检验检测实验室数字化架构与实践探索.pdf

2023年/第8期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application1190 引 言随着物联网技术和大数据技术的发展，各行各业都在推进数字化建设，实验室数字化也是大势所趋。第三方检验检测实验室作为实验室群体中的特殊群体，因向社会提供具有证明作用的数据而备受社会各方的关注。检测实验室的管理体系运行受到相关准则1-2的制约和规范，为了确保检测结果的公正准确，准则对实验室的检测能力、检测质量控制、检测结果的可追溯性等都做了严格的规定，因此检测实验室的数字化也须在准则的框架内开展，具有较高的难度。检测实验室数字化的研究和探讨大多停留的理论和标准层面3-5，开展实际应用研究的较少。本文应用物联网技术从检验检测实验室数字化实用层面出发，展开探索性研究。1 检测实验室数字化面临的挑战及应对检测实验室的数字化核心是检测过程的数字化，即从检测结果往上追溯结果产生的每个过程的数字化，主要涉及人员信息关联、环境信息数字化、设备及测试系统产生数据的数字化、参与量值溯源标准消耗品信息数字化、检测方法数字化分解、样品信息与测试系统关联数字化、量值溯源数字化、检测过程必要的描述以及原始记录和报告的数字化、报告完成后的现场测试数据固化和归档等等。因此，检测实验室数字化琐碎而又具体，应对起来并不轻松。利用现有物联网技术能够很好地解决一部分信息和检测过程数字化问题，如人员信息关联、环境信息数字化记录等。但是要全面推进检测过程的数字化仍然面临着巨大的挑战。1.1 设备及测试产生数据的数字化检测设备的数字化方向就是测试设备的网络化，即由检测人员通过操控、读取检测数据的传统方式转变为设备主动向后台报送数据，并接受后台控制命令的物联网模式。而传统的检测设备因无法网络化而成为“负担”，检测设备和设施又是检测实验室的核心资产。这让检测实验室的管理层进入两难的境地，是检测实验室面临的最大挑战。物联网技术和智能化技术让这样的挑战在一定程度上得以缓解，可以采取以下一些手段。（1）低值的检测设备，如环境监测设备、通用类设备、低检测精度测量设备可直接更换为联网式设备。（2）具备通信接口条件的设备通过技术手段进行数字化改造。例如，可通过物联网节点式 NodeMCU 对具备ModBus 协议的设备进行采集和控制，并进行数字化处理以达到联网的效果等等。（3）大型无法进行网络化的设备可通过图像、声音等智能化识别技术获得检测数据，实现联网的改造。（4）自带软件测试系统设备可通过软件的输出，采用二次采集等方式进行物联网化的改造，如固定格式的检测报告、格式化数据和图像等，可采用软件接口、固定格式检测报告的转读等方式开展数字化改造。1.2 实验室检测方法的数字化在我国检验检测行业被定义为高技术服务业，不仅需要高精尖的检测设备，还需要训练有数的专业人才。人才的专业性主要体现在对检测设备操控和检测方法的掌握上。而检测方法的数字化就是对专业人才掌握测试方法进行数字化转化。这个工作具有很强的专业性，需要对检测方法的每个环节进行剖析，提取检测过程影响测试结果的关键点，在检测设备数字化的基础之上，开展检测设备的精准控制，数据的记录，进而确保检测方法的正确实施。检测过程具备可追溯性，关键的过程量值能够得到有效控制。检测设备的数字化检验检测实验室数字化架构与实践探索蔡永华1，李 镇2，杜 进1，周红春3（1.杭州海关技术中心，浙江 杭州 311215；2.浙江省检验检疫科学技术研究院，浙江 杭州 311215；3.杭州浩聚科技有限公司，浙江 杭州 310053）摘 要：针对检测实验室的实际状况，分析了实验室数字化面临的主要挑战及应对方法，文章提出一种适合当前检测实验室开展数字化建设的基于物联网架构的数字化系统框架，并应用主流的物联网技术，从检测设备、测试方法两个层面开展实例化研究和探索，可作为检测实验室推进数字化建设工作的参考。关键词：检验检测；实验室管理；数字化转型；物联网技术；分层管理；MQTT 协议中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0119-02收稿日期：2022-09-12 修回日期：2022-10-26DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.032物联网技术 2023年/第8期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application120可以用资本来解决，而检测方法的数字化需要大量的技术投入。