數字化熱力實驗室建設探究

蔡立春， 蔡偉平， 鄭藍欣

（1.上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240；2.博世（中國）投資有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州 215127；3.湖南信息學院管理學院，長沙 410100）

0 引 言

隨著“工業互聯網”和“萬物互聯”的概念的出現，國內各領域皆引起了數字化升級的浪潮。在金融交易領域，券商開始采用量化模型來分析證券交易市場，市場預測變得更加迅速和精準［1］。在大型企業管理中，各大公司也在逐步推行數字化理念，使企業管理工作更加透明和便捷［2-3］。在高新技術研發過程中，數字化升級顯得尤為重要，不論是高校或是企業的研發實驗室，都承擔著孕育未來的重要使命。“互聯網+”概念的提出，進一步打破區域、層次等諸多籬笆或無形阻礙，加速實驗室管理的高水平發展［4］。研發團隊成功的數字化升級，能使研發活動在當前高度不確定的環境中變得更為高效和穩定。目前，已有諸多實驗室的數字化項目和研究落地，在醫療實驗領域，基于數字化工具實現了對新冠病毒檢測的平民化［5］，在基礎科學實驗教育領域，很多的數字化工具被采用并有效提升了相關領域知識的傳授效率［6］。而在用于解決日常居家乃至工業熱水需求的熱力技術研發實驗領域，其面對著技術迭代，產品需求變化速度快，市場競爭激烈的現狀，同時，由于實驗研發過程需要使用到多種可燃氣體，使該領域實驗研發過程伴隨一定的危險性［7-8］。

數字轉型的有效性已經在很多領域的實驗室被證明［9-12］，但是熱力技術實驗室的數字化相關研究卻非常有限，因此針對熱力實驗室運行過程中面對的挑戰進行深入研究，并結合其痛點，引入數字化工具和方案，用以提升實驗室的實驗效率，并有效降低運營成本。

1 傳統熱力實驗室面臨的挑戰

1.1 實驗任務多，排期緊且相關性復雜

不論是高校或企業的熱力技術研發項目，項目中各子活動一般都應遵循嚴格的時間表。在該實驗室數字化升級前，缺乏有效的工具和流程來建立或管理這些子活動，所有測試計劃都依賴電子表格甚至是經驗來制定。若該項目子活動數量少或為單線程，尚可推行。但若實驗項目面對的是多任務、多線程、長周期且變更頻繁的情況，就會經常遇到子活動遺漏，沖突或者是銜接不暢等問題。其輕則導致測試活動延遲，嚴重的可能導致整個研發項目延后甚至失敗。例如，燃氣壁掛爐的點火及火焰穩定性，需要利用甲烷、乙炔等多種混合燃氣，花費近2 個月的時間來測試標定，燃氣壁掛爐的點火表現及其火焰的穩定程度，直接關系到產品熱負荷、熱效率、燃燒尾氣排放以及燃氣閥門控制等一系列性能指標的調制。與燃燒模塊相關聯的測試任務安排以及研發項目里程碑的設定，需要隨多項并行進程的測試來動態跟進，并依據測試的穩定結果而調整變化。一旦出現燃燒測試安排的疏漏，則就會“牽一發而動全身”，影響到新產品的上市日期。

1.2 實驗資源管理難統籌

熱力實驗室測試資源管理存在的問題，首先是預約，很多測試臺和測量儀器較為緊缺。改造之前，由于資源分配均采用簡單的線下會議敲定，結果大量的資源沖突產生的協調工作占據了測試人員很多的精力和時間。即便沒有沖突，亦經常會出現預約的設備閑置的情況。

除了資源預約沖突，實驗資源的使用也非常不平衡，燃氣壁掛爐的研發測試所使用的測試臺價格都很昂貴，例如某型國產型號的測試臺的價值都接近100萬元。為使燃氣壁掛爐和測試工作臺能夠安全地按照設定工況運轉，工作臺還需配備供水、供電、供天然氣、特種氣瓶柜、排水、新風和排風等7 大基礎設施模塊。每一次測試的執行，都需要將燃氣壁掛爐各路接口（水路、燃氣路、電路等）嚴格地連接至測試臺上。由于連線操作繁瑣，當進行測試臺資源的申請時，測試人員往往會優先選擇“已經連接好燃氣壁掛爐各接口”或者“自身最為熟悉”的測試臺，從而出現少量測試資源被搶占，但其余設備被閑置的現象。而一旦測試中出現問題需要調整，對這些優質資源的搶奪就會更加劇烈。

1.3 實驗物料欠規范化管控

實驗室規范化的物料管理是保證測試高效運行的重要保證，直接與實驗室物料的采購周期、采購價格等各項因素有關，同時也關系到整個實驗室的試驗安排、完成質量和運營成本［13］。實驗室的諸多工具，樣機，儀器或工裝都會在實驗室中移動。測試人員往往需要花費很多時間做實驗所需物品的尋找和準備。而且，改造前實驗室的所有物料盤點完全依賴目視檢查，不僅耗時，且其盤點效率不高，容易出錯。

