摘要:本文探讨数字化技术在实验室业务管理过程中的应用，提出了数字化应用的目标和功能需求，对实验室业务管理的以下几个方面进行了研究:过程资源的数字化管理、业务运营的数字化、质量管理及实验数据的数字化，系统地阐述实验室业务管理数字化建设的具体内容，结合泛亚实验室的实际应用，为实验室业务管理特别是汽车实验领域的数字化建设提供参考。
关键词:实验室管理;数字化;汽车实验;系统应用
0引言
近年来，数字化发展日益完善，计算机技术、现代通信技术、网络互联技术、大数据分析处理技术、物联网技术等日趋成熟，为业务数字化的发展和应用提供了坚实的技术理论基础。汽车行业是我国的支柱行业，我国汽车的保有量呈现持续快速增长的情况，截止2019年底，我国的汽车保有量为2.6亿辆。同时汽车的发展越来越向电动化、智能化、网联化、共享化的方向发展，在此背景下如何不断提高汽车实验过程的效率和质量，是汽车行业实验室面临的重大课题。汽车的实验贯穿于汽车产品设计开发的全过程，具有时间跨度长、涉及区域广、过程环节多的特点。一个全新项目的测试与开发，涉及零部件关键实验5000多项，系统级实验200多项，以及整车级实验600多项。其完整的实验一般时间跨度为36个月，期间涉及到多个实验区域，如各实验室、试车场、耐候性实验基地等，涉及几万个零部件测试样本，近千个整车及系统实验样本，整个过程需要各产业环节的通力合作，覆盖零部件供应商、产品开发部门、实验认证部门、质量部门、制造部及物流运输部门等。这个过程对实验要素的管理、业务运营、质量管理和数据分析都提出了巨大的挑战，如何应用数字化、智能化的技术，建设实验综合管理系统，显得尤为重要，对进一步优化汽车产品开发的过程具有重要意义。
1实验室业务管理数字化的目标
泛亚实验室隶属于泛亚汽车技术中心有限公司，承担着整车产品开发过程中的各种测试需求，其测试能力涵盖整车、系统和关键零部件。实验室先后建成众多全球领先的汽车实验设施设备，如整车热力学风洞、车辆安全实验室、振动噪声实验室、材料实验室、排放实验室、整车性能实验室、动力总成实验室、底盘运动与动力学参数测量实验室、结构实验室、电子电器实验室、新能源实验室等十一大类实验室，并具有目前国内规模最大、功能最全的综合性专业汽车试车场———广德试车场。泛亚实验室已通过CNASISO/IEC17025资质认可，近年来不断探索实验业务管理的数字化建设，提出建设“实验综合管理系统”，进一步提升实验室的管理水平，实现如下目标:1)建立实验要素资源的集成管理，应用物联网等技术实现设备、场地设施、测试样件和车辆等汽车实验各要素数据的远程低时延采集、安全加密及实时高速传输;2)建立实验室的运营平台，实现数字化运营能力，践行全过程的数字化质量管理，实现实验的自动化，实现测试与评价过程的安全、准确、高效、低成本运营;3)构建汽车实验大数据平台，探索大数据云计算的整体解决方案，实现多类型数据处理分析模型，开发从数据采集到价值输出的大数据闭环应用平台，利用大数据移动互联方式实现实验全过程的覆盖。
2实验室业务管理数字化的功能需求
实验室进行业务数字化的创新实践，建设“实验综合管理系统”，需具备以下功能:测试各要素数据的远程低时延采集、实时高速传输、测试样件及车辆的智慧物流和精确追溯、自动化的测试评估过程、测试数据的自动处理、业务运营管理的智能化、多用户全场景的终端APP应用等，其所需的主要功能参见图1实验综合管理系统功能需求图。以上功能的实现需要充分分析具体业务过程，结合现有的软硬件资源情况，推进相关领域的建设，具体为:运用物联网技术对现有设备进行相关改造，加装采集通讯模块实现数据的采集和传输;扩充现有网络以融合设备、车辆等测试信息的接入和传输需求;建立大数据应用分析中心，引入人工智能等数据模型算法，支持测试数据的分析;建立业务运营平台，实现业务过程的数字化，构建全过程的数字化，实现测试样件、设备设施、质量管理的数字化等。
3实验室业务管理数字化的功能实现
基于业务管理数字化的目标和需求分析，泛亚实验室建设了“实验综合管理系统”，此系统的建设，实现了如下系统功能。
