石油地質類實驗室管理系統開發

江日念，許 錕，竇文思，林 霞

（中國石油勘探開發研究院計算機應用技術研究所，北京100083）

0 引 言

中國石油勘探開發研究院（RIPED）是中國石油天然氣集團公司（CNPC）面向全球石油天然氣勘探開發的綜合性研究機構，包括北京院區、廊坊院區、西北分院和杭州地質研究院，業務領域涵蓋油氣勘探、油氣田開發、油氣井工程、信息化與標準化、新能源勘探開發、技術培訓與研究生教育等。研究院擁有提高采收率國家重點實驗室、頁巖氣國家能源頁巖氣研發（實驗）中心和國家能源CO2驅油與埋存技術研發（實驗）中心等3個國家級重點實驗室，以及16個公司級重點實驗室和眾多儀器設備。重點實驗室已由建設階段轉為運行階段，日常的管理人員不足，管理工作量大，需要研發一套能夠滿足研究院實驗室業務需求的實驗室信息管理系統（LIMS［1-3］）。系統能夠以實驗室為中心，將實驗室業務流程、環境、人員、儀器設備、標物標液、化學試劑、標準方法、圖書資料、文件記錄結合起來，采用先進的計算機技術和標準化的實驗室管理思想，組成一個全面、規范的管理體系，以支撐實驗室的日常運行，減輕管理壓力，提升管理水平，實現資源共享。

在LIMS的建設上，許多高校都成功研發適合自身的實驗室綜合管理系統，提升了實驗室的管理效率和水平［4-7］。在企業實驗室管理領域，LIMS系統已經得到了普遍應用，通過采購商業軟件或者自主研發滿足了企業日常管理需求。在石油行業，早期研究者意識到了LIMS在石油地質類實驗室管理的重要性，探討了系統的建設的必要性和可能面臨問題的應對策略，但并未給出詳細系統實現［8-9］。李松等［10］提出了有機分析實驗室LIMS系統開發與應用，其文中提到的流程與石油地質的實驗流程類似，但一方面只能涵蓋石油地質實驗室部分業務，另一方面系統采用C/S架構，在系統安裝、使用、可維護性上存在不便。陳靈泉等［11］針對石油學科實驗室的特殊性，探討了其安全管理存在問題及對策，如依托LIMS系統將其安全管理理念落地，則會取得更好的效果。

1 需求分析

LIMS系統要滿足3個國家重點實驗室和16個公司重點實驗室業務需求，通過調研，管理部門、重點實驗室、相關研究所期望通過LIMS系統的建設滿足以下需求：

（1）對公司重點實驗室建設特別是運行管理過程中形成的相關信息（實驗設備、人員、實驗分析項目、實驗信息以及日常上報文檔）實施信息化管理，可強化并細化重點實驗室管理工作，提高各層面管理人員的工作效率，進一步提升管理水平。

（2）促進公司重點實驗室進一步規范對實驗設備、實驗信息（包括接收樣品、原始數據以及實驗/檢測報告簽發管理等）對外開放相關信息的管理工作。

（3）通過按照統一、規范的標準建立相關信息的數據庫及相關材料的電子版本備份，逐步實現重點實驗室的信息化管理及資源共享，為深化重點實驗室的對外開放工作奠定基礎。

（4）3個國家重點實驗室由管理辦公室統一管理，并關聯到相關業務研究所。管理部門要對人員、設備以及日常資料進行信息化管理；能夠上報和查詢國家重點實驗室年度總結報告、實驗室調整報告、會議紀要和其他文檔；能夠上報和查詢國家重點實驗室學術交流情況。

（5）16個公司重點實驗室設立在各研究所，由重點實驗室管理辦公室全局統籌，日常運行由研究所管理。研究所要對各實驗室的人員、儀器設備、材料、樣品、上崗培訓、實驗項目等進行管理，管理辦公室要對實驗室人員、儀器設備、學術交流、報告文檔等進行查詢、統計匯總。

2 系統設計

為滿足以上系統需求，對各實驗室的通用管理業務進行抽象提煉，如實驗室各類資源的上報、統計、查詢。此次針對部分重點實驗室中業務量大，信息化預期成效明顯的石油地質實驗中心的重點實驗室管理需求進行重點設計。

