马胜国 孙永明 魏本海 梁国青 王郡 孙传汀
摘 要：随着我国电力行业的快速发展，对于电力行业计量的设备的需求不断增加，传统的计量方式，会造成设备计量效率低、数据管理不合理、设备台账维护量大等问题，建设计量智慧实验室的研究非常关键。本文立足于电网行业计量智慧实验室的研究，分析了传统计量实验室的现状，总结了计量智慧实验室所实现的功能；并且设计了计量智慧实验室的总体架构，细化其组成，分析了计量智慧实验室的安全架构，为实现计量智慧实验室的设计提供参考。
关键词：计量；智慧实验室；功能；实验室总体架构；安全架构
随着我国经济的不断发展，计量检测、检定/校准行为是维护贸易平等和保护人民公平交易的重要衡量手段，是一种维护消费者合法权利的法律基础，是维护市场经济的保证［1-3］。因此，各国也建立了标准计量实验室，从而进行标准的量值传递以及溯源工作。然而，计量检测、检定/校准的精准性受计量环境等因素影响严重。因而，计量实验室是确保计量结果公平、公正的重要前提，是检测设备是否准确的基础，为量值传递提供规范、精准的物质基础，不仅仅需要为相关的检测机构提供相应的监督数据，还需要对标准量具提供相应的计量数据，因此计量实验室数据的准确性、可靠性，不仅仅反映了实验室的“硬实力”，也是保证国家计量标准的重要手段［4-7］。
但是随着时代的进步，科技的不断发展，智能化的计量方式不断进步，建设智慧实验室能够提升计算实验室的信息化水平，从而实现信息化计量实验室的进一步发展［8-10］。传统计量行业的方法和标准发展非常快，计量标准器具的智能化、科技化更高，更多的计量设备需要标准化的计量实验室进行测量，而且智能化的计量实验室是数字化改革前提，因此，探索研究智能化计量实验室的建设是目前研究的重点。
1 计量实验室的现状
虽然我国计量实验室已经发展迅速，但是伴随着计量任务的增加，使得传统的计量实验室出现了检测时间长、数据处理慢的问题。
1.1 实验室计量设备烦琐，缺乏智能化通信
随着我国科技的快速发展，各种各样的计量设备不断增加，使得实验室需要的标准计量设备种类、数目也不断增加，但是不同的计量设备生产厂家并不一样，设备的接口类型、传输数据的协议并不相通，许多设备根本不存在相应的通信接口，使得计量设备的定检自动化难度大，设备协议不同，进行相应的设备采录也非常困难。
1.2 计量设备缺乏自动化检测手段
目前，多数的计量实验室的设备信息化程度低，并且检测过程中，使用的检测设备种类繁多，使得计量检测过程非常烦琐，实验室计量过程中，需要大量的人力进行干预，得到的试验、测试结果不能够自动化处理，需要进行人工的采集、分析以及上传。设备与设备之间的通信渠道缺乏，不能立刻进行数据的处理，实现不同工序的无缝衔接。
1.3 实验室设备、仪器无统一的信息库
目前，计量实验室的装置和设备并没有统一的建档，对于设备查找、使用、维修、报废等流程仍存在人工操作的情况，除此之外，进行设备的登记过程时间非常长，由于人工干预的情况，可能会发生实验室设备登记时遗漏，运输时损坏，甚至丢失等情况，使得计量实验室的设备管理效率低下，计量资源利用率低。
1.4 实验室人员资质信息管理不规范
由于计量实验室的部分设备需要特殊资质的人员才能够进行，使得部分人员并没有检测资质，却对特殊设备进行操控，这也是由于缺少实验室人员资质管理问题造成的。另外由于实验室计量任务多，人手不够，就会出现无法合理安排试验设备，降低实验室的检测效率，同时会给特殊设备检测带来一定的风险和误差。
1.5 实验室环境管理存在缺陷
目前，常见的计量实验室的环境检测系统未实现智能化、信息化，多数为人工检测的方法，如实验室的环境温度、湿度、颗粒度都是需要人工，每天进行相应的检测，另外，实验室大楼的空调、排风扇、加湿器等电子化设备，都需要人工进行控制，无法实现计量实验室的智能化控制。
1.6 计量业务流程效率低、数据管理差
目前，计量实验室的计量任务多为半自动化，需要填写相应的委托单，并且还需要进行排队、审核、检验、确定等各个步骤，使得整个计量业务的效率非常低；另外，检验的数据需要进行人工的抄录，或者通过U盘等存储的设备进行导出；缺乏相应的监督、共享的方法和途径，会造成设备数据的丢失、篡改以及错录等问题。
2 计量智慧实验室的功能
