袁 野, 周 希, 李至博

(中核建中核燃料元件有限公司 理化檢測研究所, 宜賓 644000)

在經(jīng)濟全球化的背景下，工業(yè)制造企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量已成為企業(yè)競爭力和發(fā)展能力的核心體現(xiàn)。不斷加強質(zhì)量管理，對生產(chǎn)進行全過程的控制和全方位的管理已成為企業(yè)管理的重要內(nèi)容[1]。其中，工業(yè)檢驗試驗室作為全面質(zhì)量管理的重要組成部分，往往涵蓋了原料檢驗、產(chǎn)品放行、工藝控制、科研試驗等整個生產(chǎn)過程，保障檢驗結(jié)果的準確、可靠、高效就顯得尤為重要。隨著計算機網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，信息化、數(shù)字化與自動化已經(jīng)成為提高試驗室管理水平的必要手段。目前，工業(yè)試驗室信息平臺的構(gòu)建主要有獨立LIMS(試驗室信息管理系統(tǒng))平臺[2]、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))子模塊[3]、OA(辦公系統(tǒng))結(jié)合3種方式，實現(xiàn)不同程度的信息共享、流程管理、試驗室內(nèi)部管理功能[4]。然而，目前LIMS中的數(shù)據(jù)采集主要局限于直接使用儀器分析并采集的數(shù)據(jù)[5-6]，對于人機結(jié)合的檢驗項目如金相檢驗，LIMS大部分局限在信息入口和出口的數(shù)據(jù)管理，對于檢驗信息在整個檢驗過程中的流動和管理，并沒有高效、可靠和系統(tǒng)化的解決方案。筆者以某金相檢驗試驗室為例，介紹了金相檢驗管理信息系統(tǒng)的整體構(gòu)架和實現(xiàn)過程。

1 架構(gòu)設計

1.1 業(yè)務流程分析

業(yè)務流程信息化的本質(zhì)在于利用信息化工具來實現(xiàn)業(yè)務流程的重組(BPR)，首要是對業(yè)務流程進行準確的建模和分析[7]。需要使用建模工具對金相檢驗整個業(yè)務流程進行建模，分析其中的實物流和信息流，找到信息化的主要要素和關鍵瓶頸，再設計信息化系統(tǒng)工具和自動化工具進行改善。采用數(shù)據(jù)流圖(DFD)對金相檢驗的過程進行分析，如圖1所示。

圖1 金相檢驗的數(shù)據(jù)流圖Fig.1 Data flow diagram of metallographic examination

由圖1可知，樣品信息是整個檢驗過程中最核心的數(shù)據(jù)，貫穿整個金相檢驗過程，樣品鑲嵌、樣品磨拋和樣品浸蝕3個制備過程主要操作對象是實體試樣，主要依靠人工完成，信息化意義不大。而樣品登記、金相觀察、照片采集、定量金相、記錄和報告生成等檢驗過程和信息處理過程，則主要由樣品信息、檢驗數(shù)據(jù)和金相照片數(shù)據(jù)驅(qū)動，相互之間交互較少，適合采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式架構(gòu)，保障樣品信息流在整個檢驗過程的有效性，避免信息孤島的產(chǎn)生。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)架構(gòu)設計采用B/S和C/S架構(gòu)結(jié)合方式，如圖2所示。

圖2 金相檢驗管理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Design diagram of metallographic examination management information system

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫平臺

核心樣品信息數(shù)據(jù)庫采用免費開源的關系型MySQL數(shù)據(jù)庫，可靠高效，適用于多平臺應用，方便分布式訪問和開發(fā)。數(shù)據(jù)庫主要用于儲存樣品相關信息，局域網(wǎng)低并發(fā)環(huán)境對數(shù)據(jù)庫性能要求不高，可布置在NAS中。

2.2 硬件組成

工業(yè)金相試驗室為了滿足大批量試樣的需要，往往需要配置多臺金相顯微鏡、體視顯微鏡、圖像分析儀等設備。每臺設備需配備一臺計算機用于圖像采集、測量等工作。因此將多臺計算機與一臺NAS文件服務器組成千兆局域網(wǎng)，利用NAS作為數(shù)據(jù)庫及Web服務器，并利用SMB文件共享協(xié)議，將每臺顯微鏡拍攝的照片、測量數(shù)據(jù)、記錄及報告電子文檔集中儲存，有利于集中管理和定時備份，并可通過權(quán)限管理保障數(shù)據(jù)安全性。

