基于数据驱动的企业智慧计量数字化实验室构建

胡建宇，张安阳

（1.赤峰市产品质量检验检测中心，内蒙古自治区 赤峰 024000；2.南京明德软件有限公司，南京 210000）

在数字经济时代，数据已经成为企业竞争的重要资源和生产要素。传统计量实验室中的实验人员与设备之间缺乏有效的联动，存在大量的人工、重复性工作，导致实验室效率低下且运行风险高。在数字化转型的大趋势下，需要对传统计量实验室进行升级改造，采用物联网、大数据、人工智能等先进技术，建立基于数据驱动的互联互通智慧计量数字化实验室，实现器具管理、计量检定、计量数据应用等功能，提高实验室设备之间的互联互通性，减少数据维护工作量，为计量工作提供更加智能和高效的解决方案。

1 行业趋势与问题梳理

1.1 行业形势

《计量发展规划2021-2035》提出，要完善企业计量体系，强化对工业测量过程、测量数据的管理，推广智慧计量理念[1]。南京市计量监督检测院为适应计量检测设备数字化转型趋势，采用物联网和通信技术，研发了一套统一的检测设备联网上云和检测数据采集平台。该平台可实现设备的统一监控和管理服务，并将检测数据上传至云端进行共享[2,3]。方逸洲等通过结合AIoT产品和技术，为6种计量校准实验项目设计了物联网网关和数据分析软件，以管理实验数据流，将大量人工操作改进为智能型自动化操控，该项改进显著提质增效[4]。

1.2 当前主要矛盾

传统计量实验室的管理工作目前大多还采用手工或简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）计量器具管理工作量大、共享程度低且易错。计量管理环节由不同的部门和不同的人负责，并且都在线下以纸质记录的形式进行操作，使整个管理过程缺乏有效的衔接和沟通，无法实现互相融合和互相协作。同时，由于计量器具种类繁多且数量庞大，管理工作也面临着很大的困难。另外，计量实验室中各类记录文件分散，缺乏有效的记录和整理，无法为设备更新和技术改进项目提供有力的参考依据。更重要的是，计量器具管理也缺乏全生命周期管理的理念，无法从整体上对器具进行全方位的管理和维护，导致效率低下。

2）计量检定工作量大。计量实验室普遍存在着“人少量多活杂”的现象，检定工作量庞大，重复工作频繁。在自动化检定程度日益提高的行业中，检定结果大多仍需要手动编制原始记录，并进行检定证书的出具。

3）实验室体系管理方式传统，风险高。计量人员的档案、资质信息缺乏动态闭环的信息化管理；实验室质量管理活动基本无流程，随意性较大。

4）计量数据应用基本没有涉及。计量数据是通过计量器具进行定量测量获得的数据，具有时间间隔、比率、标称和有序的标度特征，可支撑正确构造出有用的数据，并应用不同场合和不同产品的制造过程，成为实现工业自动化、智能化的重要途径。但目前整体处于“雷声大、雨点小”的局面，计量数据的应用尤其与生产过程的结合应用尚未多见成熟案例。

针对当前行业面临的问题与发展趋势，亟需从计量工作和管理角度出发，利用物联网、大数据、AI等先进技术，推动智慧计量实验室的建设。通过信息技术手段的充分应用，提高计量信息采集、追踪、分析和处理的能力，加强计量大数据分析运用，实现数字化和智能化的计量实验室管理。

2 智慧实验室框架与关键技术

2.1 实现目标

智慧计量的核心是紧密围绕数据，在计量管理以及检定工作过程中以多维度的闭环数据流重塑计量管理与检定流程。

1）基于 PMS（Plant Management System-Requirements）设备管理体系，借助二维码、RFID技术，结合工业互联网实现全生命周期的计量器具管理。现代意义上的计量器具全生命周期管理[5]，包含设备管理的全过程，从器具台帐、周检计划、安装使用、维修保养、器具巡检到报废处置等一系列过程，既包括器具本身管理，也渗透着对器具的量值溯源和数据分析应用。

