基于MDS架构的智慧实验室管理系统设计与实现

朱东升，章 昕，凌 璐，曹 菲，杨 茹

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211000；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引言

电力计量实验室及现场的试验检测业务面临诸多问题：试验设备自动化程度低、传感器传输信号异构化程度高、资源管理共享程度低和数字化程度低等；检测业务未有效协同，检测数据存在采集效率低、错误率高、数据孤岛等；多数试验检测数据的关键信息分析、提取在很大程度上仍依赖于人工；试验检测的数据获取效率低、数据离散度高、数据准确度难以保证，直接导致试验检测数据对业务高效开展支撑力度不足；实验室资源和数据共享程度低，大量检测数据未得到有效贯通和融合应用。

针对以上问题，本文建立电力计量智慧实验室管理系统，以实现设备互联互通，推进计量量传和质检业务数字化转型研究及应用建设。

1 现状及业务需求分析

实验室业务范围主要包含室内和现场两部分，以及实现对计量设备全寿命周期各业务环节的管理。

室内实验分析如图1所示。

图1 室内试验分析

室内试验完成设备安装之前的检定检测。由于检测台体来源于不同厂家，台体软件的风格不统一，设置参数时容易出现参数漏设、错设的情况。而人工判断试验准入条件，容易出现条件漏判的情况[1]。监控试验过程中，由于缺乏检测台体的设备状态和环境参数的有效手段，无法判定对试验的影响。检测报告由人工编制，因此格式不统一、出错率高、易篡改，可信度较低。

现场试验完成设备安装之后的质量监控。现场实验室业务分析如图2所示。

图2 现场试验分析

除上述问题之外，现场试验检测还存在线下沟通、确认不充分，检测设备漏带/错带、人员行程无法跟踪等问题。

由此可见，实验室各类业务多采用手工作业方式，试验前手动设置被试品参数，试验后试验数据以手工记录为主，原始记录和报告需要手工编制。这些过程因人为干预过多而无法保证数据安全及准确性，无法感知设备运行状态及试验过程，对设备的质量管控存在真空的环节，为电网的稳定和安全埋下隐患。

实验室业务包括实验室量传检定、实验室质检检验、现场检定/检测。各专业的试验检测装置种类繁多，缺乏有效的手段对装置的状态进行监控[2]，相关的检测业务数据也无法通过自动化的手段进行记录，存在数据孤岛的问题。通过对实验室设备的摸底排查，实验室内相关的互联互通设备范围如表1所示。

表1 互联互通设备范围

基于以上业务现状和需求，本文提出一种基于省级计量中心生产调度系统(measurement dispatching system，MDS)的智慧实验室管理系统，并依据计量标准设备、现场试验设备接口系列规范，通过不同的数据采录方式完成试验检测装置的状态数据、任务数据、试验数据等与智慧实验室管理系统信息交互，以实现实验室的自动化、智能化管理。

2 实验室管理系统设计

电力计量智慧实验室管理系统的整体方案建设是在MDS基础上进行彻底改造升级。 对于省级现有业务系统，MDS作为省级计量量传和质检业务数据中枢，开放标准化数据接口，接入用电采集系统的现场检验试验过程、结果和失准更换等数据。对于满足国家电网公司总体安全防护策略和相关安全要求并具备安全评测报告的自建系统，通过数据接口将管理支撑要素、质量活动、基础能力、数字化试验等数据上传至MDS[3]。地市公司可通过省级MDS实现标准器具送检和溯源计划等活动。省公司依托MDS与国网MDS(stater grid MDS,SG-MDS)现有通道，实现到国网计量中心的溯源活动，管控数据通过该通道实时下发推送[4]。SG-MDS与国家质量基础设施(national quality infrastructure,NQI)服务平台的实现数据的双向交互，从而实现国网公司与政府监管部门试验业务的全流程贯通。系统拓扑关系如图3所示。

图3 系统拓扑关系

2.1 数据采集方案设计

由于实验室开展室内试验和现场试验的环境不同，试验设备也有对应的特点，对于室内和现场的数据采集采用不同的方式。具体设计如下。

(1)实验室内数据采集。实验室设备按照其分类、特性、数据生产方式、设备通信协议等方面进行分析和分类，确定设备控制和数据采集方法。根据不同试验过程数据和结果数据表征形式的不同，制定了以下三种不同的信息采集方式。

①具备上位机的设备，通过组态软件接口进行数据采集，包括Web Service、数据库连接等方式。

②不具备上位机或开放接口的设备，以及在试验过程中需要数据采集的被测设备，可通过协议转换方式将不同协议转换为统一协议，再通过数据采集程序或采集设备进行数据采集。

③不具备上位机且不提供对外数据访问接口的设备称作“哑设备”，可通过图像分析与识别技术实现数据提取[5]。

(2)现场数据采集。现场数据按照业务实时性要求，分为非实时业务数据和实时状态数据。

①非实时业务数据。现场设备安装国网公司的嵌入式加密认证模块(embedded secure access module,W-ESAM)，实现现场移动作业APP终端的身份认证、数据加密、无线传输。现场移动作业终端支持移动、联通、电信全网通无线网络通信，通过用采闭环的专用无线传输通道，将数据传输至用采闭环系统。实验室管理系统与用采闭环系统采用数据同步的方式，从而获取计量设备的现场数据。

