智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路探究

宮兆合 劉心悅 王亞雄 王維霞

摘? 要? 實(shí)驗(yàn)室智慧化是提高實(shí)驗(yàn)室安全、質(zhì)量、效益的重要途徑和未來(lái)發(fā)展方向。為理順智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路，從智慧的本意出發(fā)，闡述智慧實(shí)驗(yàn)室的基本內(nèi)涵，提出智慧實(shí)驗(yàn)室具備自動(dòng)感知能力、信息收集分析能力和自動(dòng)實(shí)現(xiàn)訴求能力，簡(jiǎn)介智慧實(shí)驗(yàn)室的組成系統(tǒng)和常用技術(shù)，并提出構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞? 實(shí)驗(yàn)室;智慧實(shí)驗(yàn)室;智能傳感器;物聯(lián)網(wǎng);信息處理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）06-0033-04

Research on Intelligent Laboratory Construction Thin-king//GONG Zhaohe， LIU Xinyue， WANG Yaxiong， WANG Weixia

Abstract? The intelligence of the laboratory is an important way to improve the safety， quality， efficiency and the future?development direction of the laboratory. In order to rationa-lize the idea of building a intelligent laboratory， the article explains the basic connotation of the intelligent laboratory from the original meaning of wisdom， and proposes that the intelligent laboratory has the characteristics of automatic per-ception， information collection and analysis， automatic reali-zation of appeals. It introduces the composition system and?common technology of the intelligent laboratory， and put for-ward relevant suggestions for building a intelligent laboratory.

Key words? laboratory; intelligent laboratory; intelligent sen-sor; Internet of things; information processing system

0? 引言

我國(guó)進(jìn)入新時(shí)代，面臨百年未有之大變局。為應(yīng)對(duì)國(guó)際國(guó)內(nèi)新形勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)，國(guó)家明確提出將科技創(chuàng)新擺在國(guó)家發(fā)展全局的核心位置，強(qiáng)調(diào)要堅(jiān)持走中國(guó)特色自主創(chuàng)新道路，實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略。實(shí)驗(yàn)室作為科技創(chuàng)新的源泉，是科學(xué)研究不可或缺的工具，是確保高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。國(guó)家高度重視高水平實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，并將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)納入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃。截至2020年9月，我國(guó)共有國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室257個(gè)，分布在九個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。截至2019年底，全國(guó)境內(nèi)（不含港澳臺(tái)）檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)達(dá)四萬(wàn)余家，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)取得顯著成就。目前，實(shí)驗(yàn)室存在信息化程度低、開(kāi)放共享不充分、高耗能等問(wèn)題，已經(jīng)無(wú)法滿足新發(fā)展階段科技創(chuàng)新需求。新一代信息技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，為構(gòu)建新型智慧實(shí)驗(yàn)室提供了技術(shù)手段，智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方興未艾。

1? 智慧實(shí)驗(yàn)室基本內(nèi)涵

建設(shè)智慧實(shí)驗(yàn)室必須明確智慧實(shí)驗(yàn)室的含義，但什么是智慧實(shí)驗(yàn)室？筆者查閱大量文獻(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)明確的定義。智慧的本意是聰明才智，是生命所具有的基于生理和心理器官的一種高級(jí)創(chuàng)造思維能力，包含對(duì)自然與人文的感知、記憶、理解、分析、判斷、升華等所有能力。智慧一詞隨著2008年IBM公司提出的智慧地球理念逐步走紅，隨后出現(xiàn)智慧城市、智慧社區(qū)、智慧工廠、智慧家居、智慧餐廳，甚至出現(xiàn)智慧廁所。