相比較于工裝儀器，樣機的管理則更為重要，在燃氣壁掛爐的研發測試中，一臺經過完整研發標定且有部件更改過程記錄的樣機可作為成功的開發思路驗證，被保存在倉庫中，樣機內很多配套部件都具有很高的定制化水平，如非標的不同口徑的燃氣壁掛爐排煙管、擁有不同間隔和熱交換器翅片的燃燒火排，由于之前倉儲管理的不足，某些定制化部件會出現存入了庫位卻無法找到的情況發生，某些關鍵部件的遺失導致緊迫的研發項目延期。

1.4 實驗室運營數據使用困難且報告維度單一

熱力實驗室在每日的運轉過程中，會產生大量的數據，或測試記錄。一般而言，實驗室可以充分利用這些數據，來分析和改進自己的當前工作。但事實上，實驗室要使用這些數據卻非常困難。首先，這些信息大多是“死記錄”，需要耗費大量的時間從文件夾中逐一進行人工查找，而即便查找到文檔，還需要大量的人力對這些文檔中的信息進行二次加工，最終匯總成一份運營狀態報告，且這些狀態報告中的文字占比往往也比圖表更多。

而運營數據使用上的困難，最終結果就是，先前實驗室很難對自己時間跨度內的業務狀態進行有效分析，同時這些數據使用所需要的高昂時間成本，亦使得實驗室的業務狀況分析的顆粒度無法進一步細化，從而無法獲得更為精準的業務改進方向。而之前基于粗略數據所做出的改進決策，其準確率往往較低。

先前實驗室的大部分報告，也都是基于Excel 為工具制作的，受制于數據使用上的困難和Excel 工具功能上的單一，實驗室的很多業務報告結構都比較簡單，涉及的維度也很單一，所以其能提供的業務洞見也往往很有限。

2 熱力實驗室痛點分析與解決方案

2.1 基于信息系統的層級化和集中化的信息管理

通過對測試任務排期混亂的問題進行了深入研究，發現這種混亂，主要是由于測試子活動的記錄分散且相關關系不明晰所導致的。在之前的管理模式中，所有的測試計劃和內容，普遍是由測試負責人單獨記錄和管理，信息缺乏共享。實驗室內能獲取和共享的信息，也僅只有各測試負責人提交的機臺預約記錄。事實上，很多隸屬于同一個研發項目下的測試項往往存在交叉關系，由于測試記錄分散，信息無法有效和及時共享，除了一些子活動會被遺漏外，一個項目里已經完成的測試，可能還會被別人再次重復，這種狀況出現的頻次隨著項目內測試條目的數量的和項目復雜度的增加而增加。同時，當研發項目出現變更的時候，由于測試記錄數據的分散管理，變更信息可能無法及時被所有相關方獲知，所以項目中的不同測試之間時常會出現混亂。

針對以上問題，首先從實驗室數據的維護和管理方式入手，將集散化的測試和項目數據管理改為集中化管理，即所有測試人員需要將所有有關項目和實驗測試的信息，在一個統一的平臺上進行維護和存儲。且這些數據會向同項目的所有相關人員開放，避免遺漏或避免重復測試的出現。如果項目發生變更，變更信息也會被維護在系統中，所有的相關方都只能從該唯一途徑獲取變更信息，從而對自己的當前的測試計劃做出及時調整。

在實現數據統一管理的基礎上，采用層級化的數據結構來保存測試流程信息。此次改造中一共定義了三層數據結構，第一層級為項目層，第二層級為測試大類層，第三層級為具體的測試活動和測試結果。基于層級化的數據管理，幫助實驗室逐步建立了各數據記錄之間的相關關系，幫助實驗室更加容易從數據的相關性中獲得業務上的洞見。

2.2 基于信息系統的申請和審批流程的設備管理

針對資源管理方面存在的問題，對實驗室的日常設備使用過程進行了深入的觀察和記錄。最終發現，這個困擾了實驗室許久的問題，是由于實驗室資源預約管理流程的經驗化，粗放化和非公開化導致的。

首先，經驗化的設備管理往往會導致使用的粗放化。例如，某個功能性測試實驗的設備預約執行時間，往往依照測試人員的經驗而非測試大綱決定，而測試人員又往往傾向于為自己預留充足的緩沖時間，這導致機臺的測試預約時間變得越來越長，而在實際執行層所反映出來的，就是部分測試臺會在預定時間內被閑置。

非公開化，則是指實驗室先前主要依賴于Excel表格來登記預約信息，但是這種缺乏約束的管理方法，往往由于信息的缺失而不被大家認可。更多人選擇通過郵件從管理員那里私下的取得資源使用許可，而這種非公開化的資源使用管理，就會誘發大量的沖突。

