智慧實驗室系統的設計與實現

趙丹匯

【摘要】? ? 傳統的實驗室信息管理系統存在功能單一、無法與其他系統對接、較多依賴紙質記錄等缺陷。近些年，隨著移動設備、云計算、物聯網等新技術的發展，以新技術打造新型智慧實驗室已經勢在必行。油田化學實驗室結合行業特殊需求，從業務出發梳理實驗、物料、設備等管理流程，利用物聯網技術實現實驗數據便捷采集，基于B/S架構、云架構，建立一套油田化學智慧實驗室信息管理系統并部署上云。從軟件研發、硬件配備、基礎設施優化和云應用等方面實現實驗室的全方位管理。

【關鍵詞】? ? 智慧實驗室? ? 管理流程? ? 基礎設施? ? 信息管理系統? ? 云應用

[Abstract]： The traditional laboratory information management system has some defects such as single function， being unable to connect with other systems， and relying on more paper records. In recent years， with the development of new technologies such as mobile devices， cloud computing and the internet of things， it has become imperative to build a new type of intelligent laboratory with new technologies. Combined with the special needs of the industry， we analyze the management processes of experiments， materials， equipment and use the internet of things technology to realize the convenient collection of the oilfield chemistry laboratory data. We have established a set of the oil intelligent laboratory information management system and deployed it on the cloud based on B/S architecture and cloud architecture. From the aspects of software development， hardware equipment， infrastructure optimization and cloud application， we realize the comprehensive management of the laboratory.

Key words： intelligent laboratory; management process; infrastructure; information management system; cloud application

引言：

實驗室信息管理系統（Laboratory Information Management System， LIMS）自20世紀六十年代末出現以來，距今已經歷了幾十年的發展[1]。早期的LIMS采用數據庫、網絡通訊技術實現一些簡單功能，但功能單一;無法與其他系統對接;較多依賴紙質記錄。近些年，隨移動技術、云計算、物聯網等新技術的爆炸性發展，產生了集現代化管理思想與新技術為一體的實驗室管理新應用[2-4]。

本實驗室通過梳理實驗、物料、設備的管理流程，建立流程規范;對實驗室進行網絡基礎設施的設計與優化;通過PAD移動端、智能插座等硬件設備，利用物聯網技術實現數據的便捷采集;基于B/S架構建立油田化學智慧實驗室系統;基于云架構將該系統部署上云。

一、智慧實驗室的架構設計

1.1系統架構

通過梳理實驗室管理流程，建立流程規范。智慧實驗室基于規范流程，利用云虛擬機，采用微服務技術架構，通過PC端、PAD等客戶端訪問系統。系統架構分層為云IaaS層：云虛擬機組成了LIMS云基礎設施，為LIMS運行提供硬件資源和系統環境;存儲層：包括數據庫和緩存，保存由數據網關統一采集、上報的數據，包括實驗、物料、設備、人員和任務等數據，為LIMS系統提供數據支撐;微服務數據訪問層：運行訪問相關數據的微服務應用，提供數據庫事務訪問能力、冪等修改能力和高并發讀取能力，同時封裝緩存操作，屏蔽數據庫存儲和緩存數據一致性處理;微服務業務邏輯層：主要負責處理LIMS系統業務相關操作，包括物料管理、設備管理、實驗管理等業務邏輯;微服務網關層：封裝客戶端的HTTP接口，根據不同業務流程轉發到微服務業務邏輯層處理。

1.2技術架構

基于云架構，智慧實驗室采用主流的B / S架構來實現，WEB端采用html5+css3+vue技術，PAD端采用uniapp+vue技術;結合智慧實驗室用戶多、數據量大、高并發等特點，選用開發便捷、高效成熟的Spring Boot微服務開發框架體系，專注于快速、方便的開發單個微服務個體;為了將這些單體微服務整合并管理，為各個服務之間提供集成服務，采用SpringCloud系列框架實現全局的微服務治理;數據庫技術采用MySQL數據庫，并使用Redis緩存數據庫開發。

1.3 網絡基礎設施設計與優化

實驗室內無法訪問局域網，實驗人員必須在實驗結束后登錄系統錄入數據。為了提高實驗室信息化水平，需要對網絡基礎設施設計并優化。考慮到數據安全性，防止通過生產網侵入系統盜取、篡改數據，為實驗室的硬件設備構建成無線局域網。

自組網方案按照AP+AC的結構化無線網絡解決方案進行設計，AP是組建無線局域網的核心設備，提供無線工作站和有線局域網之間的互相訪問，實現本地化無線局域網。AC設備具有對所有AP設備進行集中式管理、控制、配置下發，以及對接入終端的認證、數據分布式/集中式轉發、漫游等功能。核心交換機將AC和本地服務器相連，有路由功能并分配局域網地址。自組網使用防火墻做網絡出口，通過企業專線將服務器連接到云。

整個網絡基于端口和MAC地址對用戶的網絡訪問權限進行控制，禁止非法用戶連接使用無線網絡，為用戶構建一個穩定安全的無線網絡環境。

1.4 主要功能模塊

智慧實驗室系統主要包含六大功能模塊，包括系統管理、倉庫管理、實驗管理、實驗設備管理、硬件設備管理、統計。其中：

倉庫管理主要包括倉位管理、材料供應商管理、物料標簽管理、入庫、出庫、庫存查詢、物料盤點、入庫單管理、出庫單管理、領用申請單管理、審核單管理等。

實驗管理主要包括任務管理、創建項目、創建實驗、實驗查詢等，其中創建實驗過程中實現了配方復制、配方自動計算、多配方結果對比等個性化需求。

實驗設備管理主要包括實驗室管理、設備供應商管理、設備查詢、預約和監控管理、設備使用、維修和保養記錄、日志管理等。

二、智慧實驗室系統的具體實現

PC端主要用于實驗前訪問系統，開展任務創建、配方設計、物料申領、設備預約、實驗查詢等工作。如圖1所示。

PAD端主要用于查看實驗信息、配方詳情、設備信息等，并且在開始實驗后，實時記錄實驗的結果。如圖2所示。

三、結束語

智慧實驗室將人員、設備、材料、實驗等要素結合，將各業務流程有機統一，從軟件、硬件、基礎設施、云等方面實現全方位管理。通過物聯網、云計算等新技術，使得實驗數據、設備管理數據、材料管理數據由人工紙質記錄到無紙化線上錄入的轉變，保證了數據的真實性、規范性和可溯性，切實提高了實驗室的信息化水平。

參? 考? 文? 獻

[1] 白志青，張銀.實驗室信息管理系統（ LIMS） 綜述[J].圖書情報導刊，2007，17（12）：240-242.

[2] 馮金輝.數字實驗室——LIMS 未來發展趨勢[J].現代科學儀器， 2002（02）：10-13.

[3] 程琳琳，王旭，程延俊，等.實驗室信息管理系統（LIMS）在實驗室科學管理中的應用[J].熱帶農業工程， 2014，38（01）：16-20.

[4] 郭學桃.5G時代智慧實驗室LIMS創新設計研究[J].大眾標準化，2020（03）：17-18+22.