建設(shè)計量智慧實驗室的探索研究

馬勝國 孫永明 魏本海 梁國青 王郡 孫傳汀

摘?要：隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，對于電力行業(yè)計量的設(shè)備的需求不斷增加，傳統(tǒng)的計量方式，會造成設(shè)備計量效率低、數(shù)據(jù)管理不合理、設(shè)備臺賬維護量大等問題，建設(shè)計量智慧實驗室的研究非常關(guān)鍵。本文立足于電網(wǎng)行業(yè)計量智慧實驗室的研究，分析了傳統(tǒng)計量實驗室的現(xiàn)狀，總結(jié)了計量智慧實驗室所實現(xiàn)的功能；并且設(shè)計了計量智慧實驗室的總體架構(gòu)，細化其組成，分析了計量智慧實驗室的安全架構(gòu)，為實現(xiàn)計量智慧實驗室的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：計量；智慧實驗室；功能；實驗室總體架構(gòu)；安全架構(gòu)

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，計量檢測、檢定/校準行為是維護貿(mào)易平等和保護人民公平交易的重要衡量手段，是一種維護消費者合法權(quán)利的法律基礎(chǔ)，是維護市場經(jīng)濟的保證［1-3］。因此，各國也建立了標準計量實驗室，從而進行標準的量值傳遞以及溯源工作。然而，計量檢測、檢定/校準的精準性受計量環(huán)境等因素影響嚴重。因而，計量實驗室是確保計量結(jié)果公平、公正的重要前提，是檢測設(shè)備是否準確的基礎(chǔ)，為量值傳遞提供規(guī)范、精準的物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅僅需要為相關(guān)的檢測機構(gòu)提供相應(yīng)的監(jiān)督數(shù)據(jù)，還需要對標準量具提供相應(yīng)的計量數(shù)據(jù)，因此計量實驗室數(shù)據(jù)的準確性、可靠性，不僅僅反映了實驗室的“硬實力”，也是保證國家計量標準的重要手段［4-7］。

但是隨著時代的進步，科技的不斷發(fā)展，智能化的計量方式不斷進步，建設(shè)智慧實驗室能夠提升計算實驗室的信息化水平，從而實現(xiàn)信息化計量實驗室的進一步發(fā)展［8-10］。傳統(tǒng)計量行業(yè)的方法和標準發(fā)展非常快，計量標準器具的智能化、科技化更高，更多的計量設(shè)備需要標準化的計量實驗室進行測量，而且智能化的計量實驗室是數(shù)字化改革前提，因此，探索研究智能化計量實驗室的建設(shè)是目前研究的重點。

1 計量實驗室的現(xiàn)狀

雖然我國計量實驗室已經(jīng)發(fā)展迅速，但是伴隨著計量任務(wù)的增加，使得傳統(tǒng)的計量實驗室出現(xiàn)了檢測時間長、數(shù)據(jù)處理慢的問題。

1.1 實驗室計量設(shè)備煩瑣，缺乏智能化通信

隨著我國科技的快速發(fā)展，各種各樣的計量設(shè)備不斷增加，使得實驗室需要的標準計量設(shè)備種類、數(shù)目也不斷增加，但是不同的計量設(shè)備生產(chǎn)廠家并不一樣，設(shè)備的接口類型、傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議并不相通，許多設(shè)備根本不存在相應(yīng)的通信接口，使得計量設(shè)備的定檢自動化難度大，設(shè)備協(xié)議不同，進行相應(yīng)的設(shè)備采錄也非常困難。

1.2 計量設(shè)備缺乏自動化檢測手段

目前，多數(shù)的計量實驗室的設(shè)備信息化程度低，并且檢測過程中，使用的檢測設(shè)備種類繁多，使得計量檢測過程非常煩瑣，實驗室計量過程中，需要大量的人力進行干預(yù)，得到的試驗、測試結(jié)果不能夠自動化處理，需要進行人工的采集、分析以及上傳。設(shè)備與設(shè)備之間的通信渠道缺乏，不能立刻進行數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)不同工序的無縫銜接。

1.3 實驗室設(shè)備、儀器無統(tǒng)一的信息庫

目前，計量實驗室的裝置和設(shè)備并沒有統(tǒng)一的建檔，對于設(shè)備查找、使用、維修、報廢等流程仍存在人工操作的情況，除此之外，進行設(shè)備的登記過程時間非常長，由于人工干預(yù)的情況，可能會發(fā)生實驗室設(shè)備登記時遺漏，運輸時損壞，甚至丟失等情況，使得計量實驗室的設(shè)備管理效率低下，計量資源利用率低。

