基于大數(shù)據(jù)的新興產(chǎn)業(yè)計量校準服務(wù)平臺研究

張修建，楊 平2，張鵬程

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076； 2.阿米檢測技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214177)

0 引言

計量校準是產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的技術(shù)支持，是國家質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。目前，隨著新興產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和對計量需求的增強，現(xiàn)有計量校準服務(wù)受資源分散、計量效率不高、服務(wù)信息不透明、無法覆蓋全壽命周期等因素限制，對產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展支撐能力日漸不足[1-2]，普遍缺乏主動服務(wù)和參與競爭的意識，服務(wù)方式和途徑比較單一，尚未實現(xiàn)向計量校準、分析診斷、研發(fā)創(chuàng)新、咨詢培訓(xùn)等全產(chǎn)業(yè)鏈、全方位的深度融合服務(wù)轉(zhuǎn)型，難以適應(yīng)現(xiàn)代市場體系的要求。

建設(shè)一站式計量校準服務(wù)平臺，對完善產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新保障體系，提升計量機構(gòu)智能化水平和綜合服務(wù)能力，推動國家現(xiàn)代科技計量校準服務(wù)業(yè)更好、更快發(fā)展具有重要意義[3]?，F(xiàn)有的計量校準服務(wù)平臺主要以發(fā)布計量校準信息等為主，沒有圍繞產(chǎn)業(yè)對優(yōu)勢資源進行整合，缺少基于大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的計量校準服務(wù)功能，不能為行業(yè)提供基于海量數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的、高層次的計量校準服務(wù)支持，并沒有突破傳統(tǒng)的科技服務(wù)平臺模式。為此，亟需開展基于大數(shù)據(jù)的新興產(chǎn)業(yè)集成化計量校準服務(wù)模式、平臺架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)支撐體系等研究，形成基于服務(wù)集成的一站式計量校準方法，為提升服務(wù)智能化水平提供技術(shù)支撐。

1 平臺總體架構(gòu)及方法

平臺硬件系統(tǒng)組成如圖1所示，硬件環(huán)境包括主機服務(wù)器(數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、文件服務(wù)器等)、工作站(網(wǎng)絡(luò)管理工作站)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(路由器、交換機、防火墻)和其他設(shè)備(存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、后備電源等)?？紤]到將來平臺應(yīng)用的發(fā)展，主機方案使用多臺服務(wù)器進行集群，提供硬盤鏡像保護，保障數(shù)據(jù)存儲的可靠性。當(dāng)應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫軟件出現(xiàn)故障或單臺服務(wù)器出現(xiàn)硬件故障時，系統(tǒng)能正常運行。

圖1 平臺硬件系統(tǒng)組成

平臺基于最新J2EE/XML 規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準，構(gòu)建大型企業(yè)級、跨平臺、跨數(shù)據(jù)庫、跨應(yīng)用服務(wù)器的多層、分布式WEB 應(yīng)用系統(tǒng)的框架[4]。系統(tǒng)采用Java struts2構(gòu)架，MVC設(shè)計模型。平臺系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，從提高系統(tǒng)的并發(fā)性、可維護性、可擴展性、可重用性、安全性、可移值性、日志、接口等方面宗合考慮[5-6]。平臺有4個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是資源共享服務(wù)系統(tǒng)、計量校準服務(wù)系統(tǒng)、遠程專家支持系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)挖掘與分析系統(tǒng)，具備在線交易、在線診斷、在線評價等功能。

圖2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

平臺研制流程及方法如圖3所示，針對新興產(chǎn)業(yè)對計量校準服務(wù)的具體需求，確定服務(wù)內(nèi)容；研究全過程集成化計量校準服務(wù)模式；基于計量校準資源共享和進出機制，建立全國計量校準服務(wù)資源池；突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建一站式計量校準服務(wù)平臺；建立科學(xué)的平臺管理與服務(wù)運行機制、技術(shù)支撐體系，為平臺高效運行提供技術(shù)保障，并在新興產(chǎn)業(yè)重點領(lǐng)域開展示范應(yīng)用。