3.1过程资源的数字化管理。汽车实验过程中涉及的过程资源主要为:实验设备、实验人员和测试样件。过程资源数字化所需解决的主要问题为:资源信息数据的获取、传输，资源状态与业务过程的结合交互，过程资源的质量符合性等。为此我们分别构建了设备智能网、测试样件追溯系统、人员培训授权模块。设备智能网是设备硬件联网和软件集成的平台，其利用了物联网IoT及边缘计算等技术，具备设备不断扩充的联网能力。设备智能网络采用有线、无线相结合的通讯方式，以有线方式为主，通过分布式物联网平台(中间机)，进行数据采集、缓存、处理和提报。实验室本地网络通过中间机连接到设备智能网络，中间机布置在靠近工控机的位置，便于网络布线。中间机和工控机之间通过屏蔽网线连接。中间机与数采模块间通过串口线连接。现场设备监控数据通过分布式物联网平台即中间机及其中安装的系统组件进行采集，其系统框架图如图2所示。通过该网络可实现设备健康信息、设备运行状态信息(待机、占位、运行、故障)、实验状态信息(实验过程参数、实验进度参数、样件失效信息)等信息的实时采集传输，通过软件平台的数据集成分析，可以实时展示设备的健康状态、实验过程状态，推送设备故障信息、实验失效信息等。测试样件是实验过程中重要载体，实验数据的产生都是基于一定状态的测试样件，对于汽车的产品开发，会经历不同的开发阶段，每个阶段测试样件的状态(包括硬件和软件)都可能发生变化。数字化管理就是要在每个实验过程中准确地记录其测试样件的状态，并且可以实现和实验任务单的自动链接，通过一体化物流系统拉动所需的测试样件，提高实验过程的效率。为此，我们搭建了一体化测试样件物流仓储平台，提升物流仓储运营效率;引入标识解析技术，建立测试样件唯一识别码，在实验过程及翻修试制过程通过扫描识别和更新样件的信息，实现样件使用全过程信息化，测试样件流转及使用历史可追溯。测试样件标签示意图见图3。人员管理重点关注人员能力与实验规范的匹配，实施指定规范的人员授权制度，只有经过相应能力培训的实验人员才可以进行授权，授权后人员的信息与规范的信息之间绑定，以确保后续过程的质量符合性。按照ISO/IEC17025的要求，每个规范都设置有对应的规范负责人和技术负责人，其对应的资质根据培训情况和CNAS授权签字人统一设定，避免后续业务执行过程中的人员资质问题，其后续的实验执行和报告签署等业务都与授权人员之间一一对应。
3.2实验业务运营的数字化。实验业务运营分为任务委托、分析任务、样品接收、实验执行、过程审核、结果等环节。实验任务的委托用户遍布公司各部门，其所需求的委托任务各有不同，实验室作为委托任务的执行方，涉及到不同区域。业务运营的数字化就是要使不同区域的需求者及各个实验执行方都能按照统一的流程，方便快捷的提交和执行实验任务。为此，泛亚实验室统一梳理了实验业务流，使其能满足不同委托客户要求，符合不同实验执行区域的业务特征;同时关注流程的完整性，管理要素的完善性，形成实验业务运营的闭环管理。详见图4实验业务运营过程图。实验业务运营平台面向全域管理，实现过程精益，确保质量受控，体现综合效率，为新产品的研发提供参考和比对的依据。平台的建设使实验业务实现100%流程化、规范化、标准化、文档化。平台通过自身功能的建设及与公司其它系统间的接口管理，实现根据项目开发认证计划自动生成委托任务;自动分析系统内置实验模型安排委托任务;实现样品扫码校验功能，保证实验对象的准确性及可追溯性;实现实验执行全过程记录系统化;实现实验过程记录的线上确认及审核;实现实验报告审核电子签名功能。所有业务流转都设置了实时邮件提醒，节省线下沟通交流时间，所有实验相关的业务可在一个平台上完成，充分体现实验业务运营管理综合化、数字化。
