基于云計算服務(wù)的配電設(shè)備檢測實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

摘 要：實驗室管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System，LIMS）是統(tǒng)一調(diào)度實驗室資源并控制實驗流程的軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)結(jié)合流行的云存儲和云計算技術(shù)，設(shè)計了一套云端部署的LIMS，以支持靈活可靠的資源管理、流程控制功能以及智能化的統(tǒng)計分析、缺陷診斷功能。與傳統(tǒng)LIMS相比，基于云平臺的LIMS具有用戶友好、安全可靠、擴展靈活等優(yōu)點，在部署便捷性和實驗數(shù)據(jù)的分析能力方面具有顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：云平臺；配電開關(guān)；實驗室管理

中圖分類號：TM714" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0036-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.009

0" " 引言

配網(wǎng)開關(guān)及其控制器是配電網(wǎng)中的重要設(shè)備，保障了居民和工商業(yè)用電的穩(wěn)定性。為了提升配電設(shè)備的運行可靠性，需要在設(shè)備上網(wǎng)運行前送交實驗室抽檢，并在運行中定期檢測，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，還需要通過一系列的檢測排查缺陷。這些檢測任務(wù)都需要借助實驗室管理系統(tǒng)（Laboratory Information

Management System，LIMS）集中管理人員、設(shè)備、數(shù)據(jù)資源，并規(guī)范檢測流程[1]。

傳統(tǒng)的LIMS功能主要集中于實驗數(shù)據(jù)的記錄和設(shè)備信息的管理，不關(guān)注實驗數(shù)據(jù)的共享和智能化分析。早期的LIMS可追溯到20世紀(jì)60年代的集中式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以大中型IBM計算機為中央主機，通過星型拓?fù)溥B接采集終端，完成簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集和結(jié)果輸出等功能[2]。隨著個人計算機的普及，20世紀(jì)八九十年代開始出現(xiàn)基于服務(wù)器/客戶端架構(gòu)的分布式體系架構(gòu)，并支持多用戶、多任務(wù)并行以及簡單的圖形繪制、工作計劃安排和數(shù)理統(tǒng)計分析功能[3]。近十年來，以美國的STARLIMS為代表的應(yīng)用層/業(yè)務(wù)層/數(shù)據(jù)層互相獨立的三層邏輯結(jié)構(gòu)逐漸成為LIMS的主流架構(gòu)。該系統(tǒng)由軟件廠商提供可靠的數(shù)據(jù)層和底層業(yè)務(wù)邏輯，并支持用戶自主拓展業(yè)務(wù)層和頂層應(yīng)用，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的靈活配置[4]。

然而，傳統(tǒng)的LIMS存在如下缺陷：1）軟件功能模塊臃腫，配置煩瑣；2）缺乏完善的權(quán)限控制體系和網(wǎng)絡(luò)安全機制，難以通過互聯(lián)網(wǎng)共享實驗數(shù)據(jù)；3）軟件缺乏開放性，難以借助其他分析工具提升數(shù)據(jù)分析能力。近年來興起的云存儲和云計算技術(shù)為彌補傳統(tǒng)LIMS的不足提供了解決思路。一方面，商用的存儲服務(wù)供應(yīng)商為實驗數(shù)據(jù)提供存儲和數(shù)據(jù)安全服務(wù)，不必占用系統(tǒng)的自由存儲空間；另一方面，云計算服務(wù)可以為實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、智能診斷與決策提供充足的計算資源。此外，前后端分離的軟件架構(gòu)，可以整合先進的前端框架如Vue.js、Angular等，使得用戶無須安裝專門的管理軟件，只在瀏覽器中訪問指定的頁面即可完成LIMS的所有管理功能。

