浅谈大型企业柔性共享计量测试平台构建

杨 忠，楼红英，沈保龙，陈智鑫

（中国电子科技集团公司第十四研究所，南京210039）

1 引言

新一轮科技革命和产业革命的发展加速企业数字化转型的步伐，而作为为企业研发、生产、保障全生命周期提供合格的测试设备和检测数据的计量测试实验室是企业实现数字化转型的关键一环，只有测得出，才能造得出；只有测得准，才能造得精。在数字经济时代，计量不仅是企业发展的技术基础，而且可以通过赋能底层测试数据资源，激发企业创新潜能［1］。传统的基于计量标准和计量器具的被动式、片断式和垂直式的计量管理思路和做法已经无法满足企业运营中效益品质的要求，也无法满足大量关于测量技术、测量方法、测量程序和测量结果的定制化需求，日益突显出精准测量的需求与现有计量供给不充分、不平衡、不全面之间的矛盾，计量实验室面临人员跟不上、产品跟不上、服务跟不上的严峻挑战。为顺应信息技术引发的变革趋势，把握数字化机遇，通过构建柔性共享、全局优化、开放协同的计量测试平台，改变传统计量模式，打破技术专业职能分工形成的垂直技术体系，基于管数据、管结果、管行为支撑适应柔性战略的灵活业务，为仪器设备和产业发展提供敏捷计量保证，为推动国家现代先进测量体系的建立完善探索新途径，满足经济社会对高效精准测量的需求。

2 柔性共享计量平台总体设计思路

以信息技术为基石，以数据为驱动力，面向企业预研、研制、生产、保障全过程，构建集开发、测试、服务为一体的柔性共享计量平台。基于工业互联网联通管理层、控制层和设备层，实现物理空间与数字空间的信息流和决策流的畅通，满足多型号、多品种、多要求的计量测试需求；基于云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术深化应用，以数据驱动、流程重构、知识共享打造数字化全业务流程，将物理世界和数字世界交互融合，助力技术、产品、服务全方位的提升，构筑可持续竞争优势。着重3 个方面的建设改造，总体架构如图1所示。

图1 柔性共享计量平台总体架构图Fig.1 Overall architecture of flexible shared metrological platform

1）构建协同开发基础环境提升开发效率和开发质量。以数据中心建设为支撑，从需求分析建模到协同自动测试开发到智能形成数字化作业模板和严格版本控制的测量程序，深入实施技术要素标准化封装、模块化定义，建立动态迭代的知识环境，实行基于学习的设备、方法的自动升级，突破技术壁垒重构柔性共享技术体系［2］；

2）构建智能计量业务环境提升计量效率和服务水平。以客户为中心，从测试任务接收到自动检定校准到形成数字化产品证书交付，实施全业务流程再造；以适应全场景服务为目标，研究自动、远程、现场计量技术，研制智能化传递标准件，创构远程现场在线计量测试环境。整体实现计量业务全过程、作业现场全场景集成互联和精准管控，推进计量体系扁平化、业务柔性化、服务精准化重构计量产品体系；

3）构建覆盖端到端业务的数字管理环境提升价值创造能力。将数据和业务相互作用、相互索引，实现全业务链条管理与开发、测试、服务的高度协同，贯穿从面向技术与产品的规划管理、项目管理、知识管理到面向产品与服务的客户管理、质量管理、计划管理，基于数据分析、挖掘、利用、推送构建协同管理创新环境，通过产品数字化和数字化产品，提供高效敏捷延伸服务和跨界服务重构服务体系。

3 协同开发基础环境设计

传统的计量测试开发模式，主要依赖专业人员的知识和经验的积累，计量参数间、专业间技术交互性弱，特别涉及自动测试开发，通常成本比较高，存在开发周期长、规范性差、风险大的问题［3］。依托信息技术和数字化技术，整合人、机、法、料、环技术要素，面向自动化计量构建基于工业网络的开放协同的开发模式，打破基于计量专业技术壁垒构筑的纵向封闭式体系，将业务与能力解耦，能力与资源解耦，以参量为核心重构开发技术体系。协同开发基础环境，具备利用基础智能工具实现计量测试软、硬件标准化、模块化的通用环境，具备协同的平台化开发、调试、验证环境，具备基于计量技术要素管控的知识迭代升级的环境，为计量测试开发提供可重构的软件与硬件资源，保证开发设计开源化、迭代化、版本化，提升开发效率和开发质量，协同开发基础环境架构如图2所示。

