基于云計算服務的配電設備檢測實驗室管理系統設計和實現

摘 要：實驗室管理系統（Laboratory Information Management System，LIMS）是統一調度實驗室資源并控制實驗流程的軟件系統。現結合流行的云存儲和云計算技術，設計了一套云端部署的LIMS，以支持靈活可靠的資源管理、流程控制功能以及智能化的統計分析、缺陷診斷功能。與傳統LIMS相比，基于云平臺的LIMS具有用戶友好、安全可靠、擴展靈活等優點，在部署便捷性和實驗數據的分析能力方面具有顯著優勢。

關鍵詞：云平臺；配電開關；實驗室管理

中圖分類號：TM714" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0036-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.009

0" " 引言

配網開關及其控制器是配電網中的重要設備，保障了居民和工商業用電的穩定性。為了提升配電設備的運行可靠性，需要在設備上網運行前送交實驗室抽檢，并在運行中定期檢測，當設備出現故障時，還需要通過一系列的檢測排查缺陷。這些檢測任務都需要借助實驗室管理系統（Laboratory Information

Management System，LIMS）集中管理人員、設備、數據資源，并規范檢測流程[1]。

傳統的LIMS功能主要集中于實驗數據的記錄和設備信息的管理，不關注實驗數據的共享和智能化分析。早期的LIMS可追溯到20世紀60年代的集中式結構系統，以大中型IBM計算機為中央主機，通過星型拓撲連接采集終端，完成簡單的儀器控制、數據采集和結果輸出等功能[2]。隨著個人計算機的普及，20世紀八九十年代開始出現基于服務器/客戶端架構的分布式體系架構，并支持多用戶、多任務并行以及簡單的圖形繪制、工作計劃安排和數理統計分析功能[3]。近十年來，以美國的STARLIMS為代表的應用層/業務層/數據層互相獨立的三層邏輯結構逐漸成為LIMS的主流架構。該系統由軟件廠商提供可靠的數據層和底層業務邏輯，并支持用戶自主拓展業務層和頂層應用，實現系統功能的靈活配置[4]。

然而，傳統的LIMS存在如下缺陷：1）軟件功能模塊臃腫，配置煩瑣；2）缺乏完善的權限控制體系和網絡安全機制，難以通過互聯網共享實驗數據；3）軟件缺乏開放性，難以借助其他分析工具提升數據分析能力。近年來興起的云存儲和云計算技術為彌補傳統LIMS的不足提供了解決思路。一方面，商用的存儲服務供應商為實驗數據提供存儲和數據安全服務，不必占用系統的自由存儲空間；另一方面，云計算服務可以為實驗數據的統計分析、智能診斷與決策提供充足的計算資源。此外，前后端分離的軟件架構，可以整合先進的前端框架如Vue.js、Angular等，使得用戶無須安裝專門的管理軟件，只在瀏覽器中訪問指定的頁面即可完成LIMS的所有管理功能。

本文基于云存儲和云計算服務，提出了一種新型的配電設備檢測實驗室管理系統。該系統基于ISO/IEC 17025設計，將配電開關的型式實驗、到貨抽檢和故障診斷等流程集中統一管理，跟蹤記錄實驗人員的工作痕跡，確保每項檢測任務均符合質量規定完成[5]。本文章節1介紹了管理系統的整體設計，章節2介紹了系統的資源管理功能，包括人員、儀器、被試設備、測試任務及數據的管理，章節3介紹了管理系統的流程控制和統計分析功能，章節4介紹了系統的具體實現，最后一節為本文結論。

