基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的企業(yè)智慧計(jì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

胡建宇，張安陽

（1.赤峰市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 赤峰 024000；2.南京明德軟件有限公司，南京 210000）

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)競爭的重要資源和生產(chǎn)要素。傳統(tǒng)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)人員與設(shè)備之間缺乏有效的聯(lián)動，存在大量的人工、重復(fù)性工作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室效率低下且運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢下，需要對傳統(tǒng)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行升級改造，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的互聯(lián)互通智慧計(jì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)器具管理、計(jì)量檢定、計(jì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能，提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備之間的互聯(lián)互通性，減少數(shù)據(jù)維護(hù)工作量，為計(jì)量工作提供更加智能和高效的解決方案。

1 行業(yè)趨勢與問題梳理

1.1 行業(yè)形勢

《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃2021-2035》提出，要完善企業(yè)計(jì)量體系，強(qiáng)化對工業(yè)測量過程、測量數(shù)據(jù)的管理，推廣智慧計(jì)量理念[1]。南京市計(jì)量監(jiān)督檢測院為適應(yīng)計(jì)量檢測設(shè)備數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢，采用物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，研發(fā)了一套統(tǒng)一的檢測設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上云和檢測數(shù)據(jù)采集平臺。該平臺可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和管理服務(wù)，并將檢測數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行共享[2,3]。方逸洲等通過結(jié)合AIoT產(chǎn)品和技術(shù)，為6種計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)分析軟件，以管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流，將大量人工操作改進(jìn)為智能型自動化操控，該項(xiàng)改進(jìn)顯著提質(zhì)增效[4]。

1.2 當(dāng)前主要矛盾

傳統(tǒng)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的管理工作目前大多還采用手工或簡易的信息化管理方式，缺乏智能化的有效管理手段，主要矛盾如下：

1）計(jì)量器具管理工作量大、共享程度低且易錯(cuò)。計(jì)量管理環(huán)節(jié)由不同的部門和不同的人負(fù)責(zé)，并且都在線下以紙質(zhì)記錄的形式進(jìn)行操作，使整個(gè)管理過程缺乏有效的銜接和溝通，無法實(shí)現(xiàn)互相融合和互相協(xié)作。同時(shí)，由于計(jì)量器具種類繁多且數(shù)量龐大，管理工作也面臨著很大的困難。另外，計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中各類記錄文件分散，缺乏有效的記錄和整理，無法為設(shè)備更新和技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目提供有力的參考依據(jù)。更重要的是，計(jì)量器具管理也缺乏全生命周期管理的理念，無法從整體上對器具進(jìn)行全方位的管理和維護(hù)，導(dǎo)致效率低下。

2）計(jì)量檢定工作量大。計(jì)量實(shí)驗(yàn)室普遍存在著“人少量多活雜”的現(xiàn)象，檢定工作量龐大，重復(fù)工作頻繁。在自動化檢定程度日益提高的行業(yè)中，檢定結(jié)果大多仍需要手動編制原始記錄，并進(jìn)行檢定證書的出具。

3）實(shí)驗(yàn)室體系管理方式傳統(tǒng)，風(fēng)險(xiǎn)高。計(jì)量人員的檔案、資質(zhì)信息缺乏動態(tài)閉環(huán)的信息化管理；實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理活動基本無流程，隨意性較大。

4）計(jì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用基本沒有涉及。計(jì)量數(shù)據(jù)是通過計(jì)量器具進(jìn)行定量測量獲得的數(shù)據(jù)，具有時(shí)間間隔、比率、標(biāo)稱和有序的標(biāo)度特征，可支撐正確構(gòu)造出有用的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用不同場合和不同產(chǎn)品的制造過程，成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化、智能化的重要途徑。但目前整體處于“雷聲大、雨點(diǎn)小”的局面，計(jì)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用尤其與生產(chǎn)過程的結(jié)合應(yīng)用尚未多見成熟案例。

針對當(dāng)前行業(yè)面臨的問題與發(fā)展趨勢，亟需從計(jì)量工作和管理角度出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等先進(jìn)技術(shù)，推動智慧計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。通過信息技術(shù)手段的充分應(yīng)用，提高計(jì)量信息采集、追蹤、分析和處理的能力，加強(qiáng)計(jì)量大數(shù)據(jù)分析運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室管理。

2 智慧實(shí)驗(yàn)室框架與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

智慧計(jì)量的核心是緊密圍繞數(shù)據(jù)，在計(jì)量管理以及檢定工作過程中以多維度的閉環(huán)數(shù)據(jù)流重塑計(jì)量管理與檢定流程。

