鄭建福，許奕，趙常均

（1.廣州智能裝備研究院有限公司，廣州 510700； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

環(huán)境可靠性實驗室信息化、智能化改造的本質(zhì)是實驗室數(shù)據(jù)的采集和處理，受檢測對象非標(biāo)性、檢測設(shè)備多樣性和檢測設(shè)備技術(shù)滯后性的影響，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境可靠性實驗室的應(yīng)用水平不高。當(dāng)前信息化、智能化改造的主要工作是業(yè)務(wù)流程管理、無紙化辦公和統(tǒng)計分析，信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源主要由人工記錄，數(shù)據(jù)的全面性、及時性不足，也可能引入人為誤差。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以為信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源提供一個全新的維度——物理層數(shù)據(jù)（設(shè)備運行數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)），這個維度的數(shù)據(jù)更客觀、更及時，可以有效提升實驗室的效率、管理，也為上層軟件的功能拓展提供了新的方向。本文通過研究設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的信息化系統(tǒng)的架構(gòu)、智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計實現(xiàn)，提出環(huán)境可靠性實驗室信息化、智能化改造的設(shè)計方案。

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室的使用，以異構(gòu)集成、全面感知、按需架構(gòu)、自適應(yīng)為技術(shù)特征，以信息集成、融合處理系統(tǒng)和中間件為基礎(chǔ)，解決檢測過程中的信息綜合感知和設(shè)備管控困難的問題，可以打通設(shè)備、樣品、材料、環(huán)境與信息化系統(tǒng)、人員之間的信息壁壘，同時確保檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時性、全面性和可追溯性，全面提升信息化系統(tǒng)的內(nèi)涵和外延，進(jìn)而達(dá)到實驗室提質(zhì)增效、透明化管理的目的。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境可靠性實驗室信息化改造中的應(yīng)用包括三個階段：

階段1，通過溫濕度傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)對實驗室運行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

階段2，可以對部分試驗設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以監(jiān)為主，設(shè)備的主要運行數(shù)據(jù)可以上傳，可以實現(xiàn)設(shè)備啟停等簡單的控制功能，進(jìn)行信息化改造的試驗設(shè)備類型以二次開發(fā)協(xié)議相對成熟的氣候類環(huán)境試驗設(shè)備為主。

階段3，通過通信協(xié)議解析轉(zhuǎn)換、視覺識別等手段，實現(xiàn)主要試驗設(shè)備的全監(jiān)全控，涵蓋主要的環(huán)境可靠性試驗設(shè)備，包括氣候類環(huán)境試驗設(shè)備、力學(xué)環(huán)境試驗設(shè)備和輔助設(shè)備等。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)從架構(gòu)上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層負(fù)責(zé)信息采集和物物相連；網(wǎng)絡(luò)層是利用無線、有線網(wǎng)絡(luò)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、認(rèn)證和傳輸；應(yīng)用層與行業(yè)需求相結(jié)合，提供基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。結(jié)合環(huán)境可靠性實驗室關(guān)鍵設(shè)備及應(yīng)用業(yè)務(wù)特點，本文設(shè)計的環(huán)境可靠性實驗室物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境可靠性實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述信息化系統(tǒng)架構(gòu)，形成系統(tǒng)交聯(lián)圖，如圖2所示。試驗設(shè)備、傳感器、攝像頭等設(shè)備與系統(tǒng)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互主要通過智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)可以完成通訊接口與協(xié)議的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化與調(diào)度，解決實驗室設(shè)備接口類型繁多、數(shù)據(jù)格式不一的問題。

圖2 系統(tǒng)交聯(lián)圖

3 智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

業(yè)務(wù)特點決定了環(huán)境可靠性實驗室的智能化改造是無法照搬制造業(yè)的經(jīng)驗，除應(yīng)用層的差別外，前者對智能網(wǎng)關(guān)的要求更加嚴(yán)苛，要求其具有很高的適應(yīng)性。這是因為環(huán)境可靠性實驗室是以平臺的方式進(jìn)行搭建，試驗設(shè)備的數(shù)量、種類、品牌長期處在動態(tài)變化過程中，接口類型繁多、數(shù)據(jù)格式不一，新設(shè)備互聯(lián)互通的需求持續(xù)存在。智能網(wǎng)關(guān)的作用詳見圖3。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中的作用

