫將當前和歷史數據存儲在一起，用于為整個系統的用戶創建分析報告。

存儲在倉庫中的數據從業務中臺與數據中臺上傳。這些數據需要通過ODS數據庫，并且進行額外操作的數據清理，以確保數據質量，然后才能在數據倉庫中用于報告。數據中臺需要自定義維護數據源，通過溯源連接器獲取元數據，并支持數據的自定義處理，通過數據處理引擎完成對數據的加工、清洗、匯總，通過目標連接器將處理后的數據上報，供上層應用調用，為系統的數據中臺提供支持。

3 應用成效

基于計量器具全生命周期管理與計量檢定工作閉環化的工作流程如圖3所示，在該流程模式下，使得信息無障礙共享，數據準，效率高，大幅降低人工工作量。

圖3 企業智慧計量數字化實驗室主要效果圖Fig.3 Main rendering of enterprise intelligent measurement digital laboratory

3.1 計量器具數字化管控

圍繞計量器具啟用、安裝、維修、保養、巡檢、周期檢定、報廢等各類事實，實現計量器具全生命周期的全動態化管理，為計量器具的智能化管理提供了技術支撐。同時，將大量的線下工作流程實現線上運營模式，建立標準化和規范化的業務流程體系，大幅提高管理效率，同時提高管理維護質量。

基于RFID、NFC、二維碼等技術，為新購置和已投用的計量器具都粘貼上電子標簽，運用物聯網技術建立計量器具動態數據庫，實現計量器具臺賬在線數據交互管理。計量器具臺賬支持分級分權限管理，如使用車間可查看權限范圍人的器具清單、狀態、歷年來的檢定證書等信息，并可在權限范圍內維護相應信息，如保管人、使用地點等信息。此外，可通過手機APP、PAD等移動設備進行隨時隨地的查詢信息、查看檢定證書、說明書等，且可進行維護，使獲取信息以及更新計量器具臺賬信息的方式變得靈活，避免了設備信息變更不及時導致設備設計參數、設備入廠、安裝與調試、檢定結果不全的現象。

依據計量器具臺賬管理中檢定周期的相關規定，可自動生成周檢計劃并建立計量器具周期檢定預警機制，對即將超期未檢的計量器具進行報警。在檢定周期內，下達檢定計劃，將計量器具進行送檢時相應的信息直接推送至計量業務系統，并實現檢定證書與檢定信息的自動更新。

采用智能巡檢的方式，器具維護人員日常巡檢時攜帶手持終端PAD或手機對巡檢計量器具進行掃描上傳，在全生命周期管理信息平臺中產生巡檢軌跡，便于優化巡檢流程，形成圖形化展示。對于計量器具故障的診斷不僅僅局限于現場巡檢時發現問題，還可以依靠實時數據庫對計量器具數據進行實時采集，通過在遠程觀察計量器具的歷史數據曲線和發展趨勢，進行數據比對，來判斷計量器具運行狀況是否存在故障。

3.2 檢測設備聯網

當前的計量實驗室設備主要可以分為3類：第一類是具有系統化的結構化信息采集能力，并且能夠通過組態軟件接口連接上位機進行數據采集，例如接口、文件、數據庫連接等方式；第二類是沒有上位機或沒有開放接口的設備，以及在試驗過程中需要進行數據采集的被測設備。這類設備可以通過協議轉換的方式將不同的協議轉換為統一協議，然后使用數據采集程序或采集設備進行數據采集；第三類設備則是沒有系統化、實時的信息采集能力，但是可以通過圖像分析與識別技術來提取數據。

聯網中間件可通過設備廠商的檢定校準軟件進行深入融合，如北京康斯特研發的ACal軟件支持壓力、溫度等60多個項目，國內外近120余種不同廠商的計量設備。ACal軟件與聯網中間件實現了數據的雙向對接，針對可支持的設備可實現檢定員僅需要完成檢定工作，后續原始記錄、證書報告無需人工干預，大幅減少人工重復工作量。此外，聯網中間件提供標準的API接口與ACal無法支持的計量檢定設備實現數據交互。

3.3 數字化體系與質量管控

基于1033、1069、17025等相關規范與準則，圍繞“人、機、料、法、環”對實驗室全要素進行數字化管理，如標準器、計量標準、人員、技術依據、內審、比對等各項要素，使實驗室管理工作準確、高效完成并且降低實驗室運行風險。

通過數字化管理可以方便對實驗室人員進行授權管控以及數據分析和決策，計量標準數字化管理除建立計量標準臺賬外，可對其全過程進行管理，包括新建項目、復查考核等，并能夠自動生成履歷書等各類考核用材料。

3.4 計量數據分析應用

通過對計量業務數據、計量器具數據、檢定測量數據的誤差分析以及實驗室體系運行數據等進行一系列源數據歸集、清洗、處理，并建立計量數據中心；利用大數據分析手段，對各項工作進行建模、統計和分析，將相應的分析結果應用于器具管理、計量檢定等各項工作中去，為后續工作的優化改進提供支撐，并且可通過大屏或實驗室看板設備進行數據可視化。

4 結束語

智慧計量數字化實驗室，是針對計量器具的全生命周期管理、計量檢定設備的互聯互通，實時掌控計量檢定、實驗室運行、設備管理等狀況，實現計量器具管理、計量檢定、實驗室管理活動的全面線上處理和數據聯動，高效提升計量管理的效率、質量和智能化程度，并且可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。