基于設備互聯互通的智慧計量實驗室建設研究

馬勝國，魏本海，王郡，梁國青，孫傳汀

（深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518109）

計量是保證我國公平、公正交易的基礎，是民生發展、國家建設重要的技術基石，對于建設我國現代化經濟體系有著重要的作用。隨著國家電網提出建設“國際領先的能源互聯網企業”的戰略目標，進一步推動了計量業務智能化的發展，對計量技術的要求越來越高。其中，計量實驗室要對檢定器具出具相關的計量數據報告，保證計量結果公平、公正，為量值的傳遞提供了規范，因此，計量實驗室的建設是衡量我國計量能力的重要標準。

隨著互聯網技術與智能化技術發展與融合，智能化、數字化的計量實驗室有助于我國計量行業的快速發展，便于建立計量檢測機構的發展新框架；并且智慧實驗室是計量行業發展的新動力和新未來，對于推動計量實驗室的高質量發展有重要的作用。然而智慧計量實驗室的建設需要更高程度的智能化、數字化。目前，計量實驗室檢測設備智能化程度底，已經不能夠滿足智慧實驗室建設的需求；另一方面，隨著計量設備精準度、復雜度的提高，所需要計量的設備有豐富的網絡使用基礎，需要多種儀器和設備的相互操作，從而實現更高精度的計量，而計量實驗室的智慧化發展需要計量設備與儀器之間的互聯互通，因此，本文是基于設備互聯互通的智慧計量實驗室建設研究，實現智慧化計量實驗室的建設問題分析，為我國計量行業的發展提供參考。

1 目前智慧計量實驗室建設存在的問題

我國對智慧計量實驗室的建設處于剛剛起步，對于設備信息化、智能化、數字化的建設和管理存在一定問題。

1.1 實驗室設備智能化、自動化程度低

由于計量實驗室所需要的設備種類繁多，不同時期、不同功能的設備自動化程度不一樣，就會使得實驗室計量設備在使用過程中存在自動化程度低，人工干預試驗的問題；并且計量設備信息化程度低，使得大量的試驗數據需要人工進行一遍遍的采集、保存、處理，大大降低了實驗室工作人員的工作效率；同時，檢驗的設備與計算機信息處理平臺之間缺乏相應的信息交流平臺通道，從而不能夠實現試驗的過程與情景的實時感知與檢測。

1.2 實驗室設備種類多，不同設備缺乏統一通信接口

由于計量實驗室所使用的設備種類多，并且來源于不同的生產廠家，各種設備之間并沒有統一的標準接口，無法實現標準化的技術數據的處理和上傳；另外，計量實驗室計量的數據比較多，許多手持的計量工具，如萬用表、歐姆表、電能表等設備并不具有相應的數據通信的接口，要想實現智能化、自動化的計量和檢測，難度比較大，并且使得相應的自動化采集數據存在一定的問題。

1.3 實驗室儀器設備缺乏統一的信息管理平臺

建立智慧實驗室的前提，就需要建立通信的設備信息管理平臺，建立設備基本信息庫，從而便于進行設備的統一的管理，方便對設備儀器進行信息的查詢和維護；但是目前計量實驗室對于儀器的設備的管理、借用、維護、報修、報廢等一系列的流程管理比較簡單，多處于人工檢測和記錄的方式，上述的處理過程比較煩瑣，非常容易出現設備丟失、損壞、超期等現象，計量實驗室設備的管理效率低下，更加迫切需要建立智慧計量實驗室。

1.4 計量實驗室管理合操作人員資質信息不全

電力計量實驗室對實驗室管理人員和操作人員要求較高，對于相關的電磁兼容試驗，更是需要相應的資質人員才能進行，而目前計量實驗室對于相關檢測人員的管理不足；由于計量實驗室項目多、任務重，對于試驗時間長的項目，往往無法分配相關資質的人員進行管理和操作，對于實驗室的管理存在相應的問題。

2 基于互聯互通智慧計量實驗室關鍵技術

要建設互聯互通智慧計量實驗室，首先，要了解互聯互通智慧計量實驗室所需要的關鍵技術，才能夠建設更好的智慧計量實驗室，而建設設備互聯互通的智慧計量實驗室的關鍵就技術如下。