顯微鏡硬件可支持任意型號的金相顯微鏡，顯微攝像頭則需提供相應的開發(fā)接口以便圖像的統(tǒng)一管理。為進一步優(yōu)化信息流，保證金相照片倍率及測量結(jié)果的準確，建議使用帶有編碼(Coded)物鏡轉(zhuǎn)盤的半自動金相顯微鏡，可通過應用程序自動獲取采集倍率并關聯(lián)相應標尺信息。國外主流的金相顯微鏡廠商均提供編碼物鏡轉(zhuǎn)盤，但只有蔡司公司和徠卡公司產(chǎn)品公開了訪問接口，可通過二次開發(fā)程序獲取編碼信息。如果使用更高級的全自動金相顯微鏡，則可實現(xiàn)更多的流程優(yōu)化定制、詳細信息獲取等功能。

2.3 樣品信息管理系統(tǒng)

樣品信息登記管理系統(tǒng)的主要功能是對管理部門分配的樣品相關信息進行錄入、編輯、查看、檢驗狀態(tài)管理、統(tǒng)計等操作。樣品信息管理系統(tǒng)界面如圖3所示。

登記樣品可通過人工錄入、條碼掃描或信息系統(tǒng)集成的方式，以適應各種送樣方式。登記后的每個樣品會生成唯一的簡化流水號及試驗室編號，方便在金相試樣上進行標記。在其后的檢驗過程中，可以使用試驗室編號索引到原始樣品信息，保障樣品與檢驗結(jié)果的對應性。并可通過打印試樣清單或試樣袋，對檢驗后樣品進行歸檔管理，保證檢驗結(jié)果的可追溯性。系統(tǒng)帶有多用戶及小組管理功能，可將樣品與檢驗員或檢驗小組綁定。通過統(tǒng)計功能實現(xiàn)工時自動統(tǒng)計與績效考核等班組管理功能。而通過對不同用戶的權(quán)限管理功能設計，對于不可逆的數(shù)據(jù)操作(編輯、刪除等)，需要特定的用戶權(quán)限才能操作，保證了數(shù)據(jù)安全性。

樣品信息登記管理系統(tǒng)適合采用B/S架構(gòu)[8]，Web服務基于開源的Drupal內(nèi)容管理平臺二次開發(fā)搭建[9]，無需客戶端支持，在局域網(wǎng)任何一臺計算機中均可通過瀏覽器訪問，有利于多人協(xié)同工作。提供觸摸屏界面，可用于檢驗現(xiàn)場的電子看板管理和檢驗進度跟蹤，再通過信息系統(tǒng)反饋給管理部門及用戶，提高試驗室整體運行效率和管理水平。

圖3 樣品信息管理系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of sample information management system

2.4 金相照片采集系統(tǒng)

用于對樣品的典型金相照片進行采集和信息化管理。雖然大多數(shù)金相顯微鏡或攝像頭均有配套的照片采集軟件，但往往面向通用流程，要完成一個樣品的照片預覽、標尺選擇、采集、裁剪、調(diào)節(jié)、信息標注、標尺標注、定倍打印往往需要大量繁瑣的重復操作，費時費力且容易出現(xiàn)信息錯誤[10]。

金相照片采集系統(tǒng)采用與顯微鏡鏡體及攝像頭進行深度集成的方式，在一個界面內(nèi)完成金相照片采集的全部操作，提供自動ROI采集、自動標注、自動陰影校正、自動保存等一系列自動化功能，并通過數(shù)據(jù)庫導入登記的樣品信息，金相照片采集系統(tǒng)界面如圖4所示。僅需通過照片預覽、樣品選擇、采集3個步驟即可完成金相照片采集，大大簡化了工作流程。而且由于整個過程幾乎無需人工輸入信息，最大限度地保證了金相照片和樣品的對應性和信息的準確性。此外，由于建立了樣品信息與金相照片的對應關系，可以在系統(tǒng)中使用樣品的原始信息索引查找對應的金相照片，進行相應的查看、編輯，方便海量金相照片的管理。對于典型的金相照片還可進行收藏、歸檔和注釋，快速建立并管理試驗室的金相圖譜，為檢驗過程提供專家信息支持。

圖4 金相照片采集系統(tǒng)界面Fig.4 Interface of metallographic photo acquisition system:a) Image-pro plus platform; b) Axiovision platform

