数字岩石力学专题┃岩石力学实验室数字化管理系统建设架构与路径（煤科总院深地科学院）

2025年04月21日 15:34 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

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摘要

针对岩石力学实验存在数据处理依赖人工易出错、数据管理复杂、实验过程管控难、分析结果受人为因素影响等问题，开展岩石力学实验室数字化建设研究。构建三维一体的数字化实验室系统功能架构，涵盖实验设备数字化、实验流程管理以及实验室管理平台建设等方面。通过对实验装备数字化改造、实验流程平台式固化，实现业务流程标准化、资源管理信息化、质量管理科学化和业务数字化，提升实验室工作效率、能力和管理水平。

文章来源：《智能矿山》2025年第3期“数字岩石力学”专题

第一作者：贺小凡，主要从事数字岩石力学的相关研究工作。E-mail：hexiaofan_dingr@163.com

通讯作者：石晓闪，副研究员，主要从事数字岩石力学相关技术的研究工作。E-mail：shixiaoshan2020@163.com

作者单位：煤炭科学研究总院有限公司深地科学院

引用格式：贺小凡，石晓闪，陈宇龙. 岩石力学实验室数字化管理系统建设架构与路径[J].智能矿山，2025，6(3)：49-51.

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数字化实验室建设通过自动化的实验室科研设备和标准化实验室流程，达到优化增效、降低成本、质量控制的效果。为建设国际一流深部岩石力学实验室，调研了国内多个力学重点实验室与数字化实验室的发展现状，为岩石力学实验室数字化智能化建设提供参考与借鉴。岩石力学数字化实验室建设需满足以下3方面需求，岩石力学实验室的实验条件如图1所示。

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图1 岩石力学实验室的实验条件

（1）岩石力学实验过程涉及数据类型多、设备种类多、数据体量大，尤其是新装备新方法的加入，1次单轴压缩试验数据量超过100Gbit/s，需要对数据进行统一收集和管理。

（2）岩石力学实验过程为多种设备配合，实验条件涉及多场耦合，实验过程复杂度较高，通过人为管理难度大。

（3）岩石力学实验数据离散性较强，分析受人为因素影响较大，需要一套标准化分析流程，以获取较为客观的实验结果。

岩石力学实验室数字化建设围绕研究需求，通过实验装备数字化改造、实验流程平台式固化，融合数字化技术手段与实验室管理和业务流程，推动实验室高质量运转，促进科研成果的高效研发与落地，形成数字资产赋能研发机构。

岩石力学实验室数字化建设架构分析

以岩石力学实验室数字化为核心，满足岩石力学实验室的日常工作和科研需求，以数字化与智能化为手段打造成安全、高效、可推广的数字化实验室范式。围绕深地岩石力学实验室实验流程数字化专业需求，打造具有自主知识产权的岩石力学实验室数字化管理平台；围绕实验室数字化环境，搭建、定制化管理系统开发、实验装备数字化改造和基础配套设施数字化升级；开发实验室作业环境数字化模块、项目管理数字化模块、研究过程数字化模块以及材料仓储数字化模块。

分析岩石力学实验室现状，建设分为核心需求和宏观需求2大类，其中，核心需求包括实验设备数字化需求，实验过程安全需求和研发基础数字化需求；宏观需求包括工作场所数字化管理需求和一体化管理需求。

1.1 岩石力学实验室实验设备数字化

为建设数字化智能化的高标准岩石力学实验室，确保实验场所人身安全、环境安全、实验检测有序稳定运转，实现实验室系统的数字化管理与软件正常运行。岩石力学实验室数字化建设硬件支撑单元分为实验材料储运、实验数据采集与实验中控中心3部分，对应服务于实验室功能区、实验室神经区与实验室大脑区。

