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摘要:本文探討數字化技術在實驗室業務管理過程中的應用，提出了數字化應用的目標和功能需求，對實驗室業務管理的以下幾個方面進行了研究:過程資源的數字化管理、業務運營的數字化、質量管理及實驗數據的數字化，系統地闡述實驗室業務管理數字化建設的具體內容，結合泛亞實驗室的實際應用，為實驗室業務管理特別是汽車實驗領域的數字化建設提供參考。
關鍵詞:實驗室管理;數字化;汽車實驗;系統應用
0引言
近年來，數字化發展日益完善，計算機技術、現代通信技術、網絡互聯技術、大數據分析處理技術、物聯網技術等日趨成熟，為業務數字化的發展和應用提供了堅實的技術理論基礎。汽車行業是我國的支柱行業，我國汽車的保有量呈現持續快速增長的情況，截止2019年底，我國的汽車保有量為2.6億輛。同時汽車的發展越來越向電動化、智能化、網聯化、共享化的方向發展，在此背景下如何不斷提高汽車實驗過程的效率和質量，是汽車行業實驗室面臨的重大課題。汽車的實驗貫穿于汽車產品設計開發的全過程，具有時間跨度長、涉及區域廣、過程環節多的特點。一個全新項目的測試與開發，涉及零部件關鍵實驗5000多項，系統級實驗200多項，以及整車級實驗600多項。其完整的實驗一般時間跨度為36個月，期間涉及到多個實驗區域，如各實驗室、試車場、耐候性實驗基地等，涉及幾萬個零部件測試樣本，近千個整車及系統實驗樣本，整個過程需要各產業環節的通力合作，覆蓋零部件供應商、產品開發部門、實驗認證部門、質量部門、制造部及物流運輸部門等。這個過程對實驗要素的管理、業務運營、質量管理和數據分析都提出了巨大的挑戰，如何應用數字化、智能化的技術，建設實驗綜合管理系統，顯得尤為重要，對進一步優化汽車產品開發的過程具有重要意義。
1實驗室業務管理數字化的目標
泛亞實驗室隸屬于泛亞汽車技術中心有限公司，承擔著整車產品開發過程中的各種測試需求，其測試能力涵蓋整車、系統和關鍵零部件。實驗室先后建成眾多全球領先的汽車實驗設施設備，如整車熱力學風洞、車輛安全實驗室、振動噪聲實驗室、材料實驗室、排放實驗室、整車性能實驗室、動力總成實驗室、底盤運動與動力學參數測量實驗室、結構實驗室、電子電器實驗室、新能源實驗室等十一大類實驗室，并具有目前國內規模最大、功能最全的綜合性專業汽車試車場———廣德試車場。泛亞實驗室已通過CNASISO/IEC17025資質認可，近年來不斷探索實驗業務管理的數字化建設，提出建設“實驗綜合管理系統”，進一步提升實驗室的管理水平，實現如下目標:1)建立實驗要素資源的集成管理，應用物聯網等技術實現設備、場地設施、測試樣件和車輛等汽車實驗各要素數據的遠程低時延采集、安全加密及實時高速傳輸;2)建立實驗室的運營平臺，實現數字化運營能力，踐行全過程的數字化質量管理，實現實驗的自動化，實現測試與評價過程的安全、準確、高效、低成本運營;3)構建汽車實驗大數據平臺，探索大數據云計算的整體解決方案，實現多類型數據處理分析模型，開發從數據采集到價值輸出的大數據閉環應用平臺，利用大數據移動互聯方式實現實驗全過程的覆蓋。
2實驗室業務管理數字化的功能需求
實驗室進行業務數字化的創新實踐，建設“實驗綜合管理系統”，需具備以下功能:測試各要素數據的遠程低時延采集、實時高速傳輸、測試樣件及車輛的智慧物流和精確追溯、自動化的測試評估過程、測試數據的自動處理、業務運營管理的智能化、多用戶全場景的終端APP應用等，其所需的主要功能參見圖1實驗綜合管理系統功能需求圖。以上功能的實現需要充分分析具體業務過程，結合現有的軟硬件資源情況，推進相關領域的建設，具體為:運用物聯網技術對現有設備進行相關改造，加裝采集通訊模塊實現數據的采集和傳輸;擴充現有網絡以融合設備、車輛等測試信息的接入和傳輸需求;建立大數據應用分析中心，引入人工智能等數據模型算法，支持測試數據的分析;建立業務運營平臺，實現業務過程的數字化，構建全過程的數字化，實現測試樣件、設備設施、質量管理的數字化等。
3實驗室業務管理數字化的功能實現
基于業務管理數字化的目標和需求分析，泛亞實驗室建設了“實驗綜合管理系統”，此系統的建設，實現了如下系統功能。
