基于设备互联互通的智慧计量实验室建设研究

马胜国，魏本海，王郡，梁国青，孙传汀

（深圳市国电科技通信有限公司，广东 深圳 518109）

计量是保证我国公平、公正交易的基础，是民生发展、国家建设重要的技术基石，对于建设我国现代化经济体系有着重要的作用。随着国家电网提出建设“国际领先的能源互联网企业”的战略目标，进一步推动了计量业务智能化的发展，对计量技术的要求越来越高。其中，计量实验室要对检定器具出具相关的计量数据报告，保证计量结果公平、公正，为量值的传递提供了规范，因此，计量实验室的建设是衡量我国计量能力的重要标准。

随着互联网技术与智能化技术发展与融合，智能化、数字化的计量实验室有助于我国计量行业的快速发展，便于建立计量检测机构的发展新框架；并且智慧实验室是计量行业发展的新动力和新未来，对于推动计量实验室的高质量发展有重要的作用。然而智慧计量实验室的建设需要更高程度的智能化、数字化。目前，计量实验室检测设备智能化程度底，已经不能够满足智慧实验室建设的需求；另一方面，随着计量设备精准度、复杂度的提高，所需要计量的设备有丰富的网络使用基础，需要多种仪器和设备的相互操作，从而实现更高精度的计量，而计量实验室的智慧化发展需要计量设备与仪器之间的互联互通，因此，本文是基于设备互联互通的智慧计量实验室建设研究，实现智慧化计量实验室的建设问题分析，为我国计量行业的发展提供参考。

1 目前智慧计量实验室建设存在的问题

我国对智慧计量实验室的建设处于刚刚起步，对于设备信息化、智能化、数字化的建设和管理存在一定问题。

1.1 实验室设备智能化、自动化程度低

由于计量实验室所需要的设备种类繁多，不同时期、不同功能的设备自动化程度不一样，就会使得实验室计量设备在使用过程中存在自动化程度低，人工干预试验的问题；并且计量设备信息化程度低，使得大量的试验数据需要人工进行一遍遍的采集、保存、处理，大大降低了实验室工作人员的工作效率；同时，检验的设备与计算机信息处理平台之间缺乏相应的信息交流平台通道，从而不能够实现试验的过程与情景的实时感知与检测。

1.2 实验室设备种类多，不同设备缺乏统一通信接口

由于计量实验室所使用的设备种类多，并且来源于不同的生产厂家，各种设备之间并没有统一的标准接口，无法实现标准化的技术数据的处理和上传；另外，计量实验室计量的数据比较多，许多手持的计量工具，如万用表、欧姆表、电能表等设备并不具有相应的数据通信的接口，要想实现智能化、自动化的计量和检测，难度比较大，并且使得相应的自动化采集数据存在一定的问题。

1.3 实验室仪器设备缺乏统一的信息管理平台

建立智慧实验室的前提，就需要建立通信的设备信息管理平台，建立设备基本信息库，从而便于进行设备的统一的管理，方便对设备仪器进行信息的查询和维护；但是目前计量实验室对于仪器的设备的管理、借用、维护、报修、报废等一系列的流程管理比较简单，多处于人工检测和记录的方式，上述的处理过程比较烦琐，非常容易出现设备丢失、损坏、超期等现象，计量实验室设备的管理效率低下，更加迫切需要建立智慧计量实验室。

1.4 计量实验室管理合操作人员资质信息不全

电力计量实验室对实验室管理人员和操作人员要求较高，对于相关的电磁兼容试验，更是需要相应的资质人员才能进行，而目前计量实验室对于相关检测人员的管理不足；由于计量实验室项目多、任务重，对于试验时间长的项目，往往无法分配相关资质的人员进行管理和操作，对于实验室的管理存在相应的问题。

2 基于互联互通智慧计量实验室关键技术

要建设互联互通智慧计量实验室，首先，要了解互联互通智慧计量实验室所需要的关键技术，才能够建设更好的智慧计量实验室，而建设设备互联互通的智慧计量实验室的关键就技术如下。