1.2 岩石力学实验室实验流程管理

岩石力学实验软件集成实验流程管理单元，覆盖科研实验项目全周期流程控制软件系统，面向实验项目参与人与实验对象的过程管理，由实验准备流程管理、实施流程管理与数据统计3个模块组成，是把控实验项目全流程有效工具，具有较强的一致性与较好的联动性，3个模块之间实现数据传输与关联配合，共同完成实验流程管理与过程控制，实验流程管理单元实施流程如图2所示。

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图2 实验流程管理单元实施流程

（1）实验准备流程管理模块

实验准备流程管理模块由材料入库、材料制作与加工、材料存储与材料运输4个部分组成，管理与控制实验材料在实验室流转全过程。借助物联网技术，进行实验材料出入库登记、库存快速盘点，便捷查询实验材料使用相关历史信息，具备材料库存提醒、保质期提醒等功能；支持利用二维码/条形码识别、自动存储、数据互通，实现数字化溯源管控，严格追踪记录样品的接收、验收、标识、制备、保存、传递、检验、进出库等环节，使样品在各环节质量得到有效控制。

（2）实验实施流程管理模块

实验实施流程管理模块由实验方案审批、实验预约、实验数据分析与实验数据管理4个部分，实现从方案制定到实验结果报告生成的全生命周期管理与控制。实验方案审批与流程申请对接综合办公平台，审批结果直接分发至实验预约功能区。实验预约提供内部预约与外部开放预约接口，预约实验室仪器设备上机时间段，结合物联网技术数字化管理实现精准预约。实验数据分析支持自动生成实验数据原始记录，并按照预设模板进行校验，用户可编辑自动生成的原始记录。

（3）实验数据统计模块

实验数据统计是对实验室已有数据进行分类统计，包括实验项目整体数据统计和不同实验项目分类的数据统计。实验数据统计模块以实验室空间环境、建筑、设备等组成的数字三维空间为底座，融合高精度BIM信息模型，借助三维虚拟仿真实现360°全景视界、全面感知。

实验室管理平台建设

以岩石力学实验室数字化为核心，满足岩石力学实验室日常工作和科研需求，以数字化与智能化为手段，建设实验室统一管理平台、私有云和数字孪生实验室，打造成具有可推广性的数字化实验室模板。

（1）建成国家重点实验室统一管理平台

以岩石力学实验室新基建为契机，初步建成统一管理平台，利用互联网、物联网、数据存储、数据分析等多种技术，科学、有效、实时的全方位数字管控实验室；基于IPD思想，以流程自定义为核心，打通从项目规划到需求分析再到实验的全流程；收集科研实验数据，逐步形成宝贵的知识数据资产。

（2）私有云建设

构建私有云提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制；基于对高度虚拟化、高度资源共享要求实现服务器虚拟化，包括网络虚拟化、存储虚拟化和桌面虚拟化；虚拟桌面基于云计算的桌面服务，快速构建桌面办公环境；实验中存在运算数值模拟、图像处理和深度学习相关程序和算法，采购高性能计算设备通过虚拟化技术进行算力支撑。

（3）数字孪生实验室构建

实验室数字孪生以现实数据与孪生实验室三维模型集成融合为核心，通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化映射，对实验室的构筑物、实验室设备、基础设施、数字化系统进行超精细三维数字化复原，构建与现实实验室相同的数字孪生实验室，并对接实验室设备数据、实验成果数据、物联感知数据等多维实时动态数据，使数字实验室里的设备情况、实验情况、环境情况完全与现实实验室同步。

总结

（1）开展岩石力学数字化实验室建设的探索，构建三维一体的数字化实验室系统架构，实现业务流程标准化、资源管理信息化、质量管理科学化和业务数字化，提高实验室工作效率、能力和管理水平。

（2）构建管理云平台实现实验室间数据和资源共享，满足管理部门线上实时监管和资源统筹决策需求，促进实验室的长期发展。

（3）岩石力学实验装备数字化改造、实验流程平台式固化，融合数字化技术与实验室管理和业务流程，推动实验室高质量运转，形成数字资产，最终赋能研发机构。

END

编辑丨李莎

审核丨赵瑞