智能化實(shí)驗(yàn)室技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

霍 宏，朱家文

（蘭州石化公司自動(dòng)化研究院，蘭州 730000）

1 背景概述

以往實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)很多都是手工抄錄，而且缺乏相應(yīng)的信息化手段，管理模式落后，資源信息也無法有效共享，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上報(bào)會(huì)很困難。隨著現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平的提高，實(shí)驗(yàn)室管理工作的復(fù)雜性和艱巨性大大增加，對(duì)工作的規(guī)范性和高效性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理模式無法滿足當(dāng)前數(shù)字化、信息化發(fā)展趨勢，有必要開展對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的智能化改造與升級(jí)。

當(dāng)前，石化企業(yè)普遍存在人力資源緊張等問題，尤其在質(zhì)檢部門更是如此，化驗(yàn)頻次的不斷增加，化驗(yàn)精度要求的不斷提高，加之設(shè)備老化，分析軟件更新不及時(shí)等因素，造成質(zhì)檢人員超負(fù)荷勞動(dòng)，忙中出錯(cuò)，降低質(zhì)量檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。因此需要依托信息化技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室信息映射在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，從而提高化驗(yàn)室自動(dòng)化水平，提升工作的規(guī)范性和時(shí)效性，降低員工工作強(qiáng)度。

2 研究內(nèi)容

本文以石化企業(yè)化驗(yàn)室為研究對(duì)象，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)的研究，優(yōu)化數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳過程，提升數(shù)據(jù)采集效率，同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有LIMS 系統(tǒng)，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)室管理功能模塊，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范，最大限度地減少人為因素的干擾，確保分析數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，從而促進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量的全面提升。

2.1 數(shù)據(jù)采集

整體的技術(shù)思路是研發(fā)一個(gè)“化驗(yàn)室儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集接口管理系統(tǒng)（DIMS）”，開發(fā)一系列配置功能實(shí)現(xiàn)與LIMS、分析儀器工作站、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等軟硬件的互通互聯(lián)，同時(shí)在數(shù)據(jù)交換過程中提供長久保存、計(jì)算等功能。并且，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高性能、易于擴(kuò)展、易部署、容錯(cuò)率高、高可靠性等技術(shù)要求。

2.1.1 流程及功能設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境調(diào)研的實(shí)際情況，梳理出質(zhì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的流程為：數(shù)據(jù)報(bào)告生成→數(shù)據(jù)報(bào)告抓取→數(shù)據(jù)報(bào)告解析→質(zhì)量數(shù)據(jù)計(jì)算→質(zhì)量數(shù)據(jù)推送→質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)→質(zhì)量數(shù)據(jù)查詢，其中數(shù)據(jù)報(bào)告解析及質(zhì)量數(shù)據(jù)推送為核心環(huán)節(jié)。

本研發(fā)系統(tǒng)采用分布式開發(fā)架構(gòu)，主要分為一個(gè)前臺(tái)功能模塊和一個(gè)后臺(tái)功能模塊，前臺(tái)功能模塊包括數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)接口模塊和系統(tǒng)管理模塊，后臺(tái)功能模塊以后臺(tái)主服務(wù)進(jìn)程為核心，與三個(gè)智能適配器協(xié)同工作。

2.1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)需求業(yè)務(wù)了解和熟悉以后，將需求業(yè)務(wù)中現(xiàn)實(shí)存在的信息轉(zhuǎn)換為邏輯信息?？紤]到用戶業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展，采用目前比較成熟的大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server，本著數(shù)據(jù)算法最優(yōu)，避免數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)提取數(shù)據(jù)方便的原則來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為日后用戶提出新需求做出考慮，一切以靈活為本。

2.2 LIMS 系統(tǒng)模塊開發(fā)

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將人員、儀器、試劑材料和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等因素有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上分配任務(wù)、檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、快速發(fā)布、信息共享及分析報(bào)告自動(dòng)生成；同時(shí)，引入統(tǒng)計(jì)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，連接實(shí)驗(yàn)室、質(zhì)量管理部及生產(chǎn)部門的信息平臺(tái)。