本文基于云存儲和云計算服務(wù)，提出了一種新型的配電設(shè)備檢測實驗室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ISO/IEC 17025設(shè)計，將配電開關(guān)的型式實驗、到貨抽檢和故障診斷等流程集中統(tǒng)一管理，跟蹤記錄實驗人員的工作痕跡，確保每項檢測任務(wù)均符合質(zhì)量規(guī)定完成[5]。本文章節(jié)1介紹了管理系統(tǒng)的整體設(shè)計，章節(jié)2介紹了系統(tǒng)的資源管理功能，包括人員、儀器、被試設(shè)備、測試任務(wù)及數(shù)據(jù)的管理，章節(jié)3介紹了管理系統(tǒng)的流程控制和統(tǒng)計分析功能，章節(jié)4介紹了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，最后一節(jié)為本文結(jié)論。

1" " 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于云服務(wù)的LIMS由云實體存儲、云計算和接口層三部分組成，如圖1所示。

如圖1所示，云實體存儲主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的資源管理功能，包括人員的工作量統(tǒng)計、合同管理、檔案管理，實驗儀器的采購、維護、監(jiān)控、報廢，被試設(shè)備的送檢、排期以及實驗任務(wù)的登記、審核、反饋等。云計算層依托容器技術(shù)（Docker），完成實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、被試設(shè)備的智能診斷以及實驗流程的合規(guī)監(jiān)控等[6]。而接口層則承擔(dān)本系統(tǒng)與使用者及其他應(yīng)用程序交互的功能，其中功能頁面包括登錄頁面、實驗任務(wù)申請工單、實驗數(shù)據(jù)錄入表單、實驗任務(wù)狀態(tài)查詢及統(tǒng)計與分析頁面等；文件接口為輸出TXT、CSV、XML等標(biāo)準(zhǔn)格式文件，供其他分析程序使用；短信與郵件用于向?qū)嶒炄藛T及上級領(lǐng)導(dǎo)匯報實驗進度和結(jié)果。

2" " 實驗資源管理

實驗資源管理是系統(tǒng)中實體存儲的主要功能，所涉及的資源實體包括人員、儀器、設(shè)備、工單、供應(yīng)商及實驗數(shù)據(jù)。對于各項實體，都需要根據(jù)實際需求，設(shè)計合理的增刪查改邏輯，配備相應(yīng)的操作權(quán)限與數(shù)據(jù)備份機制，以確保數(shù)據(jù)的完整性與安全性。

2.1" " 實驗人員管理

如圖2所示，實驗人員的管理邏輯涵蓋了人員的入職、培訓(xùn)、工作、考核與離職的各個環(huán)節(jié)。其中，入職與離職流程由實驗單位人事部門負(fù)責(zé)，管理實驗人員的工作合同與檔案材料。入職完成后，應(yīng)由部門組織上崗培訓(xùn)，并由主管填寫考核成績。考核通過后，方可正式開展實驗工作。

系統(tǒng)將記錄每位實驗人員的所有工作技能及近期任務(wù)，向技能匹配、時間充足的人員分配新的檢測任務(wù)，并規(guī)定開始和截止日期。對實驗人員的考核以月為周期，考察人員的出勤情況及實驗任務(wù)完成量。

2.2" " 測試儀器管理

測試儀器的管理包含儀器采購、維護、投用與報廢四大環(huán)節(jié)，如圖3所示。在采購環(huán)節(jié)，需要依據(jù)過往的采購記錄、儀器維修記錄及使用壽命記錄，選擇最佳的供應(yīng)商；儀器驗收需要檢查儀器使用資料是否齊全、儀器功能是否完整；通過驗收的儀器，由用戶填寫儀器的名稱、編號、型號、價格、保存位置及責(zé)任人等信息。儀器維護環(huán)節(jié)涉及資料維護與設(shè)備校準(zhǔn)，如有必要應(yīng)當(dāng)定期檢修。

儀器投用后，通過數(shù)據(jù)采集模塊與配電設(shè)備相連，在實驗中自動采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加采集時間、設(shè)備編號等信息，加密后通過廣域互聯(lián)網(wǎng)傳到云端存儲。

