CN206058263U - 基于智能化数据采集的实验室管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于智能化数据采集的实验室管理系统，包括通过网络相互连接的管理终端、数据采集系统；数据采集系统包括主控端、至少一个采集设备、至少一个实验室设备，管理终端通过网络与主控端连接；主控端通过网络与至少一个采集设备连接；每个采集设备通过有线和/或无线的方式与一个实验室设备连接，采集设备用于采集实验室设备的数据。本实用新型通过构建基于智能化数据采集的实验室管理系统，规范了实验室过程管理和质量表格，实现人力资源、仪器设备管理的信息化支撑。通过试验数据采集功能，实现了实验室数据的统一存储和高级分析应用，提高了实验室整体的自动化水平和工作效率。

Description

基于智能化数据采集的实验室管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种实验室管理系统，尤其涉及一种基于智能化数据采集的实验室管理系统。

背景技术

面对日益增多的科研试验需求，简便、清晰、规范的实验室管理系统也应运而生。实验室的事务管理繁琐，涉及到的流程较多。各种科研及实验设备是实验是重要资源，设备的种类、地点、价钱、定购目标、保管人都要统一管理。

由于实验室的研究成果、项目过程资料、员工经验总结、企业标准规范、实验测试数据、业务管理数据等众多科研业务数据都分散在各个实验室的服务器和员工的个人电脑上，因此无法实现实验室科研数据的共享和利用及实验室数据资源的统一管理，使得数据安全、维护都处于失控状态，导致数据无法得到充分管控，容易引发安全问题。同时，缺乏跨专业领域的互惠，科研成果无法形成专业间的互相渗透和促进。

因此，现有的实验室管理系统无法满足实际需求。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种实验室管理系统，可以将两套测试系统中的数据进行统一采集、统一存储、统一管理、统一分析。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于智能化数据采集的实验室管理系统，包括通过网络相互连接的管理终端、数据采集系统；所述数据采集系统包括主控端、至少一个采集设备、至少一个实验室设备，所述管理终端通过网络与主控端连接；所述主控端通过网络与至少一个采集设备连接；每个采集设备通过有线和/或无线的方式与一个实验室设备连接，采集设备用于采集实验室设备的数据。

本实用新型中，管理终端设置有管理系统，一个主控端可以控制多个采集设备，主控端采用主控服务器，采集设备与主控端通过在线或离线的方式传递数据。主控端负责管理该实验室的所有采集设备，显示并保存这些采集设备采集到的数据，同时将采集到的实时数据或事后文件导入到管理终端，并将事后文件导入应用服务器或导出到主控端；主控端用于接收来自于管理终端的试验任务信息并将试验数据上传到管理终端。为了实现与管理系统的数据互通，数据采集系统必须与管理系统直接连接。

进一步地，所述实验室设备包括检测设备。

进一步地，所述检测设备包括但不限于电力实验室设备、继保测试仪、环境实验室设备、电磁兼容测试设备、RTDS系统、可编程交流电源、检定装置、计量自动化终端检查平台、电磁兼容测试设备、环境实验室设备、继保测试仪、互感器标准及检定装置、电能计量整体误差校验装置、电磁兼容测试设备。

进一步地，所述管理终端通过Intranet与主控端连接；所述主控端通过Intranet与至少一个采集设备连接。其中Intranet为内部网。

进一步地，所述管理终端由应用服务器、数据库服务器构成。

进一步地，所述管理系统利用Web Service与数据采集系统进行通信。通过设置Web Service，主控端通过Web Service查询当前管理系统中的试验任务。

进一步地，所述与采集设备通过有线的方式连接的实验室设备为串口设备、USB设备或串口服务器。通过将实验室设备设置为串口设备、USB设备或串口服务器，则采集设备可通过有线方式采集实验室设备的数据。

进一步地，所述与采集设备通过无线的方式连接的实验室设备为网络设备。将采集设备与实验室设备连接，采集设备可以通过网络对实验室设备中的数据进行采集。

进一步地，所述实验室设备之间相互独立。通过将实验室设备设置为相互独立，则如果某个实验室设备存在故障或有新的实验室设备接入系统，只影响到故障的实验室设备，或新的实验室设备无法完成采集任务，而不会影响到其他实验室设备的数据的正常采集。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