②实时状态数据。在现场计量设备安装线监测装置[6]，实现对关键运行状态量的实时采集和传输[7]，并经主站将设备实时运行监测数据上传、同步至智慧实验室管理系统。

2.2 系统应用功能设计

智慧实验室管理系统的主要功能包括智慧实验室综合展示、人员管理、实验室管理、试验管理、计量标准管理、计量设备管理、电子身份认证管理以及接入管理这八个部分。

智慧实验室管理系统功能架构如图4所示。

图4 功能架构

①智慧实验室综合展示。通过对试验业务各相关环节数据的统计分析，实现试验室情况、证书/报告统计、标准设备分布图、标准分布图、人员情况、试验任务统计分析、质量监督、计量体系看板等功能，为完善实验室“人机料法环”的管理以及后续工作的优化、改进提供支撑。

②人员管理。通过计量人员台账、人员资质、人员培训等功能，实现试验人员的准确、精细管控。

③实验室管理。通过扩大认可范围评审、初次评审申请、到期复查申请、初次考核申请、比对、内审、外审等功能，支撑外部机构对实验室的认定认证的工作；通过作业指导书、技术规范、实验室台账等，指导试验人员高效、准确地完成各项工作。

④试验管理。通过全性能试验、量传试验、现场试验、在线监测、自校准等功能模块，实现对各项试验业务开展的全流程管控。

⑤计量标准管理。通过申请审批、资料归档、制定计划、更换申请、建标考核、考核试验、分析处理等功能模块，支撑计量标准新建、更换、考核、封存、恢复等工作，实现计量标准的及时、准确管控。

⑥计量设备管理。通过对计量设备量值溯源、期间核查、设备维护、停用管理、维修管理等模块[8]，实现设备精准管控，对计量设备的各项工作不漏项、不误用。

⑦电子身份认证管理。通过标志获取、标志安装、标志监控等功能模块，实现电子身份认证标志的全环节管控，以及计量标准、计量设备全生命周期管理。这有利于各级机构自上而下地实时监控辖区内计量标准和测量设备的总体分布、设备状态、计划执行等情况。

⑧接入管理。通过设备状态、系统状态、任务调度、接入授权等功能模块，支撑系统和设备接入更加有序规范[9-10]，最大程度地减少由于接入设备和系统问题影响相应业务工作，从而提高工作效率。

3 试点应用

智慧实验室管理系统已经成功在辽宁、江苏、江西、湖北等省级电力公司上线运行。

通过试点应用，本文建立的电力计量智慧实验室管理系统主要成效如下。

①系统实现了计量试验关键业务全流程跟踪和精细化在线管控能力。

通过试验业务的线上流转，实现试验数据自动上传、试验任务智能分配、关键信息预警提示等功能；对试品状态、人员状态、试验方案、时长、台体等标准量传关键业务，实现了全流程跟踪、监控;结合多维度数据综合展现，对业务过程关键节点进行全过程管控，持续加强和提升了标准量传业务的精细化管控能力。

②系统提高了试验业务的智能化水平。

通过试验数据自动采录、业务流程和业务数据的上下融合，以及预告警、多渠道消息推送与提醒、试验数据自动分析与纠错、数据综合统计分析等业务支撑手段，平均设备故障响应时间由原有的3 h缩短至15 min。这有力地提升了标准量传的智能化应用水平、业务服务能力和业务全局管控能力。

③系统提高了试验工作效率和业务水平。

检验装置通过技术方式接入系统中，可实时传递检验、检测信息。对计划任务进行实时提醒、到期预警提醒、按照各个实验室的待检设备进行排序，使任务调度效率比原先提高了10%以上，生产计划效率比原先提高50%以上。在显著提高检验检测效率的同时，系统切实提高了业务服务水平和能力。

通过系统试点应用，增强了计量生产过程管控质量，提高了计量生产精细化管理水平[11]。试点应用结果表明，计量中心生产调度管理能力得到有效提升。试验检测效率提升15倍，库房利用率由原先的40%提高至95%；人工成本缩减80%；工作差错、降低生产安排和过程管控的工作量及人员投入相应减少。该系统提升了管理效率，节省了大量时间成本，减少了资源浪费。

4 结论

本文基于互联互通的电力计量智慧实验室技术，设计并研制了一套智慧实验室管理系统。系统通过人员管理、实验室管理、试验工作管理、计量标准以及计量设备管理等功能，实现对实验室“人机料法环”各类要素的智能化管理。系统通过接入管理和电子身份认证管理功能模块，实现了对试验检测装置的自动化接入和被检设备的全流程管控。基于MDS架构的智慧实验室管理系统在省级电力计量实验室实现了业务、设备、人员的互联互通，以及试验过程自动化线上流转，也解决了传统电力计量试验工作以人工为主、试验过程不规范的问题。

随着电力计量实验业务的不断深入、业务流程的变化以及物联感知设备的发展，需进一步加强对实验室内部哑设备数据获取技术研究，以及组网技术研究。利用窄带物联网技术，可实现对实验室内部和现场数据的统一口径获取，减少系统中转带来的数据延迟和丢失风险。