3.1過程資源的數字化管理。汽車實驗過程中涉及的過程資源主要為:實驗設備、實驗人員和測試樣件。過程資源數字化所需解決的主要問題為:資源信息數據的獲取、傳輸，資源狀態與業務過程的結合交互，過程資源的質量符合性等。為此我們分別構建了設備智能網、測試樣件追溯系統、人員培訓授權模塊。設備智能網是設備硬件聯網和軟件集成的平臺，其利用了物聯網IoT及邊緣計算等技術，具備設備不斷擴充的聯網能力。設備智能網絡采用有線、無線相結合的通訊方式，以有線方式為主，通過分布式物聯網平臺(中間機)，進行數據采集、緩存、處理和提報。實驗室本地網絡通過中間機連接到設備智能網絡，中間機布置在靠近工控機的位置，便于網絡布線。中間機和工控機之間通過屏蔽網線連接。中間機與數采模塊間通過串口線連接?，F場設備監控數據通過分布式物聯網平臺即中間機及其中安裝的系統組件進行采集，其系統框架圖如圖2所示。通過該網絡可實現設備健康信息、設備運行狀態信息(待機、占位、運行、故障)、實驗狀態信息(實驗過程參數、實驗進度參數、樣件失效信息)等信息的實時采集傳輸，通過軟件平臺的數據集成分析，可以實時展示設備的健康狀態、實驗過程狀態，推送設備故障信息、實驗失效信息等。測試樣件是實驗過程中重要載體，實驗數據的產生都是基于一定狀態的測試樣件，對于汽車的產品開發，會經歷不同的開發階段，每個階段測試樣件的狀態(包括硬件和軟件)都可能發生變化。數字化管理就是要在每個實驗過程中準確地記錄其測試樣件的狀態，并且可以實現和實驗任務單的自動鏈接，通過一體化物流系統拉動所需的測試樣件，提高實驗過程的效率。為此，我們搭建了一體化測試樣件物流倉儲平臺，提升物流倉儲運營效率;引入標識解析技術，建立測試樣件唯一識別碼，在實驗過程及翻修試制過程通過掃描識別和更新樣件的信息，實現樣件使用全過程信息化，測試樣件流轉及使用歷史可追溯。測試樣件標簽示意圖見圖3。人員管理重點關注人員能力與實驗規范的匹配，實施指定規范的人員授權制度，只有經過相應能力培訓的實驗人員才可以進行授權，授權后人員的信息與規范的信息之間綁定，以確保后續過程的質量符合性。按照ISO/IEC17025的要求，每個規范都設置有對應的規范負責人和技術負責人，其對應的資質根據培訓情況和CNAS授權簽字人統一設定，避免后續業務執行過程中的人員資質問題，其后續的實驗執行和報告簽署等業務都與授權人員之間一一對應。
3.2實驗業務運營的數字化。實驗業務運營分為任務委托、分析任務、樣品接收、實驗執行、過程審核、結果等環節。實驗任務的委托用戶遍布公司各部門，其所需求的委托任務各有不同，實驗室作為委托任務的執行方，涉及到不同區域。業務運營的數字化就是要使不同區域的需求者及各個實驗執行方都能按照統一的流程，方便快捷的提交和執行實驗任務。為此，泛亞實驗室統一梳理了實驗業務流，使其能滿足不同委托客戶要求，符合不同實驗執行區域的業務特征;同時關注流程的完整性，管理要素的完善性，形成實驗業務運營的閉環管理。詳見圖4實驗業務運營過程圖。實驗業務運營平臺面向全域管理，實現過程精益，確保質量受控，體現綜合效率，為新產品的研發提供參考和比對的依據。平臺的建設使實驗業務實現100%流程化、規范化、標準化、文檔化。平臺通過自身功能的建設及與公司其它系統間的接口管理，實現根據項目開發認證計劃自動生成委托任務;自動分析系統內置實驗模型安排委托任務;實現樣品掃碼校驗功能，保證實驗對象的準確性及可追溯性;實現實驗執行全過程記錄系統化;實現實驗過程記錄的線上確認及審核;實現實驗報告審核電子簽名功能。所有業務流轉都設置了實時郵件提醒，節省線下溝通交流時間，所有實驗相關的業務可在一個平臺上完成，充分體現實驗業務運營管理綜合化、數字化。
