摘要

針對巖石力學實驗存在數據處理依賴人工易出錯、數據管理復雜、實驗過程管控難、分析結果受人為因素影響等問題，開展巖石力學實驗室數字化建設研究。構建三維一體的數字化實驗室系統(tǒng)功能架構，涵蓋實驗設備數字化、實驗流程管理以及實驗室管理平臺建設等方面。通過對實驗裝備數字化改造、實驗流程平臺式固化，實現(xiàn)業(yè)務流程標準化、資源管理信息化、質量管理科學化和業(yè)務數字化，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“數字巖石力學”專題

第一作者：賀小凡，主要從事數字巖石力學的相關研究工作。E-mail：hexiaofan_dingr@163.com

通訊作者：石曉閃，副研究員，主要從事數字巖石力學相關技術的研究工作。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. 巖石力學實驗室數字化管理系統(tǒng)建設架構與路徑[J].智能礦山，2025，6(3)：49-51.

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數字化實驗室建設通過自動化的實驗室科研設備和標準化實驗室流程，達到優(yōu)化增效、降低成本、質量控制的效果。為建設國際一流深部巖石力學實驗室，調研了國內多個力學重點實驗室與數字化實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀，為巖石力學實驗室數字化智能化建設提供參考與借鑒。巖石力學數字化實驗室建設需滿足以下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據類型多、設備種類多、數據體量大，尤其是新裝備新方法的加入，1次單軸壓縮試驗數據量超過100Gbit/s，需要對數據進行統(tǒng)一收集和管理。

（2）巖石力學實驗過程為多種設備配合，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）巖石力學實驗數據離散性較強，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果。

巖石力學實驗室數字化建設圍繞研究需求，通過實驗裝備數字化改造、實驗流程平臺式固化，融合數字化技術手段與實驗室管理和業(yè)務流程，推動實驗室高質量運轉，促進科研成果的高效研發(fā)與落地，形成數字資產賦能研發(fā)機構。

巖石力學實驗室數字化建設架構分析

以巖石力學實驗室數字化為核心，滿足巖石力學實驗室的日常工作和科研需求，以數字化與智能化為手段打造成安全、高效、可推廣的數字化實驗室范式。圍繞深地巖石力學實驗室實驗流程數字化專業(yè)需求，打造具有自主知識產權的巖石力學實驗室數字化管理平臺；圍繞實驗室數字化環(huán)境，搭建、定制化管理系統(tǒng)開發(fā)、實驗裝備數字化改造和基礎配套設施數字化升級；開發(fā)實驗室作業(yè)環(huán)境數字化模塊、項目管理數字化模塊、研究過程數字化模塊以及材料倉儲數字化模塊。

分析巖石力學實驗室現(xiàn)狀，建設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備數字化需求，實驗過程安全需求和研發(fā)基礎數字化需求；宏觀需求包括工作場所數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備數字化

為建設數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，實現(xiàn)實驗室系統(tǒng)的數字化管理與軟件正常運行。巖石力學實驗室數字化建設硬件支撐單元分為實驗材料儲運、實驗數據采集與實驗中控中心3部分，對應服務于實驗室功能區(qū)、實驗室神經區(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)，面向實驗項目參與人與實驗對象的過程管理，由實驗準備流程管理、實施流程管理與數據統(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)數據傳輸與關聯(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全過程。借助物聯(lián)網技術，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歷史信息，具備材料庫存提醒、保質期提醒等功能；支持利用二維碼/條形碼識別、自動存儲、數據互通，實現(xiàn)數字化溯源管控，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、實驗數據分析與實驗數據管理4個部分，實現(xiàn)從方案制定到實驗結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，審批結果直接分發(fā)至實驗預約功能區(qū)。實驗預約提供內部預約與外部開放預約接口，預約實驗室儀器設備上機時間段，結合物聯(lián)網技術數字化管理實現(xiàn)精準預約。實驗數據分析支持自動生成實驗數據原始記錄，并按照預設模板進行校驗，用戶可編輯自動生成的原始記錄。

（3）實驗數據統(tǒng)計模塊

實驗數據統(tǒng)計是對實驗室已有數據進行分類統(tǒng)計，包括實驗項目整體數據統(tǒng)計和不同實驗項目分類的數據統(tǒng)計。實驗數據統(tǒng)計模塊以實驗室空間環(huán)境、建筑、設備等組成的數字三維空間為底座，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

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

（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、物聯(lián)網、數據存儲、數據分析等多種技術，科學、有效、實時的全方位數字管控實驗室；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；收集科研實驗數據，逐步形成寶貴的知識數據資產。

（2）私有云建設

構建私有云提供對數據、安全性和服務質量的最有效控制；基于對高度虛擬化、高度資源共享要求實現(xiàn)服務器虛擬化，包括網絡虛擬化、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，快速構建桌面辦公環(huán)境；實驗中存在運算數值模擬、圖像處理和深度學習相關程序和算法，采購高性能計算設備通過虛擬化技術進行算力支撐。

（3）數字孿生實驗室構建

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

總結

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

（2）構建管理云平臺實現(xiàn)實驗室間數據和資源共享，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字化改造、實驗流程平臺式固化，融合數字化技術與實驗室管理和業(yè)務流程，推動實驗室高質量運轉，形成數字資產，最終賦能研發(fā)機構。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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