基于物联网技术的智慧计量实验室管理平台

凌 璐 陈雅伦 杨聪明

1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司；2.江苏省专用通信局

0 引言

随着计算机技术和通信技术的不断发展，国家电网有限公司提出“国际领先能源互联网企业”的发展战略，推动电网计量业务智能化升级，实现营销计量体系数字化转型。目前传统的计量实验室中，各设备间信息相互孤立，缺乏有效的连接，数据维护工作量大；实验设备缺乏必要的身份验证信息，设备使用情况以及定位信息无法掌握；实验人员与设备缺乏联动性。传统计量实验室已经到了必须升级改造的阶段，需要基于大数据、微服务、RFID等先进技术，立足泛在电力物联网建设发展背景，围绕通信管理、数据存储、计算分析、业务应用、数据共享等内容，构建互联互通的智慧实验室综合管理平台。

1 现有实验室管理存在的问题

计量实验室业务管理工作目前还处于手工处理阶段，缺乏信息化、智能化的有效管理手段。

（1）计量实验室检测自动化程度低

标准量传实验室存在设备种类繁多，信息化程度各异的问题，造成实验室检测过程自动化程度低，试验项目需要大量人工干预，测量结果不能自动采集、上传。同时，检测软件与实验室信息管理系统没有建立有效的交互通道，不能实现试验过程的场景感知。

（2）人员的档案、资质信息缺乏信息化统一管理

目前人员的档案、资质信息等没有统一管理，部分试验项目（如电磁兼容试验）需要持有特殊资质的人员才能开展，检定检测试验人员信息管理缺少统一管理的平台。计量实验室的试验样品种类多、试验项目多，在人员不足、试验时间长的情况下，人工调配人员无法充分利用所有设备、人员，实验方案、实验计划、任务安排完全手工操作，给实验管理带来繁重的工作负担。

（3）实验装置、仪器仪表未统一建档

实验设备、仪器、仪表等没有建立设备信息库，以供查询其基本信息及使用状态，不利于对这些实验设备的维护，且对仪器设备的领用、借用、修理、报废、溯源信息、证书、期间核查等记录的处理仍处于人工阶段，处理过程繁琐，试验时容易出现使用的设备超期、损坏或丢失等现象。计量设备标准量传线下管理效率低，计量资源难以高效均衡利用，量传体系基础薄弱。

（4）实验设备种类繁多，通信协议和接口各不相同

各单位试验室标准设备种类多，生产厂家多，没有标准化的数据上传协议。被检设备品种繁多，部分是实物量具，除电能表、互感器外，多数指示仪表不具备通信接口，实现自动化检定难度大。现场检测设备协议不统一，检测数据自动采录是难点。

（5）存在数据孤岛，实验分析工作缺乏一体化数据支撑

对实验过程和结果分析没有建立详细的信息管理、过程管理和试验记录的数据库，无法进行所有实验的一体化数据比对、分析工作，不能充分积累实验经验，更不能提供数据支撑。

2 架构设计

智慧实验室建设架构如图1所示，依据实验室标准接口规范，向下连接实验室各类仪器设备、检定装置、环境感知装置、办公辅助设备、移动设备等，实现数据采集与处理；向上面向智慧实验室平台各类应用，实现实验室数据汇总和上传。

图1 智慧实验室架构设计图

数据互联互通范围包括试验设备、智能设备、现场设备。试验设备包括电能检定装置、互感器检定装置、质检检定装置、数字多用表等计量装置；智能设备包括环境感知装置（温湿度、电源质量、监控）、人员感知装置（人脸识别、指纹、带国网ESAM芯片加密的工牌）、文件扫描仪等多种设备；现场设备包括电能表智能现校仪、互感器智能现校仪等计量器具。

对于符合接口规范或者标准的设备，可按照规范进行互联互通管理；对于某些不符合接口管理系列规范或者相关标准，设备本身可通过有线或无线方式连接智能边缘代理感知设备。智能边缘物联代理感知设备管理模块可对智能边缘代理感知设备进行软件管理，实现现场设备、实验室设备互联互通。

综合采用软件、硬件采录方式，将试验数据、环境参数、定位信息、故障告警等数据汇集，通过电力有线专网、电力无线专网等数据通道上传至智慧实验室管理平台；智慧实验室管理平台将试验方案、执行反馈、预告警处理等信息，下发至实验室各类设备或台体软件。

3 功能实现

计量实验室的要素包括：人、机、料、法、环，是计量体系管理的重要工作，分别对应人员管理、计量设备管理、电子身份认证管理、规程规范查新、实验室管理等要素管理，并使用其他功能辅助完成对要素的管理工作。智慧实验室管理平台的主要功能如图2所示，分为7个部分：电子身份认证管理、智能接入管理、人员数字化管理、实验室在线管理、计量设备数字化管控、计量标准数字化管理和综合展示。

图2 智慧实验室功能实现

3.1 电子身份认证管理

电子身份标识主要分为计量器具标签、抗金属电子标签、定位与感知标签三大类，代码为24位十进制数据组成，由公司代码段、识别码、流水号和校验码四部分构成。计量器具标签主要贴在普通资产类设备上，利用电子身份认证标签的中短距离批量扫描特性，使用移动终端，快速识别设备信息；抗金属电子标签主要贴在移动设备、现场校验设备上，能适应户外各种场景，具备耐高低温、防水防潮、耐辐射等各种恶劣环境，同时又具有北斗定位等功能；定位与感知标签主要贴在检定台体、实验室智能设备上，动态记录更新设备的保管人员、质检、检定、维修、位置等信息，建立计量设备“人-财-物-时-空”五位一体管理机制。