若儀器數(shù)量有限，會出現(xiàn)使用時間沖突的情形。此時需通過使用排期，合理安排各項實驗任務(wù)的時間。

2.3" " 被試設(shè)備管理圖

被試設(shè)備的管理包含送檢、就緒、實驗、診斷與匯報五大環(huán)節(jié)，如圖4所示。其中，設(shè)備送檢時，需要由廠家附送工藝標(biāo)準(zhǔn)、說明書、設(shè)備物理模型以及出廠實驗報告，檢查資料是否齊全、準(zhǔn)確。將設(shè)備的型號、數(shù)量、供應(yīng)商信息、實驗單位及實驗負(fù)責(zé)人信息等錄入被試設(shè)備庫，即可就緒，等候排期。實驗負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)確定實驗場地、實驗實施人員、實驗開始結(jié)束日期以及實驗優(yōu)先級別等，在系統(tǒng)中創(chuàng)建實驗任務(wù)。

設(shè)備的實驗分為3種類別，分別為型式實驗、到貨抽檢與故障診斷實驗。其中，型式實驗包含電氣性能測試與電磁兼容性能測試，用于驗證產(chǎn)品是否符合技術(shù)規(guī)范全部要求；到貨抽檢為驗收貨物階段，依次檢查設(shè)備的外觀是否良好，電源工作、“三遙”功能、絕緣性能是否正常等；設(shè)備投運后，需要定期巡檢，以及時發(fā)現(xiàn)問題，處理故障。

如果在實驗中發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作異常，或者在投運中報告設(shè)備故障，將進入缺陷診斷環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與關(guān)聯(lián)規(guī)則分析的配網(wǎng)設(shè)備缺陷診斷算法。其中，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)以設(shè)備的物理模型為基本拓?fù)?，在此基礎(chǔ)上添加代表設(shè)備缺陷及設(shè)備故障的節(jié)點，并通過歷史診斷數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則獲取網(wǎng)絡(luò)的完整拓?fù)?。交互式的診斷流程允許用戶對上一輪的診斷結(jié)果做出反饋，并作為新的診斷證據(jù)供下一輪診斷使用，直到得出準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

在實驗過程中，系統(tǒng)將定時匯報當(dāng)前所在的測試項目以及實驗完成的進度。實驗完成后，系統(tǒng)將根據(jù)模板輸出包含實驗結(jié)論及實驗數(shù)據(jù)的報告，交付測試負(fù)責(zé)人簽字確認(rèn)。

2.4" " 實驗任務(wù)管理

實驗任務(wù)的管理包括實驗工單發(fā)起、審核、簽發(fā)、監(jiān)督和反饋等環(huán)節(jié)，如圖5所示。在型式實驗和到貨抽檢中，工單由設(shè)備供應(yīng)商發(fā)起，并提供相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、出廠實驗報告等資料；在診斷實驗中，工單由實驗單位發(fā)起，并提供設(shè)備故障表征。工單發(fā)起后，由實驗機構(gòu)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)審核實驗發(fā)起人是否具有實驗權(quán)限、實驗機構(gòu)現(xiàn)有檢測儀器能否支持實驗實施。對于涉及戶外作業(yè)、高壓作業(yè)的實驗，還需要與實施方簽署安全承諾書。通過審核的實驗工單，由實驗機構(gòu)簽發(fā)實驗許可，指定實驗實施人員、實施時間以及涉及的實驗儀器的編號。如果實驗延期，或?qū)嶒炄藛T、儀器設(shè)備有變動，需要提交工單修改申請重新審核。

實驗過程中，每一步實驗操作及相應(yīng)的數(shù)據(jù)都應(yīng)該詳細(xì)記錄，作為實驗合規(guī)檢查的憑據(jù)。實驗報告簽發(fā)后，送檢方如果對實驗結(jié)果有異議，允許其提出申訴，并按照既定流程復(fù)核。

