智慧实验室建设思路探究
引言
我国进入新时代，面临百年未有之大变局。为应对国际国内新形势，实现“两个一百年”奋斗目标，国家明确提出将科技创新摆在国家发展全局的核心位置，强调要坚持走中国特色自主创新道路，实施创新驱动发展战略。实验室作为科技创新的源泉，是科学研究不可或缺的工具，是确保高质量发展的重要抓手。国家高度重视高水平实验室建设，并将实验室建设纳入国家发展规划。截至2020年9月，我国共有国家重点实验室257个，分布在九个学科领域。截至2019年底，全国境内（不含港澳台）检验检测机构达四万余家，实验室建设取得显著成就。目前，实验室存在信息化程度低、开放共享不充分、高耗能等问题，已经无法满足新发展阶段科技创新需求。新一代信息技术的不断涌现与广泛应用，为构建新型智慧实验室提供了技术手段，智慧实验室建设方兴未艾。
1、智慧实验室基本内涵
佰富彩welcome建设智慧实验室必须明确智慧实验室的含义，但什么是智慧实验室？笔者查阅大量文献，未发现明确的定义。智慧的本意是聪明才智，是生命所具有的基于生理和心理器官的一种高级创造思维能力，包含对自然与人文的感知、记忆、理解、分析、判断、升华等所有能力。智慧一词随着2008年IBM公司提出的智慧地球理念逐步走红，随后出现智慧城市、智慧社区、智慧工厂、智慧家居、智慧餐厅，甚至出现智慧厕所。什么是智慧实验室？笔者认为应当从IBM提出的智慧地球的本意出发，结合智慧的中文含义，说明智慧实验室的内涵。IBM公司提出的智慧地球有三大要素，分别是物联化、互联化、智能化（Instrumentation，Interconnectedness，Intelligence），即3I，实质就是指把新一代的IT、互联网技术充分运用到各行各业，把感应器嵌入、装备到全球的医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道，通过互联网形成物联网，而后通过超级计算机和云计算，使得人类以更加精细、动态的方式工作和生活，从而在世界范围内提升智慧水平[1]。因此，智慧实验室的基本内涵可以概括为综合利用传感技术、控制技术以及互联网技术、大数据技术、人工智能技术、自动控制技术、机器人技术等先进技术和网络及计算机开发工具，构建在一定程度上能够感知实验室人员心理、语言或行为诉求并自动实现这些诉求的现代化实验室。
- 智慧实验室特点
基于对智慧实验室内涵的分析，智慧实验室应当具备以下特点。2.1 自动感知能力智慧实验室能够将实验室人员、设备、样件、环境等要素信息化，并能感知人员、设备、样件、环境等的状态。例如：通过装配温度传感器、压力传感器、湿度传感器等测量环境信息，通过射频识别技术（RFID）或二维码识别器感知设备及样件状态[2-3]，通过高清识别器感知人员面部状态等。
佰富彩welcome2.2 信息收集分析能力智慧实验室能够收集、存储感知系统收集的各类数据，并借助一定算法将数据转化为实验室人员的心理、语言或行为诉求。例如：收集实验室不同种类仪器设备的使用次数和开机时间，通过对设备使用次数和开机时间的统计，进行仪器设备的合理化配置。
2.3 自动实现诉求能力智慧实验室能够将代表实验室人员诉求的信息转变成控制信息，并通过控制系统（如步进电机、继电器、机器手、显示器等）自动实现实验室人员的诉求，进而逐步优化对人员、设备、样件、环境等要素的管理。例如：实验室某研究人员经常将实验室内工作温度设定为25℃，那么只要此人来到实验室，系统会自动通过网络将控制信号传递至温度控制系统，将实验室内温度调整至25℃；实验人员运用多种方法进行某项实验，系统能够通过实验结果得出一定规律并自动给出实验参考方案。
3、智慧实验室构成系统及常用技术
3.1 构成系统智慧实验室除具备一般实验室所必需的建筑物、设施设备外，还具备五类重要系统，即管理系统、感知系统、信息传输系统、信息处理系统、执行系统。智慧实验室构成系统原理见图1。
3.1.1 管理系统管理系统主要实现实验室人员、设备、样品、方法、环境、能耗等的信息化管理，如建立人员安全培训、知识体系和权限管理，仪器设备验收、保养、计量、维修、报废全生命周期管理，实验方法的确认、验证、更新提醒等。
3.1.2 感知系统感知系统主要包括门禁系统、人脸识别系统、红外感知系统（如红外跟踪系统）、环境传感系统（温度传感系统、湿度传感系统、压力传感器、光线传感器等）、设备状态感知系统（如设备参数采集系统）、样件状态表征系统。
3.1.3 信息传输系统信息传输系统通过数据采集器、有线网络、无线传输技术（4G、5G、红外等）等将物联网感知信息传输到各类计算机服务器。
佰富彩welcome3.1.4 信息处理系统通过大数据、人工智能、区块链、仿真技术等先进技术编制具备自学习、自适应的处理系统软件，对互联网传递来的物联感知数据进行识别、判断，将处理后的控制信号通过网络系统传递到物联网终端，通过控制终端进行相应操作。3.1.5 执行系统执行系统主要是将服务器发出的控制信息通过网络系统传递给各类需要动作的设备，如室内压力的新风阀门或排风阀门、门禁系统开关、窗帘控制步进电机等。有的感知系统和执行系统集成为一体。
佰富彩welcome3.2 常用技术智慧实验室建设常用技术主要包括智能传感器技术、网络与计算机技术、智能和大数据技术、自动控制与机器人技术、网络安全技术等。