什么是智慧實(shí)驗(yàn)室？筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從IBM提出的智慧地球的本意出發(fā)，結(jié)合智慧的中文含義，說(shuō)明智慧實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵。IBM公司提出的智慧地球有三大要素，分別是物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化（Instrumentation，Interconnectedness，Intelli-

gence），即3I，實(shí)質(zhì)就是指把新一代的IT、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)，把感應(yīng)器嵌入、裝備到全球的醫(yī)院、電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)形成物聯(lián)網(wǎng)，而后通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算，使得人類以更加精細(xì)、動(dòng)態(tài)的方式工作和生活，從而在世界范圍內(nèi)提升智慧水平[1]。

因此，智慧實(shí)驗(yàn)室的基本內(nèi)涵可以概括為綜合利用傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)建在一定程度上能夠感知實(shí)驗(yàn)室人員心理、語(yǔ)言或行為訴求并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這些訴求的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室。

2? 智慧實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

基于對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵的分析，智慧實(shí)驗(yàn)室應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn)。

2.1? 自動(dòng)感知能力

智慧實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)?shí)驗(yàn)室人員、設(shè)備、樣件、環(huán)境等要素信息化，并能感知人員、設(shè)備、樣件、環(huán)境等的狀態(tài)。例如：通過(guò)裝配溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器等測(cè)量環(huán)境信息，通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）或二維碼識(shí)別器感知設(shè)備及樣件狀態(tài)[2-3]，通過(guò)高清識(shí)別器感知人員面部狀態(tài)等。

2.2? 信息收集分析能力

智慧實(shí)驗(yàn)室能夠收集、存儲(chǔ)感知系統(tǒng)收集的各類數(shù)據(jù)，并借助一定算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室人員的心理、語(yǔ)言或行為訴求。例如：收集實(shí)驗(yàn)室不同種類儀器設(shè)備的使用次數(shù)和開(kāi)機(jī)時(shí)間，通過(guò)對(duì)設(shè)備使用次數(shù)和開(kāi)機(jī)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行儀器設(shè)備的合理化配置。

2.3? 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)訴求能力

智慧實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)⒋韺?shí)驗(yàn)室人員訴求的信息轉(zhuǎn)變成控制信息，并通過(guò)控制系統(tǒng)（如步進(jìn)電機(jī)、繼電器、機(jī)器手、顯示器等）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室人員的訴求，進(jìn)而逐步優(yōu)化對(duì)人員、設(shè)備、樣件、環(huán)境等要素的管理。例如：實(shí)驗(yàn)室某研究人員經(jīng)常將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作溫度設(shè)定為25 ℃，那么只要此人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將控制信號(hào)傳遞至溫度控制系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度調(diào)整至25 ℃;實(shí)驗(yàn)人員運(yùn)用多種方法進(jìn)行某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出一定規(guī)律并自動(dòng)給出實(shí)驗(yàn)參考方案。

3? 智慧實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成系統(tǒng)及常用技術(shù)

3.1? 構(gòu)成系統(tǒng)

智慧實(shí)驗(yàn)室除具備一般實(shí)驗(yàn)室所必需的建筑物、設(shè)施設(shè)備外，還具備五類重要系統(tǒng)，即管理系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)。智慧實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

3.1.1? 管理系統(tǒng)? 管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室人員、設(shè)備、樣品、方法、環(huán)境、能耗等的信息化管理，如建立人員安全培訓(xùn)、知識(shí)體系和權(quán)限管理，儀器設(shè)備驗(yàn)收、保養(yǎng)、計(jì)量、維修、報(bào)廢全生命周期管理，實(shí)驗(yàn)方法的確認(rèn)、驗(yàn)證、更新提醒等。

3.1.2? 感知系統(tǒng)? 感知系統(tǒng)主要包括門(mén)禁系統(tǒng)、人臉識(shí)別系統(tǒng)、紅外感知系統(tǒng)（如紅外跟蹤系統(tǒng)）、環(huán)境傳感系統(tǒng)（溫度傳感系統(tǒng)、濕度傳感系統(tǒng)、壓力傳感器、光線傳感器等）、設(shè)備狀態(tài)感知系統(tǒng)（如設(shè)備參數(shù)采集系統(tǒng)）、樣件狀態(tài)表征系統(tǒng)。

