淺談大型企業柔性共享計量測試平臺構建

楊 忠，樓紅英，沈保龍，陳智鑫

（中國電子科技集團公司第十四研究所，南京210039）

1 引言

新一輪科技革命和產業革命的發展加速企業數字化轉型的步伐，而作為為企業研發、生產、保障全生命周期提供合格的測試設備和檢測數據的計量測試實驗室是企業實現數字化轉型的關鍵一環，只有測得出，才能造得出；只有測得準，才能造得精。在數字經濟時代，計量不僅是企業發展的技術基礎，而且可以通過賦能底層測試數據資源，激發企業創新潛能［1］。傳統的基于計量標準和計量器具的被動式、片斷式和垂直式的計量管理思路和做法已經無法滿足企業運營中效益品質的要求，也無法滿足大量關于測量技術、測量方法、測量程序和測量結果的定制化需求，日益突顯出精準測量的需求與現有計量供給不充分、不平衡、不全面之間的矛盾，計量實驗室面臨人員跟不上、產品跟不上、服務跟不上的嚴峻挑戰。為順應信息技術引發的變革趨勢，把握數字化機遇，通過構建柔性共享、全局優化、開放協同的計量測試平臺，改變傳統計量模式，打破技術專業職能分工形成的垂直技術體系，基于管數據、管結果、管行為支撐適應柔性戰略的靈活業務，為儀器設備和產業發展提供敏捷計量保證，為推動國家現代先進測量體系的建立完善探索新途徑，滿足經濟社會對高效精準測量的需求。

2 柔性共享計量平臺總體設計思路

以信息技術為基石，以數據為驅動力，面向企業預研、研制、生產、保障全過程，構建集開發、測試、服務為一體的柔性共享計量平臺。基于工業互聯網聯通管理層、控制層和設備層，實現物理空間與數字空間的信息流和決策流的暢通，滿足多型號、多品種、多要求的計量測試需求；基于云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術深化應用，以數據驅動、流程重構、知識共享打造數字化全業務流程，將物理世界和數字世界交互融合，助力技術、產品、服務全方位的提升，構筑可持續競爭優勢。著重3 個方面的建設改造，總體架構如圖1所示。

圖1 柔性共享計量平臺總體架構圖Fig.1 Overall architecture of flexible shared metrological platform

1）構建協同開發基礎環境提升開發效率和開發質量。以數據中心建設為支撐，從需求分析建模到協同自動測試開發到智能形成數字化作業模板和嚴格版本控制的測量程序，深入實施技術要素標準化封裝、模塊化定義，建立動態迭代的知識環境，實行基于學習的設備、方法的自動升級，突破技術壁壘重構柔性共享技術體系［2］；

2）構建智能計量業務環境提升計量效率和服務水平。以客戶為中心，從測試任務接收到自動檢定校準到形成數字化產品證書交付，實施全業務流程再造；以適應全場景服務為目標，研究自動、遠程、現場計量技術，研制智能化傳遞標準件，創構遠程現場在線計量測試環境。整體實現計量業務全過程、作業現場全場景集成互聯和精準管控，推進計量體系扁平化、業務柔性化、服務精準化重構計量產品體系；

3）構建覆蓋端到端業務的數字管理環境提升價值創造能力。將數據和業務相互作用、相互索引，實現全業務鏈條管理與開發、測試、服務的高度協同，貫穿從面向技術與產品的規劃管理、項目管理、知識管理到面向產品與服務的客戶管理、質量管理、計劃管理，基于數據分析、挖掘、利用、推送構建協同管理創新環境，通過產品數字化和數字化產品，提供高效敏捷延伸服務和跨界服務重構服務體系。

3 協同開發基礎環境設計

傳統的計量測試開發模式，主要依賴專業人員的知識和經驗的積累，計量參數間、專業間技術交互性弱，特別涉及自動測試開發，通常成本比較高，存在開發周期長、規范性差、風險大的問題［3］。依托信息技術和數字化技術，整合人、機、法、料、環技術要素，面向自動化計量構建基于工業網絡的開放協同的開發模式，打破基于計量專業技術壁壘構筑的縱向封閉式體系，將業務與能力解耦，能力與資源解耦，以參量為核心重構開發技術體系。協同開發基礎環境，具備利用基礎智能工具實現計量測試軟、硬件標準化、模塊化的通用環境，具備協同的平臺化開發、調試、驗證環境，具備基于計量技術要素管控的知識迭代升級的環境，為計量測試開發提供可重構的軟件與硬件資源，保證開發設計開源化、迭代化、版本化，提升開發效率和開發質量，協同開發基礎環境架構如圖2所示。