通过电子身份认证标识RFID的获取、安装、监控等环节管控，实现计量设备的全生命周期管理，实现设备互联互通的规范化。对公司各级（国网、网省、地市）计量机构所使用的计量设备进行规范化管理，包括标准设备的准入、使用维护、定期审查、退出运行的全过程管理，便于各级机构能够自上而下实时监控辖区内计量设备的总体分布、设备状态、计划执行等情况。

3.2 智能接入管理

实验室设备按照其分类、特性、数据生产方式、设备通讯协议等方面进行分析和分类，确定设备控制和数据采集方法，针对不同类型方法，开发对应的控制和数据采集软件程序与硬件设备，。主要分为三类：

（1）试验设备

根据不同试验过程数据和结果数据表征形式的不同，制定了三种不同的信息采录方式：（1）具备系统的可结构化信息采集，具备上位机的设备，通过组态软件接口进行数据采集，包括Web Service、数据库连接等方式；（2）不具备上位机或开放接口的设备，以及在试验过程中需要数据采集的被测设备，可通过协议转换方式将不同协议转换为统一协议，再通过数据采集程序或采集设备进行数据采集；（3）不具备系统的不可实时采录信息采集的设备，叫做“哑设备”，可通过图像分析与识别技术来实现数据提取。

（2）智能设备

智能设备通过智能边缘物联代理感知设备接入，对环境、人员、安全信息数据进行采集，对室内检定参考条件做合格化判定，在室内检定标准化作业和试验安全管控方面能够发挥关键作用。当采集到的数据有违规时及时预警，向管理员推送预警消息，同时将预警数据上传至智慧实验室管理平台；具有实时控制能力，必要时可采取自动切断电源等安全措施。

（3）移动设备

移动设备主要指现场校验装置，采用国网公司的W-ESAM加密模块，实现与现场移动作业终端的身份认证、数据加密、无线传输；现场移动作业终端支持移动、联通、电信全网通无线网络通讯，实现远程数据交换；现场移动作业终端在无通讯网络状态时，支持测试过程数据及结果数据暂存功能，在具备通信条件时，可实现数据的传输。

通过统一的接入交互标准，实现实验室各类设备接入。通过对接入设备进行状态分析、故障监控达到实时管控、及时发现问题的目的，精准定位故障，减少由于接入设备的问题影响相应业务工作。

3.3 人员数字化管理

计量人员数字化管理是对计量管理人员和计量技术人员的基本信息、岗位信息、授权信息、能力信息、教育和专业资格信息、专业技能和经验信息、培训学习等信息进行管理。

通过人员资质管理、变更管理、培训管理，有效地管控计量体系人员，保存到计量人员台账中，实现计量体系人员的准确、精细管控。

3.4 实验室在线管理

实验室在线管理是指对计量检定机构获得计量授权、中国合格评定国家认可委员会（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，CNAS）、中国计量认证（China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval，CMA）的考核过程中产生的申请书、行政许可决定书、授权证书以及相关信息进行维护管理，以及实验室比对、实施内审流程全过程线上管控并记录。

通过实验室的机构考核、实验室比对、实验室内审等管理，明晰实验室资质及状态、促使实验室管理工作准确、高效完成。

3.5 计量设备数字化管控

计量标准数字化管控，建立电能、电测及高压计量标准器、计量标准装置及计量测试设备的台帐，并对其量值溯源、期间核查、停用、启用、维护故障维修、报废等环节全流程管理，全过程采用电子身份RFID认证并统一关联，对报告生成环节、校核环节、审批环节采用电子签章技术。

通过对设备精准管控，对计量设备的各项工作不漏项、不误用。同时计量设备量值溯源等工作为计量标准考核提供考核资料依据。

3.6 计量标准数字化管理

计量标准数字化管理，省、地、县建立电能、电测及高压计量标准台帐，并对其新建/复查考核、稳定性考核、重复性试验等环节全流程管理，确保对计量标准的及时准确管控，同时将计量标准的各类文档数字化存储。

3.7 综合展示

通过计量体系消息看板、试验误差分析、标准规范在线查新、设备质量监督等一系列大数据分析手段，对计量体系的各项工作进行统计和分析。计量业务数据进一步深化应用，为后续工作的优化改进提供支撑。

4 结束语

智慧实验室的应用建设，实现了设备“一物一码、自主识别”，档案“一次录入、全网通用”，计划“自动生成、实时推送”，委托“线上受理、智能排期”，试验“自动采录、多端校验”，证书“线上审批、安全高效”，环境“全面感知、协同联动”，质量“动态监督、实时预警”，数据“渠道畅通、严谨可控”，异常“科学预测、智能研判”等一系列功能，达到数字化转型的要求。

国网公司计量设备互联互通，实时掌控设备运行、实验室资质、试验人员、受控文件、试验任务等状况，严控计量业务活动操作合法性，实现计量业务、质量体系全面线上处理与数据联动，高效提升计量活动执行效率、质量和智能化程度，进一步开展试验数据应用智能化研究，挖掘海量试验数据价值。