1.4 實驗室人員資質(zhì)信息管理不規(guī)范

由于計量實驗室的部分設(shè)備需要特殊資質(zhì)的人員才能夠進行，使得部分人員并沒有檢測資質(zhì)，卻對特殊設(shè)備進行操控，這也是由于缺少實驗室人員資質(zhì)管理問題造成的。另外由于實驗室計量任務(wù)多，人手不夠，就會出現(xiàn)無法合理安排試驗設(shè)備，降低實驗室的檢測效率，同時會給特殊設(shè)備檢測帶來一定的風險和誤差。

1.5 實驗室環(huán)境管理存在缺陷

目前，常見的計量實驗室的環(huán)境檢測系統(tǒng)未實現(xiàn)智能化、信息化，多數(shù)為人工檢測的方法，如實驗室的環(huán)境溫度、濕度、顆粒度都是需要人工，每天進行相應(yīng)的檢測，另外，實驗室大樓的空調(diào)、排風扇、加濕器等電子化設(shè)備，都需要人工進行控制，無法實現(xiàn)計量實驗室的智能化控制。

1.6 計量業(yè)務(wù)流程效率低、數(shù)據(jù)管理差

目前，計量實驗室的計量任務(wù)多為半自動化，需要填寫相應(yīng)的委托單，并且還需要進行排隊、審核、檢驗、確定等各個步驟，使得整個計量業(yè)務(wù)的效率非常低；另外，檢驗的數(shù)據(jù)需要進行人工的抄錄，或者通過U盤等存儲的設(shè)備進行導(dǎo)出；缺乏相應(yīng)的監(jiān)督、共享的方法和途徑，會造成設(shè)備數(shù)據(jù)的丟失、篡改以及錯錄等問題。

2 計量智慧實驗室的功能

在計量智慧實驗室中，主要完成的功能有：對人員信息的登記管理，對設(shè)備信息的登記管理，實驗室的身份證驗證和管理，計量標準器具管理，實驗室環(huán)境智慧檢測，計算數(shù)據(jù)智能化管理等。

2.1 人員設(shè)備電子身份認證

為了便于對計量實驗室設(shè)備的管理，會對計量設(shè)備上進行電子標簽認證，能夠短時間內(nèi)利用電子身份證標簽進行掃描，從而獲得整個設(shè)備的詳細信息。除此之外，定位金屬標簽?zāi)軌驅(qū)σ苿拥碾娮觾x器進行定位和感知，能夠在惡劣的環(huán)境下，保證設(shè)備標簽的正常使用，從而利用標簽建立相應(yīng)的“臺賬”，對于計量設(shè)備的檢測、維修、報廢等操作流程，節(jié)省了設(shè)備的登記、審批的流程，從而提高計量實驗室的計量設(shè)備的效率。

另外，需要對計量實驗室的人員進行數(shù)字化培訓(xùn)和相應(yīng)的電子設(shè)備教學(xué)，提升管理人員的數(shù)字化水平。在實驗室中的科學(xué)人員以及相關(guān)的定檢人員，是整個實驗室的關(guān)鍵所在，首先，要通過信息化技術(shù)建立科研人員以及定檢人員的基本信息，并且實現(xiàn)、快捷的準入實驗室的方法。其次，將計量人員的基本信息，能夠操作的設(shè)備以及教育和專業(yè)情況，進行相應(yīng)的登記管理，與設(shè)備信息“臺賬”進行相應(yīng)地掛鉤，有效地管控計量體系人員，便于進行人員的管理以及培訓(xùn)，將獲得信息保存到相關(guān)“臺賬”中，從而達到計量實驗室人員的詳細、快速、精細管理。

2.2 計量標準器數(shù)字化管理

計量標準數(shù)字化管控，保障實時監(jiān)管計量標準器具的使用情況，通過對設(shè)備精準管控，對計量設(shè)備的各項工作不漏項、不誤用。對于需要進行預(yù)先加熱的設(shè)備和儀器，可以通過遠程控制的方法進行操作，提高操作的效率；并且能夠?qū)τ谟嬃繕藴势骶哌M行使用周期追蹤管理，掌握每一臺儀器的使用狀態(tài)，分析其測試數(shù)據(jù)的正確性，定期進行相關(guān)設(shè)備的保養(yǎng)；與此同時還需要對計量標準器具保留相關(guān)電子檔案，便于器具的智能化管理。