2.1 石油地質實驗室管理功能設計

石油地質實驗室主要設立在石油地質實驗研究中心，該中心目前擁有3個中國石油天然氣股份有限公司重點實驗室，分別是油氣地球化學重點實驗室、油氣儲層重點實驗室和盆地構造與油氣成藏重點實驗室，同時也是“提高石油采收率”國家企業重點實驗室的一部分。

根據業務需求，設計的系統功能架構如圖1所示，包括系統功能、業務功能、綜合查詢統計3層。系統功能包括用戶管理、權限管理、字典管理、模板管理、組織機構管理、系統日志管理等。業務功能涵蓋以生產實驗、科研實驗、開放實驗、上崗證辦理的石油地質核心業務流程；以實驗室信息、人員管理、儀器管理、材料管理、樣品管理為支撐的資源管理；以質量管理、知識產權管理、學術交流管理、日常上報文檔、資料管理為輔助的日常管理。綜合查詢統計是基于業務功能之上的各類信息的檢索、統計。

圖1 實驗室管理系統功能架構

以上功能架構圖業務功能以粗粒度的業務模塊組織，業務設計以覆蓋普遍需求，突出重點業務為宗旨：

（1）生產實驗。面向生產業務的實驗，對外部送樣樣品統一登記并通過調度安排實驗產生檢測報告的全過程。建立從送樣人登記、調度登記、任務下達、樣品收發、樣品測試、報告審核、報告簽發、報告接收、報告歸檔、檔案歸檔、收費結算到余樣處理等全過程的流程化跟蹤管理和數據信息的電子化管理過程，對送樣的樣品列單可進行進度查詢、檢測報告郵寄登記、繳費單在線打印等。

（2）科研實驗。面向本部門科研人員的實驗，科研人員通過系統使用實驗室的某臺儀器設備并預約使用時段，經過保管人和主任審批后，系統審查其資質判斷其是否需要培訓，未經過培訓的人員由儀器保管人負責培訓后，實驗人員再進行實驗、上傳實驗報告并確定儀器使用時間，儀器保管人進行儀器驗收后，結算員根據儀器使用機時進行收費結算，相關人員能夠查看實驗報告并下載。

（3）開放實驗。面向外部人員的開放實驗，外部人員通過系統申請預約實驗室的某臺開放儀器設備，經過審批后，系統自動審查使用者資質判斷其是否需要培訓，實驗結束后上傳實驗報告并進行儀器驗收，可根據儀器使用機時進行計費并結算。

（4）上崗證辦理。實驗室人員在使用某臺儀器時必須有對應的儀器的上崗證，實驗人員通過系統提出某臺儀器上崗證的辦理申請，經過主任審批、負責人培訓考核，考核通過后，上崗證辦理專員將其信息上報院相關部門審批，審批通過后由科研部門辦理制作上崗證。

（5）資源管理。對實驗室日常運行的人員、儀器設備、藥品材料、樣品及實驗室基本信息管理。儀器設備管理需要涵蓋儀器信息維護、儀器維修登記、儀器運行記錄，設定儀器校驗/檢定計劃、儀器校驗/檢定提醒，定期進行校驗/檢定，并記進行記錄；材料管理要維護藥品、標準品信息，建立材料庫，進行入庫、出庫和盤點；樣品管理要維護樣品信息，樣品申請使用及流程，并查看樣品使用記錄。

（6）資料管理。對各實驗室資料文件及上報文檔進行管理，能夠上傳資料并對資料進行授權，以供相應的人員進行查看和下載。

（7）學術交流管理。對學術交流管理，包括邀請報告、參觀訪問、國際學術和國內學術會議。

（8）日常上報文檔管理。對實驗室日常運行產生的文檔進行管理，如年度工作總結、學術委員會會議、實驗室大事記、實驗室調整報告等。

（9）知識產權管理。對實驗室運行期間產生的知識產權，包括論文、專利、標準、專著、軟件著作權等的管理。

（10）質量管理。根據各實驗室質量認證管理的要求，各實驗室制定各類年度計劃，對人員培訓記錄、比對驗證記錄、內部評審記錄、管理評審記錄、質量監督記錄、事故報告記錄、申訴處理記錄、客戶回訪記錄、安全檢查記錄等質量相關的信息表單的錄入、維護、查詢，以及計劃執行情況的查詢。

