大数据在数字化实验室中的应用

2020-12-09戴富宏李文彬李如芬何治海

科技与创新 2020年23期

王晖，戴富宏，李文彬，李如芬，何治海

（云南电网有限责任公司临沧供电局，云南临沧 677000）

数字化实验室简单点来说，是在物理、生物和化学的实验中通过传感器来完成，例如物理实验牛顿第三定律，传统的方式是通过两个对称的弹簧秤对拉来看刻度相等，但是数字化实验则是利用两个力传感器进行对拉，然后通过两根数据线将传感器的数据传送到电脑上，最后通过软件以数字或者曲线的形式，显示力的大小变化以及数据是相等的还是对称，且通过软件进行曲线的拟合。

1 数字化实验室的研究内容

1.1 在数据自动采集功能上的研究

首先我们需要在互联网的基础上开发出新型的仪器智能端口，新开发出来的智能端口和无线的传输技术是要结合起来的，并要通过结合来实现实验分析仪器的互联网功能，使实验的数据能够实现自动传输的功能；其次，数据在自动传输的过程中需要数据的接收终端将数据的接收系统软件进行开启，要实时的接受实验的数据。最后，还需要将数据平台对所有上传的实验数据进行保留[1]。

1.2 数字实验室的构建和研发

1．2．1 数据采集技术

数据采集是数字化实验室的构建基础，主要是通过数据自动传输来实现。在数据传输的过程中，需要接受的终端开启数据接受系统的软件，以此来对所有实验设备发出来的数据信息进行检测和接收，最后要由数据平台对所有上传的实验数据进行保存和处理，

1．2．2 实验设备和样品的对应识别技术

数字化实验室可以根据不同的实验设备设置只属于自己的ID 值，这样一来，当样品的结果出来以后，它的信息里就会将所选设备的ID 值进行储存，最终实现每条样品结果都有它所属的实验设备。实验设备和样品如图1 所示。

1.3 关于多种设备参数的诊断技术和应用

数字化实验室的构建融合了很多运行参数，比如充油和充气的设备。此外，在线检测、实验室试验等很多参数也是来源于一体的，在这些参数中，有很多不是线性的数据信息，而通过对这些信息流数据信息的挖掘，就可以对充油和充气设备的运行状态进行很好的评估，而且这些信息流的完整性还能帮助人们解决故障分析准确性的问题，也为充油充气设备在的故障分析带来了很多数据分析的基础，为下一步的决策提供了依据[2]。

图1 实验设备和样品

2 主要技术研发的难点

2.1 数据筛选功能的研发

数据的筛选功能在数字化实验室中是非常重要的内容。在数据的筛选中，主要分为3 个步骤，即数据的抽取、数据的清理和数据的加载。在数据的抽取中，是将不同数据源的数据按照数据格式转入到数据仓库中，主要是让所有的数据信息都变为统一的格式；在数据的清理中，主要是对缺失数据、重复数据以及异常数据和不同数据的处理等，这个步骤是筛选数据最重要的步骤，必须重视起来，因为它对后面的数据处理结果来说非常的重要；最后在数据的加载中，就是将数据加载到数据库的过程中主要有两种方式：一种是全量加载，即将表格全部删除以后在进行数据的加载；另一种是增量加载，即在原有的表格中增加新的数据[3]。

2.2 设备运行状态评估功能的研发

数据在智能数据系统中形成自由流动的信息流，主要是通过对这些信息流进行处理来对运行中的设备状态进行正确评估。

2.3 数据分析预警模式的研发

通过人工智能分析的方法对多数据源数据管理中形成的信息流进行分析，以多参数的数字信息数据进行显示，并对当前的设备进行监测，具体如图2 所示。

图2 数据分析预警模式

3 大数据在数字化实验室中的应用

3.1 大数据在实验室中的应用条件

大数据在数字化实验室中的应用条件为：将实验中的所有信息数据进行保存，并保存在统一的数字化平台中。对于这种平台来说，它可以允许所有的实验数据进行分类，还具备统一、具体、结构化的数据采集过程，可以在数据的采集层面上对实验数据信息进行比较。为了处理更多的数据量，还可以将分析和生产的实验设备与IT 系统连接起来，从而在任何时间都能看到信息数据，检测出更多隐藏的因素。通过对隐藏因素的分析，可以将其在实验过程中的影响和关系找出来，并根据他们的关系进行适当调整。

3.2 关于数据设备在连接标准上的建立。

在传统的数字化实验室中，也有很多成功的案例实现了实验室与各仪器设备的连接，比如数字化实验记录、实验室管理系统LIMS 的连接等，但是这种连接是非常复杂的，成本非常高。通过大数据在数字化实验室中的应用可以将连接的过程简化、成本降低，主要操作方法是将数字化实验室的实验记录集成到实验室自动化标准SILA 兼容的过程管理系统中。除此之外，还需要制订统一的连接标准，从而将仪器设备上的监测数据与所填写的数字化实验记录更好地联系起来。建立连接标准的主要目的为：数据信息均在一个基础平台，要以最大的自由度了解基础平台上所保留的信息数据，要让传统的数据自动在新过程中优化并得到应用，从而灵活地使用实验室的时候，实现大数据的应用。