智慧實驗室建設思路探究

宮兆合 劉心悅 王亞雄 王維霞

摘? 要? 實驗室智慧化是提高實驗室安全、質量、效益的重要途徑和未來發展方向。為理順智慧實驗室建設思路，從智慧的本意出發，闡述智慧實驗室的基本內涵，提出智慧實驗室具備自動感知能力、信息收集分析能力和自動實現訴求能力，簡介智慧實驗室的組成系統和常用技術，并提出構建智慧實驗室的相關建議。

關鍵詞? 實驗室;智慧實驗室;智能傳感器;物聯網;信息處理系統

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0033-04

Research on Intelligent Laboratory Construction Thin-king//GONG Zhaohe， LIU Xinyue， WANG Yaxiong， WANG Weixia

Abstract? The intelligence of the laboratory is an important way to improve the safety， quality， efficiency and the future?development direction of the laboratory. In order to rationa-lize the idea of building a intelligent laboratory， the article explains the basic connotation of the intelligent laboratory from the original meaning of wisdom， and proposes that the intelligent laboratory has the characteristics of automatic per-ception， information collection and analysis， automatic reali-zation of appeals. It introduces the composition system and?common technology of the intelligent laboratory， and put for-ward relevant suggestions for building a intelligent laboratory.

Key words? laboratory; intelligent laboratory; intelligent sen-sor; Internet of things; information processing system

0? 引言

我國進入新時代，面臨百年未有之大變局。為應對國際國內新形勢，實現“兩個一百年”奮斗目標，國家明確提出將科技創新擺在國家發展全局的核心位置，強調要堅持走中國特色自主創新道路，實施創新驅動發展戰略。實驗室作為科技創新的源泉，是科學研究不可或缺的工具，是確保高質量發展的重要抓手。國家高度重視高水平實驗室建設，并將實驗室建設納入國家發展規劃。截至2020年9月，我國共有國家重點實驗室257個，分布在九個學科領域。截至2019年底，全國境內（不含港澳臺）檢驗檢測機構達四萬余家，實驗室建設取得顯著成就。目前，實驗室存在信息化程度低、開放共享不充分、高耗能等問題，已經無法滿足新發展階段科技創新需求。新一代信息技術的不斷涌現與廣泛應用，為構建新型智慧實驗室提供了技術手段，智慧實驗室建設方興未艾。

1? 智慧實驗室基本內涵

建設智慧實驗室必須明確智慧實驗室的含義，但什么是智慧實驗室？筆者查閱大量文獻，未發現明確的定義。智慧的本意是聰明才智，是生命所具有的基于生理和心理器官的一種高級創造思維能力，包含對自然與人文的感知、記憶、理解、分析、判斷、升華等所有能力。智慧一詞隨著2008年IBM公司提出的智慧地球理念逐步走紅，隨后出現智慧城市、智慧社區、智慧工廠、智慧家居、智慧餐廳，甚至出現智慧廁所。

什么是智慧實驗室？筆者認為應當從IBM提出的智慧地球的本意出發，結合智慧的中文含義，說明智慧實驗室的內涵。IBM公司提出的智慧地球有三大要素，分別是物聯化、互聯化、智能化（Instrumentation，Interconnectedness，Intelli-

gence），即3I，實質就是指把新一代的IT、互聯網技術充分運用到各行各業，把感應器嵌入、裝備到全球的醫院、電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道，通過互聯網形成物聯網，而后通過超級計算機和云計算，使得人類以更加精細、動態的方式工作和生活，從而在世界范圍內提升智慧水平[1]。

因此，智慧實驗室的基本內涵可以概括為綜合利用傳感技術、控制技術以及互聯網技術、大數據技術、人工智能技術、自動控制技術、機器人技術等先進技術和網絡及計算機開發工具，構建在一定程度上能夠感知實驗室人員心理、語言或行為訴求并自動實現這些訴求的現代化實驗室。

2? 智慧實驗室特點

基于對智慧實驗室內涵的分析，智慧實驗室應當具備以下特點。

2.1? 自動感知能力

智慧實驗室能夠將實驗室人員、設備、樣件、環境等要素信息化，并能感知人員、設備、樣件、環境等的狀態。例如：通過裝配溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器等測量環境信息，通過射頻識別技術（RFID）或二維碼識別器感知設備及樣件狀態[2-3]，通過高清識別器感知人員面部狀態等。

2.2? 信息收集分析能力

智慧實驗室能夠收集、存儲感知系統收集的各類數據，并借助一定算法將數據轉化為實驗室人員的心理、語言或行為訴求。例如：收集實驗室不同種類儀器設備的使用次數和開機時間，通過對設備使用次數和開機時間的統計，進行儀器設備的合理化配置。