圖3 平臺研制流程及方法

新興產(chǎn)業(yè)計量校準服務(wù)平臺旨在探索一種基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的合作機制, 要實現(xiàn)一站式計量校準服務(wù)平臺建設(shè)的目標(biāo)，展示它的資源共享性、導(dǎo)向性、開放性、服務(wù)性和創(chuàng)新性等特征，充分發(fā)揮包括各計量機構(gòu)、設(shè)備送檢企業(yè)等各種行為主體在內(nèi)的資源互補與協(xié)同創(chuàng)新機理，建立科學(xué)的管理機制來維持平臺的正常運行。

2 平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能評估與故障預(yù)測技術(shù)

如何減少設(shè)備故障和零部件故障引起的停產(chǎn)時間，以及提前預(yù)測設(shè)備故障，是計量校準服務(wù)亟需思考和解決的問題。利用當(dāng)前和歷史計量校準數(shù)據(jù)，綜合運用智能評估與故障預(yù)測技術(shù)，設(shè)計科學(xué)合理的評估指標(biāo)體系、運行監(jiān)測方法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造智能評估與預(yù)測模型，實現(xiàn)重要設(shè)備、產(chǎn)品與關(guān)鍵零部件狀態(tài)監(jiān)測、性能綜合評估、故障預(yù)測與預(yù)警等功能[7]。智能評估與故障預(yù)測流程如圖4所示。

圖4 智能評估與故障預(yù)測流程

為解決新興產(chǎn)業(yè)部分設(shè)備運行環(huán)境復(fù)雜、實時數(shù)據(jù)量大、影響因素眾多的故障分析難題，充分利用設(shè)備故障率相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)(如設(shè)備故障記錄數(shù)據(jù)、設(shè)備計量校準數(shù)據(jù))，設(shè)計符合其特征的數(shù)據(jù)挖掘算法(如KNN、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機SVM、樸素貝葉斯等)，研究數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，挖掘出影響設(shè)備故障的重要特征，構(gòu)造設(shè)備故障預(yù)測模型，為服務(wù)平臺中大數(shù)據(jù)挖掘與分析系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。采用各類傳感器實時采集測試設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，并傳輸至平臺的故障預(yù)測模型中，可在線預(yù)測分析設(shè)備運行狀態(tài)?；诿嫦蛴嬃啃史?wù)平臺的數(shù)據(jù)集合規(guī)模龐大，采用分布式系統(tǒng)開源基礎(chǔ)框架(如Hoodop、Spark、Storm)，收集存儲大容量數(shù)據(jù)集，并提高計算效率。

2.2 大數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)

大數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)將大數(shù)據(jù)挖掘與可視化技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用，用以發(fā)現(xiàn)、理解與分析服務(wù)平臺包含及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對象中屬性特征、隱含信息及關(guān)聯(lián)、服務(wù)與市場需求等，并提供便利有效的數(shù)據(jù)分析手段[8-9]。在數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)應(yīng)用中，運用度量指標(biāo)體系對服務(wù)與市場運營產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用結(jié)果進行量化，在不同層次上對相關(guān)信息對象與過程進行可視化展示，并對可視化技術(shù)應(yīng)用效果進行評價，以便幫助提高對服務(wù)平臺運行狀況及相關(guān)信息認識與掌握的客觀性與準確性，并為對服務(wù)與市場運營發(fā)展方向進行決策提供有效的信息支撐。

大數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)路線如圖5所示。應(yīng)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析服務(wù)平臺產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，明確選擇適用的大數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)，建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，并完成應(yīng)用算法設(shè)計與實現(xiàn)。選取與計量校準服務(wù)決策密切相關(guān)的指標(biāo)集合，通過可視化技術(shù)直觀地呈現(xiàn)計量校準行業(yè)市場供需關(guān)系，從不同角度分析市場運營的狀態(tài)、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

圖5 大數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)路線

通過建立的智能可視分析方法與模型，將計量數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)、評估數(shù)據(jù)等以圖形化、動態(tài)化呈現(xiàn)，滿足大數(shù)據(jù)分析的需求，幫助實現(xiàn)相關(guān)決策內(nèi)容的形成，有利于提高服務(wù)的質(zhì)量與標(biāo)準，以及市場運營的效益。

2.3 服務(wù)資源池構(gòu)建技術(shù)

