温升测试的数据自动化采集和处理技术

李 锦，王 乐

(1.国家电光源质量监督检验中心(北京)，北京 100022；2. 天津智橙物联科技有限公司，天津 300384)

引言

照明检测涉及电、光、热、材料、机械和化学等学科多领域[1-3]，测试项目之间缺少相关性，因此检验设备的应用场景较为专一，适用领域有限，设备供应商对设备升级换代的动力不足。由此造成现有设备普遍自动化水平偏低，大量数据采集和分析的工作仍依赖人工完成[4]。

由于检验过程中，很多关键环节仍依赖操作人员对方法和数据进行判定，所以结果的主观因素影响较大，缺少一致性。同时，设备自动化水平的局限性也造成了照明检测实验室对人员知识和经验的较高要求，导致了人员的培训成本的提高，并增加了人才流失所造成的管理风险。实验室领域的自动化信息化水平落后于其他工业行业，其通信与数据标准化的进程较慢，实验室在进行传统的设备自动化升级时，往往缺少全局化和前瞻性的设计，造成工作的复用性和可移植性较差，因此数字化系统的实施和维护费用较高，无形中提高了实验室推进智能化流程改造的门槛[5,6]。

以照明检测领域最常见的温升热检验项目为例，传统的检验方法中过程的数据采集、分析和判断都基于人为操作，缺少自动化的数据采集方法和系统化分析手段，并且无法与实验室的其他设备和过程进行有效沟通，和其他检验项目一样各自隔阂成为实验室数据和流程的孤岛。本文通过实验室SiLA(Standardization in Lab Automation)自动化协议标准和人工智能多智能代理框架MAS(Multi-Agent System)分布式控制架构，结合灯具的温升实验装置，对其软硬件进行升级，实现温升检验设备的数据自动采集、控制和分析。

1 实验测试数据自动化采集和处理的技术方法

照明产品检测实验装置作为实验室检验设备，对其进行升级所采用的技术方法需遵循实验室整体信息化设计思路。如图1所示，在信息化整体框架中，基于标准的硬件通讯协议和数据格式，通过智能化程序，实现从下至上由设备的分布式控制到数据的集中化处理。

图1 实验室信息化整体框架设计Fig.1 Overall framework design of laboratory informatization

1)基于MAS的设备分布式控制。对每一台的检验设备和流程定制开发独立的智能代理程序Intelligent Agent，并有多个Intelligent Agent自组网形成多智能代理系统MAS。Intelligent Agent是人工智能的核心概念之一，指对环境能够进行监控并做出反馈的独立式自治性程序[7，8]。在软件设计中，如图2所示，对设备的操控和检验过程进行抽象化，Intelligent Agent程序由通用的模块组成(含知识模块Knowledge Module、能力模块Capability Module、通讯模块Commuication Module、控制模块Controller Module)，可复用的核心代码提高设备的数据和流程的定制化开发效率，实现快捷高效的系统整合。在实验室管理系统的自动化控制层，Intelligent Agent将通过特异性的设备通讯函数库(*.dll)和基于XML的逻辑条件定义，实现温升热检验设备的控制功能映射，形成支持独立检验行为和跨设备通讯能力的标准化数据自动采集和处理单元。同时，基于Intelligent Agent，还可以实现对人员操作、样品流转和检验环境监控等多维度的数据采集和过程监控，以标准化的分布式架构保证实验室信息化系统的可扩展性和灵活性，满足实验室长期业务发展的需求。

图2 基于MAS架构的设备控制和基于SiLA的数据通信Fig.2 Device control based on MAS architecture and data communication based on SiLA

2)基于SiLA自动化标准的数据通讯数据采集和设备控制。SiLA是由多家软件开发商、系统整合商和生物制药企业发起的一家非营利协会，旨在为实验室设备的自动化控制和数据管理提供统一的数据通讯接口和格式标准，实现实验室设备的系统快速融合。在实验室整体信息化系统框架设计中，控制单个检验项目过程和设备的Intelligent Agent程序之间，以及Multi-Agent System层与上级数据处理层之间全部采用SiLA通讯协议和数据格式，打通检验与报告之间的流程，实现信息单元间的实时通讯和即时反应。

3)基于程序的检验数据实时清洗和校正。基于电子硬件的检验测量，会由于测试环境变化、传感器使用时长和设备老化等因素造成检测结果的不稳定性，也直接影响最终检测报告的可信性。因此，除设备数据的实时采集，还需从以下几个方面采用不同的技术方法提高数据质量：