圖2 協同開發基礎環境架構圖Fig.2 Architecture of Collaborative Development Infrastructure

3.1 實施技術要素標準化封裝和結構化定義

針對計量業務過程中的人、機、法、料、環技術控制要素進行數據結構化定義和架構是平臺建設的基礎，封裝就是將抽象得到的數據和行為（或功能）相結合，形成一個有機的整體，也就是將數據與操作數據的源代碼進行有機的結合，形成“類”，其中數據和函數都是類的成員。封裝的目的是增強安全性和簡化編程，使用者不必了解具體的實現細節，而只是通過外部接口，以特定的訪問權限來使用類的成員。以設備資源的標準化封裝和結構化定義舉例說明。

針對通用設備開展多維度、多屬性標準化封裝和定義，主要包括對控制接口、控制命令、輸入接口、輸出接口、參數計量方法、設備計量方案、測量數據表等進行封裝并定義，對測量參數、測量范圍、測量準確度、測量數據、生產廠家、型號、序號、使用狀態、合格狀態、健康狀態等數據進行結構化定義。針對非標準設備，在設備研制協議階段就需要明確按要求進行硬件、軟件的模塊化設計，提供軟硬件標準接口。在設備交付階段，根據其系統的組成，分步實現標準化封裝和模塊化定義。首先對系統中通用儀器設備進行標準化封裝，確保系統中通用儀器設備的可替代性；其次對系統中復雜信號中樞等關鍵部件進行模塊化定義，并對其及系統整體的接口類型、控制方式以及信號的輸入輸出進行標準化封裝，以保證可擴展性和兼容性，其定義示意如圖3所示；最后對專用測試系統進行程序軟件版本管理控制。通過對標準設備和被測對象的標準化封裝和結構化定義，實現了測試設備可自動測試，可像“搭積木”般靈活配置，可快速維護、更換，最大程度實現設備資源復用，同時可為儀器資源大數據分析和挖掘提供可靠的數據來源。

圖3 設備資源標準化封裝和結構化定義示意圖Fig.3 Schematic diagram of standardized packaging and structured definition of equipment resources

3.2 建設平臺化協同開發、調試、學習環境

在全面數據結構化建設的基礎上，構建面向多專業、多品種、多參數、多選型測量設備的自動計量協同開發平臺。采用自頂而下的模塊化開放結構軟件設計思想［4］，基于多人協同、團隊開發的理念，將軟件功能從測試功能到測量參數多層次的進行模塊化設計，提供圖形化編輯功能以及智能化工具，為開發提供技術支撐，將測量程序開發與代碼編制能力解耦，幫助計量人員提升開發能力，完成自適應的敏捷開發。首先，系統架構基于參數計量方法和設備計量方案開發為主線的數字化開發環境。運用需求分析工具對測試需求按參數分類進行結構化描述；運用模型生成工具按規程或規范方法構建參數計量方法流程模型和設備計量方案流程模型；運用方法生成工具，以數字化測量參數為主線，依據測量范圍、測量準確度等級，自動匹配計量方法流程模型形成參數計量方法程序，程序與計量標準儀器綁定，同時與檢定規程或校準規范互為索引，并同步提供封裝對應的測量數據表的功能，經調試驗證后入庫備用；運用方案集成工具，以數字化被測對象為主線，根據選型匹配測量參數，依據檢定規程或校準規范選擇參數計量方法，自動匹配計量方案流程模型形成設備計量方案程序，經調試驗證后入庫備用。平臺同時輔以圖形化、可視化的測試流程編輯界面，為設計開發提供通用化、標準化的協同開發運行環境。其次，系統架構面向參數計量方法和設備計量方案開發的調試、驗證的測試環境。建立數據集采互聯、自動計算、分析、查詢功能，實現證書模板和和證書報告的自動生成；建立模塊化計量程序版本管理功能，實現軟件的柔性設計、共享復用和質量控制。再次，系統架構全員參與的知識迭代環境。實施知識分類、編號、版本、審批、權限、安全與標簽管理，利用知識圖譜工具構建計量能力圖譜和測試能力圖譜，實現基于學習的驅動庫、模型庫、方法庫、方案庫的智慧升級，使每個員工都從中獲得新的能力、挖掘新機會、創造新價值、實現計量能力智能升級。

整個平臺的運行和維護只需要一名具有一定計量基礎的軟件開發人員，其他計量人員不需要考慮測試流程的語法實現甚至代碼維護的問題，完成程序的開發、調試與驗證。平臺建立基于參數細分計量方法的強大索引，柔性集成被檢設備的自動計量方案，打破技術壁壘，提供可重構的軟件與硬件資源，可以對新的計量方案進行快速設計，形成新知識并迭代應用，實現面向復雜應用的計量能力的快速高質量形成。