2.3? 自動實現訴求能力

智慧實驗室能夠將代表實驗室人員訴求的信息轉變成控制信息，并通過控制系統（如步進電機、繼電器、機器手、顯示器等）自動實現實驗室人員的訴求，進而逐步優化對人員、設備、樣件、環境等要素的管理。例如：實驗室某研究人員經常將實驗室內工作溫度設定為25 ℃，那么只要此人來到實驗室，系統會自動通過網絡將控制信號傳遞至溫度控制系統，將實驗室內溫度調整至25 ℃;實驗人員運用多種方法進行某項實驗，系統能夠通過實驗結果得出一定規律并自動給出實驗參考方案。

3? 智慧實驗室構成系統及常用技術

3.1? 構成系統

智慧實驗室除具備一般實驗室所必需的建筑物、設施設備外，還具備五類重要系統，即管理系統、感知系統、信息傳輸系統、信息處理系統、執行系統。智慧實驗室構成系統原理見圖1。

3.1.1? 管理系統? 管理系統主要實現實驗室人員、設備、樣品、方法、環境、能耗等的信息化管理，如建立人員安全培訓、知識體系和權限管理，儀器設備驗收、保養、計量、維修、報廢全生命周期管理，實驗方法的確認、驗證、更新提醒等。

3.1.2? 感知系統? 感知系統主要包括門禁系統、人臉識別系統、紅外感知系統（如紅外跟蹤系統）、環境傳感系統（溫度傳感系統、濕度傳感系統、壓力傳感器、光線傳感器等）、設備狀態感知系統（如設備參數采集系統）、樣件狀態表征系統。

3.1.3? 信息傳輸系統? 信息傳輸系統通過數據采集器、有線網絡、無線傳輸技術（4G、5G、紅外等）等將物聯網感知信息傳輸到各類計算機服務器。

3.1.4? 信息處理系統? 通過大數據、人工智能、區塊鏈、仿真技術等先進技術編制具備自學習、自適應的處理系統軟件，對互聯網傳遞來的物聯感知數據進行識別、判斷，將處理后的控制信號通過網絡系統傳遞到物聯網終端，通過控制終端進行相應操作。

3.1.5? 執行系統? 執行系統主要是將服務器發出的控制信息通過網絡系統傳遞給各類需要動作的設備，如室內壓力的新風閥門或排風閥門、門禁系統開關、窗簾控制步進電機等。有的感知系統和執行系統集成為一體。

3.2? 常用技術

智慧實驗室建設常用技術主要包括智能傳感器技術、網絡與計算機技術、智能和大數據技術、自動控制與機器人技術、網絡安全技術等。

3.2.1? 智能傳感器技術? 智能傳感器是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲功能的多元件集成電路，是集成傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品。智能傳感器是實現智慧實驗室的基礎，是確定實驗室人員訴求、實驗室環境參數、樣件位置及方法正確與否的關鍵技術，常用傳感器包括光傳感器、電傳感器、磁傳感器、熱傳感器、聲傳感器、機械傳感器等。目前主要傳感器類型及被測量信息見圖2。

3.2.2? 網絡與計算機技術? 網絡技術主要實現數據傳輸功能，相當于人的神經系統，目前主要包括有線網絡技術和無線網絡技術，5G技術就是最典型的無線網絡技術。計算機是處理各類數據的主角，隨著量子計算機、生物計算機的發展，計算速度更快更精準。

3.2.3? 智能和大數據技術? 智能計算技術逐步具備人的邏輯思維能力，必將成為智慧實驗室的關鍵技術。大數據技術可以及時收集實驗室相關人員、物品、環境信息，如實驗室人員的偏好、某廠家原材料特點等，實現數據的有效積累和存儲，為智能計算提供數據支撐。

3.2.4? 自動控制與機器人技術? 自動控制與機器人技術是最終實現實驗室人員訴求的執行機構，如自動控制系統實現實驗室內空氣的置換、溫濕度的調節，機器人在一定范圍內配送耗材、轉移試樣等。

3.2.5? 網絡安全技術? 實驗室數據是實驗室核心能力和關鍵技術的體現，通過網絡技術實現數據共享，消滅空間距離，但也存在一定的安全風險，必須采用網絡安全技術進行物理隔離，實現內外有別、輕重有別，做到分級管理，防止外部人員的惡意侵入破壞或竊取數據。

4? 構建智慧實驗室建議

基于以上對智慧實驗室基本內涵、特點、構成系統和常用技術的分析，可以得出智慧實驗室能夠實現實驗室全要素運行的信息化、基礎數據的數字化、實驗室管理的智能化，進而為實驗室科學管理提供決策支撐。建設智慧實驗室可以從以下幾個方面著力。