3.2.1 智能传感器技术智能传感器是指具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储功能的多元件集成电路，是集成传感芯片、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。智能传感器是实现智慧实验室的基础，是确定实验室人员诉求、实验室环境参数、样件位置及方法正确与否的关键技术，常用传感器包括光传感器、电传感器、磁传感器、热传感器、声传感器、机械传感器等。目前主要传感器类型及被测量信息见图2。
佰富彩welcome3.2.2 网络与计算机技术网络技术主要实现数据传输功能，相当于人的神经系统，目前主要包括有线网络技术和无线网络技术，5G技术就是最典型的无线网络技术。计算机是处理各类数据的主角，随着量子计算机、生物计算机的发展，计算速度更快更精准。
3.2.3 智能和大数据技术智能计算技术逐步具备人的逻辑思维能力，必将成为智慧实验室的关键技术。大数据技术可以及时收集实验室相关人员、物品、环境信息，如实验室人员的偏好、某厂家原材料特点等，实现数据的有效积累和存储，为智能计算提供数据支撑。
3.2.4 自动控制与机器人技术自动控制与机器人技术是最终实现实验室人员诉求的执行机构，如自动控制系统实现实验室内空气的置换、温湿度的调节，机器人在一定范围内配送耗材、转移试样等。
3.2.5 网络安全技术实验室数据是实验室核心能力和关键技术的体现，通过网络技术实现数据共享，消灭空间距离，但也存在一定的安全风险，必须采用网络安全技术进行物理隔离，实现内外有别、轻重有别，做到分级管理，防止外部人员的恶意侵入破坏或窃取数据。
4、构建智慧实验室建议
基于以上对智慧实验室基本内涵、特点、构成系统和常用技术的分析，可以得出智慧实验室能够实现实验室全要素运行的信息化、基础数据的数字化、实验室管理的智能化，进而为实验室科学管理提供决策支撑。建设智慧实验室可以从以下几个方面着力。
4.1 完善建设标准和评价体系智慧实验室功能需求千差万别，但一般都是由管理系统、感知系统、信息传输系统、信息处理系统、执行系统的全部或部分组成，如果没有统一的标准，很难实现各系统之间、不同实验室之间的适配性，特别是涉及传感器接口、数据存储等多领域协作的部分。因此，必须加快制定智慧实验室建设标准佰富彩welcome，明确智慧实验室的内涵、基本功能和基本框架，明确数据格式、智能设备及传感器接口标准，建立科学的智慧实验室评价体系，即实验室智慧程度的评价标准，有助于加速推进智慧实验室的产品开发和推广普及。
4.2 加快关键智能传感器研发智能传感器是获取实验室数据的基础，是实现实验室运行由人员管理转向信息化智慧管理的关键技术。杨斌等人[4]提出：随着新一代信息技术的发展，新一代传感器应具有零功耗、无线按需连接、多维信息集成、网络协议与集成化、适应多种特殊环境等特征。我国目前使用的先进传感器大部分依赖进口，传感器领域的技术水平已与欧美等国家形成差距，成为“卡脖子”技术难题。推进传感器等关键领域基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用已被写入“十四五”规划纲要[5]，为加快传感器核心技术研究和产业应用提供有力保障。
佰富彩welcome4.3 注重数据挖掘和价值实现先进传感器技术解决了数据采集问题，大数据和云计算可以实现海量数据的存储和快速运算，随着数据存储和计算成本的不断降低，数据挖掘成为体现数据价值的关键步骤。数据挖掘是对大量的、粗糙的、不清晰的数据进行处理，挖掘出隐蔽在数据当中的一些事先不为人知的、但是有意义的知识及信息的过程[6]。除需要数据挖掘师的专业算法和理论外，实验室用户对于数据的合理判断也是实现数据价值的重要环节。首先要明确具有统计价值的数据，同时注重对历史规律进行总结，在此基础上提出发展趋势的科学假设，打通数据采集和数据挖掘之间的通道，提升数据挖掘效率。
4.4 强化论证，分步实施效益是实验室建设的最终目的。在建设智慧实验室之前应当强化论证，考虑投入与产出效益问题，量力而行，坚决杜绝赶时髦、摆花架子。全国各类实验室协会、学会等社会团体组织是促进实验室建设和技术发展的重要力量，各社会团体组织应当重视智慧实验室发展的内需动力和产生的行业牵引，在所在行业、地区范围内深入调查研究，提出智慧实验室发展需求和建议措施，有序有力推动智慧实验室发展。
5、结语
“十四五”规划纲要提出，加快推动数字产业化，构建基于5G的应用场景和产业生态，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧医疗等重点领域开展试点示范[5]。可见智慧已经成为未来发展的方向。智慧实验室能够极大程度解放实验室人员的繁重劳动，既有利于为科研人员减负，激发创新活力，又能实现实验室的安全、绿色、共享，是贯彻新发展理念的重要举措。必须正确理解智慧的深刻内涵，从国家层面把握智慧实验室发展方向，制定智慧实验发展目标，可以在自动化程度高、危险性大的实验室先行试点，掌握智慧实验室建设规律，逐步推进智慧实验室发展和应用。
佰富彩welcome*《智慧实验室建设思路探究》
作者：中国特种设备检测研究院(宫兆合刘心悦王亚雄王维霞)