图2 协同开发基础环境架构图Fig.2 Architecture of Collaborative Development Infrastructure

3.1 实施技术要素标准化封装和结构化定义

针对计量业务过程中的人、机、法、料、环技术控制要素进行数据结构化定义和架构是平台建设的基础，封装就是将抽象得到的数据和行为（或功能）相结合，形成一个有机的整体，也就是将数据与操作数据的源代码进行有机的结合，形成“类”，其中数据和函数都是类的成员。封装的目的是增强安全性和简化编程，使用者不必了解具体的实现细节，而只是通过外部接口，以特定的访问权限来使用类的成员。以设备资源的标准化封装和结构化定义举例说明。

针对通用设备开展多维度、多属性标准化封装和定义，主要包括对控制接口、控制命令、输入接口、输出接口、参数计量方法、设备计量方案、测量数据表等进行封装并定义，对测量参数、测量范围、测量准确度、测量数据、生产厂家、型号、序号、使用状态、合格状态、健康状态等数据进行结构化定义。针对非标准设备，在设备研制协议阶段就需要明确按要求进行硬件、软件的模块化设计，提供软硬件标准接口。在设备交付阶段，根据其系统的组成，分步实现标准化封装和模块化定义。首先对系统中通用仪器设备进行标准化封装，确保系统中通用仪器设备的可替代性；其次对系统中复杂信号中枢等关键部件进行模块化定义，并对其及系统整体的接口类型、控制方式以及信号的输入输出进行标准化封装，以保证可扩展性和兼容性，其定义示意如图3所示；最后对专用测试系统进行程序软件版本管理控制。通过对标准设备和被测对象的标准化封装和结构化定义，实现了测试设备可自动测试，可像“搭积木”般灵活配置，可快速维护、更换，最大程度实现设备资源复用，同时可为仪器资源大数据分析和挖掘提供可靠的数据来源。

图3 设备资源标准化封装和结构化定义示意图Fig.3 Schematic diagram of standardized packaging and structured definition of equipment resources

3.2 建设平台化协同开发、调试、学习环境

在全面数据结构化建设的基础上，构建面向多专业、多品种、多参数、多选型测量设备的自动计量协同开发平台。采用自顶而下的模块化开放结构软件设计思想［4］，基于多人协同、团队开发的理念，将软件功能从测试功能到测量参数多层次的进行模块化设计，提供图形化编辑功能以及智能化工具，为开发提供技术支撑，将测量程序开发与代码编制能力解耦，帮助计量人员提升开发能力，完成自适应的敏捷开发。首先，系统架构基于参数计量方法和设备计量方案开发为主线的数字化开发环境。运用需求分析工具对测试需求按参数分类进行结构化描述；运用模型生成工具按规程或规范方法构建参数计量方法流程模型和设备计量方案流程模型；运用方法生成工具，以数字化测量参数为主线，依据测量范围、测量准确度等级，自动匹配计量方法流程模型形成参数计量方法程序，程序与计量标准仪器绑定，同时与检定规程或校准规范互为索引，并同步提供封装对应的测量数据表的功能，经调试验证后入库备用；运用方案集成工具，以数字化被测对象为主线，根据选型匹配测量参数，依据检定规程或校准规范选择参数计量方法，自动匹配计量方案流程模型形成设备计量方案程序，经调试验证后入库备用。平台同时辅以图形化、可视化的测试流程编辑界面，为设计开发提供通用化、标准化的协同开发运行环境。其次，系统架构面向参数计量方法和设备计量方案开发的调试、验证的测试环境。建立数据集采互联、自动计算、分析、查询功能，实现证书模板和和证书报告的自动生成；建立模块化计量程序版本管理功能，实现软件的柔性设计、共享复用和质量控制。再次，系统架构全员参与的知识迭代环境。实施知识分类、编号、版本、审批、权限、安全与标签管理，利用知识图谱工具构建计量能力图谱和测试能力图谱，实现基于学习的驱动库、模型库、方法库、方案库的智慧升级，使每个员工都从中获得新的能力、挖掘新机会、创造新价值、实现计量能力智能升级。