(1)通过构建基于智能化数据采集的实验室管理系统，规范了实验室相关管理规范和质量表格，实现人力资源、仪器设备的透明化管理。通过集成试验数据采集功能，消除了信息孤岛，实现了跨系统集成，提高了实验室整体的自动化水平和工作效率；

(2)通过将实验室管理结合CNAS结合，包括材料设备证、人员保证、方法保证、及工作预防措施等等，提供完善的CNAS体系支撑，可实现实验室管理的精细化、流程化，进而大大提高管理效益；

(3)通过实验室管理系统建设，将各实验室任务信息、试验数据信息等进行集中统一管控，避免原来各实验室之间相互咨询实验任务信息的需要，减少了各实验室的试验管理压力。同时，对集中后的资源可以综合利用各种成熟的管理技术，实现集约化管理，从而最大程度提高管理效益，降低管理成本；

(4)通过基于智能化数据采集的实验室管理系统建设研究，构建了满足行业试验检测业务特色的实验室资源管理体系，并基于此开发了实验室管理系统。该项目规范了实验室内部的资源和流程管理，提高了实验室人员的工作效率，并具备一定的数据决策功能，为行业试验检测业务的信息化道路提供了示范性作用。

附图说明

图1是本实用新型的实验室管理系统的组成结构示意图。

图中，1、管理终端，2、数据采集系统，21、主控端、22、采集设备，23、实验室设备，24、局域网

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于智能化数据采集的实验室管理系统，包括通过网络相互连接的管理终端1、数据采集系统2，管理终端1设置有管理系统，所述数据采集系统2包括主控端21、至少一个采集设备22、至少一个实验室设备23。所述管理终端(1)通过Intranet与主控端(21)连接；所述主控端(21)通过Intranet与至少一个采集设备22连接；每个采集设备22通过有线和/或无线的方式与一个实验室设备23连接，采集设备22用于采集实验室设备23的数据。实验室设备23包括检测设备。

一个主控端21可以控制多个采集设备22，每个采集设备22连接一个实验室设备23。

为了实现数据在线采集，数据采集系统2必须与数据源直接连接，为了实现与管理系统的数据互通，数据采集系统2必须与管理系统直接连接，因此数据采集系统2采用两级结构部署，即采集设备22、主控端21。

主控端21负责安装主控程序，同时负责与系统平台通过网络连接，主控端21即主控计算机，主控端21转发实验室管理系统下达的试验任务信息，并将采集设备22收集的数据上传给实验室管理系统，在主控端21上用户可以浏览、上传、导出该主控端21的试验数据。在一套数据采集系统2的部署过程中使用多少个主控端21取决于实验室基础网络的实际情况，原则上一个局域网24内部署一台主控端21即可。

采集设备22与实验室设备23连接，负责数据的采集工作。在采集设备22上安装采集程序与数据处理程序，同时通过局域网24与采集主控服务器连接，并通过网线或其它方式与测控系统计算机连接，处于对某些需要保护的测控系统计算机保护的考虑，部分采集设备22需要使用双网卡，采集设备22根据接收的试验项目从实验室设备23收集、保存、上传试验数据，在采集设备22上用户可以控制采集功能的启动、暂停、终止，可以对数据进行录入、分析、编辑。采集设备22与主控端21可通过在线或离线的方式传递数据。

实验室设备23通过有线和/或无线的方式与采集设备22连接。对于无法提供数据访问接口的实验室设备23，采集设备22还需要扩展一个监听程序，该程序需要与目标实验室设备23部署在同一台计算机上，用于监听实验室设备23在运行过程中产生的数据的变化。该程序是为特定的设备或系统定制开发的，当该设备无对外的API，只提供可同时读写的测量数据文件或操作文件时，监听程序通过监听这些数据文件和操作文件来采集数据，再通过底层网络通信来传输数据，当所有硬件设备或系统都提供对外的API时，监听程序可以不存在。实验室设备23之间相互独立，如果某个实验室设备23出现故障或有新的实验室设备23接入系统，只影响到故障的实验室设备23，或使得新的实验室设备23无法完成采集任务，而不会影响到其他实验室设备23的正常采集。

