基于MDS架構(gòu)的智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱東升，章 昕，凌 璐，曹 菲，楊 茹

(1.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

電力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)檢測(cè)業(yè)務(wù)面臨諸多問題：試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)化程度低、傳感器傳輸信號(hào)異構(gòu)化程度高、資源管理共享程度低和數(shù)字化程度低等；檢測(cè)業(yè)務(wù)未有效協(xié)同，檢測(cè)數(shù)據(jù)存在采集效率低、錯(cuò)誤率高、數(shù)據(jù)孤島等；多數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息分析、提取在很大程度上仍依賴于人工；試驗(yàn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)獲取效率低、數(shù)據(jù)離散度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度難以保證，直接導(dǎo)致試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)業(yè)務(wù)高效開展支撐力度不足；實(shí)驗(yàn)室資源和數(shù)據(jù)共享程度低，大量檢測(cè)數(shù)據(jù)未得到有效貫通和融合應(yīng)用。

針對(duì)以上問題，本文建立電力計(jì)量智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通，推進(jìn)計(jì)量量傳和質(zhì)檢業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究及應(yīng)用建設(shè)。

1 現(xiàn)狀及業(yè)務(wù)需求分析

實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)范圍主要包含室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)兩部分，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量設(shè)備全壽命周期各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的管理。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析如圖1所示。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)分析

室內(nèi)試驗(yàn)完成設(shè)備安裝之前的檢定檢測(cè)。由于檢測(cè)臺(tái)體來源于不同廠家，臺(tái)體軟件的風(fēng)格不統(tǒng)一，設(shè)置參數(shù)時(shí)容易出現(xiàn)參數(shù)漏設(shè)、錯(cuò)設(shè)的情況。而人工判斷試驗(yàn)準(zhǔn)入條件，容易出現(xiàn)條件漏判的情況[1]。監(jiān)控試驗(yàn)過程中，由于缺乏檢測(cè)臺(tái)體的設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的有效手段，無法判定對(duì)試驗(yàn)的影響。檢測(cè)報(bào)告由人工編制，因此格式不統(tǒng)一、出錯(cuò)率高、易篡改，可信度較低。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成設(shè)備安裝之后的質(zhì)量監(jiān)控。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)分析如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

除上述問題之外，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)還存在線下溝通、確認(rèn)不充分，檢測(cè)設(shè)備漏帶/錯(cuò)帶、人員行程無法跟蹤等問題。

由此可見，實(shí)驗(yàn)室各類業(yè)務(wù)多采用手工作業(yè)方式，試驗(yàn)前手動(dòng)設(shè)置被試品參數(shù)，試驗(yàn)后試驗(yàn)數(shù)據(jù)以手工記錄為主，原始記錄和報(bào)告需要手工編制。這些過程因人為干預(yù)過多而無法保證數(shù)據(jù)安全及準(zhǔn)確性，無法感知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及試驗(yàn)過程，對(duì)設(shè)備的質(zhì)量管控存在真空的環(huán)節(jié)，為電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全埋下隱患。

實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)包括實(shí)驗(yàn)室量傳檢定、實(shí)驗(yàn)室質(zhì)檢檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢定/檢測(cè)。各專業(yè)的試驗(yàn)檢測(cè)裝置種類繁多，缺乏有效的手段對(duì)裝置的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[2]，相關(guān)的檢測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也無法通過自動(dòng)化的手段進(jìn)行記錄，存在數(shù)據(jù)孤島的問題。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的摸底排查，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相關(guān)的互聯(lián)互通設(shè)備范圍如表1所示。

表1 互聯(lián)互通設(shè)備范圍

基于以上業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和需求，本文提出一種基于省級(jí)計(jì)量中心生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)(measurement dispatching system，MDS)的智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，并依據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備接口系列規(guī)范，通過不同的數(shù)據(jù)采錄方式完成試驗(yàn)檢測(cè)裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等與智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)信息交互，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化、智能化管理。

2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力計(jì)量智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的整體方案建設(shè)是在MDS基礎(chǔ)上進(jìn)行徹底改造升級(jí)。 對(duì)于省級(jí)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，MDS作為省級(jí)計(jì)量量傳和質(zhì)檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中樞，開放標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口，接入用電采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)試驗(yàn)過程、結(jié)果和失準(zhǔn)更換等數(shù)據(jù)。對(duì)于滿足國家電網(wǎng)公司總體安全防護(hù)策略和相關(guān)安全要求并具備安全評(píng)測(cè)報(bào)告的自建系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)接口將管理支撐要素、質(zhì)量活動(dòng)、基礎(chǔ)能力、數(shù)字化試驗(yàn)等數(shù)據(jù)上傳至MDS[3]。地市公司可通過省級(jí)MDS實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)器具送檢和溯源計(jì)劃等活動(dòng)。省公司依托MDS與國網(wǎng)MDS(stater grid MDS,SG-MDS)現(xiàn)有通道，實(shí)現(xiàn)到國網(wǎng)計(jì)量中心的溯源活動(dòng)，管控?cái)?shù)據(jù)通過該通道實(shí)時(shí)下發(fā)推送[4]。SG-MDS與國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施(national quality infrastructure,NQI)服務(wù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交互，從而實(shí)現(xiàn)國網(wǎng)公司與政府監(jiān)管部門試驗(yàn)業(yè)務(wù)的全流程貫通。系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

