海关智慧实验室建设及关键技术探索

杜 进，徐 进，万旺军，张叶娜，裘 慧，严颖鹏

（杭州海关技术中心，杭州 310008）

0 引言

2021 年2 月，习近平主席在中国-中东欧国家领导人峰会上做主旨讲话时指出，中方愿探索同中东欧国家海关开展“智慧海关、智能边境、智享联通”合作试点，将“智慧海关”发展建设提升到全新的层次。与此同时，浙江省政府提出建设“整体智治、唯实惟先”的现代政府，将数字化改革打造成为“重要窗口”的标志性成果。站在海关系统和政府机构向数字化、智能化发展转型的交汇点，面对口岸复杂多样、瞬息万变的进出境监管需求，海关智慧实验室的建设探索既有丰富的时代内涵，又有着突出的现实意义。由于海关实验室涉及专业领域众多，在守护国门安全，保障进出口食品、消费品安全方面具有一定的特殊性，如何吸收消化数字化转型中的新概念和新技术，高效管理人员设备，深度挖掘实验数据，逐步打造适应海关系统需求的智慧实验室体系，从而更好地完成海关系统内外的检验检疫检测任务，为海关执法把关提供技术支撑和决策依据，是值得研究的问题。本文围绕这一个问题，基于“两数一移”的框架给出初步探索和思考。

1 海关智慧实验室内涵分析与需求梳理

1.1 内涵分析

智慧实验室的构建是海关技术机构践行科技兴关、实现发展升级的长期目标，是一个需要因地制宜，全盘规划的战略问题。机构改革后，新海关管理包括进出口商品检验、进出境动植检疫和出入境卫生检疫三大领域的实验室，拥有大批专业技术人员、大量先进仪器设备和海量检验检疫实验数据。纵观海关技术机构数十年的发展历程，面对不同时期和不同监管对象的需求，实验室都在对应领域建设和培养了较为权威的技术力量和专家团队。然而，从“整体智治”的数字化改革视角来看，这些分散孤立的技术能力和碎片化的数据仍然有很大的优化整合空间。海关智慧实验室建设的核心内涵，即以海关监管对象为中心，将云、大数据、物联网、人工智能、移动互联网等技术应用于检测、监管、评估、研究等各个领域及流程节点，实现实验室人、机、料、法、环全要素协同，持续提高检测工作的能力、效率和质量，进而形成一个“能感知、会思考、可执行、能进化”的口岸技术支撑智能体。这一内涵的实现，既是数字化变革时代的必然趋势，也是新海关技术机构转型发展需要解决的本质问题。

1.2 需求梳理

实验室是海关技术机构保障执法把关，维护国门安全，开展科学研究的重要场所，是机构核心竞争力的体现。目前，海关实验室大多已借助信息技术和计算机技术手段，建立起了实验室信息管理系统（Laboratory Information Management Systems，LIMS）、电子化人员管理系统等信息化系统，对实验室的业务和管理工作进行辅助，在一定程度上提高了实验室工作的自动化程度和效率。

近年来，随着物联网、大数据及人工智能技术的迅猛发展，以数字化、网络化、智能化为特质的新技术驱动各行各业进入数字化转型的快车道［1］。在这一背景下，各个领域的实验室都在以数字化转型为契机，全方位重塑与再造传统业务与机制，向信息化和智能化方向不断升级进化［2-3］。但目前海关实验室的运行和信息化基础普遍薄弱，运用先进信息技术进行管理以及数据分析的能力差距明显［4］。具体体现如下：①仪器设备离线工作，未形成物联网，缺乏大数据感知和交换能力；②信息系统各自孤立，形成了信息孤岛和资源浪费；③数据离散化、碎片化，缺乏系统性整合分析手段，无法形成有价值的数据资产；④操作依赖位置固定的PC端，缺乏灵活便捷的操作手段。

为此，本文研究了“两数一移”的方案框架，即“数字孪生扎根，数据智能滋养，移动应用开花”。以下分别展开论述。

2 “两数一移”概念阐述及框架分析

传统的海关实验室的主要工作流程可以抽象为：针对海关监管对象，通过人员投入耗材，操作仪器，对样品进行检测，并根据测试结果出具相应的报告，工作框架图如图1 所示。

图1 传统海关实验室工作框架图

上述工作流程涉及了实验室管理领域经典的“人、机、料、法、环”五要素理论，并产生了对应的人员管理、设备管理、物料管理、样品和体系管理以及环境控制要求。一般而言，不同要素的管理系统也是相对独立的。以H 海关技术中心为例，该机构2019 年上线了对检测业务进行集中管理的GLIMS7.0 系统，同时，利用MIS系统对人员、行政、质量体系等方面进行管理。随着移动互联网的发展，机构于2020 年用钉钉系统替代了原有MIS 系统中的人事管理模块。另外还有管理员工卡权限的实验室门禁系统、实现设备状态采集和共享的Z省大仪设备管理服务协作平台等。这些信息化系统确实提高了实验室的电子化程度，但中心设备离网、系统孤立、数据碎片，终端不灵活的问题仍然制约着实验室向更高效、更智能的智慧实验室形态发展。

