基于云平臺的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀檢測管理系統(tǒng)

趙五明，張欣欣，翟 炯，張 雪，孫欽東

基金項目論文

基于云平臺的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀檢測管理系統(tǒng)

趙五明1，張欣欣1，翟 炯1，張 雪2，孫欽東2

(1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 1000132；西安理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀平臺檢測管理系統(tǒng)是對全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀及其檢測工作相關(guān)信息進(jìn)行管理的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)檢測工作的自動流轉(zhuǎn)和檢測結(jié)果共享，提高檢測效率。本文研究與實現(xiàn)的基于云平臺的全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀檢測管理系統(tǒng)，是針對食品安全檢驗的一款全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的管理系統(tǒng)。本文主要介紹了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要功能，并對系統(tǒng)各功能的模塊和實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)描述。

全自動化學(xué)免疫分析儀；食品安全檢測；Highcharts圖表

1 前言

近年來，由于各種食品安全事故的頻發(fā)和曝光，對人們的健康和社會發(fā)展造成了嚴(yán)重的危害,食品安全已成為人們關(guān)注的焦點問題之一[1,2]。化學(xué)發(fā)光免疫分析（chemiluminescence immunoassay，CLIA），是繼酶免分析、放免分析、熒光免疫分析和時間分辨熒光免疫分析之后發(fā)展起來的一項最新免疫測定技術(shù)[3]，將具有高靈敏度的化學(xué)發(fā)光測定技術(shù)與高特異性的免疫反應(yīng)相結(jié)合[4]，用于環(huán)境化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)化學(xué)等領(lǐng)域，具有寬線性范圍，操作便捷，高精度和高靈敏度的特性[5]。為食品安全檢測領(lǐng)域提供一套高靈敏度、高檢測范圍、能免除人為干擾因素的全自動化、高效、快速檢測系統(tǒng)。

但是，隨著檢驗項目大量增加，對檢驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和報出時間的要求越來越嚴(yán)格，數(shù)據(jù)處理量急速增加，對儀器的維護(hù)響應(yīng)周期要求也越來越短，原來的人工管理模式在這種形式下已顯得不太適應(yīng)，使用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成檢驗流程的自動流轉(zhuǎn)、檢驗數(shù)據(jù)的自動采集、分析、處理以及儀器遠(yuǎn)程維護(hù)的管理需求應(yīng)運而生。

目前，有許多針對這類問題的實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）。實驗室信息管理系統(tǒng)是一類針對實驗室的硬件和軟件的自動化分析和管理的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)不僅能夠快速查看關(guān)于實驗室物品的信息，還可用于實驗業(yè)務(wù)流程控制的管理[6]。但現(xiàn)有的實驗室信息管理系統(tǒng)大多功能較為單一，主要集中在樣品管理，資源管理，事務(wù)管理，數(shù)據(jù)管理，報表管理等方面[7]，缺少對檢測的其他必要條件的管理，如檢測儀器的狀態(tài)監(jiān)測等[8]，且應(yīng)用客戶面較窄，大多是面向?qū)嶒炇夜ぷ魅藛T。但是由于食品安全檢測項目參數(shù)和檢測方法的專業(yè)性較強(qiáng)，其他部門單位很難參與其中，如食品生產(chǎn)企業(yè)很難全面了解和掌握，企業(yè)在面對有關(guān)檢測問題的時候常常無所適從，檢測需求與實驗室之間的快速對接十分困難。政府監(jiān)管部門也難以根據(jù)檢測結(jié)果對食品安全的具體問題進(jìn)行分析和監(jiān)管。

本文中提出的基于云平臺的全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀檢測管理系統(tǒng)就是針對全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的全方位管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過RPC接口和全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)對全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀及其檢測樣品、檢測過程、檢測結(jié)果等的控制和管理。