1" " 系統整體架構

基于云服務的LIMS由云實體存儲、云計算和接口層三部分組成，如圖1所示。

如圖1所示，云實體存儲主要負責系統的資源管理功能，包括人員的工作量統計、合同管理、檔案管理，實驗儀器的采購、維護、監控、報廢，被試設備的送檢、排期以及實驗任務的登記、審核、反饋等。云計算層依托容器技術（Docker），完成實驗數據的統計分析、被試設備的智能診斷以及實驗流程的合規監控等[6]。而接口層則承擔本系統與使用者及其他應用程序交互的功能，其中功能頁面包括登錄頁面、實驗任務申請工單、實驗數據錄入表單、實驗任務狀態查詢及統計與分析頁面等；文件接口為輸出TXT、CSV、XML等標準格式文件，供其他分析程序使用；短信與郵件用于向實驗人員及上級領導匯報實驗進度和結果。

2" " 實驗資源管理

實驗資源管理是系統中實體存儲的主要功能，所涉及的資源實體包括人員、儀器、設備、工單、供應商及實驗數據。對于各項實體，都需要根據實際需求，設計合理的增刪查改邏輯，配備相應的操作權限與數據備份機制，以確保數據的完整性與安全性。

2.1" " 實驗人員管理

如圖2所示，實驗人員的管理邏輯涵蓋了人員的入職、培訓、工作、考核與離職的各個環節。其中，入職與離職流程由實驗單位人事部門負責，管理實驗人員的工作合同與檔案材料。入職完成后，應由部門組織上崗培訓，并由主管填寫考核成績。考核通過后，方可正式開展實驗工作。

系統將記錄每位實驗人員的所有工作技能及近期任務，向技能匹配、時間充足的人員分配新的檢測任務，并規定開始和截止日期。對實驗人員的考核以月為周期，考察人員的出勤情況及實驗任務完成量。

2.2" " 測試儀器管理

測試儀器的管理包含儀器采購、維護、投用與報廢四大環節，如圖3所示。在采購環節，需要依據過往的采購記錄、儀器維修記錄及使用壽命記錄，選擇最佳的供應商；儀器驗收需要檢查儀器使用資料是否齊全、儀器功能是否完整；通過驗收的儀器，由用戶填寫儀器的名稱、編號、型號、價格、保存位置及責任人等信息。儀器維護環節涉及資料維護與設備校準，如有必要應當定期檢修。

儀器投用后，通過數據采集模塊與配電設備相連，在實驗中自動采集設備的數據。在原始數據的基礎上添加采集時間、設備編號等信息，加密后通過廣域互聯網傳到云端存儲。

若儀器數量有限，會出現使用時間沖突的情形。此時需通過使用排期，合理安排各項實驗任務的時間。

2.3" " 被試設備管理圖

被試設備的管理包含送檢、就緒、實驗、診斷與匯報五大環節，如圖4所示。其中，設備送檢時，需要由廠家附送工藝標準、說明書、設備物理模型以及出廠實驗報告，檢查資料是否齊全、準確。將設備的型號、數量、供應商信息、實驗單位及實驗負責人信息等錄入被試設備庫，即可就緒，等候排期。實驗負責人應當確定實驗場地、實驗實施人員、實驗開始結束日期以及實驗優先級別等，在系統中創建實驗任務。

設備的實驗分為3種類別，分別為型式實驗、到貨抽檢與故障診斷實驗。其中，型式實驗包含電氣性能測試與電磁兼容性能測試，用于驗證產品是否符合技術規范全部要求；到貨抽檢為驗收貨物階段，依次檢查設備的外觀是否良好，電源工作、“三遙”功能、絕緣性能是否正常等；設備投運后，需要定期巡檢，以及時發現問題，處理故障。

如果在實驗中發現設備工作異常，或者在投運中報告設備故障，將進入缺陷診斷環節。文獻[7]提出了一種基于貝葉斯網絡與關聯規則分析的配網設備缺陷診斷算法。其中，貝葉斯網絡以設備的物理模型為基本拓撲，在此基礎上添加代表設備缺陷及設備故障的節點，并通過歷史診斷數據挖掘關聯規則獲取網絡的完整拓撲。交互式的診斷流程允許用戶對上一輪的診斷結果做出反饋，并作為新的診斷證據供下一輪診斷使用，直到得出準確的診斷結果。

