油液分析數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)的開發(fā)研究

鄧 新，吳鑫德

（廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤(rùn)滑與檢測(cè)研究所，廣東廣州 510000）

0 引言

現(xiàn)代檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室管理中的各個(gè)維度逐漸實(shí)現(xiàn)信息化。目前，信息化建設(shè)已成為提升內(nèi)部檢測(cè)效率與管理水平的重要手段，其中LIMS（Laboratory Information Management System，實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)）是典型的代表[1,2]。LIMS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量保證、體系管理、流程定制、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)等運(yùn)營(yíng)輔助決策總體方案[3,4]。檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集是檢測(cè)流程中最重要的環(huán)節(jié)，但不同檢測(cè)設(shè)備得出的數(shù)據(jù)在輸出的方式上各有特點(diǎn)。

當(dāng)前通用的信息系統(tǒng)在接入各類檢測(cè)設(shè)備的不同信息接口及數(shù)據(jù)采集方式上是不完備的，這造成了數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、智能化能力在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)環(huán)節(jié)的缺失[5]。實(shí)驗(yàn)室中，傳統(tǒng)的獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)方法有以下兩種：①通過人工進(jìn)行的手寫與數(shù)據(jù)錄入；②通過檢測(cè)軟件自帶的數(shù)據(jù)導(dǎo)出與導(dǎo)入功能。這些手動(dòng)或半自動(dòng)方法都需要檢測(cè)人員參與到數(shù)據(jù)的處理和流轉(zhuǎn)過程中，進(jìn)行著大量重復(fù)工作，容易發(fā)生操作失誤或數(shù)據(jù)錄入問題，檢測(cè)效率受到影響[6]。

本文針對(duì)處理數(shù)據(jù)過程中的問題，提出數(shù)據(jù)采集處理方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)以支持不同類型通信接口的儀器適配接入，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時(shí)間得到縮短，弱化檢測(cè)數(shù)據(jù)因人工干預(yù)而造成的影響，進(jìn)一步提高檢測(cè)效率以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)的功能需求

目前國(guó)內(nèi)外油液分析檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取及通信類型分類見表1；設(shè)備通信接口類型分類見表2。

表1 油液分析檢測(cè)設(shè)備分類

表2 油液分析檢測(cè)設(shè)備通信接口

檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化是由通信接口所決定，不同通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的方式見表3。

表3 不同通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的方式

在建設(shè)系統(tǒng)過程中，通過儀器設(shè)備信息化改造、組建網(wǎng)絡(luò)連接、開發(fā)軟件系統(tǒng)等工作，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集全自動(dòng)化管理與控制。系統(tǒng)總體功能模塊如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)由配置層、主程序、人機(jī)工作界面、數(shù)據(jù)解析以及數(shù)據(jù)服務(wù)5 個(gè)層次共同組成。系統(tǒng)配置層是整個(gè)系統(tǒng)的管理中樞；主程序中包含權(quán)限審核、設(shè)備控制等核心模塊；人機(jī)工作界面是檢測(cè)人員控制檢測(cè)儀器和進(jìn)行項(xiàng)目檢測(cè)的窗口；數(shù)據(jù)解析的核心是部署于應(yīng)用服務(wù)器中的服務(wù)引擎；數(shù)據(jù)服務(wù)提供與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)接口。系統(tǒng)各個(gè)組件部分之間的結(jié)構(gòu)以及連接方式如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)建設(shè)要求

油品檢測(cè)流程的實(shí)驗(yàn)要求和標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集處理過程等具有關(guān)聯(lián)性，所以不但要做到數(shù)據(jù)采集處理功能，還要同時(shí)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目檢測(cè)過程的軟件，目標(biāo)要求如下：①實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的檢測(cè)流程；②營(yíng)造良好的用戶體驗(yàn)；③擁有全面的通信適配功能；④具備完善的數(shù)據(jù)解析能力；⑤提供靈活的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案

針對(duì)不同通信接口，需要根據(jù)儀器的實(shí)際情況與特點(diǎn)采取單獨(dú)的采集設(shè)計(jì)方案。

3.1 串口類

串口通信應(yīng)用廣泛，是一種成熟的通信技術(shù)[7]。針對(duì)具備RS232接口的設(shè)備，將串口接頭和線序匹配，通信模式設(shè)置為開啟，連接到計(jì)算機(jī)，詳細(xì)采集流程如圖3 所示。

圖3 串口類采集流程

3.2 USB 端口類

USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）具有使用方便、傳輸速度快、獨(dú)立供電、連接靈活、支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于企業(yè)服務(wù)、PC 領(lǐng)域、工業(yè)機(jī)械制造、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[8]。

USB 端口采集具體有兩種實(shí)現(xiàn)方式：①直接進(jìn)行USB 數(shù)據(jù)傳輸；②使用USB 轉(zhuǎn)串口設(shè)備，與工作站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。其數(shù)據(jù)采集方案如圖4 所示。

圖4 USB 端口通信類采集流程

3.3 USB 模擬輸入類

有一類通信接口為USB 端口的油品分析儀器，例如電子天平，采集方式是計(jì)算機(jī)識(shí)別模擬鍵盤生成的字符串信息，其數(shù)據(jù)采集流程如圖5 所示。