實驗室的業(yè)務(wù)特點需要我們開展相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，使智能網(wǎng)關(guān)兼容多種通訊接口和多種數(shù)據(jù)格式；針對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行部分邊緣處理，緩解后續(xù)上位機數(shù)據(jù)處理壓力，利用數(shù)據(jù)緩存的加速機制，保障通信的實時性和準(zhǔn)確性[1]。智能網(wǎng)關(guān)包括中央處理器、管理模塊、存儲模塊、通信接口驅(qū)動模塊、通信適配模塊、定制開發(fā)模塊，詳見圖4。

在58同城這么多年，看到無數(shù)的公司迅速崛起又迅速衰落。對于一家公司來說，選擇的賽道是土壤，初心是種子，種子加土壤才能決定公司做多大，而不是速度的快慢。草有草的速度，竹子有竹子的速度，松樹有松樹的速度，翻開十五年來看，一個公司能做到多大，根本跟快慢無關(guān)。一些創(chuàng)業(yè)公司往往看到別人的成功，內(nèi)心就蕩漾，看到別人融資、估值很高，就會想自己是不是也需要改變。但這個完全沒有必要，松樹沒有必要羨慕草，松樹種子種在合適的土地上，就已經(jīng)決定了最后能長多高，一棵草可能一個季度就長一米高，松樹不會這么快。

圖4 智能網(wǎng)關(guān)模塊架構(gòu)

3.1 智能網(wǎng)關(guān)兼容性設(shè)計

在硬件設(shè)計方面，智能網(wǎng)關(guān)涉及上聯(lián)鏈路與下聯(lián)鏈路兩種方式，主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)收集的感知信息以及執(zhí)行策略進(jìn)行承載。其中，下聯(lián)鏈路主要通過RS485、RS232、Bluetooth 、LoRa、ZigBee等通訊方式與設(shè)備及傳感網(wǎng)絡(luò)保持連接；而上聯(lián)鏈路在場景部署中主要以網(wǎng)絡(luò)接口為主，如移動通信網(wǎng)絡(luò)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)以及以太網(wǎng)等，與應(yīng)用層保持連接。另外，上行鏈路與下行鏈路的接口需要根據(jù)實際的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇與切換，因此，智能網(wǎng)關(guān)需要根據(jù)應(yīng)用需求兼容本段提及的主要的通信模式。

在協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，應(yīng)分析相關(guān)的設(shè)備種類，如三綜合試驗箱、溫濕度試驗箱、溫沖試驗箱、低氣壓試驗箱、振動臺、離心機等，根據(jù)其功能、參數(shù)、控制特點進(jìn)行聚類分析，針對不同種類的設(shè)備，研究合適的數(shù)據(jù)感知方法、數(shù)據(jù)傳輸接口以及數(shù)據(jù)通信方式等，規(guī)范信息的解析方式，統(tǒng)一語義、語法、時序和存儲方式，從而實現(xiàn)從應(yīng)用層到感知層的集成與共享。

在連接只有機械表盤的液氮罐、無通信接口的UPS時，智能網(wǎng)關(guān)需要兼容視覺識別的功能。首先，通過屏顯OCR自動讀取技術(shù)，完成圖像自動分割和識別，采用臨近搜索圈出單行字符，進(jìn)行文本切割將單行字符切割為單字，再對單字進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別；最后，智能網(wǎng)關(guān)將識別出的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的格式傳輸?shù)椒?wù)器。

3.2 傳輸優(yōu)化與調(diào)度設(shè)計

在傳輸優(yōu)化與調(diào)度設(shè)計方面，主要包含以下兩方面設(shè)計內(nèi)容：

1）由于本系統(tǒng)中設(shè)備種類多、傳感器類型多的情況，存在通信接口、通信協(xié)議差異化以及數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣化等問題，這些異構(gòu)數(shù)據(jù)將加重中間件的處理負(fù)擔(dān)，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的處理響應(yīng)速度。因此，智能網(wǎng)關(guān)將下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一種普適性通訊協(xié)議，將異構(gòu)數(shù)據(jù)整合為便于后續(xù)處理的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。該協(xié)議必須具有一定的靈活性，而且方便配置。智能終端將各個設(shè)備自身協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)部分為標(biāo)識+字段，其中標(biāo)識由ASCII碼組成，字段內(nèi)容由設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)組成。中間件根據(jù)配置文件，解析標(biāo)識所代表的物理含義，將其與后面字段內(nèi)容對應(yīng)上，完成解析。