2）通过数字化实现计量多业务联动，全场景业务数字化。围绕周检、委托、样品、库房以及体系、质控等全要素，通过线上流程化、闭环化建设，实现业务全程无纸化、原始记录与证书报告无纸化，实现使资源与质控无纸化，保证计量检定业务实时可控在控、质量风险精准管控。

3）与检测设备互联互通，实现设备上云、检定数据上云并全自助生成原始记录与证书报告。将传统的“设备-人-系统”模式转化为“设备-系统”，无需人工二次录入，大幅提高检定效率，且降低差错率，确保检定数据的准确。

4）积极探索计量数据应用。数据产业化是基于计量数据池，结合业务管控深度挖掘数据价值，实现基于全量数据的精细化管控。

2.2 架构设计

智慧实验室建设架构如图1所示。依据实验室管理体系、信息安全以及相应的标准接口规范，围绕计量实验室全方位要素，向下连接实验室各类仪器设备、检定装置，实现检定数据动态可感知；核心面向实验室的业务、体系、检定工作构建智慧化应用；向上可支持通过各类终端进行操作与数据处理、数据展现与可视化。

因计量检测工作存在以下特点：计量检测发展地越来越快，相应变化和需求日新月异；智慧计量实验室的建设是一项长期的，需不断探索的工作[6]；计量检定工作普遍性项目多、数据量大、本地资源交互多等现象。针对前述特点，智慧计量实验室的构建技术需具有先进的技术和设计理念，能够自我进化、快速适应需求变化的能力。因此，在图1所示的架构中，技术中台的目的是用于为智慧数字化实验室的底层架构提供满足具有行业通用性、可移植性、高聚合、低耦合、性能可扩展、灵活性、可组合性、开源特性的技术架构，同时通过技术中台使部分功能使用人员可自主配合、维护以及二次开发，减少对外部要素的依赖。

图1 智慧计量数字化实验室架构Fig.1 Architecture of smart measurement digital laboratory

2.3 关键技术

1）设备物联技术

智慧计量的核心目标是通过标准接口和智能软硬件构建检定工作操作简便、实验结果智能分析、实验报告快速出具的高效流程，从而实现计量检定设备数据、检定记录和证书报告之间的数据打通，将检定结果的数据实现物联传递，形成融合效应。

设备物联技术的核心是建立一个端到端深度融合的联网中间件，通过连接设备、数据和人员，实现智慧计量实验室的建设。该技术将传统的计量检测模式向智慧检测模式转型，通过软件和数据接口的打通，采集并控制计量检定设备，并将数据汇聚至云上进行处理和分析。最终，云上平台会自动生成原始记录、证书等。这种技术实现了设备上云、数据上云的目标，并将新一代信息技术和制造业深度融合，为计量检定工作提供高效配置的载体。

2）计量数据中台技术

计量数据中台技术旨在通过全面的数据集成、流程集成、应用集成、服务集成以及生态链集成，打通数据壁垒，盘活技术数据，并可提供整套大数据技术、产品、方法论及服务，让数据持续走向业务、赋能业务，助力数字化转型工作。图2为计量数据中台结构图。

图2 计量数据中台结构图Fig.2 Measurement data center structure diagram

数据中台中的数据仓库是一个同时支持实时和离线导入的数据存储平台，能够对海量数据进行高效分析。从业务中台和技术中台集成数据到中央存储库，数据仓库将当前和历史数据存储在一起，用于为整个系统的用户创建分析报告。

存储在仓库中的数据从业务中台与数据中台上传。这些数据需要通过ODS数据库，并且进行额外操作的数据清理，以确保数据质量，然后才能在数据仓库中用于报告。数据中台需要自定义维护数据源，通过溯源连接器获取元数据，并支持数据的自定义处理，通过数据处理引擎完成对数据的加工、清洗、汇总，通过目标连接器将处理后的数据上报，供上层应用调用，为系统的数据中台提供支持。

3 应用成效

基于计量器具全生命周期管理与计量检定工作闭环化的工作流程如图3所示，在该流程模式下，使得信息无障碍共享，数据准，效率高，大幅降低人工工作量。

图3 企业智慧计量数字化实验室主要效果图Fig.3 Main rendering of enterprise intelligent measurement digital laboratory

