工業(yè)金相檢驗(yàn)試驗(yàn)室的信息系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)踐

袁 野, 周 希, 李至博

(中核建中核燃料元件有限公司 理化檢測研究所, 宜賓 644000)

在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，工業(yè)制造企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量已成為企業(yè)競爭力和發(fā)展能力的核心體現(xiàn)。不斷加強(qiáng)質(zhì)量管理，對生產(chǎn)進(jìn)行全過程的控制和全方位的管理已成為企業(yè)管理的重要內(nèi)容[1]。其中，工業(yè)檢驗(yàn)試驗(yàn)室作為全面質(zhì)量管理的重要組成部分，往往涵蓋了原料檢驗(yàn)、產(chǎn)品放行、工藝控制、科研試驗(yàn)等整個(gè)生產(chǎn)過程，保障檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠、高效就顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，信息化、數(shù)字化與自動(dòng)化已經(jīng)成為提高試驗(yàn)室管理水平的必要手段。目前，工業(yè)試驗(yàn)室信息平臺(tái)的構(gòu)建主要有獨(dú)立LIMS(試驗(yàn)室信息管理系統(tǒng))平臺(tái)[2]、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))子模塊[3]、OA(辦公系統(tǒng))結(jié)合3種方式，實(shí)現(xiàn)不同程度的信息共享、流程管理、試驗(yàn)室內(nèi)部管理功能[4]。然而，目前LIMS中的數(shù)據(jù)采集主要局限于直接使用儀器分析并采集的數(shù)據(jù)[5-6]，對于人機(jī)結(jié)合的檢驗(yàn)項(xiàng)目如金相檢驗(yàn)，LIMS大部分局限在信息入口和出口的數(shù)據(jù)管理，對于檢驗(yàn)信息在整個(gè)檢驗(yàn)過程中的流動(dòng)和管理，并沒有高效、可靠和系統(tǒng)化的解決方案。筆者以某金相檢驗(yàn)試驗(yàn)室為例，介紹了金相檢驗(yàn)管理信息系統(tǒng)的整體構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)過程。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 業(yè)務(wù)流程分析

業(yè)務(wù)流程信息化的本質(zhì)在于利用信息化工具來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的重組(BPR)，首要是對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和分析[7]。需要使用建模工具對金相檢驗(yàn)整個(gè)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行建模，分析其中的實(shí)物流和信息流，找到信息化的主要要素和關(guān)鍵瓶頸，再設(shè)計(jì)信息化系統(tǒng)工具和自動(dòng)化工具進(jìn)行改善。采用數(shù)據(jù)流圖(DFD)對金相檢驗(yàn)的過程進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 金相檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)流圖Fig.1 Data flow diagram of metallographic examination

由圖1可知，樣品信息是整個(gè)檢驗(yàn)過程中最核心的數(shù)據(jù)，貫穿整個(gè)金相檢驗(yàn)過程，樣品鑲嵌、樣品磨拋和樣品浸蝕3個(gè)制備過程主要操作對象是實(shí)體試樣，主要依靠人工完成，信息化意義不大。而樣品登記、金相觀察、照片采集、定量金相、記錄和報(bào)告生成等檢驗(yàn)過程和信息處理過程，則主要由樣品信息、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和金相照片數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，相互之間交互較少，適合采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式架構(gòu)，保障樣品信息流在整個(gè)檢驗(yàn)過程的有效性，避免信息孤島的產(chǎn)生。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用B/S和C/S架構(gòu)結(jié)合方式，如圖2所示。

圖2 金相檢驗(yàn)管理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Design diagram of metallographic examination management information system

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫平臺(tái)

核心樣品信息數(shù)據(jù)庫采用免費(fèi)開源的關(guān)系型MySQL數(shù)據(jù)庫，可靠高效，適用于多平臺(tái)應(yīng)用，方便分布式訪問和開發(fā)。數(shù)據(jù)庫主要用于儲(chǔ)存樣品相關(guān)信息，局域網(wǎng)低并發(fā)環(huán)境對數(shù)據(jù)庫性能要求不高，可布置在NAS中。

2.2 硬件組成

工業(yè)金相試驗(yàn)室為了滿足大批量試樣的需要，往往需要配置多臺(tái)金相顯微鏡、體視顯微鏡、圖像分析儀等設(shè)備。每臺(tái)設(shè)備需配備一臺(tái)計(jì)算機(jī)用于圖像采集、測量等工作。因此將多臺(tái)計(jì)算機(jī)與一臺(tái)NAS文件服務(wù)器組成千兆局域網(wǎng)，利用NAS作為數(shù)據(jù)庫及Web服務(wù)器，并利用SMB文件共享協(xié)議，將每臺(tái)顯微鏡拍攝的照片、測量數(shù)據(jù)、記錄及報(bào)告電子文檔集中儲(chǔ)存，有利于集中管理和定時(shí)備份，并可通過權(quán)限管理保障數(shù)據(jù)安全性。