针对上述问题，本文从架构层面，提出了“两数一移”即“数字孪生扎根，数据智能滋养，移动应用开花”的方案框架。其工作架构的原理框图如图2 所示。这一架构以物联网、中台架构、人工智能和移动互联网4项技术为支撑，构建起多维感知，全域中台，智能中枢和智慧应用的4 层架构。①基于数字孪生技术的多维感知是智慧实验室的“五官”，是联通实验室物理世界和数字世界的基础。通过汇集万物互联的数据信息，打破信息孤岛，实现数据协同、组织协同和应用协同；②以中台架构和人工智能技术构成的数据智能中枢是智慧实验室的“大脑”和决策系统，通过对数据的资产化治理和智能化挖掘，可以使能数据、赋能应用，对实验室的运行有着实时、全局、深度、可视化的掌控，支撑实验室数字化、智能化转型；③灵活多样的移动终端是智慧实验室的“躯干”和交互平台，可以接纳更多的创新要素，丰富各类场景下的解决方案，从而实现智慧实验室的全场景智能。

图2 基于“两数一移”构建海关智慧实验室架构框图

3 “两数一移”关键技术与实现路径

基于“两数一移”框架的海关智慧实验室面对的是从物理、数据、信息、决策到交互呈现的5 层信息体系，涉及数字孪生、数据智能、移动应用3 个领域的技术。

3.1 数字孪生

数字孪生是实现物理系统向信息空间数字化映射的关键技术，它利用布置在物理实体各部分的传感器采集数据，辅以人工智能、机器学习和软件分析手段，在信息化平台内建立一个对应的多时间尺度、多物理参数的数字化模型，进而全面、实时地掌握物理实体的状态，并可对预定义的交互单元进行控制。数字孪生作为一种将物理世界和信息世界深度融合交互的技术，多次入选世界著名咨询公司Gartner发布的十大战略性科技趋势［5］，受到了学术界和产业界的广泛关注，并已在智能车间［7］、智能制造［8］、智慧城市［9-10］、智慧医疗［11］等领域得到了深入研究和初步应用。这种大数据驱动和模型化管理的思维为解决海关实验室数字化改革面对的难题提供了解决思路。

数字孪生最早可以追溯到Grieves教授于2003 年在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出的“镜像空间模型”，但在目前并没有被普遍接受的统一定义。换言之，在不同的应用场景，面对不同的物理对象，数字孪生有着不同的内涵。仔细分析数字孪生的基本思路，可归纳出数字孪生包含的3 个部分，即：物理世界的真实对象，信息世界的虚拟实体，以及连接两者的硬件和数据。根据这一本质，可分析出海关智慧实验室场景下数字孪生实验室的构成，见图3。

图3 海关智慧实验室数字孪生应用原理框图

对于海关智慧实验室，应用数字孪生技术，就是利用各类读取设备、识别装置和传感器，采集人员身份、设备工作状态、仪器测量数据、样品标识和状态、耗材消耗与库存以及环境状态参数等实时数据，通过物联网传输，在信息平台内建立一个可以反映物理世界的虚拟实体，以数据和数字化模型驱动实验室的业务运行和发展优化，最终实现为实验室高效运转和智慧管理提供可靠的底层信息基础。

3.2 数据智能

在应用数字孪生技术作为海关智慧实验室底层架构后，由各类传感器集收集到的多维、丰富的大数据样本自然而然地成为适合用数据智能滋养的土壤。通过中台架构和机器学习等技术，对数字孪生产生的数据进行采集、加工、分析和挖掘，提取数据中所包含有价值的信息形成数据资产，解决现有问题并实现需求预测，从而实现实验室的智慧运行，这便是在海关智慧实验室运用数据智能技术的核心意义。

从架构上来看，运用数据智能技术，必须引入数据中台。数据中台这一概念是阿里巴巴公司在2015 年根据自身业务需要提出来的概念，随后，各大互联网公司纷纷推行中台战略并进行了相应的组织架构调整，将“中台”的概念推向高潮［12］。其实，所谓数据中台，其核心是以数据资产化为导向进行数据治理，通过构建中间平台，打通业务和数据环节，实现数据共享，减少冗余，增加复用，快速响应用户需求，实现数据驱动业务创新［13］。在传统的数据系统中，一般是将业务产生的数据录入报表系统和数据库等系统，数据处于被动和从属的地位；而在应用基于物联网的数字孪生系统后，数据的数量和类型都发生了很大改变。与传统的少量操作数据和结果数据不同，海量而丰富的状态数据和过程数据的出现，势必要引入数据中台这种以全域数据共享和丰富数据资产为导向的数据驱动的信息系统。根据上述分析，海关智慧实验室数据中台衔接着数字孪生的硬件底层，并为上层智慧应用带来无限可能，是海关实验室业务数字化的核心基础设施。