在计量智慧实验室中，主要完成的功能有：对人员信息的登记管理，对设备信息的登记管理，实验室的身份证验证和管理，计量标准器具管理，实验室环境智慧检测，计算数据智能化管理等。
2.1 人员设备电子身份认证
为了便于对计量实验室设备的管理，会对计量设备上进行电子标签认证，能够短时间内利用电子身份证标签进行扫描，从而获得整个设备的详细信息。除此之外，定位金属标签能够对移动的电子仪器进行定位和感知，能够在恶劣的环境下，保证设备标签的正常使用，从而利用标签建立相应的“台账”，对于计量设备的检测、维修、报废等操作流程，节省了设备的登记、审批的流程，从而提高计量实验室的计量设备的效率。
另外，需要对计量实验室的人员进行数字化培训和相应的电子设备教学，提升管理人员的数字化水平。在实验室中的科学人员以及相关的定检人员，是整个实验室的关键所在，首先，要通过信息化技术建立科研人员以及定检人员的基本信息，并且实现、快捷的准入实验室的方法。其次，将计量人员的基本信息，能够操作的设备以及教育和专业情况，进行相应的登记管理，与设备信息“台账”进行相应地挂钩，有效地管控计量体系人员，便于进行人员的管理以及培训，将获得信息保存到相关“台账”中，从而达到计量实验室人员的详细、快速、精细管理。
2.2 计量标准器数字化管理
计量标准数字化管控，保障实时监管计量标准器具的使用情况，通过对设备精准管控，对计量设备的各项工作不漏项、不误用。对于需要进行预先加热的设备和仪器，可以通过远程控制的方法进行操作，提高操作的效率；并且能够对于计量标准器具进行使用周期追踪管理，掌握每一台仪器的使用状态，分析其测试数据的正确性，定期进行相关设备的保养；与此同时还需要对计量标准器具保留相关电子档案，便于器具的智能化管理。
2.3 计量实验室环境智慧化管理
计量实验室在进行计量的过程中，对于环境参数要求较严，需要避免环境中的温度、湿度、灰尘、气压等各种参数的影响，因此要对计量实验室的环境参数进行严格监测。首先，要按照各种计量标准具的运行环境和技术参数使用，确保计量标准器具不受到环境因素的影响，并且检测标准器具在实验室环境下，不满足运行条件时，要及时停止相关测试。而智能设备对于计量实验室环境智慧化管理有着重要的作用。对实验室的人员、设备、环境、安全信息等参数进行监控，并且判断是否满足相应的条件，对于建立安全智慧实验室发挥着重要的作用。
除此之外，数字智能网关能够通过无线网络外接温湿度探测器、通断空调电源的智能插座、控制空调工作的红外遥控设备、通断加湿器、排风扇的开关控制器等设备，当采集到的数据有违规时及时预警，向管理员推送预警消息，同时将预警数据上传至智慧实验室管理平台。具有实时控制能力，必要时可采取自动切断电源等安全操作。还可以自动化地控制空调、加湿器、排风扇等保障计量过程所需的环境要求。
2.4 计量实验室数据的智能化管理
首先，对于计量实验室的数据，快速识别并读取原始数据，自动上传边缘云进行数据处理；实验室需要能够实现相应的无线数据传输，保证三大运营商的无线通信，保证实验室的数据进行及时的交流和输送；另外，需要建立相关的局域网，支持实验测试数据的导入导出，进行存储、分析以及传输等相关功能；并且，进一步提升实验数据的记录方法和保存安全性，避免重要数据因为笔误、错录等原因，造成试验的失败。
另外，对于试验数据的纸质档案，能够进行拍照记录，便于后续数据库的查证，并且在实验室建立统一的交互模式和标准，便于不同类型的设备接入和互通。还可以通过对不同状态的测试设备进行监控，分析其运行的状态，及时进行相应的调整和安排，避免出现运行故障，影响试验的进度。
2.5 计量实验室设备智能接入管理
构建智慧计量实验室，实现计量检测数字化、信息化实验室的转型，重点解决计量实验室标准化无线接口及其协议的设置、物联网共享等问题。首先，要改造、优化相关检测设备，使其具备无线连接、信息化采集功能，包括Web Service、数据库连接等方式；如果不具备无线接口，或者上位机功能的设备，需要进行不同协议之间的转换，再进行相关数据的采集；除此之外，还需要在实验室建立统一的“云平台”，能够实现多种设备的互联、互通，便于检测设备的高效连接，使整个平台内部的设备与员工相互联系，最终能够打造统一的、高效的信息化计量实验室。
3 计量智慧实验室设计
3.1 计量智慧实验室框架结构设计