在實驗過程中，系統將定時匯報當前所在的測試項目以及實驗完成的進度。實驗完成后，系統將根據模板輸出包含實驗結論及實驗數據的報告，交付測試負責人簽字確認。

2.4" " 實驗任務管理

實驗任務的管理包括實驗工單發起、審核、簽發、監督和反饋等環節，如圖5所示。在型式實驗和到貨抽檢中，工單由設備供應商發起，并提供相應的行業標準、出廠實驗報告等資料；在診斷實驗中，工單由實驗單位發起，并提供設備故障表征。工單發起后，由實驗機構負責人負責審核實驗發起人是否具有實驗權限、實驗機構現有檢測儀器能否支持實驗實施。對于涉及戶外作業、高壓作業的實驗，還需要與實施方簽署安全承諾書。通過審核的實驗工單，由實驗機構簽發實驗許可，指定實驗實施人員、實施時間以及涉及的實驗儀器的編號。如果實驗延期，或實驗人員、儀器設備有變動，需要提交工單修改申請重新審核。

實驗過程中，每一步實驗操作及相應的數據都應該詳細記錄，作為實驗合規檢查的憑據。實驗報告簽發后，送檢方如果對實驗結果有異議，允許其提出申訴，并按照既定流程復核。

2.5" " 測試數據管理

測試數據管理包含錄入、校核、查詢、備份和數據安全5個環節，如圖6所示。數據錄入可以由實驗人員手動錄入，也可以由實驗儀器自動導入；錄入的數據進入系統緩存，需要經過兩重校核方可寫入數據庫：1）權限校核逐項檢查錄入者是否擁有對各數據項的添加權限；2）完整性校核則檢查錄入的數據項加入數據庫后是否帶來完整性問題，如實體完整性、域完整性、參照完整性以及用戶定義完整性。

測試數據需要支持高效、準確的查詢操作。當數據量較大時，通過采用分表查詢、建立表索引等手段加快查詢速度[8]。同時，數據庫建立外鍵，以支持跨表查詢，為供應商質量管理和多種設備缺陷統計分析提供支持。

3" " 流程控制與統計分析

3.1" " 實驗流程控制

實驗流程控制，是實驗室管理系統通過技術手段引導實驗流程、劃分操作權限、記錄實驗操作的過程。流程控制的目的在于確保實驗操作完全依據行業標準進行，并在實驗結果存在分歧時回溯實驗操作，厘清責任歸屬。

管理系統將設備實驗的流程劃分為申請、實驗、數據分析與報告生成4個階段，如圖7所示。

各個階段的流程控制手段：

3.1.1" " 用戶權限體系

本系統設計了3種用戶角色：管理員、實驗人員及供應商。各種角色的權限范圍如表1所示。此外，實驗人員內部可以進一步根據實驗項目的不同細分為多個用戶組（如電磁兼容組、絕緣實驗組等），電磁兼容組的用戶只允許參加電磁兼容實驗，錄入電磁兼容相關實驗數據，而不允許跨組操作。完善的權限體系能夠規范實驗人員的分工安排，也能防止涉密實驗數據的泄露。

3.1.2" " 操作記錄機制

在設備測試的全流程，系統將自動記錄所有角色用戶的操作，包括工單的創建與修改操作、數據的錄入操作、用戶權限的修改操作以及設備診斷操作等。操作記錄的標準格式如表2所示。

