摘要

針對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在數(shù)據(jù)處理依賴人工易出錯(cuò)、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)過程管控難、分析結(jié)果受人為因素影響等問題，開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)研究。構(gòu)建三維一體的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)功能架構(gòu)，涵蓋實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化、實(shí)驗(yàn)流程管理以及實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)等方面。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝備數(shù)字化改造、實(shí)驗(yàn)流程平臺(tái)式固化，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化、資源管理信息化、質(zhì)量管理科學(xué)化和業(yè)務(wù)數(shù)字化，提升實(shí)驗(yàn)室工作效率、能力和管理水平。

文章來源：《智能礦山》2025年第3期“數(shù)字巖石力學(xué)”專題

第一作者：賀小凡，主要從事數(shù)字巖石力學(xué)的相關(guān)研究工作。E-mail：hexiaofan_dingr@163.com

通訊作者：石曉閃，副研究員，主要從事數(shù)字巖石力學(xué)相關(guān)技術(shù)的研究工作。E-mail：shixiaoshan2020@163.com

作者單位：煤炭科學(xué)研究總院有限公司深地科學(xué)院

引用格式：賀小凡，石曉閃，陳宇龍. 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)與路徑[J].智能礦山，2025，6(3)：49-51.

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數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)通過自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)室科研設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室流程，達(dá)到優(yōu)化增效、降低成本、質(zhì)量控制的效果。為建設(shè)國際一流深部巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，調(diào)研了國內(nèi)多個(gè)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀，為巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化智能化建設(shè)提供參考與借鑒。巖石力學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需滿足以下3方面需求，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件如圖1所示。

圖1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件

（1）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程涉及數(shù)據(jù)類型多、設(shè)備種類多、數(shù)據(jù)體量大，尤其是新裝備新方法的加入，1次單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)量超過100Gbit/s，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集和管理。

（2）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程為多種設(shè)備配合，實(shí)驗(yàn)條件涉及多場耦合，實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜度較高，通過人為管理難度大。

（3）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較強(qiáng)，分析受人為因素影響較大，需要一套標(biāo)準(zhǔn)化分析流程，以獲取較為客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)圍繞研究需求，通過實(shí)驗(yàn)裝備數(shù)字化改造、實(shí)驗(yàn)流程平臺(tái)式固化，融合數(shù)字化技術(shù)手段與實(shí)驗(yàn)室管理和業(yè)務(wù)流程，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)科研成果的高效研發(fā)與落地，形成數(shù)字資產(chǎn)賦能研發(fā)機(jī)構(gòu)。

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)架構(gòu)分析

以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化為核心，滿足巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的日常工作和科研需求，以數(shù)字化與智能化為手段打造成安全、高效、可推廣的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室范式。圍繞深地巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)流程數(shù)字化專業(yè)需求，打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化管理平臺(tái)；圍繞實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化環(huán)境，搭建、定制化管理系統(tǒng)開發(fā)、實(shí)驗(yàn)裝備數(shù)字化改造和基礎(chǔ)配套設(shè)施數(shù)字化升級(jí)；開發(fā)實(shí)驗(yàn)室作業(yè)環(huán)境數(shù)字化模塊、項(xiàng)目管理數(shù)字化模塊、研究過程數(shù)字化模塊以及材料倉儲(chǔ)數(shù)字化模塊。

分析巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀，建設(shè)分為核心需求和宏觀需求2大類，其中，核心需求包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化需求，實(shí)驗(yàn)過程安全需求和研發(fā)基礎(chǔ)數(shù)字化需求；宏觀需求包括工作場所數(shù)字化管理需求和一體化管理需求。

1.1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化

為建設(shè)數(shù)字化智能化的高標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，確保實(shí)驗(yàn)場所人身安全、環(huán)境安全、實(shí)驗(yàn)檢測有序穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的數(shù)字化管理與軟件正常運(yùn)行。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)硬件支撐單元分為實(shí)驗(yàn)材料儲(chǔ)運(yùn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)中控中心3部分，對(duì)應(yīng)服務(wù)于實(shí)驗(yàn)室功能區(qū)、實(shí)驗(yàn)室神經(jīng)區(qū)與實(shí)驗(yàn)室大腦區(qū)。

1.2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)流程管理

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件集成實(shí)驗(yàn)流程管理單元，覆蓋科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全周期流程控制軟件系統(tǒng)，面向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目參與人與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的過程管理，由實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備流程管理、實(shí)施流程管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)3個(gè)模塊組成，是把控實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全流程有效工具，具有較強(qiáng)的一致性與較好的聯(lián)動(dòng)性，3個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與關(guān)聯(lián)配合，共同完成實(shí)驗(yàn)流程管理與過程控制，實(shí)驗(yàn)流程管理單元實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程管理單元實(shí)施流程