3.3過程質量的數字化管理。實驗室按照ISO/IEC17025的體系要求，建立了完整的實驗室管理體系，在進行數字化應用時，首先實現體系文件的管理數字化，將文件的、審批、修訂、查看等功能實現系統化操作，系統設有專門的頁面展示體系文件，可實現關鍵詞搜索、導航檢索、文件清單導出等功能，大大地優化了文件管理的過程，可確保文件的有效性。對于質量活動的管理，如質量監督、能力驗證、內外部審核、管理評審等，同樣可以進行系統化操作，發起人在系統中發起相應的活動后，系統會自動通知到對應人員，涉及人員只要按照系統要求進行操作即可完成相應的活動實施，系統的操作大大方便和簡化了質量活動的開展，并能保證質量活動的有效性。過程質量數字化的另外一個重要的應用是業務指標的監控。業務數字化的建設，使得我們擁有了大量的過程數據，通過對過程數據的提取和分析，我們可以清晰地了解各區域的業務執行情況。我們在系統中設置的KPI看板，如實驗完成準時率、實驗報告提交準時率、人員負荷率、設備負荷率等業務指標，系統實現了業務指標自動更新，實時展示和歷史數據導出等功能，極大地方便了過程質量的管理工作。
3.4實驗數據的數字化管理。汽車實驗過程中會產生海量的實驗數據，如何采集、存儲和使用這些數據，是數字化應用實踐需考慮的問題。為此我們建設了數據分析應用平臺，它分為數據采集層，存儲層，分析層，服務層和應用層，平臺利用大數據分析技術，并結合機器學習技術、產品分析技術等數據分析技術去解決實際業務問題。由于數據來源多樣化，數據采集層需支持30多種不同數據格式，并可解析多種不同的硬件接口。為了深度挖掘多維數據，平臺應用層可結合多種機器學習，深度學習算法，并結合相關業務領域的實際知識，以實現相關決策的智能推薦與推測。同時，為了保證數據應用的方便和高效，平臺增設了60多種數據可視化模塊，涵蓋包含振動噪聲，碰撞，道路實驗等在內的眾多領域。為進一步滿足實驗人員在線分析的需求，數據分析應用平臺采用了Encom數據傳輸協議，可實現長度為百萬的數據通道，毫秒級別的數據傳輸。此外，為了實現對數據的深度全文本檢索，平臺使用Elasticsearch，通過解析原始數據，為數據元信息建立索引。
4實驗室業務管理數字化的實踐效果
實驗室業務管理數字化的應用實踐給泛亞實驗室帶來了切實的好處，實驗綜合管理系統建成三年來，過程資源得到充分共享，運營的效率和質量均得到明顯提升，其效果主要體現在如下幾個方面:1)實驗業務管理的一體化:系統的建設實現了業務操作的一體化、人員管理的一體化及設備管理的一體化。滿足了不同用戶的多樣性需求，有效地切合了泛亞實驗室多地域(上海、廣德、黑河、吐魯番)、多功能區域(安全、NVH、結構、電子電器、新能源等十一大類實驗室)的業務場景需求;2)實驗室管理要求與業務過程的深度融合:泛亞實驗室多年來按照ISO/IEC17025的要求建立了完備的管理體系，在業務數字化的過程中，我們將管理體系與業務過程進行了深度融合，如實驗排程前將實驗任務與人員的資質授權進行檢查，避免實驗分配至無資質人員，實驗的計劃開始和計劃結束時間前都有系統提醒，實驗任務的延誤均會進行管理升級，確保了實驗的執行效果，可以根據實驗任務自動生成報告提交任務并設定提交時間要求，避免了報告的遺漏和延誤等;3)實驗業務運營水平和資源利用率提升:系統的建成使用，實現了業務運營狀態的實時監控，業務運營指標的自動生成，對于推進運營狀態的持續優化起到了很好的作用?；谠O備智能網，我們實現了設備狀態的遠程實時監控，從監控頁面，我們同時可以監控現場設備的視頻信息及實時運行參數，目前涉及182臺重點設備，涵蓋上海、安徽廣德及武漢和煙臺基地。業務運營及設備狀態的實時監控、未來預測等功能，對于優化資源的配置和提升資源使用效率發揮了積極的作用;4)數據的深度挖掘應用:實驗過程中的各種原始數據進行了結構化之后，可以和歷史數據結合分析，結合機器學習等數據挖掘算法，能夠極大地提升數據應用的能力，最大化數據的價值。同時利用數據自動從設備及傳感器上的導入及在線分析功能，可以實現實驗報告的自動生成，大幅提高數據分析處理的效率。
5結語
泛亞實驗室在業務管理數字化方面進行了有益的探索，建設完成了“實驗綜合管理系統”，通過三年多的運行，系統運行可靠，實現了實驗要素資源的集成管理，業務運營的一體化，大數據的分析應用。系統的使用極大地提升了業務運營的質量和效率，最大化人力、設備等資源的共享使用，能夠有效地監控實驗過程的運行，為實驗室的發展提供有效的參考信息。該系統的建設順應了業務數字化發展的戰略需求，可有效應對未來智能化與網聯化汽車產品的測試發展需求，并顯著提高汽車產品開發的效率與質量。
作者:蔡勇 倪素萍 許海峰 單位:泛亞汽車技術中心有限公司
