随着《中国制造2025》全面推进,面向钢铁行业的智能工厂集成创新、产品研发、工艺、制造、物流等各环节的智能化已经逐步延伸,但是检测领域尚处于发展初期[1]。随着越来越多的企业开始进行实验室智慧化建设,行业逐步对智慧实验室有了更为清晰地认知和共识,部分环节逐渐解放人力甚至超越人力,实现了降本增效的目标[2-4]。
1. 智慧实验室建设目前存在的问题
我国钢铁材料检测智慧实验室的建设处于刚刚起步阶段,对于设备信息化、智能化、数字化建设和管理仍存在一定问题。
1.1 设备智能化、自动化程度低
由于检测实验室需要的设备种类繁多,大多数设备已经运行10 a以上,不同时期、不同功能的设备自动化程度不一样,使得实验室设备在使用过程中存在自动化程度低、人工干预试验等问题。检测设备的信息化程度低,大量试验数据需要人工进行采集、导出、保存、处理、传递、报告等,降低了实验室人员的工作效率。检测设备与计算机信息处理平台之间缺乏相应的信息交流平台通道,导致试验过程与情景的实时感知与检测无法实现。
1.2 不同设备缺乏统一通信接口
钢铁材料涉及物理、化学、力学等性能的检测设备约100台,这些设备来源于不同生产厂家,各设备之间缺乏统一的数据接口,无法实现标准化的数据处理、上传、报告。实验室许多检测设备并不具备统一的数据通信接口,对该类设备实现智能化、自动化检测的难度较大,相应的自动化数据采集也存在一定的难度。
1.3 设备缺乏统一的信息管理平台
建立智慧实验室的前提是建立通信设备信息管理平台和设备基本信息库,从而进行设备的统一管理,并对设备仪器进行信息查询和维护。目前实验室检测信息委托试验对于仪器的设备管理、检定、借用、维护、报修、报废等一系列的流程管理比较简单,多采用人工检测和记录的方式,处理过程比较繁琐,易出现设备信息丢失、损坏、超期等现象,实验室设备的管理效率低下,更加迫切需要建立智慧实验室。
2. 钢铁材料检测智慧实验室建设方案
2.1 建立信息一体化统一管理平台
为加快提升科研保障能力,以更好地面向国家战略需求和市场重大需求,建立集试验管理、理化检验、用户评测、生产管理、库存管理、采购管理、销售管理、能源管理和设备管理等多功能于一体的综合性信息化平台。该系统旨在通过高度集成和智能化管理,实现研发流程、生产管控、物资管理、销售服务以及能源设备等方面的全面优化和协同。采用B/S（浏览器/服务器）架构,实现以下目的。
（1）建立企业管理与决策的计算机管理平台,遵循的统一的数据标准,实现信息资源共享,以消除网络环境下信息孤岛。
（2）建立统一数据资源中心,实现对数据的集中存储与管理。
（3）建立对数据的授权访问控制机制。
（4）实现企业各部门协同工作,规范企业流程,提高工作效率。
（5）实现系统设备与应用的安全可靠运行。
（6）为企业的经营管理提供科学的技术决策支持。
（7）建立信息与应用规范,统一应用访问接口,实现相互访问数据和功能,并有效组织和管理多个应用系统。
（8）提供集成个性化服务,满足企业多样化的应用服务需求。
2.2 打造“黑灯实验室”
智慧实验室的建设是从单个模块开始的,直到形成“黑灯实验室”,逐步通过自动化来实现解放人力的目标。从单个自动化模块开始,检测仪器设备上的自动化方案是“解放人力”,如硬度计自动打点、金相试样自动磨抛等单个操作；然后将各模块连在一起,逐步形成可以执行某些特定任务的功能岛,如硬度压痕自动测量、显微组织智能识别等,功能岛之间互联,创造出可以完成某些特定流程的实验室平台。最后,配合智慧化管理系统,使整个实验室的多线任务有效、高效地进行,彻底解放人力,打造“黑灯实验室”。
2.3 数智驱动“解放大脑”
经过信息化、数字化处理后,实验室逐渐“解放大脑”。与此同时,对数据的存储、处理和应用能力承担着“解放大脑”的重任。顺应互联网、物联网、5G（第5代移动通信技术）、大数据及人工智能的发展,智慧实验室“解放大脑”的推进也在逐步经历从信息化、数字化到数智化的过程。信息化可使所有试验、试样的管理流程和状态从传统纸质版转化为电子版,有利于准确、长久地存储；在此基础上,利用数字化手段实现远程、高效地试验和运营管理,并继续产生试验及管理相关数据；最终,大量高质量、多维度的数据被人工智能充分学习,进行智慧化数据应用,从而自动分析试验结果、优化试验流程及管理[5-6]。
2.4 多维协作建设智慧实验室
智慧实验室需要软硬件螺旋式发展,当“解放人力”和“解放大脑”同时走到极致,智慧化实验室的诞生也就水到渠成,“大脑”按需求生成高成功率任务流程,“黑灯实验室”精准执行任务并实时反馈情况。智慧实验室需及时优化、调整试验进度和流程,最终高效满足需求。目前,“解放人力”的进程整体快于“解放大脑”,但要达到极致,均还有一段距离。两者的共同进步需要彼此扶持。
2.5 智慧实验室应用前景
高质量数据的产生与应用是智慧实验室发展的核心。目前,“解放人力”和“解放大脑”都在快速前进,并取得突破性进展,这有赖于行业整体在自动化领域的发展,在提高数据质量的同时也在规模化的增加数据量,以达到快速收集数据的目的。基于此,可以在原有文献研究和公开数据的基础上,不断得到真实试验产生的“失败”数据,算法因而不断迭代,以变得更加精准[7]。应用自动化产品、柔性机器人、实验室信息管理系统,可以达到无纸化、无人化操作,在此基础上,实验室建设逐渐融入了AI（人工智能）算法,通过自然语言处理、机器学习、计算机视觉识别、数据处理与分析等模块,达到24 h动态监测环境安全。还可根据通量和产出要求,自主评估最佳运行配置、优化试验进度,全方位管理实验室核心要素,打造自我驱动的“黑灯实验室”。可以预见,在AI的帮助下,可以真正实现数字化、数智化,进而搭建试样进、报告出的智慧实验室[8-9]。
3. 结语
钢铁材料检测智慧实验室的建设目前还处于初步发展阶段,数字化和智能化技术发展给智慧实验室的发展带来无限的可能性,打破了智慧实验室建设存在的设备平台局限性,构建了钢铁行业的智能工厂,为“中国制造”向“中国智造”的转变提供有力支撑。
文章来源——材料与测试网