数据智能平台由如下关键模块构成。首先是面向现有异构系统和各类API 接口的数据抽取模块，对数字孪生及各类管理信息系统产生的离散数据进行定时采集。随后，基础数据在数据加工模块中转换为统一的标准格式，并根据应用领域形成人员动态、设备使用动态、环境实时状态、耗材库存动态等模型。在完成了数据的结构化后，为各类数据库以及机器学习、深度学习等人工智能程序提供统一的接口支持，实现数据共享，支撑进一步的数据挖掘和和智慧分析应用，从实现数据智能。其原理框图如图4 所示。

图4 数据管理和智能分析平台架构

3.3 移动应用

近年来，移动互联网和相关应用发展迅速。据统计，我国9.4 亿网民中，使用移动终端的用户高达9.32亿人，占比99.2%［14］，这一现象为移动应用带来了巨大的想象空间。

海关智慧实验室移动应用既是实验室框架的最高层，是内容和价值呈现的窗口，同时又是用户、实验人员与实验室接触沟通的最前线。研究表明，移动应用可采用Web 页面，微信小程序［15］或者专用应用［16］来实现。尽管APP 开发已经是较为成熟的软件工程问题，但由于海关实验室涉及口岸监管、涉税鉴定等敏感信息，特别要注意移动应用的信息安全问题，严格执行保密要求。针对客户委托、申请、查询的应用模块，可使用现有外网平台如钉钉、企业微信等，开发便于应用；而对于内部信息查询与录入、设备管理控制以及更高层次智能应用模型的需求，则应开发可以运行在现有单兵系统或智能手机硬件上的专用APP，通过数据中台和服务平台的API接口读取和调用相应的数据和服务，并根据预设的操作接口功能进行远程控制。

4 海关智慧实验室应用与成效

根据“两数一移”思维搭建了实验室感知层、结构层、智能层和应用层4 层框架，其本质是形成一条从物理世界萃取数据、汇集信息、形成决策进而多维呈现数字化业务链条。这一框架颠覆了传统实验室中信息管理系统被动方式和辅助地位，其应用取得较好成效。

4.1 数字孪生支撑的运行状况实时显示

得益于智慧实验室框架采用的数据孪生技术，实验室内人员、设备、样品、耗材和环境在虚拟的数字世界中得以镜像再现。在此基础上，通过对各类数据的整理、统计和深入挖掘，可以对活跃人员、在线设备、环境状态、在测样品、耗材用量及库存、业务分析及预测等实验室运行状况进行全面的把控汇总及分析预测，并通过移动终端、固定终端以及智慧大屏多维呈现，进而实现对实验室更加全面、实时管理，如图5 所示。

图5 实验室运行状况和智能分析预测全景呈现

4.2 实施数据智能赋能的风险管理和评估

当前，海关系统正在大力建设口岸风险监测、评估和预警体系，风险管理思维已经深入人心。然而，现有的实验室信息系统却很难为风险评估提供支撑。目前通常以单批次抽检不合格项和评估组专家经验为依据，对存在质量安全风险的产品开展定性风险评估。而在智慧实验室框架下，由于将海量的历史检测数据经过结构化处理，形成针对各类风险因子清晰、全面的风险频次及危害程度模型，进而可为风险评估工作提供精准的数据支撑。同时，通过对外部最新伤害案和事故通报的自主收集，还可对各类产品的质量安全风险形成趋势预测和监管预警；通过智能算法，可以对潜在的风险等级进行多方面因素的综合智慧评估。数据智能赋能的海关风险监测和评估可以很好地克服传统工作模式中风险因子来源局限、风险等级判定易受人为因素影响的问题，实现更高效、更智能的风险管理。

4.3 实现全流程无纸化工作

在现有LIMS 系统协助下，海关实验室采用电子化流程，在一定程度上减少了纸张的使用。但在原始记录填写、设备使用登记、人员档案管理等方面仍然需要纸质记录。智慧实验室投入运行后，在移动端应用的支持下，实现了全流程无纸化工作。原本需要工程师手工填写录入的试验原始记录，可在移动端APP上完成开单、信息录入、试验参数和结果填写；设备使用等级、人员档案更新等也可在APP上一站式完成。全无纸化的实现提高了内部工作效率、节省机构运行开支，同时为实现“碳达峰、碳中和”目标，海关技术机构利用科技优势，节约资源、降低碳排放的具体实践，有着突出的示范效果和社会意义。

5 结语

在“智慧海关”和数字化改革背景下，运用数字化架构和智能化技术建设海关智慧实验室，全方位重塑与再造传统实验室业务与机制，既是实验室高效管理的内在需求，也是海关技术机构迈向新征程的良好机遇。针对上述趋势，提出了“两数一移”框架方案，详细探讨了利用数字孪生，数据智能和移动应用建设海关智慧实验室的关键技术和实现路径，实现海关实验室人、机、料、法、环全要素协同，持续提高实验室开展工作的效率和质量，并进一步拓展海关实验室的业务能力和领域。为海关技术机构的数字化、智能化改革提供理论和技术上的参考。