3.1 计量器具数字化管控

围绕计量器具启用、安装、维修、保养、巡检、周期检定、报废等各类事实，实现计量器具全生命周期的全动态化管理，为计量器具的智能化管理提供了技术支撑。同时，将大量的线下工作流程实现线上运营模式，建立标准化和规范化的业务流程体系，大幅提高管理效率，同时提高管理维护质量。

基于RFID、NFC、二维码等技术，为新购置和已投用的计量器具都粘贴上电子标签，运用物联网技术建立计量器具动态数据库，实现计量器具台账在线数据交互管理。计量器具台账支持分级分权限管理，如使用车间可查看权限范围人的器具清单、状态、历年来的检定证书等信息，并可在权限范围内维护相应信息，如保管人、使用地点等信息。此外，可通过手机APP、PAD等移动设备进行随时随地的查询信息、查看检定证书、说明书等，且可进行维护，使获取信息以及更新计量器具台账信息的方式变得灵活，避免了设备信息变更不及时导致设备设计参数、设备入厂、安装与调试、检定结果不全的现象。

依据计量器具台账管理中检定周期的相关规定，可自动生成周检计划并建立计量器具周期检定预警机制，对即将超期未检的计量器具进行报警。在检定周期内，下达检定计划，将计量器具进行送检时相应的信息直接推送至计量业务系统，并实现检定证书与检定信息的自动更新。

采用智能巡检的方式，器具维护人员日常巡检时携带手持终端PAD或手机对巡检计量器具进行扫描上传，在全生命周期管理信息平台中产生巡检轨迹，便于优化巡检流程，形成图形化展示。对于计量器具故障的诊断不仅仅局限于现场巡检时发现问题，还可以依靠实时数据库对计量器具数据进行实时采集，通过在远程观察计量器具的历史数据曲线和发展趋势，进行数据比对，来判断计量器具运行状况是否存在故障。

3.2 检测设备联网

当前的计量实验室设备主要可以分为3类：第一类是具有系统化的结构化信息采集能力，并且能够通过组态软件接口连接上位机进行数据采集，例如接口、文件、数据库连接等方式；第二类是没有上位机或没有开放接口的设备，以及在试验过程中需要进行数据采集的被测设备。这类设备可以通过协议转换的方式将不同的协议转换为统一协议，然后使用数据采集程序或采集设备进行数据采集；第三类设备则是没有系统化、实时的信息采集能力，但是可以通过图像分析与识别技术来提取数据。

联网中间件可通过设备厂商的检定校准软件进行深入融合，如北京康斯特研发的ACal软件支持压力、温度等60多个项目，国内外近120余种不同厂商的计量设备。ACal软件与联网中间件实现了数据的双向对接，针对可支持的设备可实现检定员仅需要完成检定工作，后续原始记录、证书报告无需人工干预，大幅减少人工重复工作量。此外，联网中间件提供标准的API接口与ACal无法支持的计量检定设备实现数据交互。

3.3 数字化体系与质量管控

基于1033、1069、17025等相关规范与准则，围绕“人、机、料、法、环”对实验室全要素进行数字化管理，如标准器、计量标准、人员、技术依据、内审、比对等各项要素，使实验室管理工作准确、高效完成并且降低实验室运行风险。

通过数字化管理可以方便对实验室人员进行授权管控以及数据分析和决策，计量标准数字化管理除建立计量标准台账外，可对其全过程进行管理，包括新建项目、复查考核等，并能够自动生成履历书等各类考核用材料。

3.4 计量数据分析应用

通过对计量业务数据、计量器具数据、检定测量数据的误差分析以及实验室体系运行数据等进行一系列源数据归集、清洗、处理，并建立计量数据中心；利用大数据分析手段，对各项工作进行建模、统计和分析，将相应的分析结果应用于器具管理、计量检定等各项工作中去，为后续工作的优化改进提供支撑，并且可通过大屏或实验室看板设备进行数据可视化。

4 结束语

智慧计量数字化实验室，是针对计量器具的全生命周期管理、计量检定设备的互联互通，实时掌控计量检定、实验室运行、设备管理等状况，实现计量器具管理、计量检定、实验室管理活动的全面线上处理和数据联动，高效提升计量管理的效率、质量和智能化程度，并且可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。