(a)异常数值识别。传感器电子信号会偶尔出现造成明显波峰或波谷的异常值，所以在传感器实时采集过程中，温度数值的采集频率需高于检验要求，在Intelligent Agent程序中对连续采集的数值进行实时处理，过滤掉超过一定震荡幅度(根据经验人为设定正负值区间变化百分比)的异常数值，不将其反馈到检验判定逻辑层程序，避免其造成错误的检验结果。

(b)基于环境参数的数据校正。检验环境的湿度和温度也会对传感器的性能造成影响。基于历史数据和设备校正过程的数据进行相关性和因果性分析，识别环境条件的差异造成的传感器数值的非线性变化区间，并将其公式化和程序化，整合进入Intelligent Agent设备数据采集层，实现检测初始数据的实时校正。

(c)基于程序的决策支持。对于复杂的情况，软件程序无法完全替代有经验的工程师做出合理的判断。设备的自动化控制单元程序Intelligent Agent将实时检验数据、历史数据、环境参数、样品信息等多维度数据进行汇总并以图形化展示，辅助工程师对检验过程进行整体把控。

2 温升实验数据自动采集方法

温升热实验是以热电偶(Thermocouple)作为温度巡检仪中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。灯具的温升试验，通常采用温度巡检仪来进行测试，将热偶丝固定在相应测试点位，且灯具达到热平衡后，各测试点的最终温度数值由工作电脑界面进行呈现，工程师手动抄写到原始记录表单上，完成测试[9]。

由于不同灯具达成热平衡所需要的时间不同，通常工程师在等待期间会安排其他的工作，结束后再返回记录测试温度值。这样不仅大大的延长的测试时间，也严重占用了设备的使用资源。并由于工程师无法全程实时对设备和数据进行监控，造成管理和检测盲点，增加了人为操作失误的可能性，也影响了检验数据的可靠性。在新方法的验证中，需要根据热检测的逻辑和设备特性为通用Intelligent Agent程序增加特定的能力模组(Capability)和逻辑文件(Logic)。

在温升热检验装置中，热电偶的温度传感器与工业化可编程逻辑电路PLC(Programmable Logic Controller)模组的建立物理连接，然后PLC模组通过TCP/IP接口将温度数据实时传输至基于PC运行的Intelligent Agent的程序。在这一步，Intelligent Agent将对数据和设备的控制指令进行符合SiLA自动化标准的双向转译，这样就将不同设备供应商所采用的差异化数据协议进行了统一标准化的处理，实现了实验室信息化系统内部数据的一致性。

如图3所示，基于温升热检测设备的Intelliegent Agent程序，开发面向检验工程师的人机交互界面HMI(Human Machine Interface)。通过热检测HMI，检验工程师在检验开始前可以对热电偶数据采集频道的顺序和标记进行设置。检验过程中，Intelligent Agent将对设备的数据进行自动采集，并在HMI上进行实时可视化展示。当所有温度值在一个标准区间内误差小于给定范围时，检验过程将自动终止，数据结果将被上传至信息化系统数据分析层进行合并和评估。

图3 温升热检测Intelligent Agent HMIFig.3 Intelligent Agent HMI of thermal temperature rise test

温升热检测Intelligent Agent会在检验完成后自动将检验结果、操作信息及检验任务信息通过基于SSL加密的Restful API接口上传至实验室智能管理系统，管理系统会对这些数据进行集中处理，并生成完整测试报告，整个过程不需要人为干预，保证了数据的一致性、可靠性、安全性和完整性，有效杜绝了传统方式下数据传递中的各种漏洞和篡改风险，实现自动化的同时，保证了从检验到报告生成整个过程的数据可追溯性。

3 总结

Lab 4.0 是Industry 4.0一脉相承。在Lab 4.0的目标和理念实现中，同样由软件构成了智能化数据和流程处理的核心技术手段。通过在温升热检测项目上基于MAS分布式控制和SiLA实验室自动化标准的设备及软件升级，一套可用于实验室智能化升级改造的技术方法得到了验证，其对实验室管理效率的提升是显著的。这样的技术方法同样适用于实验室一些其他相关检验设备和项目上，基于此种标准化、通用性架构的实验室信息化系统将具备更优异的扩展性和灵活性，满足检验检测机构长期的业务发展需要，具备成为行业标准方案的可能性。同样，对于国外实验室设备开发商来说，SiLA标准也在过去几年里得到了更加广泛的应用。所以在实验室的信息化升级改造中采用更加主流的技术标准，本身也是必须重视的一环。具有前瞻性的设计和选择在将来的工作中可以带来持续性的收益，起到事半功倍的效果。