4 智能計量業務環境設計

在互聯集成的開發環境的基礎上，面向計量實驗室、客戶現場，面向復雜多變的計量需求，構建智能計量業務環境，實現多業務形態和多業務場景的共享支撐，建立端到端貫通的計量測試服務業務中樞，加強與用戶的連接與交互，加強全鏈路數字化轉型，充分挖掘數據與業務邏輯，實現計量業務全過程、作業現場全場景集成互聯和精準管控，提升計量效率，支撐計量業務創新，實現產品升級，再造計量產品體系。

4.1 計量實驗室智能計量

實施從測試任務接收到自動檢定校準到形成數字化產品證書交付全業務流的信息化、自動化、智能化，以數據穿透，流程重構為抓手，以客戶為中心，面向全業務流程開放協同、全局優化、過程控制，提升計量效率和質量，支撐數字化證書升級。首先，實施業務全流程數字化。將所有數據都融入業務流程中產生，明確各類數據責任主體、發布數據標準，認證唯一數據源［5］，定義數據屬性，擬定數據讀寫接口，實施數據結構化存儲，實現數據格式統一，最終產出數字化產品證書。其次實施全流程智能化。采用二維碼技術自動掃描進行送檢設備登錄，根據被檢類型智能分配任務，智能關聯人員、設備、方法、環境等技術要素，智能生成數字化原始記錄模板；實施計量數據自動檢測、分析處理，智能生成和簽發原始記錄以及證書，包括標識等，提高計量業務效率；再次，聚焦客戶體驗，實施流程重構，優化去冗。對準提升證書產出效率，找出主要耗時點，將證書的產出融入計量測試業務流程中，將儀器周轉和證書審核流程解耦，將原串行流程優化為并行流程，刪減冗余人工過程，實現高度自動化替代，實現設備與證書同步交付，最大程度滿足客戶需求；對準客戶定制化特殊需求，針對需求進行數字化、結構化，實施主動在線業務信息推送強化信息溝通，與開發平臺無縫對接推動業務創新，確保定制化特殊需求有效落實，提升客戶滿足度。對準證書產品質量控制全過程，找出風險點，建立智能預防機制和監督機制，以后臺問題有效識別、封堵和追溯和前臺數據和知識推送為手段，保證產品證書按時高質量交付，促進員工技術能力和服務水平提升。

4.2 客戶遠程現場智能計量

客戶遠程現場計量，是指針對復雜大型不易拆卸的專用測試系統，基于小型、便攜的傳遞標準的量傳過程［6］。首先通過云平臺建設，構建傳遞標準體系，實現遠程智能計量。主要分兩步：

1）通過專用測試設備現場原位整體計量保證方法研究，研建高穩定、高可靠、低失配的智能化傳遞標準件。利用開發系統形成數字化計量方案，利用業務系統自動生成參考數據，并通過網絡傳遞到客戶現場；

2）建立傳遞標準體系，采用直接測量加比對測量的方法，實現現場量傳和質量控制，形成校準方法。對被校測試系統進行標準化封裝和結構化定義，開展對傳遞標準件的計量，利用開發系統形成數字化計量方案，形成單機版和網絡版程序，利用網絡傳遞至客戶現場供客戶下載，利用業務系統自動生成實測數據，經比對和數據分析，自動生成證書報告并傳回實驗室。