2.2.1 質(zhì)量管理模塊

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)工具將分析數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展現(xiàn)（如直方圖、趨勢圖、控制圖、散布圖等），高效直觀的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。數(shù)據(jù)錄入時(shí)，右下方會(huì)顯示一個(gè)月該項(xiàng)目的折線圖，直觀判斷數(shù)據(jù)異常點(diǎn)，設(shè)置上下限或者控制指標(biāo)、觀察指標(biāo)和考核指標(biāo)，當(dāng)測定結(jié)果超過上下限時(shí)，鎖定樣品并提示復(fù)查窗口，經(jīng)分析人員復(fù)查后，結(jié)果仍超上下限時(shí)，鎖定樣品并自動(dòng)推送至關(guān)鍵崗位和管理人員5G 操作平臺(tái)，確認(rèn)后方可發(fā)布；增加比對(duì)功能，抓取在線儀表數(shù)據(jù)與人工分析結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)；增加流程圖功能，顯示裝置簡易流程圖并標(biāo)注采樣點(diǎn)位號(hào)，便于掌握裝置及罐區(qū)質(zhì)與量的關(guān)聯(lián)，有助于生產(chǎn)趨勢分析預(yù)測和優(yōu)化調(diào)整。

2.2.2 儀器設(shè)備管理模塊

對(duì)儀器購置計(jì)劃、審批、驗(yàn)收、檢定、狀態(tài)、維護(hù)和報(bào)廢進(jìn)行管理，增加儀器編號(hào)和設(shè)備臺(tái)賬的查詢功能。對(duì)于需到期校檢的儀器，提前30 天提醒。儀器設(shè)備完成采購后，貼上RFID 電子標(biāo)簽，將設(shè)備建賬所需的信息、復(fù)雜設(shè)備的幫助信息及儀器運(yùn)行狀態(tài)信息，寫入到電子標(biāo)簽中，通過RFID 讀寫器，傳輸至LIMS 管理系統(tǒng)，完成此操作后，為后續(xù)的設(shè)備自動(dòng)化管理，提供相應(yīng)的必要條件，提升檢測儀器的可靠性。

2.2.3 計(jì)量器具管理模塊

建立常規(guī)計(jì)量器具，如溫度計(jì)、粘度計(jì)的參數(shù)校正表，提供數(shù)據(jù)校正表的輸入、修改和版本更新的功能，通過計(jì)量器具的編號(hào)和相應(yīng)的校正公式，實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具根據(jù)視值來自動(dòng)計(jì)算校正值，原始記錄可電子化；該模塊還可定制開發(fā)，對(duì)計(jì)量器具的送檢、驗(yàn)收、發(fā)放、回收、破損等過程進(jìn)行管理，自動(dòng)生成到期送檢計(jì)量器具列表，提供計(jì)量器具臺(tái)賬的查詢功能。

2.2.4 材料試劑管理模塊

危險(xiǎn)化學(xué)品通過掃碼進(jìn)行入庫登記，使用人只有進(jìn)入系統(tǒng)平臺(tái)掃描二維碼才能完成材料試劑的申請(qǐng)領(lǐng)用和歸還，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品使用—?dú)w還—閉環(huán)信息化管理；物資到貨后，庫管員進(jìn)行更新庫存批次，實(shí)現(xiàn)出入庫信息、當(dāng)前庫存信息（時(shí)間、數(shù)量、規(guī)格）及質(zhì)檢部總庫存信息匯總，實(shí)現(xiàn)各科室信息共享，統(tǒng)一調(diào)配；實(shí)現(xiàn)庫存數(shù)量上下限自動(dòng)提醒，高毒、劇毒試劑的自動(dòng)識(shí)別與歸類統(tǒng)計(jì)管理。

2.2.5 多維度統(tǒng)計(jì)模塊

根據(jù)LIMS 數(shù)據(jù)形成產(chǎn)品合格率統(tǒng)計(jì)等報(bào)表，自動(dòng)抓取所需數(shù)據(jù)，形成交接班、日志、周報(bào)、月報(bào)和臺(tái)賬等信息，可記錄當(dāng)班生產(chǎn)質(zhì)量情況、分析情況和交班任務(wù)等信息。將生產(chǎn)關(guān)鍵點(diǎn)的海量質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效提取后，結(jié)合生產(chǎn)工藝參數(shù)，采用相關(guān)高效算法，計(jì)算過程能力控制CPK 等值，并提供直方圖、趨勢圖、控制圖等可視化信息，便于分析質(zhì)量因素的變化及生產(chǎn)波動(dòng)，優(yōu)化生產(chǎn)；增加流程圖，顯示裝置簡易流程圖并標(biāo)注采樣點(diǎn)位號(hào)及生產(chǎn)裝置關(guān)鍵參數(shù)，便于掌握裝置及罐區(qū)質(zhì)與量的關(guān)聯(lián)，有助于生產(chǎn)趨勢分析預(yù)測和優(yōu)化調(diào)整。

