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摘要：針對(duì)工程機(jī)械企業(yè)實(shí)驗(yàn)室在數(shù)字化轉(zhuǎn)型遇到的問題，重點(diǎn)從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、臺(tái)架管理、設(shè)備管理這四個(gè)維度進(jìn)行研究，并結(jié)合軟硬件技術(shù)闡述解決方案。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；數(shù)字化轉(zhuǎn)型；實(shí)驗(yàn)室

0引言

工程機(jī)械向數(shù)字智能化不斷邁進(jìn)，工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)室也要進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型來適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，將數(shù)字化作為工具來全面提升實(shí)驗(yàn)室的效率。

1工程機(jī)械企業(yè)實(shí)驗(yàn)室面臨的問題

隨著工程機(jī)械企業(yè)實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，面臨以下幾個(gè)方面的問題：(1)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)獲取困難。毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)采樣才能復(fù)現(xiàn)實(shí)時(shí)工況，通常人員到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集，成本高且時(shí)效性差；(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用率低。工程機(jī)械產(chǎn)品種類多，不同的產(chǎn)品測(cè)試方法對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和檢索受限，導(dǎo)致利用率低；(3)臺(tái)架管理困難。臺(tái)架的電能管理、功能擴(kuò)展、區(qū)域管理限制實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展；(4)設(shè)備管理困難。設(shè)備臺(tái)賬、借還、校準(zhǔn)消耗大量時(shí)間和人力成本。

2數(shù)字實(shí)驗(yàn)室建設(shè)解決方案

針對(duì)以上遇到的問題，從多個(gè)維度發(fā)掘解決方案，如圖1：通過軟硬件技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)行問題處理，以下詳述解決方案。

2.1遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集由兩個(gè)部分組成，即物聯(lián)數(shù)據(jù)采集器（以下簡(jiǎn)稱物聯(lián)數(shù)采）和試驗(yàn)云平臺(tái)，通過端和云的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)從端獲取在云解析，提升數(shù)據(jù)安全。(1)物聯(lián)數(shù)采其主要功能是：多傳感器兼容，提供有源傳感器的激勵(lì)并同步采集原始信號(hào)，如壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等；毫秒級(jí)高速采樣數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，低速秒級(jí)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳；接收試驗(yàn)云平臺(tái)的控制指令等。(2)試驗(yàn)云平臺(tái)其主要功能是：實(shí)時(shí)接收物聯(lián)數(shù)采回傳數(shù)據(jù)，并對(duì)其下發(fā)高速采集、數(shù)據(jù)上傳等指令控制；通過傳感器的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和呈現(xiàn)；通過北斗、GPS進(jìn)行物聯(lián)數(shù)采進(jìn)行定位等；

2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

將實(shí)驗(yàn)需求、設(shè)備、樣機(jī)、結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速查詢，提升數(shù)據(jù)利用率，并通過報(bào)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，掌控企業(yè)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，利用耗時(shí)分析進(jìn)一步提升企業(yè)的實(shí)驗(yàn)效率，如圖2：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化IT構(gòu)架如圖3，通過數(shù)據(jù)庫(kù)緩存和消息隊(duì)列服務(wù)提升系統(tǒng)的并發(fā)能力，滿足企業(yè)內(nèi)研發(fā)和實(shí)驗(yàn)人員的訪問；通過文件存儲(chǔ)服務(wù)用來管理非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)文檔；通過容器技術(shù)縮短部署時(shí)間；通過微服務(wù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的彈性擴(kuò)展；通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)進(jìn)行API接口的統(tǒng)一管理。