检测方法的数字化是检测实验室数字化的核心难点，是对实验室检测过程进行数字化的重塑，是在检测设备数字化基础上检测流程的再造。这也是检测实验室数字化长期性的关键问题，需要实验室检测专家的参与和指导，只能逐步的推进。1.3 测试数据的固化和原始记录、报告的全面数字化检测实验室的核心产品是测试数据，检测报告是测试数据的封装和载体。实验室数字化就是围绕测试数据的展开，在检测设备和检测方法的基础还需进一步对实验室的管理和文件控制进行数字化。从正向看，通过数字化系统自动产生实验室受控检测的原始记录和检测报告；从反向看，检测报告可通过数字化的方式追溯到检测过程的每个环节。最大限度保留检测过程数据，涉及到样品、环境、人员、设备、方法、标准品等，确保测试数据和结果具备可复现性。2 实验室数字化系统架构考虑实验室的数字化是一个长期的过程，为了易于扩展，保证各个模块相互独立，将实验室的数字化系统应分为 5 个层次，从下而上分别是物联终端层、物联管道层、物联网平台层、业务应用层和业务管理层。检验检测实验室数字化系统架构如图 1 所示。图 1 检验检测实验室数字化系统架构物联终端层指的是由物联网式的检测设备、各类物联网传感器和智能终端设备组成的硬件层，是实验室数字化的硬件基础和物质基础。物联管道层是终端设备与物联网平台层的连接通道，这是一个标准化层，可利用的协议和连接方式多种多样，如 WiFi、LoRa、NB-IoT 和蓝牙等。物联网平台层主要包括了物联网服务器和数据网站，通过管道层与检测设备进行连接，收集检测数据发布操作命令，同时对物联检测设备的检测数据进行持久化，这一层目前的技术成熟，但因设备的数据格式不同而需要定制化开发，实验室也可使用成熟的商业云平台，开发难度也并不是很大。业务应用层主要针对检测方法开展数字化，在此基础上完成原始记录和报告的数字化。这一层面与实验室的检测工作直接相关联，具有很强的专业性。业务应用层的实现可采用数据库+网站或数据库+网站+应用程序的方式开展，对于由检测人员直接产生的检测数据（主观判断、查验等）应留有接口。处在最上层的是实验室的业务管理层（LIMS 系统），主要面向客户、财务、试验流程管理等，业务管理层作为实验室管理者都比较熟悉，也在实验室被广泛的使用。物联终端层涉及测试设备的改造，业务应用层涉及到检测方法和检测技术，是实验室数字化的重点和难点。对于规模较小的实验室（如检测项目单一）可考虑业务管理层和业务应用层合并简化成四层结构，但会牺牲检测方法数字化的独立性，不利于扩展。对于那些测试方法操作简单，如环境实验、寿命试验等等，业务应用层也可融合到物联网平台层。但对于综合性检测实验室保持业务应用层独立非常有必要。实验室数字化是一项长期的工作，业务应用层也不能一蹴而就，保持独立性才能保证检测方法数字化的可扩展性，物联网平台和业务管理层应给业务应用层预留接口，为实验室数字化的逐步推进提供平台保证。3 检测实验室数字化探索性尝试检测实验室数字化是一项大工程，所幸物联网和传感器技术的快速发展6-8，让检验检测实验室的数字化具备更低的技术成本。课题组的数字化探索从小处入手，尝试性探索主要围绕物联网检测终端、物联网平台和业务应用层展开。构建的基于物联网的实验室数字化系统网络架构如图2所示。图 2 实验室的数字化探索网络框架为了打通网络架构的各个环节，课题组在物联网终端层，研制了三类基于 MQTT 物联网协议的检测通用的设备、环境温湿度监测设备、电器寿命测试设备（通断控制、电压、功率、电流和温度）和电参量测试设备。三类设备的物联网通信处理器采用安信可的 ESP-07S，负责现场数据的规整，上传和服务器命令的解析；物联管道层利用实验室的内部局域网和 WiFi，确保物联通信的安全可靠；物联网平台层分为三个部分，物联网服务器采用开源版的 EMQX Broker，开发了专用的物联网 API 网站，EMQX 负责与硬件设备的连接和管理，主要通过消息订阅和发布的方式，EMQX 与物联网 API网站通过 API 接口接收 EMQX 获取的检测数据并通过数据（下转第126页）物联网技术 2023年/第8期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application126程操控的智能养老系统。使用者可以根据该系统查看老人的健康状态、是否跌倒。