針對設備管理經驗化和非公開化的問題，為實驗室制定了基于系統管理的設備申請和審批流程。該流程中規定，所有設備的使用預約，都需要在統一的地方提交預約申請，且申請單中必須包含所有關鍵信息后，才能被提交。提交的申請將由指定的相關人員基于測試大綱標準決定放行或否決，所有申請的內容和狀態也都會向實驗室的工作人員公開。并且實驗室內部指定狀態為“批準”的測試申請為有效預約。

針對粗放化管理，即測試機臺的機時浪費的問題。采用基于物聯網裝置對測試臺的實際使用狀態進行監控和統計，首先所有設備的使用都需要刷卡，且僅有被批準的測試申請才能夠刷卡成功，以確保正確的人在正確的時間，使用正確的設備做正確的實驗（見圖1）。在獲批申請中預約的測試時間，被作為設備的理論使用時間，而設備的實際使用時間，則會通過安裝在每一臺測試設備上的物聯網裝置進行統計。并在月底對計劃和實際的設備的使用時間進行可視化的比對和分析。這些分析結果能夠精確對應到申請者個人，這樣的閉環監控流程讓所有申請者在預約資源的時候，能夠更為嚴肅和謹慎的選擇使用時間。

圖1 熱力實驗室測試臺審批與使用監控流程圖

2.3 基于物聯網感應技術的倉儲管理

本文通過實驗場所和工業場所倉儲流程的對比研究發現，實驗室的物料管控，同工業現場有顯著的區別。首先，工業現場大多強調標準和批量化，但熱力實驗室中的被測對象大多具有非常鮮明的唯一性和不可復制性，雖然它們的數目普遍在個位數。但種類卻異常繁雜，再加上實驗室的存儲空間有限，所以它們的存放，相比較工業現場，更為隨機和無序，例如很多不同種類，不同尺寸的物料往往被草草放置在同一個箱子或者是貨位中，且很多箱子又是堆疊陳列，這就是實驗室改造之前物料查找和盤點困難的主要原因。

解決實驗室物料管理困難的兩個主要的抓手，就是要解決這些物料“在不在”和“在哪里”的問題。由于實驗室物料的混放和存儲空間重疊的問題，以傳統目視方式確認“在不在”的時間成本非常高昂，因此，在此次改造中，采用了無線感應技術，即RFID 來解決這個問題，由于RFID 讀寫器和可附著于目標物的電子標簽，是通過無線電信號識別，它們之間無須建立機械或光學接觸［14-15］。讀取設備能夠透過非金屬存儲容器的外壁來感應標簽，所以很多被密封存放或互相堆疊的物料，都能夠在不開啟或挪動容器的前提下被感知，實現了物料從“目視”確認到“感知”確認的轉變。同時，本次改造中采用的圓極化天線的RFID 設備［16］，使得探測器和標簽之間即便處于大夾角的情況下，也能夠有效地被感應到。

RFID除了解決“在不在”的問題，還能有效解決“在哪里”的問題。由于通常RFID設備同標簽的感應距離在1 m范圍內，所以只要讀取器能夠感知到標簽的存在，那么與該標簽綁定的物料，就一定會在搜索者的視覺范圍內。且充分利用近場感應信號強弱同距離之間的關系，在探測器感應到標簽后，就會發出聲音，且聲音越大，則意味著被查找的對象的距離越近。依據RFID的這個特性，在庫位中尋找特定物品時，就會變得非常便捷。

2.4 基于信息系統與商務智能的數據管理

針對實驗室業務數據難以使用的問題進行了深入探究，發現其主要原因，是之前實驗室收集到的數據多是非結構化，例如之前的文檔中就存在大量的圖片或PDF文檔，它們中的文字信息很難批量或自動化進行提取和使用。與此同時，原先主要基于文字和數字的業務報告，其數據之間的比對或者是關系的描述也不夠翔實。

實驗室數據的結構化，主要依據信息系統來實現。首先，基于上述方案的基礎上，所有流程采集到的數據，都已經被存放在系統后臺的Oracle 數據庫，這些數據就是能夠通過SQL 語言進行快速查驗的結構化數據。但在基于信息系統的數據維護流程里，增加了測試人員的測試申請必須要綁定相關設備和人員信息卡的要求，同時通過對搭建的信息系統進行了升級，實現了項目，測試，設備，人員，測試方法等關鍵模塊之間的數據鏈接。

