摘要

針對巖石力學實驗存在數(shù)據(jù)處理依賴人工易出錯、數(shù)據(jù)管理復雜、實驗過程管控難、分析結(jié)果受人為因素影響等問題，開展巖石力學實驗室數(shù)字化建設(shè)研究。構(gòu)建三維一體的數(shù)字化實驗室系統(tǒng)功能架構(gòu)，涵蓋實驗設(shè)備數(shù)字化、實驗流程管理以及實驗室管理平臺建設(shè)等方面。通過對實驗裝備數(shù)字化改造、實驗流程平臺式固化，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程標準化、資源管理信息化、質(zhì)量管理科學化和業(yè)務(wù)數(shù)字化，提升實驗室工作效率、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”專題

第一作者：賀小凡，主要從事數(shù)字巖石力學的相關(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)字巖石力學相關(guān)技術(shù)的研究工作。E-mail：shixiaoshan2020@163.com

作者單位：煤炭科學研究總院有限公司深地科學院

引用格式：賀小凡，石曉閃，陳宇龍. 巖石力學實驗室數(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)字化實驗室建設(shè)通過自動化的實驗室科研設(shè)備和標準化實驗室流程，達到優(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實驗室，調(diào)研了國內(nèi)多個力學重點實驗室與數(shù)字化實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀，為巖石力學實驗室數(shù)字化智能化建設(shè)提供參考與借鑒。巖石力學數(shù)字化實驗室建設(shè)需滿足以下3方面需求，巖石力學實驗室的實驗條件如圖1所示。

圖1 巖石力學實驗室的實驗條件

（1）巖石力學實驗過程涉及數(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次單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)量超過100Gbit/s，需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一收集和管理。

（2）巖石力學實驗過程為多種設(shè)備配合，實驗條件涉及多場耦合，實驗過程復雜度較高，通過人為管理難度大。

（3）巖石力學實驗數(shù)據(jù)離散性較強，分析受人為因素影響較大，需要一套標準化分析流程，以獲取較為客觀的實驗結(jié)果。

巖石力學實驗室數(shù)字化建設(shè)圍繞研究需求，通過實驗裝備數(shù)字化改造、實驗流程平臺式固化，融合數(shù)字化技術(shù)手段與實驗室管理和業(yè)務(wù)流程，推動實驗室高質(zhì)量運轉(zhuǎn)，促進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)機構(gòu)。

巖石力學實驗室數(shù)字化建設(shè)架構(gòu)分析

以巖石力學實驗室數(shù)字化為核心，滿足巖石力學實驗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)字化實驗室范式。圍繞深地巖石力學實驗室實驗流程數(shù)字化專業(yè)需求，打造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的巖石力學實驗室數(shù)字化管理平臺；圍繞實驗室數(shù)字化環(huán)境，搭建、定制化管理系統(tǒng)開發(fā)、實驗裝備數(shù)字化改造和基礎(chǔ)配套設(shè)施數(shù)字化升級；開發(fā)實驗室作業(yè)環(huán)境數(shù)字化模塊、項目管理數(shù)字化模塊、研究過程數(shù)字化模塊以及材料倉儲數(shù)字化模塊。

分析巖石力學實驗室現(xiàn)狀，建設(shè)分為核心需求和宏觀需求2大類，其中，核心需求包括實驗設(shè)備數(shù)字化需求，實驗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 巖石力學實驗室實驗設(shè)備數(shù)字化

為建設(shè)數(shù)字化智能化的高標準巖石力學實驗室，確保實驗場所人身安全、環(huán)境安全、實驗檢測有序穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)實驗室系統(tǒng)的數(shù)字化管理與軟件正常運行。巖石力學實驗室數(shù)字化建設(shè)硬件支撐單元分為實驗材料儲運、實驗數(shù)據(jù)采集與實驗中控中心3部分，對應服務(wù)于實驗室功能區(qū)、實驗室神經(jīng)區(qū)與實驗室大腦區(qū)。