圖5 USB 模擬輸入類采集流程

3.4 圖形圖像類

文獻(xiàn)［9］、［10］介紹基于USB 接口的圖形圖像類數(shù)據(jù)采集的相關(guān)方法，相關(guān)數(shù)據(jù)采集流程如圖6 所示。

圖6 圖形圖像類采集流程

3.5 文件解析類

數(shù)據(jù)文件解析的檢測(cè)設(shè)備主要有兩種類型：①截獲打印數(shù)據(jù)，打印機(jī)得出檢測(cè)結(jié)果作為數(shù)據(jù)采集方式；②二次數(shù)據(jù)采集，采集方式需用工作站軟件。

最合理有效的解決方法是二次采集，其數(shù)據(jù)采集流程如圖7 所示。

圖7 文件解析類采集流程

文件解析采集過程可分大致可分為如下步驟：①原始數(shù)據(jù)的采集；②監(jiān)視文件及目錄的變化；③數(shù)據(jù)文件的解析；④原始數(shù)據(jù)的封裝并發(fā)送。

4 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心服務(wù)組件包括接口適配器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及數(shù)據(jù)解析引擎等。

4.1 接口適配器

接口適配器是系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備的通信模塊，進(jìn)行連接時(shí)的工作流程為：接入設(shè)備，配置通信方法，設(shè)置通信方法的參數(shù)，完成與設(shè)備的數(shù)據(jù)連接過程如圖8 所示。

圖8 接口適配器工作流程

4.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程是指打開通信連接后，調(diào)用相應(yīng)配置數(shù)據(jù)讀取方法，取得原始檢測(cè)數(shù)據(jù)的過程。

4.3 數(shù)據(jù)封裝與發(fā)送

取得原始數(shù)據(jù)后，設(shè)備工作軟件會(huì)封裝當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，形成內(nèi)部信息包，并發(fā)送到數(shù)據(jù)解析引擎。使用標(biāo)記對(duì)數(shù)據(jù)包中不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，將附加封裝的其他數(shù)據(jù)作為唯一標(biāo)記，從而將各類組織形式完全不同的數(shù)據(jù)封裝成相同格式的信息包。通過TCP 協(xié)議將數(shù)據(jù)提交到數(shù)據(jù)解析引擎后，調(diào)用相應(yīng)解析方法對(duì)信息包逆向解析，采集解析過程如圖9 所示。采集模塊發(fā)送的原始數(shù)據(jù)經(jīng)解析之后可得到最終結(jié)果，再通過系統(tǒng)終端呈現(xiàn)給檢測(cè)人員，以保障檢測(cè)工作的進(jìn)行。

圖9 采集解析過程

4.4 數(shù)據(jù)解析引擎

數(shù)據(jù)解析引擎的核心部分是數(shù)據(jù)解析規(guī)則庫(kù)，深入分析設(shè)備和檢測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)不同設(shè)備的工作特點(diǎn)、數(shù)據(jù)組織形式的輸出以及最終結(jié)果的存儲(chǔ)，編寫不同的處理規(guī)則，形成處理規(guī)則庫(kù)。規(guī)則庫(kù)中的解析規(guī)則見表4。

表4 三種解析規(guī)則

4.5 系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)

通過開發(fā)技術(shù)與合理的理論框架相結(jié)合，成功開發(fā)具備預(yù)定功能的系統(tǒng)，分為主程序、設(shè)備工作軟件以及數(shù)據(jù)解析引擎三部分，其相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果界面如圖10～圖12 所示。

圖10 采集系統(tǒng)主程序界面

圖11 自動(dòng)黏度儀工作軟件界面

圖12 酸值滴定儀工作軟件界面

5 應(yīng)用結(jié)果及結(jié)論

（1）針對(duì)實(shí)驗(yàn)室油液分析檢測(cè)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的因人為因素引起的高錯(cuò)誤率、降低采集效率和保存數(shù)據(jù)困難等問題，提出一種數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括接口適配、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)解析等功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的各類檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行適配接入，在無人工介入的條件下，檢測(cè)設(shè)備能夠完成數(shù)據(jù)分發(fā)存儲(chǔ)、分析處理、全自動(dòng)采集流轉(zhuǎn)以及質(zhì)量管控等功能。

（2）針對(duì)不同油液分析檢測(cè)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與要求、檢測(cè)步驟等具體情況進(jìn)行討論，分析和梳理數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)狀，提出自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集接入的合理方案，實(shí)現(xiàn)不同類型檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

（3）提出數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)，分析核心部分的設(shè)備工作軟件的重要組成部分，具備完整的前期理論基礎(chǔ)，為后續(xù)整體開發(fā)提供依據(jù)。

（4）將采集系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的方案應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目與設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集接入，成功避免因人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤問題，明顯降低綜合出錯(cuò)率，同等人員設(shè)備的條件下，項(xiàng)目檢測(cè)量完成3～5 倍的提升，使得排樣與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時(shí)間大幅下降，工作效率得到有效提高。