鄧 新，吳鑫德

（廣州機械科學研究院有限公司設備潤滑與檢測研究所，廣東廣州 510000）

0 引言

現(xiàn)代檢測實驗室中，實驗室管理中的各個維度逐漸實現(xiàn)信息化。目前，信息化建設已成為提升內部檢測效率與管理水平的重要手段，其中LIMS（Laboratory Information Management System，實驗室信息管理系統(tǒng)）是典型的代表[1,2]。LIMS 系統(tǒng)的基礎是實驗室質量保證、體系管理、流程定制、數(shù)據流轉等運營輔助決策總體方案[3,4]。檢測數(shù)據的采集是檢測流程中最重要的環(huán)節(jié)，但不同檢測設備得出的數(shù)據在輸出的方式上各有特點。

當前通用的信息系統(tǒng)在接入各類檢測設備的不同信息接口及數(shù)據采集方式上是不完備的，這造成了數(shù)據采集自動化、智能化能力在實驗室檢測環(huán)節(jié)的缺失[5]。實驗室中，傳統(tǒng)的獲取檢測數(shù)據方法有以下兩種：①通過人工進行的手寫與數(shù)據錄入；②通過檢測軟件自帶的數(shù)據導出與導入功能。這些手動或半自動方法都需要檢測人員參與到數(shù)據的處理和流轉過程中，進行著大量重復工作，容易發(fā)生操作失誤或數(shù)據錄入問題，檢測效率受到影響[6]。

本文針對處理數(shù)據過程中的問題，提出數(shù)據采集處理方案，實現(xiàn)實驗室中數(shù)據自動采集處理系統(tǒng)以支持不同類型通信接口的儀器適配接入，數(shù)據流轉時間得到縮短，弱化檢測數(shù)據因人工干預而造成的影響，進一步提高檢測效率以及檢測數(shù)據的準確性。

1 系統(tǒng)的功能需求

目前國內外油液分析檢測設備的數(shù)據獲取及通信類型分類見表1；設備通信接口類型分類見表2。

表1 油液分析檢測設備分類

表2 油液分析檢測設備通信接口

檢測設備實現(xiàn)數(shù)據采集自動化是由通信接口所決定，不同通信設備實現(xiàn)數(shù)據采集的方式見表3。

表3 不同通信設備實現(xiàn)數(shù)據采集的方式

在建設系統(tǒng)過程中，通過儀器設備信息化改造、組建網絡連接、開發(fā)軟件系統(tǒng)等工作，最終實現(xiàn)數(shù)據采集全自動化管理與控制。系統(tǒng)總體功能模塊如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)由配置層、主程序、人機工作界面、數(shù)據解析以及數(shù)據服務5 個層次共同組成。系統(tǒng)配置層是整個系統(tǒng)的管理中樞；主程序中包含權限審核、設備控制等核心模塊；人機工作界面是檢測人員控制檢測儀器和進行項目檢測的窗口；數(shù)據解析的核心是部署于應用服務器中的服務引擎；數(shù)據服務提供與其他系統(tǒng)進行數(shù)據交互的標準接口。系統(tǒng)各個組件部分之間的結構以及連接方式如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)組件結構

2 系統(tǒng)建設要求

油品檢測流程的實驗要求和標準與數(shù)據采集處理過程等具有關聯(lián)性，所以不但要做到數(shù)據采集處理功能，還要同時實現(xiàn)項目檢測過程的軟件，目標要求如下：①實現(xiàn)高效準確的檢測流程；②營造良好的用戶體驗；③擁有全面的通信適配功能；④具備完善的數(shù)據解析能力；⑤提供靈活的數(shù)據共享服務。

3 數(shù)據采集設計方案

針對不同通信接口，需要根據儀器的實際情況與特點采取單獨的采集設計方案。

3.1 串口類

串口通信應用廣泛，是一種成熟的通信技術[7]。針對具備RS232接口的設備，將串口接頭和線序匹配，通信模式設置為開啟，連接到計算機，詳細采集流程如圖3 所示。

圖3 串口類采集流程

3.2 USB 端口類

USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）具有使用方便、傳輸速度快、獨立供電、連接靈活、支持熱插拔等優(yōu)點，常應用于企業(yè)服務、PC 領域、工業(yè)機械制造、電子產品等領域[8]。

USB 端口采集具體有兩種實現(xiàn)方式：①直接進行USB 數(shù)據傳輸；②使用USB 轉串口設備，與工作站計算機進行通信。其數(shù)據采集方案如圖4 所示。