本实用新型的基于智能化数据采集的实验室管理系统采用集中式与分布式相结合的混合体系结构进行设计。管理系统采用JavaEE技术路线实现集团化集中式体系结构，使用实验室的中心机房资源或云平台资源部署，通过浏览器实现分布式访问；数据采集系采用.NET技术路线实现与实验室设备23紧密耦合的分布式体系结构，使用各实验室设备侧的PC机部署。

数据采集部分采用主从式结构，实现对多台设备的分布式采集能力，每个实验室将安装一个主控端21，主控端21为主控服务器，在主控端21安装主控程序，负责管理该实验室的所有采集设备22，采集设备22即为安装采集程序的PC，显示并保存这些采集设备22采集到的数据，同时通过Web Service将采集到的实时数据或事后文件导入到应用服务器中，并能通过Web Service将事后文件导入应用服务器或导出到主控端21；每个实验室用一台或多台采集设备22通过调用设备的API实现对实验室设备23的实时数据自动采集，如果有的实验室设备23不能直接接入，可在设备自带的系统中安装一个监控程序，用它来监听当前实验室设备23产生的数据文件，并将监听到的数据通过网络传输到采集程序。

在数据采集过程中，具体的数据传递步骤为：

(1)试验项目开始后，实验室管理系统将分解后的试验项目信息(如试验项目、设备、人员)下达到主控端21；

(2)主控端21将试验项目信息下达到采集设备22；

(3)试验人员控制采集设备22从实验室设备23中采集试验数据，并保存在采集设备22的数据库中；

(4)试验项目完成后，试验人员将该试验项目的数据上传到主控端21，保存在主控端21的数据库中；

(5)试验项目完成后，试验人员发出数据采集的指令；

(6)主控端21接到数据采集指令后，将试验项目数据上传到管理系统中。

数据采集的程序主要包括：采集程序、主控程序、监听程序、底层服务四部分。

(1)采集程序：采集程序负责从各种实验室设备23中采集数据，它主要通过各类设备的API来接入实验室设备23，实验室设备23的种类包括：网络设备、串口设备、USB设备、串口服务器以及第三方系统，通过对设备的接入，实现从设备或系统中实时采集与显示测量数据，实时采集与显示报警数据，并通过底层文件存储服务将采集的数据保存到本地，通过网络通信服务将测量数据，报警数据发送给主控程序。

(2)主控程序：负责通过网络来接收采集程序采集到的测量数据，报警数据，并通过曲线或列表的方式来显示这些数据，同时主控程序将接收到的采集数据保存为本地文件，将本地文件通过一定的规则进行组织管理，并提供数据文件的查询功能，主控程序通过调用应用服务器的Web Service函数来上传实时的测量数据与报警数据，并通过调用WebService函数来进行文件的导入和导出，并在导入、导出过程中对数据文件进行各种转换。

(3)监听程序：该程序是为特定的设备或系统定制开发的，当实验室设备23无对外的API，只提供可同时读写的测量数据文件或操作文件时，监听程序通过监听这些数据文件和操作文件来采集数据，再通过底层网络通信来传输数据，当所有硬件设备或系统都提供对外的API时，监听程序可以不存在。

(4)底层服务：主要在程序后台进行，实现本地数据与应用服务器进行交互的WebService服务；实现主控程序与采集程序和采集程序与网络设备之间交互的网络通信服务；实现实时数据入库和文件上传过程中部分数据进行转换的数据转换服务，以及实现把数据保存成文件的文件存储服务。

在数据采集过程中一共有三种类型的数据需要在管理终端1、采集设备22、实验室设备23之间传递，即试验任务数据、试验结果数据、采集指令数据。

采集程序通过API直接采集实验室设备23产生的测量数据和报警数据，或通过监听程序实时监听文件，从而来采集测量数据，再将采集到的数据通过网络发送给主控程序，主控将接收到的数据进行显示，存储并通过Web Service函数导入数据库。

实验室管理系统需要辅助用户自动填报试验报告中的试验结果数据，实验检测中心和实验室的领导也需要通过实验室管理系统浏览试验项目的结果数据，并对数据进行对比等操作。

试验数据的主要来源是：实验室设备23的测试系统中保存的试验数据、实验室设备23直接输出的试验数据、人工目测的试验数据，对这些类型的数据均需要能够做到自动采集。

采集数据的过程中尽量减少硬件资源的投入，在实验室现有硬件条件下实现数据采集。实验室的办公环境可以与科研院的办公网络连通，试验环境有些铺设了办公网络，有些只有局域网24，却无法与办公网络连通，有些则无网络环境，因此数据采集支持在线采集和离线采集两种方式。