顯微鏡硬件可支持任意型號(hào)的金相顯微鏡，顯微攝像頭則需提供相應(yīng)的開發(fā)接口以便圖像的統(tǒng)一管理。為進(jìn)一步優(yōu)化信息流，保證金相照片倍率及測量結(jié)果的準(zhǔn)確，建議使用帶有編碼(Coded)物鏡轉(zhuǎn)盤的半自動(dòng)金相顯微鏡，可通過應(yīng)用程序自動(dòng)獲取采集倍率并關(guān)聯(lián)相應(yīng)標(biāo)尺信息。國外主流的金相顯微鏡廠商均提供編碼物鏡轉(zhuǎn)盤，但只有蔡司公司和徠卡公司產(chǎn)品公開了訪問接口，可通過二次開發(fā)程序獲取編碼信息。如果使用更高級(jí)的全自動(dòng)金相顯微鏡，則可實(shí)現(xiàn)更多的流程優(yōu)化定制、詳細(xì)信息獲取等功能。

2.3 樣品信息管理系統(tǒng)

樣品信息登記管理系統(tǒng)的主要功能是對管理部門分配的樣品相關(guān)信息進(jìn)行錄入、編輯、查看、檢驗(yàn)狀態(tài)管理、統(tǒng)計(jì)等操作。樣品信息管理系統(tǒng)界面如圖3所示。

登記樣品可通過人工錄入、條碼掃描或信息系統(tǒng)集成的方式，以適應(yīng)各種送樣方式。登記后的每個(gè)樣品會(huì)生成唯一的簡化流水號(hào)及試驗(yàn)室編號(hào)，方便在金相試樣上進(jìn)行標(biāo)記。在其后的檢驗(yàn)過程中，可以使用試驗(yàn)室編號(hào)索引到原始樣品信息，保障樣品與檢驗(yàn)結(jié)果的對應(yīng)性。并可通過打印試樣清單或試樣袋，對檢驗(yàn)后樣品進(jìn)行歸檔管理，保證檢驗(yàn)結(jié)果的可追溯性。系統(tǒng)帶有多用戶及小組管理功能，可將樣品與檢驗(yàn)員或檢驗(yàn)小組綁定。通過統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)工時(shí)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與績效考核等班組管理功能。而通過對不同用戶的權(quán)限管理功能設(shè)計(jì)，對于不可逆的數(shù)據(jù)操作(編輯、刪除等)，需要特定的用戶權(quán)限才能操作，保證了數(shù)據(jù)安全性。

樣品信息登記管理系統(tǒng)適合采用B/S架構(gòu)[8]，Web服務(wù)基于開源的Drupal內(nèi)容管理平臺(tái)二次開發(fā)搭建[9]，無需客戶端支持，在局域網(wǎng)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)中均可通過瀏覽器訪問，有利于多人協(xié)同工作。提供觸摸屏界面，可用于檢驗(yàn)現(xiàn)場的電子看板管理和檢驗(yàn)進(jìn)度跟蹤，再通過信息系統(tǒng)反饋給管理部門及用戶，提高試驗(yàn)室整體運(yùn)行效率和管理水平。

圖3 樣品信息管理系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of sample information management system

2.4 金相照片采集系統(tǒng)

用于對樣品的典型金相照片進(jìn)行采集和信息化管理。雖然大多數(shù)金相顯微鏡或攝像頭均有配套的照片采集軟件，但往往面向通用流程，要完成一個(gè)樣品的照片預(yù)覽、標(biāo)尺選擇、采集、裁剪、調(diào)節(jié)、信息標(biāo)注、標(biāo)尺標(biāo)注、定倍打印往往需要大量繁瑣的重復(fù)操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出現(xiàn)信息錯(cuò)誤[10]。

金相照片采集系統(tǒng)采用與顯微鏡鏡體及攝像頭進(jìn)行深度集成的方式，在一個(gè)界面內(nèi)完成金相照片采集的全部操作，提供自動(dòng)ROI采集、自動(dòng)標(biāo)注、自動(dòng)陰影校正、自動(dòng)保存等一系列自動(dòng)化功能，并通過數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入登記的樣品信息，金相照片采集系統(tǒng)界面如圖4所示。僅需通過照片預(yù)覽、樣品選擇、采集3個(gè)步驟即可完成金相照片采集，大大簡化了工作流程。而且由于整個(gè)過程幾乎無需人工輸入信息，最大限度地保證了金相照片和樣品的對應(yīng)性和信息的準(zhǔn)確性。此外，由于建立了樣品信息與金相照片的對應(yīng)關(guān)系，可以在系統(tǒng)中使用樣品的原始信息索引查找對應(yīng)的金相照片，進(jìn)行相應(yīng)的查看、編輯，方便海量金相照片的管理。對于典型的金相照片還可進(jìn)行收藏、歸檔和注釋，快速建立并管理試驗(yàn)室的金相圖譜，為檢驗(yàn)過程提供專家信息支持。

圖4 金相照片采集系統(tǒng)界面Fig.4 Interface of metallographic photo acquisition system:a) Image-pro plus platform; b) Axiovision platform