整个平台的运行和维护只需要一名具有一定计量基础的软件开发人员，其他计量人员不需要考虑测试流程的语法实现甚至代码维护的问题，完成程序的开发、调试与验证。平台建立基于参数细分计量方法的强大索引，柔性集成被检设备的自动计量方案，打破技术壁垒，提供可重构的软件与硬件资源，可以对新的计量方案进行快速设计，形成新知识并迭代应用，实现面向复杂应用的计量能力的快速高质量形成。

4 智能计量业务环境设计

在互联集成的开发环境的基础上，面向计量实验室、客户现场，面向复杂多变的计量需求，构建智能计量业务环境，实现多业务形态和多业务场景的共享支撑，建立端到端贯通的计量测试服务业务中枢，加强与用户的连接与交互，加强全链路数字化转型，充分挖掘数据与业务逻辑，实现计量业务全过程、作业现场全场景集成互联和精准管控，提升计量效率，支撑计量业务创新，实现产品升级，再造计量产品体系。

4.1 计量实验室智能计量

实施从测试任务接收到自动检定校准到形成数字化产品证书交付全业务流的信息化、自动化、智能化，以数据穿透，流程重构为抓手，以客户为中心，面向全业务流程开放协同、全局优化、过程控制，提升计量效率和质量，支撑数字化证书升级。首先，实施业务全流程数字化。将所有数据都融入业务流程中产生，明确各类数据责任主体、发布数据标准，认证唯一数据源［5］，定义数据属性，拟定数据读写接口，实施数据结构化存储，实现数据格式统一，最终产出数字化产品证书。其次实施全流程智能化。采用二维码技术自动扫描进行送检设备登录，根据被检类型智能分配任务，智能关联人员、设备、方法、环境等技术要素，智能生成数字化原始记录模板；实施计量数据自动检测、分析处理，智能生成和签发原始记录以及证书，包括标识等，提高计量业务效率；再次，聚焦客户体验，实施流程重构，优化去冗。对准提升证书产出效率，找出主要耗时点，将证书的产出融入计量测试业务流程中，将仪器周转和证书审核流程解耦，将原串行流程优化为并行流程，删减冗余人工过程，实现高度自动化替代，实现设备与证书同步交付，最大程度满足客户需求；对准客户定制化特殊需求，针对需求进行数字化、结构化，实施主动在线业务信息推送强化信息沟通，与开发平台无缝对接推动业务创新，确保定制化特殊需求有效落实，提升客户满足度。对准证书产品质量控制全过程，找出风险点，建立智能预防机制和监督机制，以后台问题有效识别、封堵和追溯和前台数据和知识推送为手段，保证产品证书按时高质量交付，促进员工技术能力和服务水平提升。

4.2 客户远程现场智能计量

客户远程现场计量，是指针对复杂大型不易拆卸的专用测试系统，基于小型、便携的传递标准的量传过程［6］。首先通过云平台建设，构建传递标准体系，实现远程智能计量。主要分两步：

1）通过专用测试设备现场原位整体计量保证方法研究，研建高稳定、高可靠、低失配的智能化传递标准件。利用开发系统形成数字化计量方案，利用业务系统自动生成参考数据，并通过网络传递到客户现场；

2）建立传递标准体系，采用直接测量加比对测量的方法，实现现场量传和质量控制，形成校准方法。对被校测试系统进行标准化封装和结构化定义，开展对传递标准件的计量，利用开发系统形成数字化计量方案，形成单机版和网络版程序，利用网络传递至客户现场供客户下载，利用业务系统自动生成实测数据，经比对和数据分析，自动生成证书报告并传回实验室。