2.5" " 測試數(shù)據(jù)管理

測試數(shù)據(jù)管理包含錄入、校核、查詢、備份和數(shù)據(jù)安全5個環(huán)節(jié)，如圖6所示。數(shù)據(jù)錄入可以由實驗人員手動錄入，也可以由實驗儀器自動導(dǎo)入；錄入的數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)緩存，需要經(jīng)過兩重校核方可寫入數(shù)據(jù)庫：1）權(quán)限校核逐項檢查錄入者是否擁有對各數(shù)據(jù)項的添加權(quán)限；2）完整性校核則檢查錄入的數(shù)據(jù)項加入數(shù)據(jù)庫后是否帶來完整性問題，如實體完整性、域完整性、參照完整性以及用戶定義完整性。

測試數(shù)據(jù)需要支持高效、準(zhǔn)確的查詢操作。當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，通過采用分表查詢、建立表索引等手段加快查詢速度[8]。同時，數(shù)據(jù)庫建立外鍵，以支持跨表查詢，為供應(yīng)商質(zhì)量管理和多種設(shè)備缺陷統(tǒng)計分析提供支持。

3" " 流程控制與統(tǒng)計分析

3.1" " 實驗流程控制

實驗流程控制，是實驗室管理系統(tǒng)通過技術(shù)手段引導(dǎo)實驗流程、劃分操作權(quán)限、記錄實驗操作的過程。流程控制的目的在于確保實驗操作完全依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行，并在實驗結(jié)果存在分歧時回溯實驗操作，厘清責(zé)任歸屬。

管理系統(tǒng)將設(shè)備實驗的流程劃分為申請、實驗、數(shù)據(jù)分析與報告生成4個階段，如圖7所示。

各個階段的流程控制手段：

3.1.1" " 用戶權(quán)限體系

本系統(tǒng)設(shè)計了3種用戶角色：管理員、實驗人員及供應(yīng)商。各種角色的權(quán)限范圍如表1所示。此外，實驗人員內(nèi)部可以進一步根據(jù)實驗項目的不同細(xì)分為多個用戶組（如電磁兼容組、絕緣實驗組等），電磁兼容組的用戶只允許參加電磁兼容實驗，錄入電磁兼容相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，而不允許跨組操作。完善的權(quán)限體系能夠規(guī)范實驗人員的分工安排，也能防止涉密實驗數(shù)據(jù)的泄露。

3.1.2" " 操作記錄機制

在設(shè)備測試的全流程，系統(tǒng)將自動記錄所有角色用戶的操作，包括工單的創(chuàng)建與修改操作、數(shù)據(jù)的錄入操作、用戶權(quán)限的修改操作以及設(shè)備診斷操作等。操作記錄的標(biāo)準(zhǔn)格式如表2所示。

3.1.3" " 異常告警機制

當(dāng)實驗人員執(zhí)行錯誤操作或測試儀器故障時，實驗管理系統(tǒng)將發(fā)出異常告警。系統(tǒng)中設(shè)計了5種異常，如表3所示。

3.2" " 數(shù)據(jù)查詢與分析

管理系統(tǒng)支持實驗數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計分析。系統(tǒng)支持的基礎(chǔ)查詢功能包括：根據(jù)工號、姓名、入職年份、權(quán)限組等查找實驗人員；根據(jù)設(shè)備類型、型號、批號、供應(yīng)商、合格率等查找被試設(shè)備；根據(jù)實驗項目、被試設(shè)備類型、部門歸屬、儀器編號、儀器廠商等查詢測試儀器；根據(jù)實驗工單號、實驗日期、實驗人員、被試設(shè)備等查詢實驗任務(wù)等。此外，系統(tǒng)支持統(tǒng)計功能的定制開發(fā)，如統(tǒng)計指定時間段內(nèi)的儀器使用情況，統(tǒng)計實驗人員工作量，統(tǒng)計供應(yīng)商的設(shè)備合格率，統(tǒng)計指定批次被試設(shè)備各項指標(biāo)的均值、極值、方差等。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)集成了一系列分析功能：通過分析歷史診斷數(shù)據(jù)中設(shè)備缺陷與故障的頻繁項集的支持度與置信度，找到設(shè)備缺陷與故障之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則[9]；通過基于設(shè)備物理模型與關(guān)聯(lián)規(guī)則分析搭建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，針對設(shè)備故障表征生成缺陷診斷報告；通過分析不同供應(yīng)商設(shè)備的故障風(fēng)險，生成供應(yīng)商質(zhì)量評估報告以及推薦采購計劃。