通过上述多余计量智慧实验室的分析，需要对人员、设备以及实验室环境进行相关的管理，并且能够实现统一的接口接入，对实验室进行动态的监管，因此，计量智慧实验室框架结构主要包括：试验业务边缘计算单元、环境采集单元、通信融合单元、计量标准设备、环境检测设备。
试验业务边缘计算单元：是智慧实验室多协议计量试验集控交互应用和核心载体，是整个计量实验室的核心所在，主要的功能有存储、计算以及网络应用管理等。该单元的业务主要是进行更快的网络响应，能够满足不同行业的实时、智能、安全以及试验管理的基本要求，或进行物理连接。
环境采集单元：主要是将检测设备的各种参量信号转换为相应的电信号，支持LoRa等多种无线有线通信方式，并且经过数字信号处理，进行环境信息的存储、分析以及处理。环境采集单元主要是完成对实验室环境参数的采集、计算和处理，并且对所需要的环境数据进行监控，一旦发现环境参数超标，就需要进行报警操作。
通信融合单元：通信融合机支持级联，控制卡的上行数据端口可以驳接至另外一部机箱的通信端口，由其汇总后再行上报。
计量标准设备：主要有数字多用表、质检检定装置、电能检测装置、传感器检定装置。现场设备主要有：互感器智能现校仪以及电能表智能现校仪等，智能设备主要有：环境感知装置（温湿度、电源质量、监控）、人员感知装置（人脸识别、指纹、芯片加密的工牌）、文件扫描仪等多种设备。
环境检测设备：智能门禁、视频监控、智能电控、温度、湿度、烟雾等传感器。
3.2 计量智慧实验室安全结构设计
计量智慧实验室控制平台的建设，需要考虑网络安全、应用安全、数据安全、系统安全、物理安全等多个方面。
3.2.1 网络安全
计量智慧实验室控制平台主要是在国家电网公司的内网中运行，需借助国网公司统一的安全防护体系和相关办法，因此对于外部接入网络，需要遵循电网的安全规范。
3.2.2 应用安全
应用安全防护需要进行员工的身份认证、实验室的授权、设备输入输出的验证、运行代码安全保护、远程会话管理、设备监控管理、设备运行日志管理、数据的存储和加密、数据的备份和汇入等安全防护。
3.2.3 数据安全
业务数据是系统正常运行的基础，因此需要保证数据的机密性、安全性以及完整性。另外，对于关键的数据还需要做到人员登录进行认证、权限进行把控、数据传输进行加密、必要时进行相关的备份。采用数字证书、密码以及相关的口令进行认证；对于权限的保护，要采取用户的授权机制、避免数据的盗窃和删除；还需要对关键数据进行检测，保证其避免损坏和销毁。
3.2.4 系统安全
系统安全是指智慧实验室多协议计量试验集控交互装置及软件系统的安全，主要有书记库系统、操作系统以及系统中间件的安全问题。首先，需要选择相对安全的操作系统、中间件和数据库系统，增加系统的口令和弱口令；其次，需要对整个系统的文件进行相应的保护，避免出现篡改和替换。在系统网络上安装网络病毒防治服务器，并在内部网络服务器上安装网络病毒防治软件，在单机上安装单机环境的反病毒软件，定期进行病毒库的更新。
3.2.5 物理安全
智慧实验室多协议计量试验集控交互软件系统运行在装置上，还需要保证物理接口安全遵循国家电网公司的安全生产管理规定。
结语
计量智慧实验室的建立能够提高电力行业计量监督管理的精准性和有效性，进一步提升智能信息技术与实验室监管工作的相互融合，统一规范计量标准、检测设备、人员及实验室资质等信息，推动计量标准、检测装置等设备智能化、网络化，实现联网运行和自动控制，实现实验室内部自治、自律、高效，为电业行业提供高效、优质、满意的计量检测服务，推动电力行业的发展。
参考文献：
［1］凌璐，陈雅伦，杨聪明.基于物联网技术的智慧计量实验室管理平台［J］.江苏通信，2022，38（02）：60-63.
［2］黄万明，陆璐，程飞，等.数字化转型：计量检测机构发展的“新基建”［J］.计量与测试技术，2022，49（01）：101-104.
［3］赵艳，艾学璞.追溯计量管理变革——探索智慧管理模式［J］.中国检验检测，2021，29（05）：67-68.
［4］贺俊宾.面向计量实验室环境监测的多传感器数据融合算法研究［D］.湖南师范大学，2021.
［5］杜泽翰，杨永军，姜延欢.基于5G技术的智慧计量变革［J］.计测技术，2020，40（05）：53-57.
作者简介：马胜国（1985— ），男，汉族，河北保定人，本科，中级工程师，研究方向：用电信息采集、智能配用电等。