在试验过程中大部分数据采集是对试验结果或试验结论数据进行采集，这部分数据的采集是非实时性的，用户在编辑试验报告时，按照试验报告的格式要求请求当次试验项目的数据，并由系统自动填写到数据表格中即可；另外还有一部分试验需要实时采集试验输出的数据。

集中化数据采集与设备测控是系统中的重要工作，也是对CNAS中关于实验室数据控制的基础支撑，是保证检测和校准数据有效性、完整性的重要技术手段。

实验室管理系统针对各实验室设备23的情况，提供基于设备驱动接口协议的设备采集、基于软件系统的系统接入和基于数据文件的转换服务等三种数据采集方法。数据采集采用分布式框架，可在一个实验室部署若干台采集设备22和一台主控端21，以满足本地化、高速度、大数据的数据采集需求和实验室本地数据管理需求。同时实验室的部分原始数据和试验/检测结果数据可通过数据总线自动提交汇总到科研院的试验数据中心，进行统一管理和应用。

实验室管理系统提供试验数据分析处理的工具，提供表达式计算、预处理算法、通用算法等多种处理方式实现对采集数据的整理分析。分析处理提供常用的算法包括预处理算法(偏置、插值、垂直移动、数据平滑、删除野点、重采样、数据截取等)、频谱分析、滤波分析、通用算法(峰峰值、积分、微分、RMS、包络线)、拟合、统计，直接对数据进行计算。

同时系统针对各类设备自动采集产生的非结构化数据与传统结构化数据组成的“Big Data”，提供新的数据关联管理技术，同时处理结构化和非结构数据，高效地管理大数据集，支持在规模巨大的数据中找到特定的数据。在此基础上系统可按相关标准规定进行数据计算和数据处理，并可自动生成试验报告。同时提供数据管理功能，用于试验数据的回放和试验过程的追溯。

管理终端1中的管理系统负责对各实验室任务全过程数据及相关信息的管理，进而实现对数据的进一步分析利用。系统中的数据包括结构化和非结构化数据两类(结构化数据，即行数据,存储在数据库里,可以用二维表结构来逻辑表达实现的数据；不方便用数据库二维逻辑表来表现的数据即称为非结构化数据,包括试验过程中各种格式的文档、报表\文本、图片、试验数据和音频/视频信息等等。系统对采集的数据进行统一管理，对数据文件可进行导入导出及转换，并可对数据进行可视化展示及试验报告的自动生成。

实时数据的自动采集由采集程序和主控程序联合实现，监听程序为辅助，事后文件的导入导出由主控程序实现；如果设备能进行自动采集，比如计量设备，电磁兼容设备等，需要主控程序、采集程序和监听程序联合使用；如果只需要进行数据文件的导入导出转换，则使用主控程序来实现。

对于实时数据采集，由采集设备22，即采集计算机从实验室设备23或监听程序采集数据，然后通过网络将采集到的数据发送给主控端21，即主控计算机，并由主控计算机调用应用服务器的Web Service函数实现数据实时入库。

对于事后文件的导入，将数据文件通过网络或第三方介质传输到主控计算机，由主控计算机调用应用服务器的Web Service函数实现数据文件的导入。

数据采集系统2采用分布式结构，由主控程序和采集程序组成，一个主控程序下可以管理多个采集程序，采集程序通过API直接采集设备22产生的测量数据和报警数据，或通过监听程序实时监听文件，从而来采集测量数据，再将采集到的数据通过网络发送给主控程序，主控将接收到的数据进行显示，存储并通过Web Service函数导入数据库。

(1)在主控程序设备树上右键，弹出右键菜单，选择“开始采集”命令，主控程序将开始采集命令通过点对点的方式将命令发送给对应的采集程序。

(2)采集程序接收到采集命令，界面作出相应的反映，并将采集命令转换成设备能识别的命令BUFFER，通过设备接入模块去访问对应的设备，以温度试验箱为例，设备接入模块将通过网络TCP协议进行设备连接，同时发送读取温度或则湿度的命令BUFFER给设备，设备会返回当前试验箱的温度或试验箱的湿度。

