基于物聯網的土壤樣品庫建設與實踐

楊懂艷,沈秀娥,田志仁,夏 新,劉保獻,劉兆瑩,吳 敏,夏 夜

1.北京市生態環境監測中心,北京 100048

2.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

土地是經濟社會可持續發展的物質基礎,土壤環境質量關系著人民群眾的身體健康,關系著美麗中國建設。 《土壤污染防治行動計劃》及《中華人民共和國土壤污染防治法》的發布,標志著我國的土壤環境監測工作進入了新的階段。 自然條件下,土壤的形成過程極為緩慢。 在人類活動的時間尺度上,可以說土壤是不可再生的國家戰略資源。

土壤樣品庫可實現對土壤樣品的規范化保存,所存儲樣品能夠提供的環境質量信息可揭示土壤環境的演變規律,為環境管理和決策提供依據。 傳統的土壤樣品存儲管理模式主要采用手寫或機打標簽的形式對樣品進行標識化管理,采用機械人工庫對樣品進行存儲,土壤樣品信息庫無法與土壤樣品的唯一性進行有效銜接,存在土壤存儲工作量大、樣品查找困難、樣品信息難以有效獲取等缺點,無法實現對土壤樣品的信息化、網絡化及智能化管理[1-3]。

物聯網技術是近些年新興的一種網絡技術,可通過射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)、傳感器、二維碼、全球定位系統等各種裝置,按照約定協議將任何物品與互聯網連接起來,實現人與物體、物體與物體之間的通信與互動。物聯網通過大量數據的收集,可為云計算和大數據提供足夠的基礎數據。 李克強總理也多次提出在“十三五”期間促進大數據、云計算、物聯網的廣泛應用。 近些年,物聯網技術獲得了飛速發展,在智能物流、智能醫療系統藥品管理、火電行業樣品智能化管理方面均得到了初步應用[4-7]。 為滿足國家土壤樣品制備與流轉中心(華北分中心)(以下簡稱華北分中心)及北京市土壤樣品庫的建設管理需求,探索土壤樣品庫建設管理新思路,本研究結合國家網土壤樣品制備與流轉需求,開展了基于物聯網技術的土壤智能樣品庫設計研究和實踐,以期為未來各級、各部門土壤等環境樣品庫的建設提供新的思路和參考。

1 國內外環境樣品庫建設及管理現狀

發達國家自20 世紀70 年代開始重視環境樣品庫(ESB)建設。 環境樣品庫的主要功能是為長期、穩定保存具有代表性的環境樣品提供必要條件,且對入庫樣品的齊全資料和數據進行信息存檔。 環境樣品庫中的樣品不僅能評價當下的環境質量狀況,研究各種污染物隨時間、空間的濃度變化規律和趨勢,因分析技術的提高或新方法的開發,還可獲得歷史時期的環境信息,實現對歷史樣品的回顧性分析。 美國、瑞典、德國、日本、韓國等發達國家自20 世紀60 年代開始,逐步建立了一定規模的環境樣品庫[8-11]。 其中,相對比較成熟的是依托瑞典自然歷史博物館的瑞典環境樣品庫,其項目類型較多,將長期監測項目與特色研究項目相結合,積累了大量管理經驗。

我國的樣品庫建設起步相對較晚,且樣品庫的建設是以科學研究為主導。 例如,中國科學院1994 年建立的中國人群前瞻性生物樣本庫以收集人體生物樣品和相關臨床資料為主,上海市環境科學研究院和中國科學院上海原子核研究所1998 年建立的上海環境樣品庫則以收納上海市的底泥樣品和飄塵樣品為主,南開大學2007 年建立的顆粒物樣品庫以收集環境顆粒物樣品和污染源樣品為主,2014 年建成的同濟大學長江環境樣品庫致力于對長江流域的代表性環境樣品與人體樣品實施長期保存。 除以上樣品庫外,中國環境監測總站于2010 年建立了國家層面的土壤樣品庫,目前主要收集了“七五”背景值調查、“十一五”全國土壤污染狀況調查采集的土壤樣品。 同時,中國科學院南京土壤研究所于2017 年建立了土壤樣品長期保存系統,共收集了7.8 萬份土壤樣品,覆蓋全國絕大多數省份的典型土壤類型,時間跨度達半個多世紀。 湖北省環境監測中心于2017 年初步建成了省級土壤樣品庫,共收集了約1 萬份土壤和沉積物樣品,并實現了對土壤樣品的信息化管理[2]。 該樣品庫采用了RFID 技術和激光打印方式,并運用信息化手段,可實現對土壤樣品和環境質量信息的有效管理。 但其土壤密集柜仍是采用傳統的手工存儲方式,雖可實現大量土壤樣品的集中保存,卻無法實現土壤樣品的自動存儲和提取。