1）基于 PMS（Plant Management System-Requirements）設(shè)備管理體系，借助二維碼、RFID技術(shù)，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全生命周期的計(jì)量器具管理?，F(xiàn)代意義上的計(jì)量器具全生命周期管理[5]，包含設(shè)備管理的全過程，從器具臺帳、周檢計(jì)劃、安裝使用、維修保養(yǎng)、器具巡檢到報(bào)廢處置等一系列過程，既包括器具本身管理，也滲透著對器具的量值溯源和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

2）通過數(shù)字化實(shí)現(xiàn)計(jì)量多業(yè)務(wù)聯(lián)動，全場景業(yè)務(wù)數(shù)字化。圍繞周檢、委托、樣品、庫房以及體系、質(zhì)控等全要素，通過線上流程化、閉環(huán)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)全程無紙化、原始記錄與證書報(bào)告無紙化，實(shí)現(xiàn)使資源與質(zhì)控?zé)o紙化，保證計(jì)量檢定業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)可控在控、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)管控。

3）與檢測設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)設(shè)備上云、檢定數(shù)據(jù)上云并全自助生成原始記錄與證書報(bào)告。將傳統(tǒng)的“設(shè)備-人-系統(tǒng)”模式轉(zhuǎn)化為“設(shè)備-系統(tǒng)”，無需人工二次錄入，大幅提高檢定效率，且降低差錯(cuò)率，確保檢定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

4）積極探索計(jì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)化是基于計(jì)量數(shù)據(jù)池，結(jié)合業(yè)務(wù)管控深度挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)基于全量數(shù)據(jù)的精細(xì)化管控。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)架構(gòu)如圖1所示。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室管理體系、信息安全以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，圍繞計(jì)量實(shí)驗(yàn)室全方位要素，向下連接實(shí)驗(yàn)室各類儀器設(shè)備、檢定裝置，實(shí)現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)動態(tài)可感知；核心面向?qū)嶒?yàn)室的業(yè)務(wù)、體系、檢定工作構(gòu)建智慧化應(yīng)用；向上可支持通過各類終端進(jìn)行操作與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展現(xiàn)與可視化。

因計(jì)量檢測工作存在以下特點(diǎn)：計(jì)量檢測發(fā)展地越來越快，相應(yīng)變化和需求日新月異；智慧計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是一項(xiàng)長期的，需不斷探索的工作[6]；計(jì)量檢定工作普遍性項(xiàng)目多、數(shù)據(jù)量大、本地資源交互多等現(xiàn)象。針對前述特點(diǎn)，智慧計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建技術(shù)需具有先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，能夠自我進(jìn)化、快速適應(yīng)需求變化的能力。因此，在圖1所示的架構(gòu)中，技術(shù)中臺的目的是用于為智慧數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的底層架構(gòu)提供滿足具有行業(yè)通用性、可移植性、高聚合、低耦合、性能可擴(kuò)展、靈活性、可組合性、開源特性的技術(shù)架構(gòu)，同時(shí)通過技術(shù)中臺使部分功能使用人員可自主配合、維護(hù)以及二次開發(fā)，減少對外部要素的依賴。

圖1 智慧計(jì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)Fig.1 Architecture of smart measurement digital laboratory

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）設(shè)備物聯(lián)技術(shù)

智慧計(jì)量的核心目標(biāo)是通過標(biāo)準(zhǔn)接口和智能軟硬件構(gòu)建檢定工作操作簡便、實(shí)驗(yàn)結(jié)果智能分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告快速出具的高效流程，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定設(shè)備數(shù)據(jù)、檢定記錄和證書報(bào)告之間的數(shù)據(jù)打通，將檢定結(jié)果的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)傳遞，形成融合效應(yīng)。

設(shè)備物聯(lián)技術(shù)的核心是建立一個(gè)端到端深度融合的聯(lián)網(wǎng)中間件，通過連接設(shè)備、數(shù)據(jù)和人員，實(shí)現(xiàn)智慧計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。該技術(shù)將傳統(tǒng)的計(jì)量檢測模式向智慧檢測模式轉(zhuǎn)型，通過軟件和數(shù)據(jù)接口的打通，采集并控制計(jì)量檢定設(shè)備，并將數(shù)據(jù)匯聚至云上進(jìn)行處理和分析。最終，云上平臺會自動生成原始記錄、證書等。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備上云、數(shù)據(jù)上云的目標(biāo)，并將新一代信息技術(shù)和制造業(yè)深度融合，為計(jì)量檢定工作提供高效配置的載體。