2.1 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)室開展室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的環(huán)境不同，試驗(yàn)設(shè)備也有對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)于室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集采用不同的方式。具體設(shè)計(jì)如下。

(1)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備按照其分類、特性、數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式、設(shè)備通信協(xié)議等方面進(jìn)行分析和分類，確定設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集方法。根據(jù)不同試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)表征形式的不同，制定了以下三種不同的信息采集方式。

①具備上位機(jī)的設(shè)備，通過組態(tài)軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括Web Service、數(shù)據(jù)庫連接等方式。

②不具備上位機(jī)或開放接口的設(shè)備，以及在試驗(yàn)過程中需要數(shù)據(jù)采集的被測(cè)設(shè)備，可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換方式將不同協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一協(xié)議，再通過數(shù)據(jù)采集程序或采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

③不具備上位機(jī)且不提供對(duì)外數(shù)據(jù)訪問接口的設(shè)備稱作“啞設(shè)備”，可通過圖像分析與識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取[5]。

(2)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求，分為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

①非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝國網(wǎng)公司的嵌入式加密認(rèn)證模塊(embedded secure access module,W-ESAM)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)APP終端的身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、無線傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)終端支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信全網(wǎng)通無線網(wǎng)絡(luò)通信，通過用采閉環(huán)的專用無線傳輸通道，將數(shù)據(jù)傳輸至用采閉環(huán)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)與用采閉環(huán)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)同步的方式，從而獲取計(jì)量設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

②實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)備安裝線監(jiān)測(cè)裝置[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)量的實(shí)時(shí)采集和傳輸[7]，并經(jīng)主站將設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳、同步至智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的主要功能包括智慧實(shí)驗(yàn)室綜合展示、人員管理、實(shí)驗(yàn)室管理、試驗(yàn)管理、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)管理、計(jì)量設(shè)備管理、電子身份認(rèn)證管理以及接入管理這八個(gè)部分。

智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 功能架構(gòu)

①智慧實(shí)驗(yàn)室綜合展示。通過對(duì)試驗(yàn)業(yè)務(wù)各相關(guān)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)室情況、證書/報(bào)告統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備分布圖、標(biāo)準(zhǔn)分布圖、人員情況、試驗(yàn)任務(wù)統(tǒng)計(jì)分析、質(zhì)量監(jiān)督、計(jì)量體系看板等功能，為完善實(shí)驗(yàn)室“人機(jī)料法環(huán)”的管理以及后續(xù)工作的優(yōu)化、改進(jìn)提供支撐。

②人員管理。通過計(jì)量人員臺(tái)賬、人員資質(zhì)、人員培訓(xùn)等功能，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)人員的準(zhǔn)確、精細(xì)管控。

③實(shí)驗(yàn)室管理。通過擴(kuò)大認(rèn)可范圍評(píng)審、初次評(píng)審申請(qǐng)、到期復(fù)查申請(qǐng)、初次考核申請(qǐng)、比對(duì)、內(nèi)審、外審等功能，支撐外部機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)定認(rèn)證的工作；通過作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)規(guī)范、實(shí)驗(yàn)室臺(tái)賬等，指導(dǎo)試驗(yàn)人員高效、準(zhǔn)確地完成各項(xiàng)工作。

④試驗(yàn)管理。通過全性能試驗(yàn)、量傳試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、在線監(jiān)測(cè)、自校準(zhǔn)等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)業(yè)務(wù)開展的全流程管控。

⑤計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)管理。通過申請(qǐng)審批、資料歸檔、制定計(jì)劃、更換申請(qǐng)、建標(biāo)考核、考核試驗(yàn)、分析處理等功能模塊，支撐計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)新建、更換、考核、封存、恢復(fù)等工作，實(shí)現(xiàn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的及時(shí)、準(zhǔn)確管控。

⑥計(jì)量設(shè)備管理。通過對(duì)計(jì)量設(shè)備量值溯源、期間核查、設(shè)備維護(hù)、停用管理、維修管理等模塊[8]，實(shí)現(xiàn)設(shè)備精準(zhǔn)管控，對(duì)計(jì)量設(shè)備的各項(xiàng)工作不漏項(xiàng)、不誤用。