2 基于物聯網的土壤庫系統構建

2.1 土壤樣品庫的建設目標

為滿足國家網土壤環境監測質量控制的需要,實現土壤樣品的集中制備與流轉,2017 年依托中國環境監測總站,6 個區域性國家土壤樣品制備與流轉中心相繼建設成立。 華北分中心可滿足周邊6 省區市土壤樣品制備、流轉、暫存和質控的管理任務需求,同時實現北京市土壤樣品的長期有效保存和流轉。 華北分中心所建土壤樣品庫基于物聯網技術,結合信息化技術與自動化技術,實現了土壤樣品接樣、風干、制備、流轉、留樣、提取等全過程的智能化、可視化、可追溯的閉環管理。 同時,通過對土壤樣品基本信息和存儲位置信息進行智能化管理,可實現土壤樣品準確統計、樣品位置智能查詢、樣品信息全面展示及樣品自動提取等功能。 目前,該樣品庫已投入使用。

2.2 土壤樣品庫分區設計

根據土壤樣品庫的功能需求,土壤樣品庫在設計時主要包含以下區域:

1)樣品接收與晾曬區。 將采集到的土壤樣品進行掃碼登記,并按內部樣品管理系統的要求進行信息登記。 對于新鮮土壤樣品,核實樣品信息后,直接存儲于4 ℃冰箱,在規定的時間內完成處理和測試;對于需風干和研磨制備的樣品,完成信息登記和管理后,放置到晾曬區(一般為陰涼干燥區域),避免陽光直射,保持通風干燥。

2)樣品制備區。 按照樣品制備技術要求,將風干后的土壤樣品(一般在1.5 kg 左右)分別制備成測試樣品和入庫保存樣品,不同粒徑的土壤樣品按照功能要求進行分類、裝瓶,并進行信息關聯。

3)樣品流轉與發放區。 將制備好的不同粒徑的土壤樣品裝入樣品瓶,通過智能工作站和氣動傳輸管道分別輸送到智能土壤留樣庫和智能流轉庫。 其中,智能土壤留樣庫主要用于土壤樣品的長期存儲,智能流轉庫用于周邊6 省區市國家土壤環境監測樣品的流轉和暫存。 需要流轉的土壤樣品經智能傳輸系統提取到批量存取工作站,經授權批準后自動取出并進行交接。

4)樣品長期保存區域。 制備好的土壤樣品經智能工作站批量暫存,并經氣動傳輸系統輸送到智能土壤留樣庫。 對于歷史土壤樣品,將其重新裝入土壤樣品專用瓶,并通過手持終端或操作系統錄入樣品信息,批量放入存取工作站后,經氣動智能傳輸系統自動輸送到智能土壤留樣庫,進行長期留存。 對于特殊或需要復測的土壤樣品,在手持終端或操作系統輸入樣品信息,通過智能傳輸管道調取所需樣品。

2.3 土壤樣品庫系統建設實踐

按照上述功能設計,并結合區域實際情況,華北分中心建成了1 700 m2的土壤樣品庫,平面布置及流程見圖1。 其系統構建主要包括RFID 樣品瓶、智能存取裝置、智能傳輸系統和信息化管理系統4 個基本框架,目前已實現了對樣品接收、晾曬、研磨、存貯及提取等全過程的智能化管理。

圖1 土壤樣品庫平面布置和流程Fig.1 Layout and process of the soil sample bank

2.3.1 RFID 樣品瓶

裝載有RFID 芯片的樣品瓶是土壤樣品智能化管理的基礎。 RFID 是一種非接觸的自動識別技術,使用射頻電子設備發射射頻信號,進而通過空間耦合自動識別目標對象并獲得相關數據。RFID 技術目前已在交通運輸、物流管理、圖書館管理等多個領域得到廣泛應用[4-7]。

將制備好的土壤樣品放入裝載有RFID 芯片的樣品瓶后,首先是在信息服務管理系統中實現樣品信息的關聯。 土壤樣品信息可包含采樣點位所屬行政區域、GPS 定位信息,以及土壤樣品制備時間、粒徑、不同污染物濃度等。 為便于樣品信息查詢,必要時可同時在樣品瓶上粘貼紙質標簽。RFID 芯片是土壤樣品的唯一標識,經關聯后的土壤樣品通過讀卡器或智能傳感器進入智能存取裝置后,根據系統指令經氣動智能傳輸系統進行流轉和發放,具體見圖2。 利用RFID 技術結合物聯網,可實現對土壤樣品的信息化和自動化管理,同時實現流轉過程中對樣品信息的保密。 對于需要進行測試的土壤樣品,可將樣品信息與樣品有效分離,從而杜絕對檢測數據的人為干擾。

圖2 土壤RFID 樣品瓶工作原理Fig.2 Process of RFID for soil samples

2.3.2 智能存取裝置

智能存取裝置是整個土壤庫的核心,包含智能存取工作站、智能流轉庫和智能留樣庫。 其中,智能留樣庫和智能流轉庫通過氣動傳輸系統與智能存取工作站相連,具有機械臂、收發裝置等部件,并與信息服務管理系統相連,通過識別RFID樣品瓶信息執行調度任務,實現土壤樣品的自動輸送、自動留存、自動調取與流轉。