2）計(jì)量數(shù)據(jù)中臺技術(shù)

計(jì)量數(shù)據(jù)中臺技術(shù)旨在通過全面的數(shù)據(jù)集成、流程集成、應(yīng)用集成、服務(wù)集成以及生態(tài)鏈集成，打通數(shù)據(jù)壁壘，盤活技術(shù)數(shù)據(jù)，并可提供整套大數(shù)據(jù)技術(shù)、產(chǎn)品、方法論及服務(wù)，讓數(shù)據(jù)持續(xù)走向業(yè)務(wù)、賦能業(yè)務(wù)，助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。圖2為計(jì)量數(shù)據(jù)中臺結(jié)構(gòu)圖。

圖2 計(jì)量數(shù)據(jù)中臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Measurement data center structure diagram

數(shù)據(jù)中臺中的數(shù)據(jù)倉庫是一個(gè)同時(shí)支持實(shí)時(shí)和離線導(dǎo)入的數(shù)據(jù)存儲平臺，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行高效分析。從業(yè)務(wù)中臺和技術(shù)中臺集成數(shù)據(jù)到中央存儲庫，數(shù)據(jù)倉庫將當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)存儲在一起，用于為整個(gè)系統(tǒng)的用戶創(chuàng)建分析報(bào)告。

存儲在倉庫中的數(shù)據(jù)從業(yè)務(wù)中臺與數(shù)據(jù)中臺上傳。這些數(shù)據(jù)需要通過ODS數(shù)據(jù)庫，并且進(jìn)行額外操作的數(shù)據(jù)清理，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后才能在數(shù)據(jù)倉庫中用于報(bào)告。數(shù)據(jù)中臺需要自定義維護(hù)數(shù)據(jù)源，通過溯源連接器獲取元數(shù)據(jù)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的自定義處理，通過數(shù)據(jù)處理引擎完成對數(shù)據(jù)的加工、清洗、匯總，通過目標(biāo)連接器將處理后的數(shù)據(jù)上報(bào)，供上層應(yīng)用調(diào)用，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中臺提供支持。

3 應(yīng)用成效

基于計(jì)量器具全生命周期管理與計(jì)量檢定工作閉環(huán)化的工作流程如圖3所示，在該流程模式下，使得信息無障礙共享，數(shù)據(jù)準(zhǔn)，效率高，大幅降低人工工作量。

圖3 企業(yè)智慧計(jì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室主要效果圖Fig.3 Main rendering of enterprise intelligent measurement digital laboratory

3.1 計(jì)量器具數(shù)字化管控

圍繞計(jì)量器具啟用、安裝、維修、保養(yǎng)、巡檢、周期檢定、報(bào)廢等各類事實(shí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具全生命周期的全動態(tài)化管理，為計(jì)量器具的智能化管理提供了技術(shù)支撐。同時(shí)，將大量的線下工作流程實(shí)現(xiàn)線上運(yùn)營模式，建立標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的業(yè)務(wù)流程體系，大幅提高管理效率，同時(shí)提高管理維護(hù)質(zhì)量。

基于RFID、NFC、二維碼等技術(shù)，為新購置和已投用的計(jì)量器具都粘貼上電子標(biāo)簽，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立計(jì)量器具動態(tài)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具臺賬在線數(shù)據(jù)交互管理。計(jì)量器具臺賬支持分級分權(quán)限管理，如使用車間可查看權(quán)限范圍人的器具清單、狀態(tài)、歷年來的檢定證書等信息，并可在權(quán)限范圍內(nèi)維護(hù)相應(yīng)信息，如保管人、使用地點(diǎn)等信息。此外，可通過手機(jī)APP、PAD等移動設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)隨地的查詢信息、查看檢定證書、說明書等，且可進(jìn)行維護(hù)，使獲取信息以及更新計(jì)量器具臺賬信息的方式變得靈活，避免了設(shè)備信息變更不及時(shí)導(dǎo)致設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備入廠、安裝與調(diào)試、檢定結(jié)果不全的現(xiàn)象。

依據(jù)計(jì)量器具臺賬管理中檢定周期的相關(guān)規(guī)定，可自動生成周檢計(jì)劃并建立計(jì)量器具周期檢定預(yù)警機(jī)制，對即將超期未檢的計(jì)量器具進(jìn)行報(bào)警。在檢定周期內(nèi)，下達(dá)檢定計(jì)劃，將計(jì)量器具進(jìn)行送檢時(shí)相應(yīng)的信息直接推送至計(jì)量業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)檢定證書與檢定信息的自動更新。