2.1 射频识别技术

随着我国计量技术不断发展，计量设备数量级不断增加，其中不乏高精度、昂贵的设备，不方便进行频繁的检定和校准，容易造成昂贵仪器的损坏和丢失，需要工作人员投入大量的人力、精力，使得计量任务效率低下，管理不到位。建立智慧计量实验室，运用相应的射频识别技术（RFID）与传感器技术，将相关的检测信息，通过无线或有线网络等方式，能够实现对于设备数据的识别、监控以及设备的管理，实现对计量实验室的智慧管理，从而大大降低人员的操作任务，提高计量数据的识别、记录的准确度和效率。

射频识别技术主要完成的设备信息统计，保存设备的序列号、生产厂家、名称型号、责任人、使用人以及相应的检修时间；并且设备射频技术主要是通过远距离、无线传输的方式，实现设备标准流转过程的自动识别与管理；射频识别技术能够根据计量工作的需要，与相应的发生装置相互连接，从而将数据传输到相应的后台服务器；该技术在进行数据交互时，会采用相应的数据安全管理和数据库管理等方式，依靠相应的局域网和无线网的方式，与相应的PC 电脑端相互联合，从而实现网络传输的平台的数据交互；射频识别技术会通过相应的移动技术和报警技术相互结合，从而实现对移动设备的管理，能够帮助管控人员，通过相应的移动阅读器对移动的设备，进行设备标签信息的检测和管理。

2.2 大数据技术

对于计量数据而言，随着设备和任务量的增加，计量数据量也不断增加，因此实现对于数据监测、对于分析的自动化和智能化是非常重要的，能够减少对于技术人员的操作，提高相应的工作效率，实现智慧实验室的管理；大数据挖掘技术已经广泛应用于计量行业和数据溯源机构，对于已经采集的计量信息数据进行相应的规划和整合，通过建立大数据库，利用大数据挖掘和分析技术，对于相同类型的计量信息进行对比分析，建立相应的多为数据模型，为领导决策、设备分析以及资源的整合提供有利的条件和清晰的数据。

2.3 区块链技术

区块链技术具有分布式存储、共识机制外，安全性等优点，经过加密存储的数据文件，具有足够的安全性。基于区块链技术构造数字证书溯源防伪系统，能够实现数字证书防篡改，以及证书生成、修改、废弃等过程的高效可追溯查询。另外，区块链特有的分布式账本和共识机制，将证书各阶段信息记录于区块中。任何记录信息和数据只有通过区块链各个区块的核实和确认后，才能被写入区块链中，保证了数据的真实性和完整性。用户通过用户服务平台可以验证证书并获取溯源信息，实现了证书报告制作的全过程透明，大大提高了证书的可信度。

3 基于设备互联互通的智慧计量实验室建设

3.1 基于设备互联互通的智慧计量实验室总体结构

基于设备互联互通的智慧计量实验室的总体结构如图1 所示，依照实验室的相关接口和标准规范，自上而下连接实验室的各种仪器、检定设备、环境采集、计量标准设备；中间涉及统一的标准接口和协议服务，实现实验室的互联互通数据的上传。

图1 基于设备互联互通的智慧计量实验室总体结构

图2 智慧计量实验室数据结构

图3 智慧计量实验室安全结构

数据互联互通的范围主要包括相应的试验计量检测设备、智能设备、现场使用设备。其中计量检测设备有电压互感器校验仪、电流互感器校验仪、负荷箱检定设备；其中智能设备有环境采样设备、视频监控、数据记录设备、人员感知设备、智能表现校验仪等；其次，对于计量实验室中不具备标准接口的设备，需要按照相应的互联互通的管理标准，通过相应的有线或无线连接方式，与智能边缘代理感知设备相互连接，实现现场所有的设备完成互联互通。

3.2 基于设备互联互通的智慧计量实验室数据结构

基于设备互联互通的智慧计量实验室数据结构主要由：（1）数据源。主要为数据湖的数据存储、数据处理和数据分析发现提供数据来源。（2）数据湖。数据湖为上层提供统一的数据存储和数据处理、发现接口；针对慢SQL 请求进行分析并提供优化方案，热点数据和关键性业务数据存储于缓存用于提高数据访问速度；同时，通过数据脱敏，数据加密、数据隔离等方式保证数据的安全性。（3）使用区。通过不同人员角色划分结合数据湖提供的统一权限管理系统对数据赋予不同的试用权限，管理人员赋予超级管理员角色具备整个系统数据的访问权限，业务人员可对具体的业务数据进行访问分析。