對于定量金相分析所需的大量視場圖像采集，該系統(tǒng)也提供了批量采集功能，利用顯微鏡的自動載物臺和自動聚焦功能，通過設計的采集區(qū)域?qū)Ш?、采集視場自動計算、自動聚焦修正等功能實現(xiàn)全自動的批量采集，并可將常用采集參數(shù)儲存為預設，與樣品信息關聯(lián)進行自動調(diào)用，自動歸檔儲存圖像。

對于簡單的金相微觀尺寸測量，如焊縫熔深、薄膜厚度、形狀參數(shù)測量等可在金相照片采集系統(tǒng)中進行，測量數(shù)據(jù)以獨立文件或覆蓋層標注儲存，并與對應的樣品信息相關聯(lián)，可在記錄和報告的填寫過程中使用。

金相照片采集系統(tǒng)使用VBA語言開發(fā)，采用C/S架構(gòu)連接到NAS中的數(shù)據(jù)庫?；诓趟続xiovision?軟件的客戶端支持蔡司公司多種型號的手動、半自動或及全自動的金相顯微鏡和體式顯微鏡，基于Image-Pro Plus圖像分析軟件的客戶端支持其他手動金相顯微鏡[11]。所采集的金相照片自動標注信息后按照統(tǒng)一的存儲規(guī)則存儲在NAS中，便于集中管理和使用，構(gòu)建起不同金相檢驗設備的協(xié)同工作環(huán)境，提高檢驗效率，并實現(xiàn)檢驗進度的自動更新。

2.5 定量金相分析系統(tǒng)

大部分工業(yè)金相試驗室都包含大量定量金相分析項目，如材料晶粒尺寸、多相組織相含量、孔隙率等。對于標準檢驗項目，市面上有眾多免費和收費的金相定量分析軟件可以實現(xiàn)。而特殊產(chǎn)品的非標定量金相分析項目只能通過通用圖像分析軟件組合算法實現(xiàn)，測量參數(shù)多，對檢驗人員要求高，分析效率低，結(jié)果不能實現(xiàn)信息化。

筆者架構(gòu)的該系統(tǒng)采用定制開發(fā)，針對核燃料元件生產(chǎn)中常用的氣孔分布測量、晶粒尺寸測量、相含量測量等項目，開發(fā)專用的測量模塊，簡化設置參數(shù)，通過樣品信息自動加載、自動分析和自動生成記錄，滿足高效工業(yè)生產(chǎn)檢驗的需要[12]。

2.6 檢驗記錄及報告管理

完善的檢驗記錄和報告管理是試驗室認可中的要求，同時檢驗報告的質(zhì)量也是用戶對檢驗質(zhì)量的直觀印象。現(xiàn)有金相管理軟件中報告生成一般是以照片為中心，手工填寫樣品信息和數(shù)據(jù)，低效、易出錯。對于以檢驗數(shù)據(jù)為中心的工業(yè)檢驗來說，難以生成統(tǒng)一規(guī)范的記錄和報告。

筆者架構(gòu)的該系統(tǒng)基于Microsoft?Word和Microsoft?Excel構(gòu)建。利用Word建立記錄和報告模板，用Excel建立技術文件和標準數(shù)據(jù)庫。使用內(nèi)置VBA語言，讀取MySQL數(shù)據(jù)庫和Excel數(shù)據(jù)庫插入樣品信息、引用文件、檢驗數(shù)據(jù)和照片等信息，自動填寫記錄、生成頁碼并歸檔保存。再利用記錄內(nèi)容為上層信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)或自動生成紙質(zhì)報告內(nèi)容，給與檢驗員靈活的編輯權(quán)限的同時保證了數(shù)據(jù)的一致性。

3 結(jié)束語

該工業(yè)金相檢驗試驗室信息系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)有的生產(chǎn)信息系統(tǒng)、LIMS試驗室管理系統(tǒng)或傳統(tǒng)管理方式和金相設備間的整合，消除了信息孤島。并通過對檢驗流程的優(yōu)化和定制，適應了多種類、多數(shù)量、高準確性要求的現(xiàn)代化工業(yè)金相檢驗試驗室的需要，能大大提高試驗室檢驗效率，規(guī)范試驗室管理，確保整個檢驗流程有序、可控、可監(jiān)督，保證檢驗記錄與檢驗報告單的正確性，提高了檢驗質(zhì)量。