4" " 系統(tǒng)實現(xiàn)與部署

4.1" " 系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用MVC（Model-View-Controller，模型-視圖-控制器）設(shè)計思路，如圖8所示。其中，模型由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLite3實現(xiàn)，分別對LIMS所管理的實驗人員、測試儀器、被試設(shè)備、實驗任務(wù)及測試數(shù)據(jù)等實體資源建模，并支持?jǐn)?shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)有效性驗證、分表查詢、數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)安全等[10]。

控制器建立在模型的基礎(chǔ)上，主要實現(xiàn)實驗資源的增、刪、查、改邏輯。同時，控制器記錄用戶在系統(tǒng)中的每一項操作，以支持事后追溯及數(shù)據(jù)回滾。在流程控制方面，控制器允許管理員設(shè)定實驗項目的跳轉(zhuǎn)邏輯，以確保各項實驗嚴(yán)格依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實施，杜絕實驗人員私自修改實驗項目，多做或漏做實驗內(nèi)容。對于實驗中出現(xiàn)的表3所示的各種異常，控制器均根據(jù)異常處理規(guī)則處理。

視圖包括用戶視圖和數(shù)據(jù)接口，是本系統(tǒng)與用戶或其他系統(tǒng)交互的媒介。用戶視圖通過Vue.js實現(xiàn)，可以在瀏覽器中訪問系統(tǒng)的Web服務(wù)器獲取，無須下載專門的應(yīng)用軟件。本系統(tǒng)集成了用戶登錄視圖、工單申請視圖、任務(wù)進度視圖、設(shè)備質(zhì)量分析視圖、人員排班視圖、測試數(shù)據(jù)管理視圖等用戶視圖。圖9展示了本系統(tǒng)的測試統(tǒng)計視圖。

當(dāng)前，本系統(tǒng)支持3種形式的數(shù)據(jù)接口：1）輸出標(biāo)準(zhǔn)格式文件（包括以Excel表格、CSV文件、XML文件輸出測試數(shù)據(jù)以及Word、PDF格式的標(biāo)準(zhǔn)測試報告等）；2）以郵件的格式匯報測試進度及測試結(jié)果；3）移動設(shè)備接口，以短信的形式提示測試任務(wù)安排。

4.2" " 系統(tǒng)部署

本系統(tǒng)采用開源容器技術(shù)Docker作為部署方案，系統(tǒng)中的資源實體模型、前端服務(wù)器、流程控制后臺服務(wù)器以及分析診斷算法包分別封裝在獨立的Docker鏡像中，不受系統(tǒng)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，即插即用。當(dāng)升級系統(tǒng)組件時，只需更換對應(yīng)組件的Docker鏡像，而其余組件不受影響。

5" " 結(jié)論

實驗室管理系統(tǒng)集中管理設(shè)備實驗的資源、控制實驗流程，確保了實驗室各項實驗嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，是提升配電設(shè)備及其控制器可靠性、安全性的重要保障。本文依托云存儲及云計算技術(shù)，設(shè)計了一套集成了用戶權(quán)限體系、存儲備份機制、操作記錄與回滾機制、異常告警與處理機制的云管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的LIMS相比，該系統(tǒng)具有用戶友好、安全可靠、擴展靈活的優(yōu)點，軟件部署方便高效，并支持智能的數(shù)據(jù)分析、缺陷診斷功能，具有明顯的優(yōu)勢。

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收稿日期：2023-03-08

作者簡介：況成忠（1985—），男，安徽淮北人，高級工程師，主要從事配電新技術(shù)研究工作。