其次強化與客戶深度協作，與客戶協同開發專用測試設備計量方案，推動業務創新，主要有3 種方法：

1）與客戶協同提供專用測試設備內嵌式計量方案；

2）充分利用客戶現場儀器設備資源，快速搭建柔性測試系統，提供計量方案；

3）選擇具備穩定性條件的被測對象作為傳遞標準件，建立管控機制，開展量值溯源。

通過業務與開發平臺建設，面向客戶提供開放合作的環境，激發團隊創造力，不斷擴充計量產品體系，為客戶提供最快最經濟最便捷的計量服務。

5 智慧數字管理環境設計

智慧數字管理環境與開發、業務環境深度融合，打通數據智能交互通道，實現管理各項活動數據貫通和集成運作，提升數據驅動的一體化柔性管理和智能輔助決策等能力。管理層面，自頂向下連接規劃管理、項目管理、知識管理，架構技術體系和產品體系；自下而上，連接客戶管理、質量管理、計劃管理，完善技術與產品體系，架構服務體系。基于技術層面的計量對象數字化，業務層面的計量過程數字化以及管理層面的計量規則數字化［7］，通過數據層、服務層和應用層建設，推進技術體系、產品體系、服務體系可持續優化。數據層是平臺數據存儲的區域，核心是數據中心；服務層著眼數據服務，提供平臺管理服務、提供數據檢索、分析、交換、共享服務，為應用層數據操作提供支撐；應用層除了提供數字化計量產品證書等集成應用服務，還提供各類專項延展服務，包括計量監督管理、設備資源管理等，應用層通過服務層訪問數據層中的數據。平臺實施全業務過程數據建設，增強了計量數據感知、收集、傳輸、處理能力，保證數據可找到、可訪問、可互操作、可重用，顯著提升數據利用率，增強了與客戶的溝通能力，拓展了實驗室的服務能力。基于數據驅動，計量服務從面向計量器具延伸為面向產品，由提供合格證書拓展為提供可復用的數據，延伸了服務體系。下面著重介紹兩種基于數據賦能的計量延展服務。

5.1 基于數據賦能的面向產品的計量保證管理

利用大數據、人工智能等現代技術，探索建立新型計量監管模式和制度，推動監管重點從管器具向管數據、管結果、管行為的全鏈條計量監管體制轉變。以企業產品為管理目標，面向科研生產保障全過程，以“測什么、怎么測、測得準”為主線［8］，實施測試設備標準化封裝和結構化定義，建設參數方法庫、設備方案庫，構建數字化的測試能力圖譜和計量能力圖譜，培養新業務形態下的計量師隊伍和設計師隊伍，建立與科研生產深度融合的計量保證管理體系。利用智慧數字管理平臺，打通產品研制生產試驗保障過程檢測控制全環節，通過儀器設備結構化描述，技術要求數字化匹配，輔助設計師、計量師合理高效選配滿足使用要求的儀器設備。通過數字化的測試能力圖譜與測量需求匹配，保證測試能力建設與產品預研同規劃、同設計、同研制，在產品論證、方案、研制、設計、生產等過程提前做好測量設備的配置準備工作，滿足產品的測試需求；通過計量能力圖譜及測試能力圖譜匹配，提前做好校準設備配置或研制，保證產品全生命周期量值準確可靠。基于數據驅動的與科研生產深度融合的計量保證方案，實現了產品研制全過程儀器設備的合理配置和精準使用，為產品的準確測試提供堅實基礎，為研制生產提供了高效的質量保證，體系建設圖如圖4所示。

圖4 產品全生命周期計量保證體系建設圖Fig.4 Construction of measurement guarantee system of product life cycle

5.2 基于數據賦能的全生命周期資源管理

面向產品研發、生產、試驗各業務領域測試資源需求，以數字化為手段，貫穿定制了測試資源從需求確定、方案設計、驗收建賬、周期檢定、調度監測、維護保障，到報廢處置的全生命周期的業務流程，賦能測試資源專項管理提升［8］。在配置端延伸了業務需求和方案柔性架構活動，在使用端擴展了調配監測和分析功能，使測試資源全生命周期業務活動實現了基于數據的流程自主驅動、過程狀況顯性可視，并提供了測試資源從建設到使用全特性質量管控的通道，保證了測試資源需求和使用的信息有效傳遞，為測試資源柔性配置提供了支撐。同時依托測試資源管理數據傳輸通道，實現測試資源的健康狀態大數據的采集與分析，建立了基于預測分析的測試資源全生命周期保障管理，針對預斷結果，實施基于健康狀態的主動維修和備件預先準備，確保測試資源始終處于可用的健康狀態。賦能測試專項管理提升，保證了測試資源的精準配置和高效利用，顯著增強企業管理能力。

6 結束語

面向大型企業探索架構的柔性共享計量測試平臺，期在充分發揮數據作為信息溝通媒介、知識經驗和技能新載體等方面的核心作用，通過重構突破專業分工的技術體系，再造適應多場景應用的產品體系以及延展面向數據、結果、過程管控的服務體系，一方面可以優化傳統計量業務運營能力，有效激發計量實驗室面向技術、產品、服務的創新潛能，提升計量業務集成水平和價值創造能力；另一方面可以有效提高企業測試資源的綜合配置效率、利用效率和開發潛能，提升企業產品全生命周期的測試保障能力和質量管理水平。柔性共享計量測試平臺構建，從計量業務數字化視角，在計量技術維度、應用場景維度、數據賦能維度層面，為大型企業面向數字化轉型的計量測試平臺建設提供可借鑒理念和思路。