和現(xiàn)有的化學(xué)發(fā)光分析儀監(jiān)測管理系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)功能更加全面，針對檢測實驗的所有相關(guān)資源，包括檢測儀器，檢測樣品，檢測計劃，檢測項目等進(jìn)行全面的分布式集中管理，實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的存儲、處理，并能實時、動態(tài)地顯示處理結(jié)果，所有的結(jié)果都可以保存或打印，該系統(tǒng)面向的用戶包括，分析測試機(jī)構(gòu)、食品生產(chǎn)企業(yè)、政府監(jiān)管部門、儀器生產(chǎn)企業(yè)等，系統(tǒng)借助科學(xué)的實驗室管理理念和計算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立方便、快捷的檢測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)檢測工作流的自動流轉(zhuǎn)、檢測結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)化共享以及儀器遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，并且可以為有關(guān)部門實施控制措施提供決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要分為三個部分，如圖1所示。

（1）通信層：實現(xiàn)本系統(tǒng)與全自動化學(xué)免疫分析儀的上位機(jī)系統(tǒng)軟件的信息交互。交互信息包括四個內(nèi)容：第一，系統(tǒng)添加檢驗計劃，將檢驗計劃信息發(fā)送給上位機(jī)軟件，上位機(jī)根據(jù)接收到的檢驗信息自動進(jìn)行檢驗；第二，上位機(jī)軟件系統(tǒng)獲取各所在儀器的通信狀態(tài)，發(fā)送給該系統(tǒng)，系統(tǒng)獲取所有儀器的通信狀態(tài)信息后在頁面顯示，方便儀器生產(chǎn)機(jī)構(gòu)用戶查看，以及檢測人員添加檢測計劃或檢測項目時選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ帕己玫膬x器。第三，當(dāng)檢測儀器發(fā)生故障時，該儀器的系統(tǒng)軟件獲取儀器的故障信息，包括儀器編號、故障現(xiàn)象、故障原因等，并將這些信息發(fā)送給本系統(tǒng)，系統(tǒng)獲取故障信息后在相應(yīng)頁面顯示，以實現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程維護(hù)功能。第四，當(dāng)檢測結(jié)束后，上位機(jī)軟件將檢測結(jié)果信息發(fā)送給本系統(tǒng)，獲取檢測結(jié)果后進(jìn)行統(tǒng)計分析，將分析結(jié)果以數(shù)據(jù)表和折線圖或柱形圖的形式顯示在相應(yīng)頁面，以供查看。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 general structure of system

（2）數(shù)據(jù)庫層：實現(xiàn)各管理功能的數(shù)據(jù)存儲和各功能之間的數(shù)據(jù)交互。儀器管理模塊和樣品管理模塊為檢驗計劃和檢測項目提供檢測儀器和檢測樣品信息，檢驗計劃管理和檢測項目管理通過每個檢測樣品和檢測儀器的唯一ID獲取指定的樣品和儀器信息，添加到檢驗計劃信息和檢測項目信息中；檢測結(jié)果管理的報表根據(jù)檢測項目管理和檢測樣品管理獲取檢測項目和檢測樣品的分類，對檢測結(jié)果進(jìn)行不同條件的篩選和統(tǒng)計分析。

（3）應(yīng)用層：實現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能供用戶使用。分為管理員應(yīng)用和用戶應(yīng)用兩方面。用戶應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的四類用戶的不同管理內(nèi)容分為三個部分，分別是樣品管理、儀器管理和檢測管理。樣品管理部分實現(xiàn)樣品的入庫出庫的信息記錄，詳細(xì)記錄每個樣品的單位、數(shù)量、所在區(qū)域、所在機(jī)構(gòu)、出入庫時間和操作員，以便于分析測試機(jī)構(gòu)和食品生產(chǎn)企業(yè)對檢測樣品的管理和使用。儀器管理部分實現(xiàn)檢測儀器即全自動化學(xué)免疫分析儀的分布、狀態(tài)、使用和遠(yuǎn)程維護(hù)等信息的記錄，以便于分析檢測人員對儀器更方便的使用，以及儀器生產(chǎn)企業(yè)對儀器的管理和維護(hù)。檢測管理部分包括檢驗計劃、檢測項目、檢測結(jié)果的管理。分析測試機(jī)構(gòu)的檢測人員可以添加檢驗計劃和檢測項目，下發(fā)到上位機(jī)儀器上進(jìn)行檢測，檢測完成后獲取檢測結(jié)果，并且對檢測結(jié)果進(jìn)行合格率的統(tǒng)計分析，食品生產(chǎn)企業(yè)和政府監(jiān)管部門可以按照時間、區(qū)域、檢測機(jī)構(gòu)、檢測樣品等不同條件，查看相應(yīng)的檢測結(jié)果報表和圖表，并打印檢測結(jié)果報表。