出现问题时，该方案能够及时报警和语音提示等，起到时刻保护老人的作用。本文设计的银发守护者，创新结合现实，技术成熟，潜力大，是一个集防跌倒、健康检测、报警警示和语音提示于一身的智能养老方案。参考文献1 李婵，郑曦阳.“智慧养老”购物 APP 界面的优化设计研究 J.西部皮革，2022，44（11）：99-101.2 吴绍聪，高常青，曲爱涛，等.基于 ZigBee 的心率检测系统设计 J.物联网技术，2022，12（1）：7-9.3 张振涛，王娟.无线生理参数监测方法与系统设计 J.吉林化工学院学报，2021，38（11）：54-58.4 石恒兵.基于智能手环的病人数据集成平台研究 D.兰州：兰州理工大学，2021.5 林自健，汪琳霞，王晨扬，等.物联网无线控制技术在远程实验上的应用 J.信息技术与信息化，2020，45（8）：99-101.6 李宗瑛，陈晓娥，罗康.基于 51 单片机的老人防跌倒报警器的模块化编程方法 J.科学技术创新，2019，23（5）：94-95.7 王毅，杨志，黄晓英，等.基于 STM32 单片机的人体心率采集系统 J.电子世界，2016，33（20）：51-52.8 李丽萍.物联网技术在智能家居安防系统中的应用研究 J.网络安全技术与应用，2018，18（12）：120-121.9 马景森.人工智能在安防领域的应用分析 J.中国新通信，2018，20（23）：81-82.10 李京慧，迟宗涛，李钟晓.基于阈值分析法的人体跌倒检测系统 J.传感器与微系统，2019，38（8）：80-82.11 郑雪晨.基于姿态估计的异常跌倒检测 D.杭州：杭州电子科技大学，2020.作者简介：潘祉（2001），女，西安欧亚学院物联网工程在读学生。陈黎明（2001），男，西安欧亚学院物联网工程专业学生。马丽华（1974），女，工学博士，教授，研究方向为光电探测。庞 凯（2000），男，西安欧亚学院物联网工程在读学生。张佳艺（2001），女，西安欧亚学院物联网工程在读学生。张党锋（1986），男，教育学学士，研究方向为学生事务与创新性创业。库进行持久的存储，同时通过消息发布的方式向 EMQX 服务发布仪器设备的控制命令。在业务应用层，开发了测试方法和项目管理的检验检测服务器网站。实验室用户通过智能终端（手机、计算机等）向业务应用层发起测试命令，检验检测服务器接收指令后通过 API 接口调用物联网平台层的数据和发布检测控制命令，物联网平台负责控制命令的解析，进而向检测设备发布检测控制命令，以达到远程控制实验室设备的目的，当检测完成后，检验检测服务器对检测项目的数据进行持久化处理，并存入相应的数据库，生成对应检测项目的检测原始记录和报告。4 结 语通过本次探索性尝试，验证了五层架构的物联网框架的检测实验室数字化系统，具有很强的可扩展性，实验室可在不影响实验室传统测试项目的运行前提下，让有条件数字化的检测设备和检测方法率先开展数字化。对电器寿命检测、功率检测等简单检测方法的数字化进行了尝试下探索，可作为检测实验室推进数字化建设工作的参考。参考文献1 中国国家认证认可监督管理委员会.检验检测机构资质认定能力评价 检验检测机构通用要求：RB/T 2142017S.出版地不详：出版者不详，2017.2 中国合格评定国家认可委员会.检测和校准实验室能力认可准则：CNAS-CL01：2018S.出版地不详：出版者不详，2018.3 姜瀛洲，倪大伟，刘春晖.实验室数字化转型的方法与路径 J.质量与认证，2021，15（6）：53-55.4 林肇军，林豪，田琼，等.浅谈中国海关实验室数字化标准体系建设 J.质量安全与检验检测，2021，31（6）：4.5 张兰.网络数字化实验室管理的探索和实现 J.赤峰学院学报（自然科学版），2017，33（7）：3.6 大卫 汉斯.物联网（IoT）基础：网络技术+协议+用例 M.北京：人民邮电出版社，2021.7 刘少强，张靖.现代传感器技术：面向物联网应用 M.2 版.北京：电子工业出版社，2016.8 关庆余，李鸿彬，于波.MQTT 协议在 Android 平台上的研究与应用 J.计算机系统应用，2014，23（4）：197-200.9 韩晶，汪万春，乔彩霞，等.新时代海关实验室信息化管理平台的研究探索 J.质量安全与检验检测，2021，31（4）：33-34.10 刘红.基于等级保护要求的数字化实验室信息安全建设 J.质量与认证，2021，15（6）：56-58.（上接第120页）