大數(shù)據(jù)在數(shù)字化實驗室中的應用

王 暉，戴富宏，李文彬，李如芬，何治海

（云南電網(wǎng)有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

數(shù)字化實驗室簡單點來說，是在物理、生物和化學的實驗中通過傳感器來完成，例如物理實驗牛頓第三定律，傳統(tǒng)的方式是通過兩個對稱的彈簧秤對拉來看刻度相等，但是數(shù)字化實驗則是利用兩個力傳感器進行對拉，然后通過兩根數(shù)據(jù)線將傳感器的數(shù)據(jù)傳送到電腦上，最后通過軟件以數(shù)字或者曲線的形式，顯示力的大小變化以及數(shù)據(jù)是相等的還是對稱，且通過軟件進行曲線的擬合。

1 數(shù)字化實驗室的研究內容

1.1 在數(shù)據(jù)自動采集功能上的研究

首先我們需要在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上開發(fā)出新型的儀器智能端口，新開發(fā)出來的智能端口和無線的傳輸技術是要結合起來的，并要通過結合來實現(xiàn)實驗分析儀器的互聯(lián)網(wǎng)功能，使實驗的數(shù)據(jù)能夠實現(xiàn)自動傳輸?shù)墓δ?；其次，?shù)據(jù)在自動傳輸?shù)倪^程中需要數(shù)據(jù)的接收終端將數(shù)據(jù)的接收系統(tǒng)軟件進行開啟，要實時的接受實驗的數(shù)據(jù)。最后，還需要將數(shù)據(jù)平臺對所有上傳的實驗數(shù)據(jù)進行保留[1]。

1.2 數(shù)字實驗室的構建和研發(fā)

1．2．1 數(shù)據(jù)采集技術

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字化實驗室的構建基礎，主要是通過數(shù)據(jù)自動傳輸來實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，需要接受的終端開啟數(shù)據(jù)接受系統(tǒng)的軟件，以此來對所有實驗設備發(fā)出來的數(shù)據(jù)信息進行檢測和接收，最后要由數(shù)據(jù)平臺對所有上傳的實驗數(shù)據(jù)進行保存和處理，

1．2．2 實驗設備和樣品的對應識別技術

數(shù)字化實驗室可以根據(jù)不同的實驗設備設置只屬于自己的ID 值，這樣一來，當樣品的結果出來以后，它的信息里就會將所選設備的ID 值進行儲存，最終實現(xiàn)每條樣品結果都有它所屬的實驗設備。實驗設備和樣品如圖1 所示。

1.3 關于多種設備參數(shù)的診斷技術和應用

數(shù)字化實驗室的構建融合了很多運行參數(shù)，比如充油和充氣的設備。此外，在線檢測、實驗室試驗等很多參數(shù)也是來源于一體的，在這些參數(shù)中，有很多不是線性的數(shù)據(jù)信息，而通過對這些信息流數(shù)據(jù)信息的挖掘，就可以對充油和充氣設備的運行狀態(tài)進行很好的評估，而且這些信息流的完整性還能幫助人們解決故障分析準確性的問題，也為充油充氣設備在的故障分析帶來了很多數(shù)據(jù)分析的基礎，為下一步的決策提供了依據(jù)[2]。

圖1 實驗設備和樣品

2 主要技術研發(fā)的難點

2.1 數(shù)據(jù)篩選功能的研發(fā)

數(shù)據(jù)的篩選功能在數(shù)字化實驗室中是非常重要的內容。在數(shù)據(jù)的篩選中，主要分為3 個步驟，即數(shù)據(jù)的抽取、數(shù)據(jù)的清理和數(shù)據(jù)的加載。在數(shù)據(jù)的抽取中，是將不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)格式轉入到數(shù)據(jù)倉庫中，主要是讓所有的數(shù)據(jù)信息都變?yōu)榻y(tǒng)一的格式；在數(shù)據(jù)的清理中，主要是對缺失數(shù)據(jù)、重復數(shù)據(jù)以及異常數(shù)據(jù)和不同數(shù)據(jù)的處理等，這個步驟是篩選數(shù)據(jù)最重要的步驟，必須重視起來，因為它對后面的數(shù)據(jù)處理結果來說非常的重要；最后在數(shù)據(jù)的加載中，就是將數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)庫的過程中主要有兩種方式：一種是全量加載，即將表格全部刪除以后在進行數(shù)據(jù)的加載；另一種是增量加載，即在原有的表格中增加新的數(shù)據(jù)[3]。

2.2 設備運行狀態(tài)評估功能的研發(fā)

數(shù)據(jù)在智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)中形成自由流動的信息流，主要是通過對這些信息流進行處理來對運行中的設備狀態(tài)進行正確評估。

2.3 數(shù)據(jù)分析預警模式的研發(fā)

通過人工智能分析的方法對多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)管理中形成的信息流進行分析，以多參數(shù)的數(shù)字信息數(shù)據(jù)進行顯示，并對當前的設備進行監(jiān)測，具體如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)分析預警模式

3 大數(shù)據(jù)在數(shù)字化實驗室中的應用

3.1 大數(shù)據(jù)在實驗室中的應用條件

大數(shù)據(jù)在數(shù)字化實驗室中的應用條件為：將實驗中的所有信息數(shù)據(jù)進行保存，并保存在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺中。對于這種平臺來說，它可以允許所有的實驗數(shù)據(jù)進行分類，還具備統(tǒng)一、具體、結構化的數(shù)據(jù)采集過程，可以在數(shù)據(jù)的采集層面上對實驗數(shù)據(jù)信息進行比較。為了處理更多的數(shù)據(jù)量，還可以將分析和生產(chǎn)的實驗設備與IT 系統(tǒng)連接起來，從而在任何時間都能看到信息數(shù)據(jù)，檢測出更多隱藏的因素。通過對隱藏因素的分析，可以將其在實驗過程中的影響和關系找出來，并根據(jù)他們的關系進行適當調整。

3.2 關于數(shù)據(jù)設備在連接標準上的建立。

在傳統(tǒng)的數(shù)字化實驗室中，也有很多成功的案例實現(xiàn)了實驗室與各儀器設備的連接，比如數(shù)字化實驗記錄、實驗室管理系統(tǒng)LIMS 的連接等，但是這種連接是非常復雜的，成本非常高。通過大數(shù)據(jù)在數(shù)字化實驗室中的應用可以將連接的過程簡化、成本降低，主要操作方法是將數(shù)字化實驗室的實驗記錄集成到實驗室自動化標準SILA 兼容的過程管理系統(tǒng)中。除此之外，還需要制訂統(tǒng)一的連接標準，從而將儀器設備上的監(jiān)測數(shù)據(jù)與所填寫的數(shù)字化實驗記錄更好地聯(lián)系起來。建立連接標準的主要目的為：數(shù)據(jù)信息均在一個基礎平臺，要以最大的自由度了解基礎平臺上所保留的信息數(shù)據(jù)，要讓傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動在新過程中優(yōu)化并得到應用，從而靈活地使用實驗室的時候，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的應用。

4 結束語

綜上所述，中國已經(jīng)步入了大數(shù)據(jù)時代，任何行業(yè)的發(fā)展都離不開大數(shù)據(jù)支持的，數(shù)字化實驗室也不例外。而在數(shù)字化實驗室中通過大數(shù)據(jù)的應用，不但提高了實驗的效率，也提高了實驗結果的準確性，還讓人們對數(shù)據(jù)的分析和運用更加準確。因此，必須要將大數(shù)據(jù)重視起來，并要將大數(shù)據(jù)的作用充分發(fā)揮出來。