（11）查詢統計。對實驗室資源、實驗過程、實驗工作量多維度的查詢統計。主要包括：對實驗室儀器設備、藥品材料、標準品、人員等資源的查詢；對儀器設備使用情況，故障維修情況和儀器使用率的查詢統計；對生產任務列單、分析樣品實時動態、項目進度的跟蹤查詢；對科研實驗、開放實驗過程的跟蹤查詢；對實驗室產值的查詢統計；對課題實驗工作量、實驗檢測報告的查詢。

其中生產實驗、科研實驗、開放實驗是重點需求，通過3個重點實驗流程將實驗室資源、實驗過程、實驗成果資料貫穿起來。

2.2 系統安全設計

系統安全方面，按照“事前預防、事中控制、事后追蹤”的原則對系統進行設計，安全策略采用如下幾種方式：

（1）權限管理。基于RBAC 的權限模型［12-13］，按照用戶、角色、功能、數據范圍對各業務功能進行細粒度的權限控制，攔截未授權的訪問請求。

（2）三員分立。建立系統管理員、安全保密管理員、安全審查員3個角色，由不同的人員承擔，三者關系相互獨立、互相制約。系統管理員負責系統用戶權限的開放工作，具有賦予權；安全保密員負責系統用戶權限開放的審批，具有審批權；安全審計員負責開展操作日志審計，特別是針對系統管理員和安全保密員在系統操作過程中的行為進行審計，具有監督權。

（3）資料授權。遵循“誰上傳、誰負責”的原則，資料上傳人自主決定將資料共享給相關的人員、群組、組織機構。

（4）統一身份認證。系統不存儲用戶的賬號信息，基于統一的身份認證平臺做單點登錄認證。

（5）系統日志。對用戶登錄、核心業務使用進行日志埋點和日志收集，以便對涉及安全問題的用戶進行行為審計，做到事后追蹤。

2.3 技術架構設計

系統采用經典的MVC 3層架構［14］，分為數據層、業務處理層、前端展示層，基于3層架構之上構建系統應用，如圖2所示。

圖2 實驗室管理系統技術架構

系統前端基于Web2.0技術，以dhtmlx作為展示層，后端基于Spring框架編寫業務處理層邏輯，底層通過druid連接池可接入多種數據源，本項目采用MySQL數據庫。系統以組件方式搭建，包括自主研發組件、第三方開源組件、商業組件。這些組件的使用提高了研發效率和軟件質量，也利于系統的擴展。比如使用代碼生成器技術［15］研發的代碼生成器可以在數分鐘內生成學術交流管理、日常上報文檔、知識產權管理、質量管理等業務功能。

3 系統實現——以生產實驗為例

根據以上的需求分析和設計實現各業務功能，支撐石油地質實驗室的日常運行管理。下面以實驗室的核心流程生產實驗為例說明系統的實現。

3.1 業務實現

生產實驗是面向生產業務的實驗，送樣人提交樣品和線上登記后，調度安排實驗流程，產生實驗結果并反饋給送樣人，同時調度對檢測報告進行歸檔并對客戶進行結算，其流程如圖3所示。

（1）送樣人登記。送樣人（客戶）可以自由選擇進行樣品測試的實驗室，填寫樣品基本信息，根據模板上傳樣品信息文件。

（2）調度登記。調度可以新增送樣單，也可以審核送樣人登記的送樣單，對審核通過的送樣單進行部分修改形成一個合格的送樣單。調度對送樣單選擇檢測項目后，從Excel樣品文件中導入并修改信息，自動生成送樣通知單。

（3）任務下達。調度安排檢測項目后，形成實驗任務，設置樣品在各檢測崗位的流轉流程，并能跟蹤任務單進度，任務下達后產生結算收費單，由結算員對送樣單進行收費結算。

（4）樣品收發。調度下達任務后，各崗位的實驗人員產生樣品接收待辦，同一崗位的人員可對樣品接收進行“搶辦”。崗位下實驗人員進行完實驗后，如存在下游崗位，可將樣品發送到下一個崗位，由下一個崗位實驗人員進行樣品接收，如有余樣可將余樣發送給調度，由調度接收并處理，否則該樣品收發的分支流程結束，如圖3左側的樣品收發子流程所示。

（5）樣品測試。檢測人接收樣品并在線下進行實驗，一個崗位接收樣品，可同時進行多個檢測項目實驗，完成實驗后下載檢測報告模板，填寫實驗結果，并上傳含有實驗結果的檢測報告，同時對使用的儀器進行記錄，包括使用時段、工作內容、設備狀況。