3.3过程质量的数字化管理。实验室按照ISO/IEC17025的体系要求，建立了完整的实验室管理体系，在进行数字化应用时，首先实现体系文件的管理数字化，将文件的、审批、修订、查看等功能实现系统化操作，系统设有专门的页面展示体系文件，可实现关键词搜索、导航检索、文件清单导出等功能，大大地优化了文件管理的过程，可确保文件的有效性。对于质量活动的管理，如质量监督、能力验证、内外部审核、管理评审等，同样可以进行系统化操作，发起人在系统中发起相应的活动后，系统会自动通知到对应人员，涉及人员只要按照系统要求进行操作即可完成相应的活动实施，系统的操作大大方便和简化了质量活动的开展，并能保证质量活动的有效性。过程质量数字化的另外一个重要的应用是业务指标的监控。业务数字化的建设，使得我们拥有了大量的过程数据，通过对过程数据的提取和分析，我们可以清晰地了解各区域的业务执行情况。我们在系统中设置的KPI看板，如实验完成准时率、实验报告提交准时率、人员负荷率、设备负荷率等业务指标，系统实现了业务指标自动更新，实时展示和历史数据导出等功能，极大地方便了过程质量的管理工作。
3.4实验数据的数字化管理。汽车实验过程中会产生海量的实验数据，如何采集、存储和使用这些数据，是数字化应用实践需考虑的问题。为此我们建设了数据分析应用平台，它分为数据采集层，存储层，分析层，服务层和应用层，平台利用大数据分析技术，并结合机器学习技术、产品分析技术等数据分析技术去解决实际业务问题。由于数据来源多样化，数据采集层需支持30多种不同数据格式，并可解析多种不同的硬件接口。为了深度挖掘多维数据，平台应用层可结合多种机器学习，深度学习算法，并结合相关业务领域的实际知识，以实现相关决策的智能推荐与推测。同时，为了保证数据应用的方便和高效，平台增设了60多种数据可视化模块，涵盖包含振动噪声，碰撞，道路实验等在内的众多领域。为进一步满足实验人员在线分析的需求，数据分析应用平台采用了Encom数据传输协议，可实现长度为百万的数据通道，毫秒级别的数据传输。此外，为了实现对数据的深度全文本检索，平台使用Elasticsearch，通过解析原始数据，为数据元信息建立索引。
4实验室业务管理数字化的实践效果
实验室业务管理数字化的应用实践给泛亚实验室带来了切实的好处，实验综合管理系统建成三年来，过程资源得到充分共享，运营的效率和质量均得到明显提升，其效果主要体现在如下几个方面:1)实验业务管理的一体化:系统的建设实现了业务操作的一体化、人员管理的一体化及设备管理的一体化。满足了不同用户的多样性需求，有效地切合了泛亚实验室多地域(上海、广德、黑河、吐鲁番)、多功能区域(安全、NVH、结构、电子电器、新能源等十一大类实验室)的业务场景需求;2)实验室管理要求与业务过程的深度融合:泛亚实验室多年来按照ISO/IEC17025的要求建立了完备的管理体系，在业务数字化的过程中，我们将管理体系与业务过程进行了深度融合，如实验排程前将实验任务与人员的资质授权进行检查，避免实验分配至无资质人员，实验的计划开始和计划结束时间前都有系统提醒，实验任务的延误均会进行管理升级，确保了实验的执行效果，可以根据实验任务自动生成报告提交任务并设定提交时间要求，避免了报告的遗漏和延误等;3)实验业务运营水平和资源利用率提升:系统的建成使用，实现了业务运营状态的实时监控，业务运营指标的自动生成，对于推进运营状态的持续优化起到了很好的作用。基于设备智能网，我们实现了设备状态的远程实时监控，从监控页面，我们同时可以监控现场设备的视频信息及实时运行参数，目前涉及182台重点设备，涵盖上海、安徽广德及武汉和烟台基地。业务运营及设备状态的实时监控、未来预测等功能，对于优化资源的配置和提升资源使用效率发挥了积极的作用;4)数据的深度挖掘应用:实验过程中的各种原始数据进行了结构化之后，可以和历史数据结合分析，结合机器学习等数据挖掘算法，能够极大地提升数据应用的能力，最大化数据的价值。同时利用数据自动从设备及传感器上的导入及在线分析功能，可以实现实验报告的自动生成，大幅提高数据分析处理的效率。
5结语
泛亚实验室在业务管理数字化方面进行了有益的探索，建设完成了“实验综合管理系统”，通过三年多的运行，系统运行可靠，实现了实验要素资源的集成管理，业务运营的一体化，大数据的分析应用。系统的使用极大地提升了业务运营的质量和效率，最大化人力、设备等资源的共享使用，能够有效地监控实验过程的运行，为实验室的发展提供有效的参考信息。该系统的建设顺应了业务数字化发展的战略需求，可有效应对未来智能化与网联化汽车产品的测试发展需求，并显著提高汽车产品开发的效率与质量。
作者:蔡勇 倪素萍 许海峰 单位:泛亚汽车技术中心有限公司