2）基于優(yōu)先級的傳輸調(diào)度機制。對于不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流，根據(jù)環(huán)境可靠性實驗室的特點和要求，對報警信息、指令信息、狀態(tài)信息進(jìn)行優(yōu)先級分級，智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有按優(yōu)先級動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)的能力。

4 應(yīng)用平臺設(shè)計

基于以上研究成果，研發(fā)設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境可靠性實驗室智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺。該應(yīng)用平臺在ISO/IEC 17025標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，上位機軟件采用“高內(nèi)聚、低耦合”的思想劃分為：Web界面、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。Web界面一方面顯示設(shè)備狀態(tài)信息，另一方面接受并處理用戶請求，并將處理結(jié)果響應(yīng)給用戶；服務(wù)層在當(dāng)前階段主要完成用戶所需的統(tǒng)計、生成報表、門限判斷等功能，未來可基于大數(shù)據(jù)做測試數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)等；數(shù)據(jù)層主要是存儲統(tǒng)計表報、數(shù)據(jù)處理結(jié)果。系統(tǒng)實現(xiàn)了各類試驗箱、振動臺、電表、溫濕度傳感器、液氮、UPS、循環(huán)水系統(tǒng)等設(shè)備的互聯(lián)互通，涵蓋了設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能排程、設(shè)備計量維保、故障管理、委托單編制、統(tǒng)計分析、供應(yīng)商管理等業(yè)務(wù)流程。系統(tǒng)示例如圖5所示。

圖5 大屏展示模塊示例

5 展望

隨著新一代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展，隨著監(jiān)管部門對第三方檢測機構(gòu)數(shù)字化、信息化、智能化要求的提升[2]，環(huán)境可靠性實驗室智能化改造將逐漸成為未來發(fā)展的主要趨勢之一，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為實驗室底層數(shù)據(jù)的采集傳輸手段，將在智能化改造中起到基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性作用。目前，物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境可靠性實驗室的應(yīng)用普遍處在第一階段，部分權(quán)威的實驗室，如中國賽寶實驗室、中國航天科技集團(tuán)公司某環(huán)境可靠實驗室、中國船舶重工業(yè)集團(tuán)某實驗室開發(fā)應(yīng)用的系統(tǒng)勉強處在第二階段。因此，為了實現(xiàn)實驗室真正的智能化，還需要在以下方面進(jìn)行更多的研究探索：

1）解決異構(gòu)集成問題。目前智能網(wǎng)關(guān)的兼容性還需要進(jìn)一步提升，需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供商與設(shè)備生產(chǎn)制造商加強合作。

2）實現(xiàn)部分測試工作自動化。針對流程化、標(biāo)準(zhǔn)化較強的檢測項目實現(xiàn)自動測試，如測試功率自動采集，元器件的電流、電壓、電感的自動測試，電機測試等。

3）數(shù)據(jù)挖掘和功能拓展。通過對底層數(shù)據(jù)的采集和分析，結(jié)合業(yè)務(wù)要求和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和深度分析，提供更多的增值服務(wù)。

4）與云計算、邊緣計算、機器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、PHM等應(yīng)用技術(shù)的深度融合。通過技術(shù)融合，可以實現(xiàn)異地實驗室的統(tǒng)一管理、創(chuàng)建基于賽博空間的3D實驗室以及實現(xiàn)檢測設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

6 結(jié)束語

在檢驗檢測服務(wù)轉(zhuǎn)型升級的大背景下，環(huán)境可靠性實驗室通過構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能檢驗新模式，搭建一個線上網(wǎng)絡(luò)化、線下智能化的綜合服務(wù)平臺，同時運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以打造全新檢驗檢測模式，提升工作效率，優(yōu)化資源配置，節(jié)省檢測成本，最終實現(xiàn)現(xiàn)代檢驗檢測服務(wù)模式的可持續(xù)發(fā)展。