根據土壤樣品流轉時效,樣品庫分為智能流轉庫和智能留樣庫,庫存容量可根據土壤庫實際長度、寬度和高度進行模塊化定制,有效降低了傳統土壤密集柜因土壤樣品疊加及手工存取而需較大空間的不足,大大提高土壤樣品庫的存儲量。其中,智能流轉庫主要用于華北分中心土壤樣品的快速存取與流轉,總庫存容量為4 000 個土壤樣品,自動存取速率可達每兩分鐘一瓶,可滿足每天300 個土壤樣品的快速流轉需求。 與傳統手工土壤樣品入庫相比,智能流轉庫存取速率可定制,通過系統指令實現自動接收、存取及流轉,節省了大量人力物力。

智能土壤留樣庫的構架與智能流轉庫基本相同,但因其主要用于土壤樣品的永久存儲,自動存取速率可適當降低。 為滿足土壤樣品的分類管理,智能土壤留樣庫可設置不同的功能區域,一般可根據土壤類型、土壤元素濃度水平、采樣區域、存儲時間等進行功能區劃分。 存儲樣品時,在系統中實現區域自動分配,樣品經系統指令傳輸到指定區域,自動實現土壤樣品的分區管理,無須人工操作。 同時,通過系統指令,可實現歷史土壤樣品的快速查找與提取。 目前,華北分中心智能留樣庫可實現100 m2內約3 萬個土壤樣品的集中存儲,基本結構見圖3。

圖3 智能流轉庫和智能留樣庫結構Fig.3 Structure of the intelligent soil sample bank

2.3.3 氣動傳輸系統

氣動傳輸系統通過配備動力控制系統、自動轉向裝置、傳輸網絡管道,并結合智能存取工作站、智能留樣庫、智能流轉庫及配套的中央管理機,實現土壤樣品的自動傳輸。 其中,動力控制系統為氣動傳輸系統的動力來源,通過雙向吹吸風為傳輸系統提供空氣動力,并使用變頻調速技術以提高傳輸的穩定性;中央管理機為內置工業級計算機,支持對傳輸系統的管理,并根據系統指令將帶有RFID 信息的土壤樣品通過氣動傳輸管道進行自動傳輸,實現樣品傳輸的自動化。 通過系統配置,樣品自動傳輸既可實現一樓華北分中心暫存土壤樣品按倉位自動存儲和提取,還可實現二樓歷史土壤樣品按區域快速存儲與提取。

2.3.4 信息服務管理系統

信息服務管理系統主要包含智能密集存儲調度控制系統和氣動傳輸調度控制系統兩部分。 其中,智能密集存儲調度系統主要包含樣品瓶入庫信息管理、樣品瓶存儲管理、用戶權限管理、樣品傳輸及存儲狀態查詢、執行指令及歷史記錄管理等。 智能密集存儲調度系統可實現土壤樣品的信息查詢、存儲位置查詢、樣品庫盤點、用戶管理、數據備份等功能,實現對樣品的智能化管理。 氣動傳輸調度控制系統通過軟件系統關聯和識別樣品信息,通過工作站執行不同的調度指令,實現土壤樣品存儲、提取及流轉的自動化,并結合信息化和監控系統實現對樣品的可視化管理。 同時,通過開放端口,可實現與土壤信息管理平臺及樣品采集平臺的有效銜接。

2.3.5 樣品安全與質量管理

按照國家網土壤環境監測管理要求,質量管理要覆蓋人、機、料、法、環、測全要素,同時應對布點、采樣、制樣和實驗室測試等進行全過程質量控制,從而保證土壤環境監測質量管理體系的完整性和全面性[11-13]。 基于物聯網的土壤樣品庫為土壤樣品提供了可靠的安全保障方案,保證了存儲條件、流轉過程及樣品信息管理的安全性和樣品的有效性。 同時,通過電子標簽與監測數據信息關聯等系統功能設計,可以實現對土壤環境監測信息的基礎管理;通過物聯網技術對土壤樣品風干、制備及保存條件進行系統的規范化控制,實現實驗室環節的質量控制;而智能化的土壤樣品保存、提取及信息展示等功能,為土壤環境監測流程管理和數據溯源提供了保障,確保了土壤環境監測質量管理目標的實現。

3 結語

對土壤樣品進行標識及信息化管理是實現土壤樣品有效管理的一種智能管理模式,可為土壤樣品大數據管理平臺的開發提供基礎數據。 華北分中心及北京市土壤樣品庫采用的基于物聯網的智能土壤樣品庫建設方案,可實現對土壤樣品的信息化、網絡化及智能化管理,對于規范和指導土壤樣品庫建設、土壤樣品保存、數據庫管理和應用均具有重要意義,可為其他部門土壤樣品庫的建設、實驗室試劑和耗材及其他環境樣品的智能化管理提供借鑒。