管理員應(yīng)用主要有數(shù)據(jù)庫管理、用戶管理和日志管理。系統(tǒng)的管理員可以通過系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫管理功能對數(shù)據(jù)庫存儲實現(xiàn)備份和恢復(fù)，防止數(shù)據(jù)丟失。管理員可以通過系統(tǒng)的用戶管理功能對系統(tǒng)用戶進(jìn)行增添，修改，刪除等操作，并將系統(tǒng)用戶分類，各類用戶擁有不同的權(quán)限，可以使用權(quán)限內(nèi)的系統(tǒng)功能和查看權(quán)限內(nèi)的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)會自動記錄上述所有用戶對系統(tǒng)的操作，生成系統(tǒng)日志，用戶手動更該數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等難以恢復(fù)數(shù)據(jù)的操作均有詳細(xì)的日志記錄，以備被破壞后能追蹤和修復(fù)，管理員可以對日志進(jìn)行查詢查看、定期備份或清理。

3 功能實現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)使用symfony框架，symfony是一個基于MVC模式的面向?qū)ο蟮腜HP5框架，設(shè)計用來幫助并加速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)，symfony提高了代碼的抽象級別，使用它能夠快速地用輕量化、高性能的代碼實現(xiàn)復(fù)雜的功能[9]，適用于大型的復(fù)雜的企業(yè)級應(yīng)用。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過對系統(tǒng)需求和功能的詳細(xì)分析，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，包括儀器信息表和儀器使用以及遠(yuǎn)程維護(hù)信息表、樣本信息表和樣本出庫信息表、檢驗計劃表、檢測項目表、日志信息表、用戶信息表、機(jī)構(gòu)信息表、檢測結(jié)果表。各個表中的字段、數(shù)據(jù)類型等應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用中的系統(tǒng)功能進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

本系統(tǒng)的界面使用了jQuery EasyUI框架，EasyUI是一種基于jQuery的用戶界面插件集合。為創(chuàng)建現(xiàn)代化，互動，JavaScript應(yīng)用程序，提供必要的功能。EasyUI提供了大多數(shù)UI控件的使用，如：accordion，combobox，menu，dialog，tabs，validatebox，datagrid，window，tree等等。其功能強(qiáng)大的dialog數(shù)據(jù)表格控件，非常適合管理數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)使用，方便又美觀。

不同類型的用戶登錄系統(tǒng)之后，系統(tǒng)根據(jù)用戶權(quán)限顯示該用戶權(quán)限內(nèi)可操作的數(shù)據(jù)，并限制用戶對非權(quán)限內(nèi)功能的使用。方便用戶查看本機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，并且限制非法登錄、非法操作和非法獲取數(shù)據(jù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息安全防護(hù)。

系統(tǒng)的檢驗計劃管理實現(xiàn)了數(shù)據(jù)導(dǎo)入和數(shù)據(jù)導(dǎo)出的功能，可以將檢驗計劃信息的Excel表格直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，并顯示在檢驗計劃管理的頁面上，或者將系統(tǒng)中的檢驗計劃管理信息導(dǎo)出為Excel表格。系統(tǒng)的檢驗計劃管理、檢測樣品管理、檢測結(jié)果管理的各頁面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)打印功能，可直接打印系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果報表。

3.1通信功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)與上位機(jī)軟件交互信息，使用RPC（Remote Procedure Call Protocol）接口，即遠(yuǎn)程過程調(diào)用。本系統(tǒng)和上位機(jī)軟件之間可以互相調(diào)用對方的接口來發(fā)送或獲取信息。RPC的協(xié)議有很多，如最早的CORBA，Java RMI，Web Service的RPC風(fēng)格，Hessian，Thrift等。由于上位機(jī)軟件和本系統(tǒng)使用的語言不同，因此本系統(tǒng)采用的是Thrift框架。