⑦電子身份認(rèn)證管理。通過標(biāo)志獲取、標(biāo)志安裝、標(biāo)志監(jiān)控等功能模塊，實(shí)現(xiàn)電子身份認(rèn)證標(biāo)志的全環(huán)節(jié)管控，以及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量設(shè)備全生命周期管理。這有利于各級(jí)機(jī)構(gòu)自上而下地實(shí)時(shí)監(jiān)控轄區(qū)內(nèi)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量設(shè)備的總體分布、設(shè)備狀態(tài)、計(jì)劃執(zhí)行等情況。

⑧接入管理。通過設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、任務(wù)調(diào)度、接入授權(quán)等功能模塊，支撐系統(tǒng)和設(shè)備接入更加有序規(guī)范[9-10]，最大程度地減少由于接入設(shè)備和系統(tǒng)問題影響相應(yīng)業(yè)務(wù)工作，從而提高工作效率。

3 試點(diǎn)應(yīng)用

智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)已經(jīng)成功在遼寧、江蘇、江西、湖北等省級(jí)電力公司上線運(yùn)行。

通過試點(diǎn)應(yīng)用，本文建立的電力計(jì)量智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)主要成效如下。

①系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)量試驗(yàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)全流程跟蹤和精細(xì)化在線管控能力。

通過試驗(yàn)業(yè)務(wù)的線上流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、試驗(yàn)任務(wù)智能分配、關(guān)鍵信息預(yù)警提示等功能；對(duì)試品狀態(tài)、人員狀態(tài)、試驗(yàn)方案、時(shí)長、臺(tái)體等標(biāo)準(zhǔn)量傳關(guān)鍵業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了全流程跟蹤、監(jiān)控;結(jié)合多維度數(shù)據(jù)綜合展現(xiàn)，對(duì)業(yè)務(wù)過程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全過程管控，持續(xù)加強(qiáng)和提升了標(biāo)準(zhǔn)量傳業(yè)務(wù)的精細(xì)化管控能力。

②系統(tǒng)提高了試驗(yàn)業(yè)務(wù)的智能化水平。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采錄、業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上下融合，以及預(yù)告警、多渠道消息推送與提醒、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)分析等業(yè)務(wù)支撐手段，平均設(shè)備故障響應(yīng)時(shí)間由原有的3 h縮短至15 min。這有力地提升了標(biāo)準(zhǔn)量傳的智能化應(yīng)用水平、業(yè)務(wù)服務(wù)能力和業(yè)務(wù)全局管控能力。

③系統(tǒng)提高了試驗(yàn)工作效率和業(yè)務(wù)水平。

檢驗(yàn)裝置通過技術(shù)方式接入系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)傳遞檢驗(yàn)、檢測(cè)信息。對(duì)計(jì)劃任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒、到期預(yù)警提醒、按照各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的待檢設(shè)備進(jìn)行排序，使任務(wù)調(diào)度效率比原先提高了10%以上，生產(chǎn)計(jì)劃效率比原先提高50%以上。在顯著提高檢驗(yàn)檢測(cè)效率的同時(shí)，系統(tǒng)切實(shí)提高了業(yè)務(wù)服務(wù)水平和能力。

通過系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用，增強(qiáng)了計(jì)量生產(chǎn)過程管控質(zhì)量，提高了計(jì)量生產(chǎn)精細(xì)化管理水平[11]。試點(diǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，計(jì)量中心生產(chǎn)調(diào)度管理能力得到有效提升。試驗(yàn)檢測(cè)效率提升15倍，庫房利用率由原先的40%提高至95%；人工成本縮減80%；工作差錯(cuò)、降低生產(chǎn)安排和過程管控的工作量及人員投入相應(yīng)減少。該系統(tǒng)提升了管理效率，節(jié)省了大量時(shí)間成本，減少了資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文基于互聯(lián)互通的電力計(jì)量智慧實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制了一套智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過人員管理、實(shí)驗(yàn)室管理、試驗(yàn)工作管理、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)以及計(jì)量設(shè)備管理等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室“人機(jī)料法環(huán)”各類要素的智能化管理。系統(tǒng)通過接入管理和電子身份認(rèn)證管理功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)裝置的自動(dòng)化接入和被檢設(shè)備的全流程管控。基于MDS架構(gòu)的智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)在省級(jí)電力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)、設(shè)備、人員的互聯(lián)互通，以及試驗(yàn)過程自動(dòng)化線上流轉(zhuǎn)，也解決了傳統(tǒng)電力計(jì)量試驗(yàn)工作以人工為主、試驗(yàn)過程不規(guī)范的問題。

隨著電力計(jì)量實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)的不斷深入、業(yè)務(wù)流程的變化以及物聯(lián)感知設(shè)備的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部啞設(shè)備數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究，以及組網(wǎng)技術(shù)研究。利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一口徑獲取，減少系統(tǒng)中轉(zhuǎn)帶來的數(shù)據(jù)延遲和丟失風(fēng)險(xiǎn)。