3.1.3? 信息傳輸系統(tǒng)? 信息傳輸系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器、有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳輸技術(shù)（4G、5G、紅外等）等將物聯(lián)網(wǎng)感知信息傳輸?shù)礁黝愑?jì)算機(jī)服務(wù)器。

3.1.4? 信息處理系統(tǒng)? 通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、仿真技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)編制具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的處理系統(tǒng)軟件，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)傳遞來(lái)的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、判斷，將處理后的控制信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞到物聯(lián)網(wǎng)終端，通過(guò)控制終端進(jìn)行相應(yīng)操作。

3.1.5? 執(zhí)行系統(tǒng)? 執(zhí)行系統(tǒng)主要是將服務(wù)器發(fā)出的控制信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞給各類需要?jiǎng)幼鞯脑O(shè)備，如室內(nèi)壓力的新風(fēng)閥門(mén)或排風(fēng)閥門(mén)、門(mén)禁系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、窗簾控制步進(jìn)電機(jī)等。有的感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)集成為一體。

3.2? 常用技術(shù)

智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)常用技術(shù)主要包括智能傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)控制與機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等。

3.2.1? 智能傳感器技術(shù)? 智能傳感器是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲(chǔ)功能的多元件集成電路，是集成傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。智能傳感器是實(shí)現(xiàn)智慧實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)，是確定實(shí)驗(yàn)室人員訴求、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)、樣件位置及方法正確與否的關(guān)鍵技術(shù)，常用傳感器包括光傳感器、電傳感器、磁傳感器、熱傳感器、聲傳感器、機(jī)械傳感器等。目前主要傳感器類型及被測(cè)量信息見(jiàn)圖2。

3.2.2? 網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)? 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，目前主要包括有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G技術(shù)就是最典型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。計(jì)算機(jī)是處理各類數(shù)據(jù)的主角，隨著量子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算速度更快更精準(zhǔn)。

3.2.3? 智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)? 智能計(jì)算技術(shù)逐步具備人的邏輯思維能力，必將成為智慧實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以及時(shí)收集實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員、物品、環(huán)境信息，如實(shí)驗(yàn)室人員的偏好、某廠家原材料特點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效積累和存儲(chǔ)，為智能計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2.4? 自動(dòng)控制與機(jī)器人技術(shù)? 自動(dòng)控制與機(jī)器人技術(shù)是最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室人員訴求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的置換、溫濕度的調(diào)節(jié)，機(jī)器人在一定范圍內(nèi)配送耗材、轉(zhuǎn)移試樣等。

3.2.5? 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)? 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)室核心能力和關(guān)鍵技術(shù)的體現(xiàn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，消滅空間距離，但也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，必須采用網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)進(jìn)行物理隔離，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外有別、輕重有別，做到分級(jí)管理，防止外部人員的惡意侵入破壞或竊取數(shù)據(jù)。

4? 構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)室建議

基于以上對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室基本內(nèi)涵、特點(diǎn)、構(gòu)成系統(tǒng)和常用技術(shù)的分析，可以得出智慧實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全要素運(yùn)行的信息化、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、實(shí)驗(yàn)室管理的智能化，進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)室科學(xué)管理提供決策支撐。建設(shè)智慧實(shí)驗(yàn)室可以從以下幾個(gè)方面著力。

4.1? 完善建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系

智慧實(shí)驗(yàn)室功能需求千差萬(wàn)別，但一般都是由管理系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的全部或部分組成，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，很難實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間、不同實(shí)驗(yàn)室之間的適配性，特別是涉及傳感器接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多領(lǐng)域協(xié)作的部分。因此，必須加快制定智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，明確智慧實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵、基本功能和基本框架，明確數(shù)據(jù)格式、智能設(shè)備及傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，建立科學(xué)的智慧實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)體系，即實(shí)驗(yàn)室智慧程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有助于加速推進(jìn)智慧實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和推廣普及。