Thrift是Facebook開源的RPC框架，通過IDL中間語言, 并借助代碼生成引擎生成各種主流語言的RPC框架服務(wù)端/客戶端代碼。Thrift可以支持多種程序語言，例如:C++，C#，Cocoa，Erlang，Haskell，Java，Ocami，Perl，PHP，Python，Ruby，Smalltalk等。在多種不同的語言之間通信Thrift可以作為二進(jìn)制的高性能的通訊中間件，支持?jǐn)?shù)據(jù)或?qū)ο笮蛄谢投喾N類型的RPC服務(wù)[10]。Thrift適用于程序?qū)Τ绦蜢o態(tài)的數(shù)據(jù)交換，需要先確定好他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他是完全靜態(tài)化的，當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，必須重新編輯IDL文件，代碼生成，再編譯載入的流程，跟其他IDL工具相比較可以視為是Thrift的弱項，Thrift適用于搭建大型數(shù)據(jù)交換及存儲的通用工具，對于大型系統(tǒng)中的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸相對于JSON和xml無論在性能、傳輸大小上有明顯的優(yōu)勢。

3.2儀器管理可視化的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的區(qū)域節(jié)點儀器管理嵌入了百度地圖，在百度地圖上實現(xiàn)將各個儀器根據(jù)其所在區(qū)域的省市縣地址在地圖上相應(yīng)的位置標(biāo)注出來，使管理人員對各區(qū)域節(jié)點的儀器分布和數(shù)量一目了然，實現(xiàn)儀器管理的可視化。同時本系統(tǒng)增強(qiáng)了用戶與地圖的交互，用戶可以在地圖上點擊隨意地點，實現(xiàn)對該地點的儀器信息的查詢，在地圖右邊的表格顯示出所查詢地點的儀器的相關(guān)信息，包括儀器名稱、所在區(qū)域、所在機(jī)構(gòu)、儀器數(shù)量和通信狀態(tài)。這樣，用戶需要按照儀器所在區(qū)域查詢儀器信息時就無需在查詢功能的輸入框內(nèi)輸入地名，而是直接在地圖上點擊相應(yīng)的地點即可。如此簡化了用戶的查詢操作。系統(tǒng)區(qū)域節(jié)點儀器管理頁面如圖2所示。

百度地圖提供的JavaScript API是一套由JavaScript語言編寫的應(yīng)用程序接口，可在網(wǎng)站中構(gòu)建功能豐富、交互性強(qiáng)的地圖應(yīng)用，包含了構(gòu)建地圖基本功能的各種接口，提供了諸如本地搜索、路線規(guī)劃等數(shù)據(jù)服務(wù)。支持PC端和移動端基于瀏覽器的地圖應(yīng)用開發(fā)，且支持HTML5特性的地圖開發(fā)。該套API免費對外開放[11]。

3.3檢測結(jié)果可視化的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的檢測結(jié)果管理功能，接收上位機(jī)軟件發(fā)來的檢測結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)用戶的選擇，篩選不同選擇條件下的檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出檢測結(jié)果的合格率。同時，使用Highcharts圖表庫根據(jù)檢測結(jié)果合格率數(shù)據(jù)自動生成柱形圖和折線圖，顯示在相應(yīng)報表的下方，實現(xiàn)檢測結(jié)果合格率的可視化，用戶可直觀看到檢測結(jié)果合格率的對比情況和趨勢走勢。圖3所示為檢測結(jié)果的季度報表頁面，即檢測結(jié)果按季度統(tǒng)計分析其合格率生成報表和圖表。

Highcharts是一個用純JavaScript編寫的一個圖表庫，能夠根據(jù)提供的數(shù)據(jù)簡單便捷的在web網(wǎng)站或是web應(yīng)用程序添加有交互性的圖表，并且可以從服務(wù)器載入動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表繪制。和其他圖表庫相比，Highcharts非常輕量且配置簡單，能夠更加快速方便地生成圖表[12]，而且Highcharts完全開源和免費，且擁有豐富全面的文檔，使用起來非常簡單方便。缺點是比起其他圖表庫圖表類型較少，但足以滿足本系統(tǒng)柱形圖和折線圖的要求。