3 系統(tǒng)部署

3.1 DIMS 系統(tǒng)配置

3.1.1 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

為充分提高數(shù)據(jù)推送的時(shí)效性，利用數(shù)據(jù)庫配置、FTP 工具等手段，實(shí)現(xiàn)分析報(bào)告從多點(diǎn)輪循到單點(diǎn)抓取的方式，進(jìn)一步減少對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的依賴性，提升整體系統(tǒng)性能。

3.1.2 色譜儀器網(wǎng)絡(luò)化

要最大程度的降低數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出的步驟環(huán)節(jié)，只能通過網(wǎng)絡(luò)版平臺(tái)管理軟件來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹挥斜緩S家的軟件才可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及導(dǎo)出。平臺(tái)整合可以有效地降低工作站的使用數(shù)量，并且可以有效降低運(yùn)維成本，方便管理人員進(jìn)行管理及維護(hù)，也可有效降低崗位人員數(shù)量，提高崗位人員工作效率。

3.1.3 客戶端配置

實(shí)驗(yàn)者在做樣之前，每次需手動(dòng)錄入規(guī)定的樣品信息，且不能出錯(cuò)，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)無法推送至LIMS 系統(tǒng)。為降低化驗(yàn)人員出錯(cuò)概率，減少工作量，在系統(tǒng)部署時(shí)開發(fā)了單獨(dú)的小程序，集成在FTP 客戶端軟件中，化驗(yàn)人員通過點(diǎn)擊復(fù)制、粘貼即可實(shí)現(xiàn)樣品信息的錄入功能。

3.2 可視化配置

對(duì)樣品流轉(zhuǎn)分析的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控和管理，細(xì)化分工職責(zé)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化展現(xiàn)。全動(dòng)態(tài)分級(jí)管理共分為6 級(jí)：

（1）樣品預(yù)約：樣品預(yù)約分為計(jì)劃樣品與非計(jì)劃樣品兩類；計(jì)劃樣品由LIMS 系統(tǒng)根據(jù)分析計(jì)劃自動(dòng)登錄；非計(jì)劃樣品是由生產(chǎn)裝置提報(bào)檢驗(yàn)任務(wù)通知單，注明樣品信息及加樣原因，實(shí)驗(yàn)室同意／拒絕接收樣品。接收成功后，樣品信息可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)登樣，通過連接掃碼設(shè)備，運(yùn)用“一物一碼”技術(shù)，生成樣品獨(dú)一無二的“身份證”，將其貼敷在采樣瓶上進(jìn)行后續(xù)工作。能夠全面跟蹤樣品在實(shí)驗(yàn)室流轉(zhuǎn)的過程。

（2）樣品采集：樣品預(yù)約結(jié)束后，由樣品采集人員進(jìn)行樣品的采集，并負(fù)責(zé)將樣品分配到各分析崗位。

（3）樣品接收：是指待檢樣品在分析前，由樣品操作人員使用掃碼槍掃描采樣瓶身的二維碼或條形碼，樣品進(jìn)入“已接收”狀態(tài)。

（4）樣品操作：是指由樣品操作人員負(fù)責(zé)具體的樣品稱量、封裝等前處理工作，在工作站內(nèi)進(jìn)行樣品注冊，向儀器內(nèi)注射樣品。

（5）數(shù)據(jù)處理：是指樣品操作人員與數(shù)據(jù)處理人員對(duì)接，待儀器分析結(jié)束后，由數(shù)據(jù)處理人員對(duì)樣品的譜圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，負(fù)責(zé)生成數(shù)據(jù)報(bào)告并進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳工作。

（6）樣品發(fā)布：數(shù)據(jù)上傳至LIMS 系統(tǒng)并審核發(fā)布。

4 未來展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能樓宇等方面得到了廣泛的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給整個(gè)應(yīng)用環(huán)境帶來了智能化的改變。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能樓宇等方面的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)室信息映射在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，使原始的資料、設(shè)備、項(xiàng)目、人員的管理通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)，探索智能實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將是未來必然的發(fā)展方向。

5 結(jié)語

要建立智能化化驗(yàn)室，首先完成實(shí)驗(yàn)室管理的信息化，將實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)流程、環(huán)境、人員、溶液、儀器設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)方法等實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和管理，最大限度減少人為因素的干擾。其次，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境層面的智能化，利用FRID 技術(shù)和傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行安全預(yù)警。最后是基于先進(jìn)的5G物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析能力，通過多端、可視化等手段，利用5G 移動(dòng)客戶端，實(shí)現(xiàn)方寸之間盡在掌握。讓實(shí)驗(yàn)室既能滿足用戶的個(gè)性化需求，又能滿足相關(guān)法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)則、檢測標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)等要求，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人值守及智能化管控化驗(yàn)室。