在計量校準中，數(shù)據(jù)來源廣泛，結(jié)構(gòu)多樣，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，使得這些數(shù)據(jù)無法互通，通過服務(wù)資源池的構(gòu)建來融合多源異構(gòu)的計量校準大數(shù)據(jù)，分析不同類型數(shù)據(jù)的特征，在資源池中為它們選擇合適的表達方式，打通多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的壁壘，實現(xiàn)不同服務(wù)資源的整合優(yōu)化[10]。同時，基于數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用需求，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性為目標(biāo)，開展對多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)萃取，對多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進行清洗、選擇和優(yōu)化，解決多源異構(gòu)計量校準大數(shù)據(jù)“聚而不通”的問題，從而支撐服務(wù)資源池的動態(tài)管理和持續(xù)更新。

服務(wù)資源池建設(shè)思路如圖6所示，圍繞新興產(chǎn)業(yè)的計量校準需求，通過對現(xiàn)有計量校準行業(yè)使用的標(biāo)準和機構(gòu)計量能力的梳理，以現(xiàn)有優(yōu)勢計量資源為核心，吸納其他社會優(yōu)勢計量資源，集合計量校準業(yè)務(wù)中積累的歷史數(shù)據(jù)信息，基于服務(wù)分類、服務(wù)共享與虛擬化等技術(shù)，建立服務(wù)主體、服務(wù)對象、服務(wù)支撐、示范信息等資源庫，并設(shè)計資源進出機制，以實現(xiàn)資源整合，并對計量需求進行響應(yīng)。

圖6 服務(wù)資源池建設(shè)思路

服務(wù)主體包括技術(shù)與標(biāo)準器具、機構(gòu)與服務(wù)、專業(yè)標(biāo)準與規(guī)范、專業(yè)人才等方面，服務(wù)對象包括技術(shù)與儀器設(shè)備、市場等方面，服務(wù)支撐包括第三方信息服務(wù)、物流服務(wù)、金融機構(gòu)、政策法規(guī)等方面，示范信息包括示范內(nèi)容與過程、評估機制等方面。這些基礎(chǔ)資源庫是整個平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為平臺運行的準確性和穩(wěn)定性提供最基本的運行保障。

2.4 核心算法組件庫設(shè)計

組件庫的設(shè)計可以提高智能算法的重用率，加快平臺軟件開發(fā)速度，更加便于維護和升級。平臺應(yīng)用面向組件的軟件設(shè)計思想，通過對算法結(jié)構(gòu)的組件化分析，把平臺智能算法分解為即相互聯(lián)系、又相對獨立的算法組件模塊，并應(yīng)用組件技術(shù)和分布式處理技術(shù)，構(gòu)建一個可重用的并具有良好可擴展性的核心算法組件庫。

對目前已有的各種算法中考慮到的各種因素以二進制的形式存儲在算法庫中，形成規(guī)則算法庫引擎。算法組件庫設(shè)計架構(gòu)如圖7所示，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理組件庫、模型結(jié)構(gòu)組件庫、評估函數(shù)組件庫和搜索方法組件庫等，根據(jù)模塊化的設(shè)計思想，每個業(yè)務(wù)算法模塊封裝成一個獨立的動態(tài)鏈接庫，提供標(biāo)準的接口定義，使其具備相對獨立、可重用的特點。

圖7 算法組件庫的設(shè)計架構(gòu)

3 技術(shù)支撐體系建設(shè)

針對新興產(chǎn)業(yè)質(zhì)量提升與生產(chǎn)安全管控服務(wù)問題，以服務(wù)平臺為依托，以標(biāo)準體系為基準，以技術(shù)措施為手段，以創(chuàng)新中心為保障，建立“服務(wù)平臺+標(biāo)準體系+技術(shù)措施+創(chuàng)新中心”于一體的技術(shù)支撐體系，為設(shè)備可靠性運行監(jiān)測、故障預(yù)測與預(yù)警、性能綜合評估提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。技術(shù)支撐體系是提升質(zhì)量與生產(chǎn)安全管控服務(wù)水平和提升計量校準服務(wù)效率的關(guān)鍵，促進產(chǎn)業(yè)計量校準覆蓋研制、生產(chǎn)、試驗和使用等全過程，確保產(chǎn)品質(zhì)量提升和全過程安全管控，對于服務(wù)平臺的建設(shè)與發(fā)展有著重要的實際意義。