圖2 區(qū)域節(jié)點儀器管理頁面Fig.2 Regional nodes instrument management page

圖3 季度報表頁面Fig.3 Quarterly reports page

4 與其他同類系統(tǒng)功能對比

Galaxy LIMS和惠檢LIMS是目前市場上較為常用的兩種實驗室信息管理系統(tǒng)。Galaxy LIMS是基于Galaxy平臺擴(kuò)展了樣本跟蹤功能和實現(xiàn)多種類報告的一個實驗室信息管理系統(tǒng)。它擁有非常完整而詳細(xì)的實驗過程管理的功能，適合實驗室專業(yè)人員使用，其特點是應(yīng)用下一代測序技術(shù)實現(xiàn)基因組測序的功能[13]。惠檢LIMS是使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息管理技術(shù)的實驗室信息化解決方案，系統(tǒng)針對實驗室的整體業(yè)務(wù)而設(shè)計，除了樣品、儀器、實驗過程的管理外，還有文件報告管理、人員培訓(xùn)管理等實驗過程外的管理功能，適用于第三方檢測中心、企事業(yè)檢測中心等機(jī)構(gòu)。相比以上兩個實驗室信息管理系統(tǒng)，本文提出的系統(tǒng)中的各項管理功能更加全面，如樣品管理的出入庫信息管理并打印，區(qū)域儀器節(jié)點分布可視化和實驗結(jié)果統(tǒng)計分析的可視化等，系統(tǒng)不但適用于實驗室操作人員，同時適用于儀器生產(chǎn)廠家和政府監(jiān)管部門等機(jī)構(gòu)。

表1 與其他系統(tǒng)功能對比Tab.1 Compared with other system functions

5 總結(jié)

本文提出了一套基于Web的針對全自動化學(xué)免疫分析儀的綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用基于MVC的Symfony框架和MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了對對全自動化學(xué)免疫分析實驗的所有相關(guān)資源，包括檢測儀器、檢測樣品、檢測過程的綜合管理，使用百度地圖實現(xiàn)了區(qū)域儀器節(jié)點管理的可視化，使用基于Thrift的RPC接口實現(xiàn)了信息的即時交互通信，使用Highcharts實現(xiàn)了檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析和可視化。該系統(tǒng)不但適用于分析測試機(jī)構(gòu)，還適用于食品生產(chǎn)企業(yè)、政府監(jiān)管部門、儀器生產(chǎn)企業(yè)等多類用戶，具有應(yīng)用面廣，功能全面，實時性，可視化的特性，能夠極大地提高全自動化學(xué)免疫分析儀的使用效率，從而提高食品安全檢測的工作效率，增強(qiáng)食品安全的監(jiān)測和管理。

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Research and Implementation of Chemiluminescence Immunoassay Test Management System Based on Cloud Platform

ZHAO Wu-ming1, ZHANG Xin-xin1, ZHAI Jiong1, ZHANG Xue2, SUN Qin-dong2
(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. School of Computer Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Automated chemiluminescence immunoassay platform detection and management system is a system of automatic chemiluminescence immunoassay analyzer and its detection work and it’s related information, through which the test results could be shared and the detection efficiency could be improved. In this paper, the automatic detection system based on cloud platform is a management system of automatic chemiluminescence immunoassay analyzer for food safety inspection. This paper introduces the overall structure and main functions of the system, and introduces the design and implementation of the automatic chemiluminescence immunoassay analyzer. The modules and the realization of each function of the system are described in detail.

Automated chemiluminescence immunoassay analyzer; Food safety testing; Highcharts

TP311

: A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.001

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ140371)，陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項目(17JF019)

趙五明(1978年-)，女，助理研究員，電子政務(wù)。

本文著錄格式：趙五明，張欣欣，翟炯，等. 基于云平臺的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀檢測管理系統(tǒng)[J]. 軟件，2017，38（2）：01-05