其次强化与客户深度协作，与客户协同开发专用测试设备计量方案，推动业务创新，主要有3 种方法：

1）与客户协同提供专用测试设备内嵌式计量方案；

2）充分利用客户现场仪器设备资源，快速搭建柔性测试系统，提供计量方案；

3）选择具备稳定性条件的被测对象作为传递标准件，建立管控机制，开展量值溯源。

通过业务与开发平台建设，面向客户提供开放合作的环境，激发团队创造力，不断扩充计量产品体系，为客户提供最快最经济最便捷的计量服务。

5 智慧数字管理环境设计

智慧数字管理环境与开发、业务环境深度融合，打通数据智能交互通道，实现管理各项活动数据贯通和集成运作，提升数据驱动的一体化柔性管理和智能辅助决策等能力。管理层面，自顶向下连接规划管理、项目管理、知识管理，架构技术体系和产品体系；自下而上，连接客户管理、质量管理、计划管理，完善技术与产品体系，架构服务体系。基于技术层面的计量对象数字化，业务层面的计量过程数字化以及管理层面的计量规则数字化［7］，通过数据层、服务层和应用层建设，推进技术体系、产品体系、服务体系可持续优化。数据层是平台数据存储的区域，核心是数据中心；服务层着眼数据服务，提供平台管理服务、提供数据检索、分析、交换、共享服务，为应用层数据操作提供支撑；应用层除了提供数字化计量产品证书等集成应用服务，还提供各类专项延展服务，包括计量监督管理、设备资源管理等，应用层通过服务层访问数据层中的数据。平台实施全业务过程数据建设，增强了计量数据感知、收集、传输、处理能力，保证数据可找到、可访问、可互操作、可重用，显著提升数据利用率，增强了与客户的沟通能力，拓展了实验室的服务能力。基于数据驱动，计量服务从面向计量器具延伸为面向产品，由提供合格证书拓展为提供可复用的数据，延伸了服务体系。下面着重介绍两种基于数据赋能的计量延展服务。

5.1 基于数据赋能的面向产品的计量保证管理

利用大数据、人工智能等现代技术，探索建立新型计量监管模式和制度，推动监管重点从管器具向管数据、管结果、管行为的全链条计量监管体制转变。以企业产品为管理目标，面向科研生产保障全过程，以“测什么、怎么测、测得准”为主线［8］，实施测试设备标准化封装和结构化定义，建设参数方法库、设备方案库，构建数字化的测试能力图谱和计量能力图谱，培养新业务形态下的计量师队伍和设计师队伍，建立与科研生产深度融合的计量保证管理体系。利用智慧数字管理平台，打通产品研制生产试验保障过程检测控制全环节，通过仪器设备结构化描述，技术要求数字化匹配，辅助设计师、计量师合理高效选配满足使用要求的仪器设备。通过数字化的测试能力图谱与测量需求匹配，保证测试能力建设与产品预研同规划、同设计、同研制，在产品论证、方案、研制、设计、生产等过程提前做好测量设备的配置准备工作，满足产品的测试需求；通过计量能力图谱及测试能力图谱匹配，提前做好校准设备配置或研制，保证产品全生命周期量值准确可靠。基于数据驱动的与科研生产深度融合的计量保证方案，实现了产品研制全过程仪器设备的合理配置和精准使用，为产品的准确测试提供坚实基础，为研制生产提供了高效的质量保证，体系建设图如图4所示。

图4 产品全生命周期计量保证体系建设图Fig.4 Construction of measurement guarantee system of product life cycle

5.2 基于数据赋能的全生命周期资源管理

面向产品研发、生产、试验各业务领域测试资源需求，以数字化为手段，贯穿定制了测试资源从需求确定、方案设计、验收建账、周期检定、调度监测、维护保障，到报废处置的全生命周期的业务流程，赋能测试资源专项管理提升［8］。在配置端延伸了业务需求和方案柔性架构活动，在使用端扩展了调配监测和分析功能，使测试资源全生命周期业务活动实现了基于数据的流程自主驱动、过程状况显性可视，并提供了测试资源从建设到使用全特性质量管控的通道，保证了测试资源需求和使用的信息有效传递，为测试资源柔性配置提供了支撑。同时依托测试资源管理数据传输通道，实现测试资源的健康状态大数据的采集与分析，建立了基于预测分析的测试资源全生命周期保障管理，针对预断结果，实施基于健康状态的主动维修和备件预先准备，确保测试资源始终处于可用的健康状态。赋能测试专项管理提升，保证了测试资源的精准配置和高效利用，显著增强企业管理能力。

6 结束语

面向大型企业探索架构的柔性共享计量测试平台，期在充分发挥数据作为信息沟通媒介、知识经验和技能新载体等方面的核心作用，通过重构突破专业分工的技术体系，再造适应多场景应用的产品体系以及延展面向数据、结果、过程管控的服务体系，一方面可以优化传统计量业务运营能力，有效激发计量实验室面向技术、产品、服务的创新潜能，提升计量业务集成水平和价值创造能力；另一方面可以有效提高企业测试资源的综合配置效率、利用效率和开发潜能，提升企业产品全生命周期的测试保障能力和质量管理水平。柔性共享计量测试平台构建，从计量业务数字化视角，在计量技术维度、应用场景维度、数据赋能维度层面，为大型企业面向数字化转型的计量测试平台建设提供可借鉴理念和思路。