2.3 計量實驗室環(huán)境智慧化管理

計量實驗室在進行計量的過程中，對于環(huán)境參數(shù)要求較嚴，需要避免環(huán)境中的溫度、濕度、灰塵、氣壓等各種參數(shù)的影響，因此要對計量實驗室的環(huán)境參數(shù)進行嚴格監(jiān)測。首先，要按照各種計量標準具的運行環(huán)境和技術(shù)參數(shù)使用，確保計量標準器具不受到環(huán)境因素的影響，并且檢測標準器具在實驗室環(huán)境下，不滿足運行條件時，要及時停止相關(guān)測試。而智能設(shè)備對于計量實驗室環(huán)境智慧化管理有著重要的作用。對實驗室的人員、設(shè)備、環(huán)境、安全信息等參數(shù)進行監(jiān)控，并且判斷是否滿足相應(yīng)的條件，對于建立安全智慧實驗室發(fā)揮著重要的作用。

除此之外，數(shù)字智能網(wǎng)關(guān)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)外接溫濕度探測器、通斷空調(diào)電源的智能插座、控制空調(diào)工作的紅外遙控設(shè)備、通斷加濕器、排風扇的開關(guān)控制器等設(shè)備，當采集到的數(shù)據(jù)有違規(guī)時及時預(yù)警，向管理員推送預(yù)警消息，同時將預(yù)警數(shù)據(jù)上傳至智慧實驗室管理平臺。具有實時控制能力，必要時可采取自動切斷電源等安全操作。還可以自動化地控制空調(diào)、加濕器、排風扇等保障計量過程所需的環(huán)境要求。

2.4 計量實驗室數(shù)據(jù)的智能化管理

首先，對于計量實驗室的數(shù)據(jù)，快速識別并讀取原始數(shù)據(jù)，自動上傳邊緣云進行數(shù)據(jù)處理；實驗室需要能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的無線數(shù)據(jù)傳輸，保證三大運營商的無線通信，保證實驗室的數(shù)據(jù)進行及時的交流和輸送；另外，需要建立相關(guān)的局域網(wǎng)，支持實驗測試數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，進行存儲、分析以及傳輸?shù)认嚓P(guān)功能；并且，進一步提升實驗數(shù)據(jù)的記錄方法和保存安全性，避免重要數(shù)據(jù)因為筆誤、錯錄等原因，造成試驗的失敗。

另外，對于試驗數(shù)據(jù)的紙質(zhì)檔案，能夠進行拍照記錄，便于后續(xù)數(shù)據(jù)庫的查證，并且在實驗室建立統(tǒng)一的交互模式和標準，便于不同類型的設(shè)備接入和互通。還可以通過對不同狀態(tài)的測試設(shè)備進行監(jiān)控，分析其運行的狀態(tài)，及時進行相應(yīng)的調(diào)整和安排，避免出現(xiàn)運行故障，影響試驗的進度。

2.5 計量實驗室設(shè)備智能接入管理

構(gòu)建智慧計量實驗室，實現(xiàn)計量檢測數(shù)字化、信息化實驗室的轉(zhuǎn)型，重點解決計量實驗室標準化無線接口及其協(xié)議的設(shè)置、物聯(lián)網(wǎng)共享等問題。首先，要改造、優(yōu)化相關(guān)檢測設(shè)備，使其具備無線連接、信息化采集功能，包括Web Service、數(shù)據(jù)庫連接等方式；如果不具備無線接口，或者上位機功能的設(shè)備，需要進行不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，再進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集；除此之外，還需要在實驗室建立統(tǒng)一的“云平臺”，能夠?qū)崿F(xiàn)多種設(shè)備的互聯(lián)、互通，便于檢測設(shè)備的高效連接，使整個平臺內(nèi)部的設(shè)備與員工相互聯(lián)系，最終能夠打造統(tǒng)一的、高效的信息化計量實驗室。

3 計量智慧實驗室設(shè)計

3.1 計量智慧實驗室框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過上述多余計量智慧實驗室的分析，需要對人員、設(shè)備以及實驗室環(huán)境進行相關(guān)的管理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一的接口接入，對實驗室進行動態(tài)的監(jiān)管，因此，計量智慧實驗室框架結(jié)構(gòu)主要包括：試驗業(yè)務(wù)邊緣計算單元、環(huán)境采集單元、通信融合單元、計量標準設(shè)備、環(huán)境檢測設(shè)備。

試驗業(yè)務(wù)邊緣計算單元：是智慧實驗室多協(xié)議計量試驗集控交互應(yīng)用和核心載體，是整個計量實驗室的核心所在，主要的功能有存儲、計算以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用管理等。該單元的業(yè)務(wù)主要是進行更快的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，能夠滿足不同行業(yè)的實時、智能、安全以及試驗管理的基本要求，或進行物理連接。