4.2? 加快關(guān)鍵智能傳感器研發(fā)

智能傳感器是獲取實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行由人員管理轉(zhuǎn)向信息化智慧管理的關(guān)鍵技術(shù)。楊斌等人[4]提出：隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，新一代傳感器應(yīng)具有零功耗、無(wú)線按需連接、多維信息集成、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與集成化、適應(yīng)多種特殊環(huán)境等特征。我國(guó)目前使用的先進(jìn)傳感器大部分依賴進(jìn)口，傳感器領(lǐng)域的技術(shù)水平已與歐美等國(guó)家形成差距，成為“卡脖子”技術(shù)難題。推進(jìn)傳感器等關(guān)鍵領(lǐng)域基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)算法、裝備材料等研發(fā)突破與迭代應(yīng)用已被寫(xiě)入“十四五”規(guī)劃綱要[5]，為加快傳感器核心技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供有力保障。

4.3? 注重?cái)?shù)據(jù)挖掘和價(jià)值實(shí)現(xiàn)

先進(jìn)傳感器技術(shù)解決了數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和快速運(yùn)算，隨著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算成本的不斷降低，數(shù)據(jù)挖掘成為體現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的關(guān)鍵步驟。數(shù)據(jù)挖掘是對(duì)大量的、粗糙的、不清晰的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，挖掘出隱蔽在數(shù)據(jù)當(dāng)中的一些事先不為人知的、但是有意義的知識(shí)及信息的過(guò)程[6]。除需要數(shù)據(jù)挖掘師的專業(yè)算法和理論外，實(shí)驗(yàn)室用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的合理判斷也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的重要環(huán)節(jié)。首先要明確具有統(tǒng)計(jì)價(jià)值的數(shù)據(jù)，同時(shí)注重對(duì)歷史規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出發(fā)展趨勢(shì)的科學(xué)假設(shè)，打通數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)挖掘之間的通道，提升數(shù)據(jù)挖掘效率。

4.4? 強(qiáng)化論證，分步實(shí)施

效益是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的最終目的。在建設(shè)智慧實(shí)驗(yàn)室之前應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化論證，考慮投入與產(chǎn)出效益問(wèn)題，量力而行，堅(jiān)決杜絕趕時(shí)髦、擺花架子。全國(guó)各類實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)等社會(huì)團(tuán)體組織是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和技術(shù)發(fā)展的重要力量，各社會(huì)團(tuán)體組織應(yīng)當(dāng)重視智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的內(nèi)需動(dòng)力和產(chǎn)生的行業(yè)牽引，在所在行業(yè)、地區(qū)范圍內(nèi)深入調(diào)查研究，提出智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展需求和建議措施，有序有力推動(dòng)智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展。

5? 結(jié)語(yǔ)

“十四五”規(guī)劃綱要提出，加快推動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化，構(gòu)建基于5G的應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域開(kāi)展試點(diǎn)示范[5]。可見(jiàn)智慧已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的方向。智慧實(shí)驗(yàn)室能夠極大程度解放實(shí)驗(yàn)室人員的繁重勞動(dòng)，既有利于為科研人員減負(fù)，激發(fā)創(chuàng)新活力，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的安全、綠色、共享，是貫徹新發(fā)展理念的重要舉措。必須正確理解智慧的深刻內(nèi)涵，從國(guó)家層面把握智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展方向，制定智慧實(shí)驗(yàn)發(fā)展目標(biāo)，可以在自動(dòng)化程度高、危險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)室先行試點(diǎn)，掌握智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)律，逐步推進(jìn)智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和應(yīng)用?！?/p>

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作者：宮兆合，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閼?zhàn)略管理、質(zhì)量管理、實(shí)驗(yàn)室管理;劉心悅、王亞雄、王維霞，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院（100029）。