4.1? 完善建設標準和評價體系

智慧實驗室功能需求千差萬別，但一般都是由管理系統、感知系統、信息傳輸系統、信息處理系統、執行系統的全部或部分組成，如果沒有統一的標準，很難實現各系統之間、不同實驗室之間的適配性，特別是涉及傳感器接口、數據存儲等多領域協作的部分。因此，必須加快制定智慧實驗室建設標準，明確智慧實驗室的內涵、基本功能和基本框架，明確數據格式、智能設備及傳感器接口標準，建立科學的智慧實驗室評價體系，即實驗室智慧程度的評價標準，有助于加速推進智慧實驗室的產品開發和推廣普及。

4.2? 加快關鍵智能傳感器研發

智能傳感器是獲取實驗室數據的基礎，是實現實驗室運行由人員管理轉向信息化智慧管理的關鍵技術。楊斌等人[4]提出：隨著新一代信息技術的發展，新一代傳感器應具有零功耗、無線按需連接、多維信息集成、網絡協議與集成化、適應多種特殊環境等特征。我國目前使用的先進傳感器大部分依賴進口，傳感器領域的技術水平已與歐美等國家形成差距，成為“卡脖子”技術難題。推進傳感器等關鍵領域基礎理論、基礎算法、裝備材料等研發突破與迭代應用已被寫入“十四五”規劃綱要[5]，為加快傳感器核心技術研究和產業應用提供有力保障。

4.3? 注重數據挖掘和價值實現

先進傳感器技術解決了數據采集問題，大數據和云計算可以實現海量數據的存儲和快速運算，隨著數據存儲和計算成本的不斷降低，數據挖掘成為體現數據價值的關鍵步驟。數據挖掘是對大量的、粗糙的、不清晰的數據進行處理，挖掘出隱蔽在數據當中的一些事先不為人知的、但是有意義的知識及信息的過程[6]。除需要數據挖掘師的專業算法和理論外，實驗室用戶對于數據的合理判斷也是實現數據價值的重要環節。首先要明確具有統計價值的數據，同時注重對歷史規律進行總結，在此基礎上提出發展趨勢的科學假設，打通數據采集和數據挖掘之間的通道，提升數據挖掘效率。

4.4? 強化論證，分步實施

效益是實驗室建設的最終目的。在建設智慧實驗室之前應當強化論證，考慮投入與產出效益問題，量力而行，堅決杜絕趕時髦、擺花架子。全國各類實驗室協會、學會等社會團體組織是促進實驗室建設和技術發展的重要力量，各社會團體組織應當重視智慧實驗室發展的內需動力和產生的行業牽引，在所在行業、地區范圍內深入調查研究，提出智慧實驗室發展需求和建議措施，有序有力推動智慧實驗室發展。

5? 結語

“十四五”規劃綱要提出，加快推動數字產業化，構建基于5G的應用場景和產業生態，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧醫療等重點領域開展試點示范[5]。可見智慧已經成為未來發展的方向。智慧實驗室能夠極大程度解放實驗室人員的繁重勞動，既有利于為科研人員減負，激發創新活力，又能實現實驗室的安全、綠色、共享，是貫徹新發展理念的重要舉措。必須正確理解智慧的深刻內涵，從國家層面把握智慧實驗室發展方向，制定智慧實驗發展目標，可以在自動化程度高、危險性大的實驗室先行試點，掌握智慧實驗室建設規律，逐步推進智慧實驗室發展和應用。■

參考文獻

[1] 許曄，孟弘，程家瑜，等.IBM“智慧地球”戰略與我國的對策[J].中國科技論壇，2010（4）：20-23.

[2] 王翠珍，王春雷，唐金元.基于射頻識別技術的實驗室設備管理系統[J].儀表技術，2013（1）：15-17.

[3] 趙新苗，馮向萍，張婧婧，等.基于二維碼的實驗室設備管理系統的研究與應用[J].電子技術與軟件工程，2020（14）：42-43.

[4] 楊斌，牛永安，秦文靜，等.傳感器材料與器件技術發展現狀與對策[J].科技中國，2021（3）：12-14.

[5] 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要[A/OL].（2021-03-13）[2021-05-20].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.

[6] 蔡萌萌，張巍巍，王泓霖.大數據時代的數據挖掘綜述[J]價值工程，2019，38（5）：155-157.

作者：宮兆合，中國特種設備檢測研究院，博士，高級工程師，研究方向為戰略管理、質量管理、實驗室管理;劉心悅、王亞雄、王維霞，中國特種設備檢測研究院（100029）。