對于定量金相分析所需的大量視場圖像采集，該系統(tǒng)也提供了批量采集功能，利用顯微鏡的自動(dòng)載物臺(tái)和自動(dòng)聚焦功能，通過設(shè)計(jì)的采集區(qū)域?qū)Ш健⒉杉晥鲎詣?dòng)計(jì)算、自動(dòng)聚焦修正等功能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的批量采集，并可將常用采集參數(shù)儲(chǔ)存為預(yù)設(shè)，與樣品信息關(guān)聯(lián)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用，自動(dòng)歸檔儲(chǔ)存圖像。

對于簡單的金相微觀尺寸測量，如焊縫熔深、薄膜厚度、形狀參數(shù)測量等可在金相照片采集系統(tǒng)中進(jìn)行，測量數(shù)據(jù)以獨(dú)立文件或覆蓋層標(biāo)注儲(chǔ)存，并與對應(yīng)的樣品信息相關(guān)聯(lián)，可在記錄和報(bào)告的填寫過程中使用。

金相照片采集系統(tǒng)使用VBA語言開發(fā)，采用C/S架構(gòu)連接到NAS中的數(shù)據(jù)庫?；诓趟続xiovision?軟件的客戶端支持蔡司公司多種型號(hào)的手動(dòng)、半自動(dòng)或及全自動(dòng)的金相顯微鏡和體式顯微鏡，基于Image-Pro Plus圖像分析軟件的客戶端支持其他手動(dòng)金相顯微鏡[11]。所采集的金相照片自動(dòng)標(biāo)注信息后按照統(tǒng)一的存儲(chǔ)規(guī)則存儲(chǔ)在NAS中，便于集中管理和使用，構(gòu)建起不同金相檢驗(yàn)設(shè)備的協(xié)同工作環(huán)境，提高檢驗(yàn)效率，并實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)進(jìn)度的自動(dòng)更新。

2.5 定量金相分析系統(tǒng)

大部分工業(yè)金相試驗(yàn)室都包含大量定量金相分析項(xiàng)目，如材料晶粒尺寸、多相組織相含量、孔隙率等。對于標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目，市面上有眾多免費(fèi)和收費(fèi)的金相定量分析軟件可以實(shí)現(xiàn)。而特殊產(chǎn)品的非標(biāo)定量金相分析項(xiàng)目只能通過通用圖像分析軟件組合算法實(shí)現(xiàn)，測量參數(shù)多，對檢驗(yàn)人員要求高，分析效率低，結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)信息化。

筆者架構(gòu)的該系統(tǒng)采用定制開發(fā)，針對核燃料元件生產(chǎn)中常用的氣孔分布測量、晶粒尺寸測量、相含量測量等項(xiàng)目，開發(fā)專用的測量模塊，簡化設(shè)置參數(shù)，通過樣品信息自動(dòng)加載、自動(dòng)分析和自動(dòng)生成記錄，滿足高效工業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)的需要[12]。

2.6 檢驗(yàn)記錄及報(bào)告管理

完善的檢驗(yàn)記錄和報(bào)告管理是試驗(yàn)室認(rèn)可中的要求，同時(shí)檢驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量也是用戶對檢驗(yàn)質(zhì)量的直觀印象?，F(xiàn)有金相管理軟件中報(bào)告生成一般是以照片為中心，手工填寫樣品信息和數(shù)據(jù)，低效、易出錯(cuò)。對于以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為中心的工業(yè)檢驗(yàn)來說，難以生成統(tǒng)一規(guī)范的記錄和報(bào)告。

筆者架構(gòu)的該系統(tǒng)基于Microsoft?Word和Microsoft?Excel構(gòu)建。利用Word建立記錄和報(bào)告模板，用Excel建立技術(shù)文件和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。使用內(nèi)置VBA語言，讀取MySQL數(shù)據(jù)庫和Excel數(shù)據(jù)庫插入樣品信息、引用文件、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和照片等信息，自動(dòng)填寫記錄、生成頁碼并歸檔保存。再利用記錄內(nèi)容為上層信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)或自動(dòng)生成紙質(zhì)報(bào)告內(nèi)容，給與檢驗(yàn)員靈活的編輯權(quán)限的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的一致性。

3 結(jié)束語

該工業(yè)金相檢驗(yàn)試驗(yàn)室信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的生產(chǎn)信息系統(tǒng)、LIMS試驗(yàn)室管理系統(tǒng)或傳統(tǒng)管理方式和金相設(shè)備間的整合，消除了信息孤島。并通過對檢驗(yàn)流程的優(yōu)化和定制，適應(yīng)了多種類、多數(shù)量、高準(zhǔn)確性要求的現(xiàn)代化工業(yè)金相檢驗(yàn)試驗(yàn)室的需要，能大大提高試驗(yàn)室檢驗(yàn)效率，規(guī)范試驗(yàn)室管理，確保整個(gè)檢驗(yàn)流程有序、可控、可監(jiān)督，保證檢驗(yàn)記錄與檢驗(yàn)報(bào)告單的正確性，提高了檢驗(yàn)質(zhì)量。