1)新興產(chǎn)業(yè)計量校準技術(shù)標(biāo)準體系。隨著新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)對計量校準服務(wù)的依賴程度不斷加深、市場需求旺盛，為新興產(chǎn)業(yè)計量校準技術(shù)標(biāo)準體系建設(shè)創(chuàng)造了條件。新興產(chǎn)業(yè)在研制、生產(chǎn)和試驗過程中使用大量專用測試設(shè)備，由于這些設(shè)備應(yīng)用范圍專一，自動化、智能化水平高，尚未形成有效的計量校準標(biāo)準體系，建立專用測試設(shè)備計量校準標(biāo)準體系，將極大地促進與保障專用測試設(shè)備在新興產(chǎn)業(yè)重要裝備、產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件研制過程中的指導(dǎo)和保障作用。平臺在為新興產(chǎn)業(yè)服務(wù)的過程中，緊密圍繞新興產(chǎn)業(yè)的科研生產(chǎn)和核心能力建設(shè)，制定符合自身發(fā)展要求的計量校準標(biāo)準，積極實現(xiàn)與國際標(biāo)準的對接，使平臺的開發(fā)與應(yīng)用既能符合行業(yè)標(biāo)準，又具備良好的規(guī)范性，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強有力的技術(shù)支撐和基礎(chǔ)保障。

2)新興產(chǎn)業(yè)質(zhì)量安全技術(shù)措施。技術(shù)措施主要包括個性化定制服務(wù)、設(shè)備性能評估技術(shù)、質(zhì)量保障技術(shù)等方面。個性化定制服務(wù)為送檢企業(yè)提供技術(shù)咨詢與服務(wù)咨詢工作，根據(jù)企業(yè)提出行業(yè)高端計量校準需求，組織研發(fā)計量技術(shù)，提供一站式的計量校準服務(wù)方案；設(shè)備性能評估技術(shù)是利用當(dāng)前和歷史計量校準數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，對被檢設(shè)備性能進行綜合評估與預(yù)測；質(zhì)量保障技術(shù)是深入企業(yè)查找質(zhì)量問題，對癥下藥，有針對性地為企業(yè)提供分析測試服務(wù)，開展產(chǎn)品質(zhì)量診斷，并聯(lián)合優(yōu)勢資源開展重大技術(shù)攻關(guān)，不斷提升計量技術(shù)水平，形成階梯式的技術(shù)儲備，為持續(xù)發(fā)展提供源源不斷的動力。

3)服務(wù)平臺技術(shù)支撐體系創(chuàng)新中心。依托給服務(wù)平臺，建立技術(shù)支撐體系創(chuàng)新中心，負責(zé)平臺運營服務(wù)體系的監(jiān)督管理工作，為新興產(chǎn)業(yè)提供產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造、運維服務(wù)等全過程的計量校準服務(wù)，以科技創(chuàng)新推動結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級。

4 結(jié)束語

一站式計量校準服務(wù)平臺建成后，有利于推動計量校準供給方、需求方、產(chǎn)業(yè)鏈上下游及相關(guān)方資源的線上集聚。在新材料、新能源、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域開展示范應(yīng)用，制定階段性的驗證實施計劃，在示范應(yīng)用過程中，需要遵循嚴格的示范標(biāo)準，并在各個階段進行示范效果評估，及時總結(jié)示范應(yīng)用單位對平臺的意見，不斷豐富和完善技術(shù)路線和服務(wù)模式，為平臺功能調(diào)整與優(yōu)化提供依據(jù)。

構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的新興產(chǎn)業(yè)計量校準服務(wù)平臺，將計量校準服務(wù)逐步滲透到產(chǎn)業(yè)鏈各企業(yè)、各環(huán)節(jié)，促進產(chǎn)業(yè)計量校準覆蓋研制、生產(chǎn)、試驗和使用等全過程，實現(xiàn)計量校準資源最大效益。在新材料、新能源、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域開展示范應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)第三方計量校準服務(wù)資源共享，彌補產(chǎn)業(yè)計量校準資源不足，為產(chǎn)業(yè)提供一站式、標(biāo)準化、可靠、及時的計量校準服務(wù)，對提升國家第三方計量校準服務(wù)能力和競爭力，促進產(chǎn)業(yè)計量校準質(zhì)量提升等方面具有重要意義。