3.1.3" " 異常告警機制

當實驗人員執行錯誤操作或測試儀器故障時，實驗管理系統將發出異常告警。系統中設計了5種異常，如表3所示。

3.2" " 數據查詢與分析

管理系統支持實驗數據的查詢與統計分析。系統支持的基礎查詢功能包括：根據工號、姓名、入職年份、權限組等查找實驗人員；根據設備類型、型號、批號、供應商、合格率等查找被試設備；根據實驗項目、被試設備類型、部門歸屬、儀器編號、儀器廠商等查詢測試儀器；根據實驗工單號、實驗日期、實驗人員、被試設備等查詢實驗任務等。此外，系統支持統計功能的定制開發，如統計指定時間段內的儀器使用情況，統計實驗人員工作量，統計供應商的設備合格率，統計指定批次被試設備各項指標的均值、極值、方差等。

在數據統計的基礎上，系統集成了一系列分析功能：通過分析歷史診斷數據中設備缺陷與故障的頻繁項集的支持度與置信度，找到設備缺陷與故障之間的關聯規則[9]；通過基于設備物理模型與關聯規則分析搭建的貝葉斯網絡，針對設備故障表征生成缺陷診斷報告；通過分析不同供應商設備的故障風險，生成供應商質量評估報告以及推薦采購計劃。

4" " 系統實現與部署

4.1" " 系統功能模塊的實現

本系統采用MVC（Model-View-Controller，模型-視圖-控制器）設計思路，如圖8所示。其中，模型由關系型數據庫SQLite3實現，分別對LIMS所管理的實驗人員、測試儀器、被試設備、實驗任務及測試數據等實體資源建模，并支持數據備份、數據有效性驗證、分表查詢、數據索引、數據安全等[10]。

控制器建立在模型的基礎上，主要實現實驗資源的增、刪、查、改邏輯。同時，控制器記錄用戶在系統中的每一項操作，以支持事后追溯及數據回滾。在流程控制方面，控制器允許管理員設定實驗項目的跳轉邏輯，以確保各項實驗嚴格依據行業標準實施，杜絕實驗人員私自修改實驗項目，多做或漏做實驗內容。對于實驗中出現的表3所示的各種異常，控制器均根據異常處理規則處理。

視圖包括用戶視圖和數據接口，是本系統與用戶或其他系統交互的媒介。用戶視圖通過Vue.js實現，可以在瀏覽器中訪問系統的Web服務器獲取，無須下載專門的應用軟件。本系統集成了用戶登錄視圖、工單申請視圖、任務進度視圖、設備質量分析視圖、人員排班視圖、測試數據管理視圖等用戶視圖。圖9展示了本系統的測試統計視圖。

當前，本系統支持3種形式的數據接口：1）輸出標準格式文件（包括以Excel表格、CSV文件、XML文件輸出測試數據以及Word、PDF格式的標準測試報告等）；2）以郵件的格式匯報測試進度及測試結果；3）移動設備接口，以短信的形式提示測試任務安排。

4.2" " 系統部署

本系統采用開源容器技術Docker作為部署方案，系統中的資源實體模型、前端服務器、流程控制后臺服務器以及分析診斷算法包分別封裝在獨立的Docker鏡像中，不受系統環境、網絡環境的影響，即插即用。當升級系統組件時，只需更換對應組件的Docker鏡像，而其余組件不受影響。

5" " 結論

實驗室管理系統集中管理設備實驗的資源、控制實驗流程，確保了實驗室各項實驗嚴格依照標準執行，是提升配電設備及其控制器可靠性、安全性的重要保障。本文依托云存儲及云計算技術，設計了一套集成了用戶權限體系、存儲備份機制、操作記錄與回滾機制、異常告警與處理機制的云管理系統。與傳統的LIMS相比，該系統具有用戶友好、安全可靠、擴展靈活的優點，軟件部署方便高效，并支持智能的數據分析、缺陷診斷功能，具有明顯的優勢。

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[10] LV J Y，XU S G，LI Y J.Application Research of Embedded Database SQLite[C]// 2009 International Forum on Information Technology and Applications，2009：539-543.

收稿日期：2023-03-08

作者簡介：況成忠（1985—），男，安徽淮北人，高級工程師，主要從事配電新技術研究工作。