2.1 射頻識別技術

隨著我國計量技術不斷發展，計量設備數量級不斷增加，其中不乏高精度、昂貴的設備，不方便進行頻繁的檢定和校準，容易造成昂貴儀器的損壞和丟失，需要工作人員投入大量的人力、精力，使得計量任務效率低下，管理不到位。建立智慧計量實驗室，運用相應的射頻識別技術（RFID）與傳感器技術，將相關的檢測信息，通過無線或有線網絡等方式，能夠實現對于設備數據的識別、監控以及設備的管理，實現對計量實驗室的智慧管理，從而大大降低人員的操作任務，提高計量數據的識別、記錄的準確度和效率。

射頻識別技術主要完成的設備信息統計，保存設備的序列號、生產廠家、名稱型號、責任人、使用人以及相應的檢修時間；并且設備射頻技術主要是通過遠距離、無線傳輸的方式，實現設備標準流轉過程的自動識別與管理；射頻識別技術能夠根據計量工作的需要，與相應的發生裝置相互連接，從而將數據傳輸到相應的后臺服務器；該技術在進行數據交互時，會采用相應的數據安全管理和數據庫管理等方式，依靠相應的局域網和無線網的方式，與相應的PC 電腦端相互聯合，從而實現網絡傳輸的平臺的數據交互；射頻識別技術會通過相應的移動技術和報警技術相互結合，從而實現對移動設備的管理，能夠幫助管控人員，通過相應的移動閱讀器對移動的設備，進行設備標簽信息的檢測和管理。

2.2 大數據技術

對于計量數據而言，隨著設備和任務量的增加，計量數據量也不斷增加，因此實現對于數據監測、對于分析的自動化和智能化是非常重要的，能夠減少對于技術人員的操作，提高相應的工作效率，實現智慧實驗室的管理；大數據挖掘技術已經廣泛應用于計量行業和數據溯源機構，對于已經采集的計量信息數據進行相應的規劃和整合，通過建立大數據庫，利用大數據挖掘和分析技術，對于相同類型的計量信息進行對比分析，建立相應的多為數據模型，為領導決策、設備分析以及資源的整合提供有利的條件和清晰的數據。

2.3 區塊鏈技術

區塊鏈技術具有分布式存儲、共識機制外，安全性等優點，經過加密存儲的數據文件，具有足夠的安全性。基于區塊鏈技術構造數字證書溯源防偽系統，能夠實現數字證書防篡改，以及證書生成、修改、廢棄等過程的高效可追溯查詢。另外，區塊鏈特有的分布式賬本和共識機制，將證書各階段信息記錄于區塊中。任何記錄信息和數據只有通過區塊鏈各個區塊的核實和確認后，才能被寫入區塊鏈中，保證了數據的真實性和完整性。用戶通過用戶服務平臺可以驗證證書并獲取溯源信息，實現了證書報告制作的全過程透明，大大提高了證書的可信度。

3 基于設備互聯互通的智慧計量實驗室建設

3.1 基于設備互聯互通的智慧計量實驗室總體結構

基于設備互聯互通的智慧計量實驗室的總體結構如圖1 所示，依照實驗室的相關接口和標準規范，自上而下連接實驗室的各種儀器、檢定設備、環境采集、計量標準設備；中間涉及統一的標準接口和協議服務，實現實驗室的互聯互通數據的上傳。

圖1 基于設備互聯互通的智慧計量實驗室總體結構

圖2 智慧計量實驗室數據結構

圖3 智慧計量實驗室安全結構

數據互聯互通的范圍主要包括相應的試驗計量檢測設備、智能設備、現場使用設備。其中計量檢測設備有電壓互感器校驗儀、電流互感器校驗儀、負荷箱檢定設備；其中智能設備有環境采樣設備、視頻監控、數據記錄設備、人員感知設備、智能表現校驗儀等；其次，對于計量實驗室中不具備標準接口的設備，需要按照相應的互聯互通的管理標準，通過相應的有線或無線連接方式，與智能邊緣代理感知設備相互連接，實現現場所有的設備完成互聯互通。

3.2 基于設備互聯互通的智慧計量實驗室數據結構

基于設備互聯互通的智慧計量實驗室數據結構主要由：（1）數據源。主要為數據湖的數據存儲、數據處理和數據分析發現提供數據來源。（2）數據湖。數據湖為上層提供統一的數據存儲和數據處理、發現接口；針對慢SQL 請求進行分析并提供優化方案，熱點數據和關鍵性業務數據存儲于緩存用于提高數據訪問速度；同時，通過數據脫敏，數據加密、數據隔離等方式保證數據的安全性。（3）使用區。通過不同人員角色劃分結合數據湖提供的統一權限管理系統對數據賦予不同的試用權限，管理人員賦予超級管理員角色具備整個系統數據的訪問權限，業務人員可對具體的業務數據進行訪問分析。