環(huán)境采集單元：主要是將檢測設(shè)備的各種參量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，支持LoRa等多種無線有線通信方式，并且經(jīng)過數(shù)字信號處理，進行環(huán)境信息的存儲、分析以及處理。環(huán)境采集單元主要是完成對實驗室環(huán)境參數(shù)的采集、計算和處理，并且對所需要的環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)超標，就需要進行報警操作。

通信融合單元：通信融合機支持級聯(lián)，控制卡的上行數(shù)據(jù)端口可以駁接至另外一部機箱的通信端口，由其匯總后再行上報。

計量標準設(shè)備：主要有數(shù)字多用表、質(zhì)檢檢定裝置、電能檢測裝置、傳感器檢定裝置。現(xiàn)場設(shè)備主要有：互感器智能現(xiàn)校儀以及電能表智能現(xiàn)校儀等，智能設(shè)備主要有：環(huán)境感知裝置（溫濕度、電源質(zhì)量、監(jiān)控）、人員感知裝置（人臉識別、指紋、芯片加密的工牌）、文件掃描儀等多種設(shè)備。

環(huán)境檢測設(shè)備：智能門禁、視頻監(jiān)控、智能電控、溫度、濕度、煙霧等傳感器。

3.2 計量智慧實驗室安全結(jié)構(gòu)設(shè)計

計量智慧實驗室控制平臺的建設(shè)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)安全、物理安全等多個方面。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)安全

計量智慧實驗室控制平臺主要是在國家電網(wǎng)公司的內(nèi)網(wǎng)中運行，需借助國網(wǎng)公司統(tǒng)一的安全防護體系和相關(guān)辦法，因此對于外部接入網(wǎng)絡(luò)，需要遵循電網(wǎng)的安全規(guī)范。

3.2.2 應(yīng)用安全

應(yīng)用安全防護需要進行員工的身份認證、實驗室的授權(quán)、設(shè)備輸入輸出的驗證、運行代碼安全保護、遠程會話管理、設(shè)備監(jiān)控管理、設(shè)備運行日志管理、數(shù)據(jù)的存儲和加密、數(shù)據(jù)的備份和匯入等安全防護。

3.2.3 數(shù)據(jù)安全

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，因此需要保證數(shù)據(jù)的機密性、安全性以及完整性。另外，對于關(guān)鍵的數(shù)據(jù)還需要做到人員登錄進行認證、權(quán)限進行把控、數(shù)據(jù)傳輸進行加密、必要時進行相關(guān)的備份。采用數(shù)字證書、密碼以及相關(guān)的口令進行認證；對于權(quán)限的保護，要采取用戶的授權(quán)機制、避免數(shù)據(jù)的盜竊和刪除；還需要對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行檢測，保證其避免損壞和銷毀。

3.2.4 系統(tǒng)安全

系統(tǒng)安全是指智慧實驗室多協(xié)議計量試驗集控交互裝置及軟件系統(tǒng)的安全，主要有書記庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及系統(tǒng)中間件的安全問題。首先，需要選擇相對安全的操作系統(tǒng)、中間件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的口令和弱口令；其次，需要對整個系統(tǒng)的文件進行相應(yīng)的保護，避免出現(xiàn)篡改和替換。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上安裝網(wǎng)絡(luò)病毒防治服務(wù)器，并在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上安裝網(wǎng)絡(luò)病毒防治軟件，在單機上安裝單機環(huán)境的反病毒軟件，定期進行病毒庫的更新。

3.2.5 物理安全

智慧實驗室多協(xié)議計量試驗集控交互軟件系統(tǒng)運行在裝置上，還需要保證物理接口安全遵循國家電網(wǎng)公司的安全生產(chǎn)管理規(guī)定。

結(jié)語

計量智慧實驗室的建立能夠提高電力行業(yè)計量監(jiān)督管理的精準性和有效性，進一步提升智能信息技術(shù)與實驗室監(jiān)管工作的相互融合，統(tǒng)一規(guī)范計量標準、檢測設(shè)備、人員及實驗室資質(zhì)等信息，推動計量標準、檢測裝置等設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行和自動控制，實現(xiàn)實驗室內(nèi)部自治、自律、高效，為電業(yè)行業(yè)提供高效、優(yōu)質(zhì)、滿意的計量檢測服務(wù)，推動電力行業(yè)的發(fā)展。

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作者簡介：馬勝國（1985—?），男，漢族，河北保定人，本科，中級工程師，研究方向：用電信息采集、智能配用電等。