3.3 基于设备互联互通的智慧计量实验室安全结构

结合电力计量实验室智慧化控制中心相关应用的实际应用情况，依据“分区、分级、分域”防护要求，按照等级保护要求中第二级系统安全要求进行安全防护设计，安全防护强度达到公司内网安全防护标准，安全防护应注重运行安全，避免安全风险扩散，需从网络安全、应用安全、数据安全、系统安全、物理安全及安全管理等方面进行约束。

3.4 基于设备互联互通的智慧计量实验室实现的功能

（1）设备唯一性标识功能。根据计量任务的要求，对于计量设备的管理要求，需要使用相应的电子标签，对计量设备建立电子身份，更加便于计量设备的变更、流转、量值的追溯和传递，更加方便计量设备的查找和使用，形成了“一物一码、智能识别”的情况，不仅仅能够保证设备的正常、稳定使用，延长设备的使用寿命，更便于整个计量实验室的全局使用，为建设智慧实验室提供基础。

（2）统一的智能化管理功能。建设智慧计量实验室，首先需要建立统一的智能化的管理平台，能够最优化地安排计量设备和人员，用最少的时间、最大的资源利用率，结合整个检验、计量能力，合理安排人员、设备以及相应的场地，从而提高其检测的能力，能够自动地生成相应的检测任务和计划，从而自动地安排人员和设备，完成定期设备检测的任务，自动调度、合理分配，高效地利用相应的资源。

（3）“一键式”的试验作业功能。根据相关的计量检测标准，尽可能建设一站式、标准化的计量检测过程，开发标准化的检测能力，从而实现智能化的能力引导，有助于试验人员能够按照标准流程进行试验检测；另外，建设计量结果在线接受、网上上报等功能，实现数据的一站式、智能式采集和传输，从而避免检测过程中受到其他因素的影响，进一步推动智慧实验室的建设。

（4）具有数据管理追溯的功能。由于计量业务是非常精密的任务，根据相关计量管理流程，需要对计量的结果标定相应的时间证书、电子名片以及相应的电子签，从而保证计量的正确性和精准性；要实现计量数据的输入、查询、变更以及相应的输出记录明确、定位管理精准，并且对于数据的全过程管控，建立基于互联互通的智慧计量实验室，需要实现计量数据报告和证书，受到计量人的相互信任，就需要提升数据管理能力，实现计量数据的安全、可信以及可追溯等功能。

（5）具有计量数据智能化分析功能。建设基于互联互通的计量实验室，要基于大数据、物联网等先进的科学技术，实现不同层次、不同地域、不同部门的计量数据溯源，对比不同设备的计量属于分析，完成检测结果的正负误差分析，从而实现对检测结果的智能化、自动化检测和分析。让溯源数据、测试设备以及被测样品，能够从多种角度、多视角展示量传和溯源的相互关系；并且对于相应的超差智能预警，对于设备动态送检提示，从而保证设备的准确性、可靠性以及及时性。

（6）计量人员资质动态管理功能。开展人员学历、专业、资格、培训、技术、技能、经历和经验等信息的线上登记和自动更新能力建设，支持人员试验检测活动的规范化记录，实现支持计量人员数量、资质及状态的可查、可比和可控。

4 结语

随着全新的计量时代的到来，传统的计量实验室已经不能够满足日益增加的计量业务需要，传统的实验室测量需要由静态校准到动态校准的变化，计量实验室更加注重数字化、智能化的“新基建”，将成为重要发展方向；并且随着电力计量实验业务的不断深入、业务流程的变化以及物联感知设备及其技术的发展，基于互联互通的智慧计量实验室的建设，利用物联网技术、大数据技术以及组网技术等，能够实现计量实验室智能化的发展，进一步加强计量实验室内部设备数据获取技术研究，从而推动电力计量行业的发展。