采用智能巡檢的方式，器具維護(hù)人員日常巡檢時(shí)攜帶手持終端PAD或手機(jī)對巡檢計(jì)量器具進(jìn)行掃描上傳，在全生命周期管理信息平臺中產(chǎn)生巡檢軌跡，便于優(yōu)化巡檢流程，形成圖形化展示。對于計(jì)量器具故障的診斷不僅僅局限于現(xiàn)場巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，還可以依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對計(jì)量器具數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過在遠(yuǎn)程觀察計(jì)量器具的歷史數(shù)據(jù)曲線和發(fā)展趨勢，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，來判斷計(jì)量器具運(yùn)行狀況是否存在故障。

3.2 檢測設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)前的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室設(shè)備主要可以分為3類：第一類是具有系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)化信息采集能力，并且能夠通過組態(tài)軟件接口連接上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，例如接口、文件、數(shù)據(jù)庫連接等方式；第二類是沒有上位機(jī)或沒有開放接口的設(shè)備，以及在試驗(yàn)過程中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的被測設(shè)備。這類設(shè)備可以通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式將不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一協(xié)議，然后使用數(shù)據(jù)采集程序或采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；第三類設(shè)備則是沒有系統(tǒng)化、實(shí)時(shí)的信息采集能力，但是可以通過圖像分析與識別技術(shù)來提取數(shù)據(jù)。

聯(lián)網(wǎng)中間件可通過設(shè)備廠商的檢定校準(zhǔn)軟件進(jìn)行深入融合，如北京康斯特研發(fā)的ACal軟件支持壓力、溫度等60多個(gè)項(xiàng)目，國內(nèi)外近120余種不同廠商的計(jì)量設(shè)備。ACal軟件與聯(lián)網(wǎng)中間件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向?qū)?，針對可支持的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)檢定員僅需要完成檢定工作，后續(xù)原始記錄、證書報(bào)告無需人工干預(yù)，大幅減少人工重復(fù)工作量。此外，聯(lián)網(wǎng)中間件提供標(biāo)準(zhǔn)的API接口與ACal無法支持的計(jì)量檢定設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.3 數(shù)字化體系與質(zhì)量管控

基于1033、1069、17025等相關(guān)規(guī)范與準(zhǔn)則，圍繞“人、機(jī)、料、法、環(huán)”對實(shí)驗(yàn)室全要素進(jìn)行數(shù)字化管理，如標(biāo)準(zhǔn)器、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、人員、技術(shù)依據(jù)、內(nèi)審、比對等各項(xiàng)要素，使實(shí)驗(yàn)室管理工作準(zhǔn)確、高效完成并且降低實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

通過數(shù)字化管理可以方便對實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)行授權(quán)管控以及數(shù)據(jù)分析和決策，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化管理除建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)臺賬外，可對其全過程進(jìn)行管理，包括新建項(xiàng)目、復(fù)查考核等，并能夠自動生成履歷書等各類考核用材料。

3.4 計(jì)量數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

通過對計(jì)量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、計(jì)量器具數(shù)據(jù)、檢定測量數(shù)據(jù)的誤差分析以及實(shí)驗(yàn)室體系運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行一系列源數(shù)據(jù)歸集、清洗、處理，并建立計(jì)量數(shù)據(jù)中心；利用大數(shù)據(jù)分析手段，對各項(xiàng)工作進(jìn)行建模、統(tǒng)計(jì)和分析，將相應(yīng)的分析結(jié)果應(yīng)用于器具管理、計(jì)量檢定等各項(xiàng)工作中去，為后續(xù)工作的優(yōu)化改進(jìn)提供支撐，并且可通過大屏或?qū)嶒?yàn)室看板設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。

4 結(jié)束語

智慧計(jì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，是針對計(jì)量器具的全生命周期管理、計(jì)量檢定設(shè)備的互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)掌控計(jì)量檢定、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行、設(shè)備管理等狀況，實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具管理、計(jì)量檢定、實(shí)驗(yàn)室管理活動的全面線上處理和數(shù)據(jù)聯(lián)動，高效提升計(jì)量管理的效率、質(zhì)量和智能化程度，并且可進(jìn)一步開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化研究，挖掘海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)價(jià)值。