在解決了數據結構化的問題后，在此次實驗室的數字化改造中，采用商業智能軟件BI（Business Intelligence）Qlik sense，作為實驗室運行狀態的監控工具。①基于之前實現結構化并相互關聯的數據源，BI就能夠依據這些數據表中特定的維度（如時間，設備，人員信息等）作為檢索條件來篩選或重組相關信息。②BI工具除了能按照數據維度篩選數據外，還允許使用者編寫定制化的數據組合邏輯，用以生成各式各樣特定的KPI監控值。③實驗室能夠使用BI工具中豐富的各式圖表，從各維度直觀地展現實驗室的運行狀態。如圖2 中所示，為本次改造中滿足特定設備類別，特定項目約束和特定測試類別下的15 臺設備的2021年一季度的設備有效利用率。④該基于Web 部署的BI工具，還能夠設置自動的數據刷新間隔，將其作為一個動態和實時性的檢測工具。

圖2 基于BI分析的實驗室設備利用率看板

3 數字化熱力實驗室方案的搭建

本文列出了用以解決傳統熱力實驗室相關痛點的數字化解決方案和工具，為避免實驗室的數字化改造后，陷入“數據孤島”的誤區，這些方案中使用到的所有數字化技術或工具，如RFID 感應技術和商務智能等，都不是孤立使用的，而通過將它們集成在一起作為一個互相協同的整體方案部署到實驗室的，其每一個組成部分除用于解決具體問題外，它們在實際實驗室運行過程中，都會產生各自的數據，這些產生的數據都能夠被其他模塊或工具所共享。該集成方案的總體結構圖見于圖3。

圖3 熱力實驗室數字化改造方案總體結構圖

其主要結構中，處于中心位置是一個定制化開發，是能夠實現信息系統數據層級化和集中化管理的需求，且支持設備預約和審批流程的LIMS 系統（Laboratory Information Management Systems）［17］。該熱力實驗室中原先諸多分散和非標的工作流程，被全部轉移和整合到了該LIMS 系統中，LIMS 系統內部的功能模塊結構（見圖4）。其除承接實驗室日常的數據采集，維護，測試臺預約和審批工作外，還作為其他外部數字化工具的數據共享中心。

圖4 LIMS系統功能模塊結構圖

該解決方案的第2 部分，就是實驗室改造后使用的基于BI工具的數字化看板。得益于LIMS系統中已經被結構化處理和保存的數據，BI工具能夠在不進行二次數據格式轉化的基礎上就能直接通過系統的API同信息系統進行鏈接。改造后的數字化看板，能夠呈現包括項目，人員，設備，時間等全方位實時性的實驗室運行狀態。該集合中的第3 個部分，是基于RFID技術的實驗室倉儲管理模塊，在綜合評估了成本、便捷性、系統可維護性和易操作性等諸多方面后，實驗室改造采用了基于移動RFID 設備的倉儲管理方案，該模塊中除去作為數據共享中心的LIMS 系統外，還有其他兩個部分（見圖5）：第一部分是準備模塊，主要是硬件，包括斑馬Zebra MC-3330R 手持設備，物料上的RFID標簽或物流區域物料架中使用的二維碼標簽牌等。第二部分是應用模塊，主要是軟件，包括了為此次任務專門開發的，能夠執行不同倉儲管理任務的APP，依靠這些軟件和硬件，實驗室能夠進行快速的物料感應盤點（基于LIMS 系統內的物料存儲信息），無紙化的出入庫記錄，快速物料位置信息更新或特定物料的感應和定位查找。在該方案中，移動RFID 讀寫器同LIMS系統之間的通信，通過實驗室中部署的WiFi 來實現，所有通過該移動端更改的信息，都將被及時歸類和存儲到LIMS系統當中。從根本上消除實驗室之前在物料管理中可能會存在的信息差。

圖5 基于RFID技術的實驗室樣品管理方案結構圖

4 結 語

通過對某傳統熱力實驗室流程的深入觀察和分析，得出了實驗室信息采集和維護分散化，實驗室資源管理工作的經驗化、粗放化、非公開化，還有實驗室物料單件少種類多以及業務數據非關聯化和非結構化，是造成實驗室中任務排期多、關系不清、實驗設備管理模糊、實驗物料管控困難以及實驗室運營數據使用困難等問題的主要原因的結論。本文使用并且集成了多種數字化工具來解決這些問題。首先，依靠定制化開發的LIMS系統，實現了實驗室信息采集和維護操作的層級化和集中化管理，使得原先每次文檔的匯總時間由原來的幾個小時下降至十幾分鐘。同時，依托信息系統而構建起的標準化，精細化和透明化的設備預約工作流程，使實驗室的設備預約沖突下降了至少70%。同時本方案中采用的RFID 感應模塊，有效緩解了實驗室中物料普遍存在的“件少類多”難于管控的問題。改造后的實驗室，測試的平均準備時間從原來的十幾個小時下降到了幾十分鐘。而此次改造中所使用的商務智能軟件，讓實驗室具備了多維度、細顆粒度和長時間跨度的業務分析能力。