（6）報告審核。審核人在報告審核待辦中下載檢測報告，查看實驗檢測結果，對不合格報告退回到檢測人，對合格的報告自動流轉到報告簽發人。

（7）報告簽發。簽發人對報告再次審核，不通過則退回到檢測人重新測試，通過則發送給檢測人進行報告接收。樣品測試、報告審核、報告簽發的三審機制是生產實驗質量控制重要的一環。

（8）報告接收。檢測人接收報告并保持，可對報告進行打印并郵寄給送樣人。

（9）報告歸檔。調度對檢測報告進行初步歸檔。

（10）檔案歸檔。對實驗報告進行檔案歸檔，并自動進入資料庫，可以新增報告更正說明。

圖3 石油地質類生產實驗流程

生產實驗流程有5個角色：送樣人、調度、實驗人員（包括檢測人、審核人、簽發人）、收費結算員、檔案員。調度和實驗人員是生產實驗流程流轉的紐帶，流程以樣品為輸入，以檢測報告為輸出，多方共同參與完成生產實驗全過程。

3.2 技術實現

在生產實驗的技術實現上，有如下實現要點：

（1）可視化實驗流程調度。在任務下達時，調度通過可視化流程定義，安排各實驗崗位之間樣品收發的流程，流程采用工作流插件GooFlow實現。

圖4所示為任務下達后的一個樣品流轉圖，每個節點代表一個崗位，每條邊代表樣品的流向，調度是流程的開始節點，除調度外，其他節點為實驗人員崗位，一個實驗崗位可做多個檢測項目。節點顏色代表不同的狀態，綠色表示該崗位已經接受了樣品并完成了指定的檢測項目，并將樣品發送到下一個節點；黃色為樣品待接收崗；灰色為尚未開始的崗位節點。

調度通過拖拽方式可視化定義樣品流轉圖。直觀掌握樣品分發后樣品流轉動向和各崗位工作進度，且樣品流轉圖具有繼承、記憶功能，能夠根據調度選擇的崗位組合自動獲取歷史流程，方便調度使用。

圖4 任務下達-樣品流轉圖

（2）基于模板的數據導入、導出。在送樣登記時，下載送樣單模板并填寫送樣單信息，導入系統自動識別送樣人信息、樣品信息、每個樣品對應的檢測項目信息，調度可對信息進行調整，節省了調度填寫送樣單的工作量；在檢測報告下載、送樣單通知生成、三聯收費結算單生成時，自動在對應的模板中生成，并可導出、下載打印、在線打印，規范了系統中表單、報告格式。

（3）實驗報告三審簽名自動生成。在樣品測試、報告審核、報告簽收的三審過程中，通過POI操作Excel讀寫圖片自動在報告模板的位置插入對應角色的簽名。

（4）基于XML配置的動態數據查詢。后臺查詢引擎自動識別前端的查詢條件、分頁信息、排序信息，調用XML配置生成數據，由前端二次開發的表格組件dhtmlxGrid渲染，系統運行時可動態修改查詢條件，數據列，而不用重新編碼。

技術選型與實現滿足了系統隨需應變的能力，支撐了生產實驗從樣品接收、收費結算、實驗過程、歸檔的全流程，滿足了系統可視化展示、快速開發、按需擴展的能力。

4 結 語

為了滿足勘探院國家重點實驗室和公司重點實驗室的日常運行管理，設計和實現了實驗室信息管理系統。針對實驗室管理的普遍需求和重點業務需求，對石油地質類實驗室的日常運行業務進行重點分析設計，簡要闡述系統安全設計、技術架構設計，最后，以業務核心流程生產實驗為例說明了系統的核心業務部分技術實現細節。

石油地質類LIMS已經上線運行，各重點實驗室的通用管理業務已在平臺實現，如資源管理、日常管理、質量管理、學術交流、知識產權管理。石油地質類實驗的核心流程生產實驗、科研實驗、開放實驗、上崗證辦理已在平臺運行。系統運行平穩，已有用戶近2 000人，生產實驗累計送樣3 000多單，產生實驗報告近7 000份。在技術實現上，調度通過可視化流程組件配置實驗流程，系統通過模板實現數據導入、導出、簽名、在線打印，通過XML配置實現數據動態查詢與配置。系統可擴展性強，能夠滿足石油地質類實驗室運行管理需求，具有推廣應用的價值。