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備流程管理模塊

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備流程管理模塊由材料入庫、材料制作與加工、材料存儲(chǔ)與材料運(yùn)輸4個(gè)部分組成，管理與控制實(shí)驗(yàn)材料在實(shí)驗(yàn)室流轉(zhuǎn)全過程。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料出入庫登記、庫存快速盤點(diǎn)，便捷查詢實(shí)驗(yàn)材料使用相關(guān)歷史信息，具備材料庫存提醒、保質(zhì)期提醒等功能；支持利用二維碼/條形碼識(shí)別、自動(dòng)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化溯源管控，嚴(yán)格追蹤記錄樣品的接收、驗(yàn)收、標(biāo)識(shí)、制備、保存、傳遞、檢驗(yàn)、進(jìn)出庫等環(huán)節(jié)，使樣品在各環(huán)節(jié)質(zhì)量得到有效控制。

（2）實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程管理模塊

實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程管理模塊由實(shí)驗(yàn)方案審批、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理4個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)從方案制定到實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告生成的全生命周期管理與控制。實(shí)驗(yàn)方案審批與流程申請(qǐng)對(duì)接綜合辦公平臺(tái)，審批結(jié)果直接分發(fā)至實(shí)驗(yàn)預(yù)約功能區(qū)。實(shí)驗(yàn)預(yù)約提供內(nèi)部預(yù)約與外部開放預(yù)約接口，預(yù)約實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備上機(jī)時(shí)間段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)字化管理實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)約。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析支持自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)原始記錄，并按照預(yù)設(shè)模板進(jìn)行校驗(yàn)，用戶可編輯自動(dòng)生成的原始記錄。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是對(duì)實(shí)驗(yàn)室已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分類的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊以實(shí)驗(yàn)室空間環(huán)境、建筑、設(shè)備等組成的數(shù)字三維空間為底座，融合高精度BIM信息模型，借助三維虛擬仿真實(shí)現(xiàn)360°全景視界、全面感知。

實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)

以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化為核心，滿足巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室日常工作和科研需求，以數(shù)字化與智能化為手段，建設(shè)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理平臺(tái)、私有云和數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室，打造成具有可推廣性的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室模板。

（1）建成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理平臺(tái)

以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室新基建為契機(jī)，初步建成統(tǒng)一管理平臺(tái)，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等多種技術(shù)，科學(xué)、有效、實(shí)時(shí)的全方位數(shù)字管控實(shí)驗(yàn)室；基于IPD思想，以流程自定義為核心，打通從項(xiàng)目規(guī)劃到需求分析再到實(shí)驗(yàn)的全流程；收集科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，逐步形成寶貴的知識(shí)數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

（2）私有云建設(shè)

構(gòu)建私有云提供對(duì)數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制；基于對(duì)高度虛擬化、高度資源共享要求實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化，包括網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化和桌面虛擬化；虛擬桌面基于云計(jì)算的桌面服務(wù)，快速構(gòu)建桌面辦公環(huán)境；實(shí)驗(yàn)中存在運(yùn)算數(shù)值模擬、圖像處理和深度學(xué)習(xí)相關(guān)程序和算法，采購高性能計(jì)算設(shè)備通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行算力支撐。

（3）數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)室數(shù)字孿生以現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)與孿生實(shí)驗(yàn)室三維模型集成融合為核心，通過在數(shù)字空間實(shí)時(shí)構(gòu)建物理對(duì)象的精準(zhǔn)數(shù)字化映射，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)筑物、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行超精細(xì)三維數(shù)字化復(fù)原，構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室相同的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室，并對(duì)接實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)成果數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)等多維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，使數(shù)字實(shí)驗(yàn)室里的設(shè)備情況、實(shí)驗(yàn)情況、環(huán)境情況完全與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室同步。

總結(jié)

（1）開展巖石力學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索，構(gòu)建三維一體的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化、資源管理信息化、質(zhì)量管理科學(xué)化和業(yè)務(wù)數(shù)字化，提高實(shí)驗(yàn)室工作效率、能力和管理水平。

（2）構(gòu)建管理云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)和資源共享，滿足管理部門線上實(shí)時(shí)監(jiān)管和資源統(tǒng)籌決策需求，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的長期發(fā)展。

（3）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備數(shù)字化改造、實(shí)驗(yàn)流程平臺(tái)式固化，融合數(shù)字化技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室管理和業(yè)務(wù)流程，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)，形成數(shù)字資產(chǎn)，最終賦能研發(fā)機(jī)構(gòu)。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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