2.3臺(tái)架管理

(1)能源管理隨著實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架數(shù)量增長(zhǎng)，設(shè)備額定功率總和超過電網(wǎng)容量，進(jìn)行變電站擴(kuò)容帶來高額的投入，由于臺(tái)架不同時(shí)開啟，將配電箱接入物聯(lián)功率傳感器，部署能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行功率檢測(cè)（如圖4），實(shí)時(shí)短信超限預(yù)警，基于能源數(shù)據(jù)的行錯(cuò)峰管理，可在有限的電網(wǎng)容量下保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可降低用電成本。(2)實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)臺(tái)架功能不能滿足日益增長(zhǎng)的試驗(yàn)需求，通過建立LabView開發(fā)團(tuán)隊(duì)，利用LabView圖形化語言快速自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能迭代開發(fā)，縮短時(shí)間節(jié)約成本。如圖5所示，基于LabView開發(fā)的實(shí)驗(yàn)需求分解可分為四個(gè)模塊：系統(tǒng)構(gòu)架、采集和控制、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)構(gòu)架：使用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)架管理，控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，通過狀態(tài)機(jī)的嵌套實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)架的完整功能。采集和控制：進(jìn)行測(cè)試物理量的分解，進(jìn)行硬件選型（板卡和機(jī)箱），通過調(diào)用LabView各類的硬件接口實(shí)現(xiàn)采集和控制功能。人機(jī)交互：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀的前面板，通過文件I/O和操作系統(tǒng)API進(jìn)行功能擴(kuò)展。錯(cuò)誤處理避免因未連接硬件或者除零等問題造成程序退出。數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和分析都需要數(shù)據(jù)處理，可利用DSP模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算和公式腳本等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。(3)區(qū)域管理利用小程序聯(lián)動(dòng)的門禁系統(tǒng)來進(jìn)行智能化的區(qū)域管理，如圖6：將現(xiàn)有門禁進(jìn)行改造，使用支持面部識(shí)別、指紋和NFC的門禁終端進(jìn)行控制，內(nèi)部員工由管理員配置賬號(hào)進(jìn)行門禁批量授權(quán)和區(qū)域管理，遠(yuǎn)程訪客通過小程序進(jìn)行審批和門禁控制，實(shí)現(xiàn)無人值守，每個(gè)門禁節(jié)點(diǎn)可單獨(dú)進(jìn)行權(quán)限控制，禁止非授權(quán)人員進(jìn)入，大大提升區(qū)域管理效率并節(jié)省人力成本，提升區(qū)域安全性和保密，并通過門禁實(shí)現(xiàn)自動(dòng)考勤和人員管理。

2.4設(shè)備管理

(1)設(shè)備臺(tái)賬企業(yè)的設(shè)備臺(tái)賬存儲(chǔ)在ERP系統(tǒng)中，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)臺(tái)賬則為企業(yè)設(shè)備臺(tái)賬的一部分，由于試驗(yàn)設(shè)備管理需求會(huì)增加很多維護(hù)信息，同時(shí)又要避免數(shù)據(jù)的二次維護(hù)和影響ERP的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)（如圖7）：圖7設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)管理模型通過以上的設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)管理模型，ERP數(shù)據(jù)使用同步的方式匯總至實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)賬，實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)端只需要進(jìn)行非ERP數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)，解決了ERP數(shù)據(jù)的一致性和多系統(tǒng)二次數(shù)據(jù)維護(hù)，避免ERP系統(tǒng)的二次開發(fā)，通過錯(cuò)峰定時(shí)同步和觸發(fā)同步避免對(duì)ERP生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力，通過統(tǒng)一的數(shù)字實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)賬提供數(shù)據(jù)調(diào)用。(2)傳感器內(nèi)部校準(zhǔn)和比對(duì)傳感器是實(shí)驗(yàn)室獲取數(shù)據(jù)最重要的感知設(shè)備，每年實(shí)驗(yàn)室需要投入大量資源確保傳感器的準(zhǔn)確性，為了提升效率，開發(fā)和使用基于ARM終端的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部校準(zhǔn)和比對(duì)，如圖8：將上位機(jī)和web服務(wù)端集成在一個(gè)arm終端內(nèi)，通過瀏覽器控制python的串口通信與校驗(yàn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)的自動(dòng)抓取、分析和報(bào)告生成等功能，極大提升傳感器內(nèi)部校準(zhǔn)和比對(duì)效率，降低運(yùn)維成本。(3)設(shè)備借還傳統(tǒng)的基于紙質(zhì)填寫記錄的設(shè)備借還，效率低下不利于數(shù)據(jù)查詢和分析，將二維碼用于設(shè)備標(biāo)識(shí)，利用掃描槍識(shí)別并自動(dòng)填單，進(jìn)行業(yè)務(wù)流程適應(yīng)性調(diào)整，就能滿足實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備自助借還，流程如圖9：設(shè)備選取分為設(shè)備點(diǎn)選或掃碼，通過設(shè)備編號(hào)查詢?cè)O(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)，返回設(shè)備信息并自動(dòng)填入設(shè)備借/還單，由設(shè)備管理員進(jìn)行審核，通過后更新設(shè)備狀態(tài)并出/入庫(kù)，未通過終止借還流程。通過掃碼方式原設(shè)備借用耗時(shí)30分鐘縮短至3分鐘，并且可基于設(shè)備的借用數(shù)據(jù)可進(jìn)行設(shè)備使用頻次分析，作為第二年設(shè)備采購(gòu)的數(shù)據(jù)參考。

3結(jié)論

通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、臺(tái)架和設(shè)備管理等的一系列創(chuàng)新，結(jié)合軟硬件技術(shù)構(gòu)建數(shù)字實(shí)驗(yàn)室，提升工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)室工作效率，將傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，為企業(yè)降本增效。

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作者:滕飛梁 葉杭 劉浩然 韋柳紅 單位:廣西柳工機(jī)械股份有限公司