1.2 巖石力學實驗室實驗流程管理

巖石力學實驗軟件集成實驗流程管理單元，覆蓋科研實驗項目全周期流程控制軟件系統(tǒng)，面向?qū)嶒烅椖繀⑴c人與實驗對象的過程管理，由實驗準備流程管理、實施流程管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計3個模塊組成，是把控實驗項目全流程有效工具，具有較強的一致性與較好的聯(lián)動性，3個模塊之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與關(guān)聯(lián)配合，共同完成實驗流程管理與過程控制，實驗流程管理單元實施流程如圖2所示。

圖2 實驗流程管理單元實施流程

（1）實驗準備流程管理模塊

實驗準備流程管理模塊由材料入庫、材料制作與加工、材料存儲與材料運輸4個部分組成，管理與控制實驗材料在實驗室流轉(zhuǎn)全過程。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進行實驗材料出入庫登記、庫存快速盤點，便捷查詢實驗材料使用相關(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/條形碼識別、自動存儲、數(shù)據(jù)互通，實現(xiàn)數(shù)字化溯源管控，嚴格追蹤記錄樣品的接收、驗收、標識、制備、保存、傳遞、檢驗、進出庫等環(huán)節(jié)，使樣品在各環(huán)節(jié)質(zhì)量得到有效控制。

（2）實驗實施流程管理模塊

實驗實施流程管理模塊由實驗方案審批、實驗預約、實驗數(shù)據(jù)分析與實驗數(shù)據(jù)管理4個部分，實現(xiàn)從方案制定到實驗結(jié)果報告生成的全生命周期管理與控制。實驗方案審批與流程申請對接綜合辦公平臺，審批結(jié)果直接分發(fā)至實驗預約功能區(qū)。實驗預約提供內(nèi)部預約與外部開放預約接口，預約實驗室儀器設(shè)備上機時間段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)字化管理實現(xiàn)精準預約。實驗數(shù)據(jù)分析支持自動生成實驗數(shù)據(jù)原始記錄，并按照預設(shè)模板進行校驗，用戶可編輯自動生成的原始記錄。

（3）實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊

實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計是對實驗室已有數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計，包括實驗項目整體數(shù)據(jù)統(tǒng)計和不同實驗項目分類的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊以實驗室空間環(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現(xiàn)360°全景視界、全面感知。

實驗室管理平臺建設(shè)

以巖石力學實驗室數(shù)字化為核心，滿足巖石力學實驗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)實驗室統(tǒng)一管理平臺、私有云和數(shù)字孿生實驗室，打造成具有可推廣性的數(shù)字化實驗室模板。

（1）建成國家重點實驗室統(tǒng)一管理平臺

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

（2）私有云建設(shè)

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

（3）數(shù)字孿生實驗室構(gòu)建

實驗室數(shù)字孿生以現(xiàn)實數(shù)據(jù)與孿生實驗室三維模型集成融合為核心，通過在數(shù)字空間實時構(gòu)建物理對象的精準數(shù)字化映射，對實驗室的構(gòu)筑物、實驗室設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字化系統(tǒng)進行超精細三維數(shù)字化復原，構(gòu)建與現(xiàn)實實驗室相同的數(shù)字孿生實驗室，并對接實驗室設(shè)備數(shù)據(jù)、實驗成果數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)等多維實時動態(tài)數(shù)據(jù)，使數(shù)字實驗室里的設(shè)備情況、實驗情況、環(huán)境情況完全與現(xiàn)實實驗室同步。

總結(jié)

（1）開展巖石力學數(shù)字化實驗室建設(shè)的探索，構(gòu)建三維一體的數(shù)字化實驗室系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程標準化、資源管理信息化、質(zhì)量管理科學化和業(yè)務(wù)數(shù)字化，提高實驗室工作效率、能力和管理水平。

（2）構(gòu)建管理云平臺實現(xiàn)實驗室間數(shù)據(jù)和資源共享，滿足管理部門線上實時監(jiān)管和資源統(tǒng)籌決策需求，促進實驗室的長期發(fā)展。

（3）巖石力學實驗裝備數(shù)字化改造、實驗流程平臺式固化，融合數(shù)字化技術(shù)與實驗室管理和業(yè)務(wù)流程，推動實驗室高質(zhì)量運轉(zhuǎn)，形成數(shù)字資產(chǎn)，最終賦能研發(fā)機構(gòu)。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

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

主編：王國法院士

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