3.3 基于設備互聯互通的智慧計量實驗室安全結構

結合電力計量實驗室智慧化控制中心相關應用的實際應用情況，依據“分區、分級、分域”防護要求，按照等級保護要求中第二級系統安全要求進行安全防護設計，安全防護強度達到公司內網安全防護標準，安全防護應注重運行安全，避免安全風險擴散，需從網絡安全、應用安全、數據安全、系統安全、物理安全及安全管理等方面進行約束。

3.4 基于設備互聯互通的智慧計量實驗室實現的功能

（1）設備唯一性標識功能。根據計量任務的要求，對于計量設備的管理要求，需要使用相應的電子標簽，對計量設備建立電子身份，更加便于計量設備的變更、流轉、量值的追溯和傳遞，更加方便計量設備的查找和使用，形成了“一物一碼、智能識別”的情況，不僅僅能夠保證設備的正常、穩定使用，延長設備的使用壽命，更便于整個計量實驗室的全局使用，為建設智慧實驗室提供基礎。

（2）統一的智能化管理功能。建設智慧計量實驗室，首先需要建立統一的智能化的管理平臺，能夠最優化地安排計量設備和人員，用最少的時間、最大的資源利用率，結合整個檢驗、計量能力，合理安排人員、設備以及相應的場地，從而提高其檢測的能力，能夠自動地生成相應的檢測任務和計劃，從而自動地安排人員和設備，完成定期設備檢測的任務，自動調度、合理分配，高效地利用相應的資源。

（3）“一鍵式”的試驗作業功能。根據相關的計量檢測標準，盡可能建設一站式、標準化的計量檢測過程，開發標準化的檢測能力，從而實現智能化的能力引導，有助于試驗人員能夠按照標準流程進行試驗檢測；另外，建設計量結果在線接受、網上上報等功能，實現數據的一站式、智能式采集和傳輸，從而避免檢測過程中受到其他因素的影響，進一步推動智慧實驗室的建設。

（4）具有數據管理追溯的功能。由于計量業務是非常精密的任務，根據相關計量管理流程，需要對計量的結果標定相應的時間證書、電子名片以及相應的電子簽，從而保證計量的正確性和精準性；要實現計量數據的輸入、查詢、變更以及相應的輸出記錄明確、定位管理精準，并且對于數據的全過程管控，建立基于互聯互通的智慧計量實驗室，需要實現計量數據報告和證書，受到計量人的相互信任，就需要提升數據管理能力，實現計量數據的安全、可信以及可追溯等功能。

（5）具有計量數據智能化分析功能。建設基于互聯互通的計量實驗室，要基于大數據、物聯網等先進的科學技術，實現不同層次、不同地域、不同部門的計量數據溯源，對比不同設備的計量屬于分析，完成檢測結果的正負誤差分析，從而實現對檢測結果的智能化、自動化檢測和分析。讓溯源數據、測試設備以及被測樣品，能夠從多種角度、多視角展示量傳和溯源的相互關系；并且對于相應的超差智能預警，對于設備動態送檢提示，從而保證設備的準確性、可靠性以及及時性。

（6）計量人員資質動態管理功能。開展人員學歷、專業、資格、培訓、技術、技能、經歷和經驗等信息的線上登記和自動更新能力建設，支持人員試驗檢測活動的規范化記錄，實現支持計量人員數量、資質及狀態的可查、可比和可控。

4 結語

隨著全新的計量時代的到來，傳統的計量實驗室已經不能夠滿足日益增加的計量業務需要，傳統的實驗室測量需要由靜態校準到動態校準的變化，計量實驗室更加注重數字化、智能化的“新基建”，將成為重要發展方向；并且隨著電力計量實驗業務的不斷深入、業務流程的變化以及物聯感知設備及其技術的發展，基于互聯互通的智慧計量實驗室的建設，利用物聯網技術、大數據技術以及組網技術等，能夠實現計量實驗室智能化的發展，進一步加強計量實驗室內部設備數據獲取技術研究，從而推動電力計量行業的發展。