(3)采集程序获得温度或湿度以后在采集程序上进行各种显示，包括表格、曲线等形式，并将这些数据进行本地存储，同时将这些数据发送给主控程序。

(4)主控程序获得数据以后进行数据的实时显示、还可进行实时计算，主控程序通过调用Web Service函数实现数据批量入库。

在主控程序提供报警服务模块，该模块作为远程报警的主程序，主要负责通过与采集程序交互以接收、处理(包括联动)来自不同实验室设备23及系统的报警信息。程序启动后首先初始化程序运行中需要的参数，比如一些监听端口、数据库链接信息等。然后程序开出多个分支分别处理相应的请求信息，最主要的就是报警信息的处理。将从不同端口接收的来自不同类型的报警信息最终转换成一种统一的报警结构，存入报警信息链表，由报警处理线程不断对其进行处理。

(1)采集程序启动以后通过设备接入模块连接设备，并通过设备返回的连接对设备的运行状况进行实时监视。

(2)以某温度试验箱举例，采集程序的设备接入模块通过TCP协议循环给设备发送“报警状态”命令，设备将根据自己的当前状态作出相应的答复。

(3)如果采集程序获得报警信息，会将报警信息进行报警提示，同时通过点对点方式将报警信息发送给主控程序。

(4)主控程序收到报警信息以后进行报警提示与显示。

本实用新型全面支持CNAS质量管理体系，依据相关程序文件规定进行流程化支持，覆盖实验室资源管理、项目过程管理、机构内部质量管理等方面

(1)实验室资源保证涵盖了实验室的所有资源要素，用户可以全面管理实验室的各种资源，包括实现机构、设施环境、设备、人员、数据与软件、方法等类资源的集中管理与保证，并可基于已有数据，进行资源使用的统计分析。实验室资源保证与《检测和校准实验室能力认可准则》程序的覆盖对应表如下：

表1实验室资源保证覆盖的管理程序

(2)通过试验任务管理涵盖试验管理的全过程，对试验任务从项目立项、流程规划、任务执行、任务统计与监控的全周期进行详细管理。系统对试验任务既可按照《检测和校准实验室能力认可准则》程序完全覆盖认可检测类试验任务，同时还可支持在程序要求之外的科研项目的管理。认可检测类试验任务管理与认可程序的覆盖对应表如下：

表2试验任务管理覆盖的管理程序

(3)内部质量管理，指实验室的管理和技术体系遵循相关质量体系管理制度，确保本实验室管理体系有效运行，内部质量管理涵盖文档管理、质量问题处理和质量审核等几方面。内部质量反馈与《检测和校准实验室能力认可准则》程序的覆盖对应表如下：

表3内部质量反馈所覆盖的质量程序

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：包括通过网络相互连接的管理终端(1)、数据采集系统(2)；所述数据采集系统(2)包括主控端(21)、至少一个采集设备(22)、至少一个实验室设备(23)，所述管理终端(1)通过网络与主控端(21)连接；所述主控端(21)通过网络与至少一个采集设备(22)连接；每个采集设备(22)通过有线和/或无线的方式与一个实验室设备(23)连接，采集设备(22)用于采集实验室设备(23)的数据。

2.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述实验室设备(23)包括检测设备。

3.根据权利要求2所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述检测设备包括电力实验室设备、继保测试仪、环境实验室设备、电磁兼容测试设备、RTDS系统、可编程交流电源、检定装置、计量自动化终端检查平台、电磁兼容测试设备、环境实验室设备、继保测试仪、互感器标准及检定装置、电能计量整体误差校验装置、电磁兼容测试设备。

4.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述管理终端(1)通过Intranet与主控端(21)连接；所述主控端(21)通过Intranet与至少一个采集设备(22)连接。

5.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述管理终端(1)由应用服务器、数据库服务器构成。

6.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述管理终端(1)利用Web Service与数据采集系统(2)进行通信。

7.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述与采集设备(22)通过有线的方式连接的实验室设备(23)为串口设备、USB设备或串口服务器。

8.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述与采集设备(22)通过无线的方式连接的实验室设备(23)为网络设备。

9.根据权利要求1所述的基于智能化数据采集的实验室管理系统，其特征在于：所述实验室设备(23)之间相互独立。