圖4 USB 端口通信類采集流程

3.3 USB 模擬輸入類

有一類通信接口為USB 端口的油品分析儀器，例如電子天平，采集方式是計算機識別模擬鍵盤生成的字符串信息，其數(shù)據采集流程如圖5 所示。

圖5 USB 模擬輸入類采集流程

3.4 圖形圖像類

文獻［9］、［10］介紹基于USB 接口的圖形圖像類數(shù)據采集的相關方法，相關數(shù)據采集流程如圖6 所示。

圖6 圖形圖像類采集流程

3.5 文件解析類

數(shù)據文件解析的檢測設備主要有兩種類型：①截獲打印數(shù)據，打印機得出檢測結果作為數(shù)據采集方式；②二次數(shù)據采集，采集方式需用工作站軟件。

最合理有效的解決方法是二次采集，其數(shù)據采集流程如圖7 所示。

圖7 文件解析類采集流程

文件解析采集過程可分大致可分為如下步驟：①原始數(shù)據的采集；②監(jiān)視文件及目錄的變化；③數(shù)據文件的解析；④原始數(shù)據的封裝并發(fā)送。

4 采集系統(tǒng)設計與開發(fā)

數(shù)據采集系統(tǒng)的核心服務組件包括接口適配器、數(shù)據采集模塊、數(shù)據發(fā)送模塊以及數(shù)據解析引擎等。

4.1 接口適配器

接口適配器是系統(tǒng)檢測設備的通信模塊，進行連接時的工作流程為：接入設備，配置通信方法，設置通信方法的參數(shù)，完成與設備的數(shù)據連接過程如圖8 所示。

圖8 接口適配器工作流程

4.2 數(shù)據采集

數(shù)據采集過程是指打開通信連接后，調用相應配置數(shù)據讀取方法，取得原始檢測數(shù)據的過程。

4.3 數(shù)據封裝與發(fā)送

取得原始數(shù)據后，設備工作軟件會封裝當前采集的數(shù)據，形成內部信息包，并發(fā)送到數(shù)據解析引擎。使用標記對數(shù)據包中不同的數(shù)據進行區(qū)分，將附加封裝的其他數(shù)據作為唯一標記，從而將各類組織形式完全不同的數(shù)據封裝成相同格式的信息包。通過TCP 協(xié)議將數(shù)據提交到數(shù)據解析引擎后，調用相應解析方法對信息包逆向解析，采集解析過程如圖9 所示。采集模塊發(fā)送的原始數(shù)據經解析之后可得到最終結果，再通過系統(tǒng)終端呈現(xiàn)給檢測人員，以保障檢測工作的進行。

圖9 采集解析過程

4.4 數(shù)據解析引擎

數(shù)據解析引擎的核心部分是數(shù)據解析規(guī)則庫，深入分析設備和檢測項目，根據不同設備的工作特點、數(shù)據組織形式的輸出以及最終結果的存儲，編寫不同的處理規(guī)則，形成處理規(guī)則庫。規(guī)則庫中的解析規(guī)則見表4。

表4 三種解析規(guī)則

4.5 系統(tǒng)開發(fā)和實現(xiàn)

通過開發(fā)技術與合理的理論框架相結合，成功開發(fā)具備預定功能的系統(tǒng)，分為主程序、設備工作軟件以及數(shù)據解析引擎三部分，其相應的系統(tǒng)實現(xiàn)效果界面如圖10～圖12 所示。

圖10 采集系統(tǒng)主程序界面

圖11 自動黏度儀工作軟件界面

圖12 酸值滴定儀工作軟件界面

5 應用結果及結論

（1）針對實驗室油液分析檢測環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的因人為因素引起的高錯誤率、降低采集效率和保存數(shù)據困難等問題，提出一種數(shù)據自動采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括接口適配、數(shù)據采集以及數(shù)據解析等功能，對實驗室中的各類檢測設備進行適配接入，在無人工介入的條件下，檢測設備能夠完成數(shù)據分發(fā)存儲、分析處理、全自動采集流轉以及質量管控等功能。

（2）針對不同油液分析檢測設備的實驗標準與要求、檢測步驟等具體情況進行討論，分析和梳理數(shù)據采集的現(xiàn)狀，提出自動化數(shù)據采集接入的合理方案，實現(xiàn)不同類型檢測設備的數(shù)據采集。

（3）提出數(shù)據自動采集處理系統(tǒng)的軟件總體架構，分析核心部分的設備工作軟件的重要組成部分，具備完整的前期理論基礎，為后續(xù)整體開發(fā)提供依據。

（4）將采集系統(tǒng)與對應的方案應用于生產實際，實驗室檢測項目與設備全部實現(xiàn)自動化采集接入，成功避免因人為因素導致的錯誤問題，明顯降低綜合出錯率，同等人員設備的條件下，項目檢測量完成3～5 倍的提升，使得排樣與數(shù)據流轉時間大幅下降，工作效率得到有效提高。