基于B/S 架構的煤礦瓦斯災害防治實驗室信息管理系統

李千慧

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113000）

隨著科研和生產技術的不斷發展，人們對分析測試的要求無論在樣品數量、分析周期、分析項目和數據準確性等方面都提出了更高的標準，原有的人工管理模式在這種形式下已經落后。因此國際上相關實驗室均已朝著先進的網絡化管理方向發展，LIMS（實驗室信息管理系統，Laboratory Information Management System）[1]從20 世紀60 年代發展至今，借助計算機網絡技術的應用，已經實現了數據采集、處理、分析以及相關實驗室管理信息的網絡化。通過LIMS，實驗室可以達到自動化運行、信息化管理和無紙化辦公的目的，對實驗室提高工作效率、降低運行成本起到至關重要的作用。

在發達國家，LIMS 被普遍應用在制藥、石油、化工、環保、供水、醫療、采礦、商檢、電力及教育和科研單位等行業，諸如百事可樂公司、美孚石油、杜邦化學、通用電氣等公司都采用了LIMS 系統，并取得了可觀的收益。目前，國內實驗室目前也正在逐步開始采用這樣的管理方式[2-6]。

隨著計算機技術普及網絡云共享技術的發展，以及“互聯網+”技術的不斷推進，建設數字化、智慧化的實驗室信息管理系統成為了必然趨勢。目前針對煤炭行業的實驗室信息管理研究較少[7-10]。基于此，研發了基于B/S 架構的煤礦瓦斯災害防治實驗室信息管理系統，系統設計綜合考慮了RB/T 214—2017行業實驗室準則，可幫助瓦斯實驗中心建立一套既適應實驗室信息化發展需要又能夠規范運作的體制機制；嚴格規范管理，切實將信息化作為規范檢驗工作的重要手段和措施。

1 需求分析

煤礦瓦斯災害防治實驗室主要包括煤層瓦斯涌出預測、瓦斯抽采技術和煤與瓦斯突出防治等研究單元，涵蓋孔隙率測定、吸附解吸測定、工業分析、煤的瓦斯殘存量測定等一系列實驗項目，未來還可能繼續增項，實驗數據已有一定量的積累。實驗室依據RB/T 214—2017《檢驗檢測機構資質認定能力評價檢驗檢測機構通用要求》[11]，結合實際情況，制定針對機構、人員、場所環境、設備設施、管理體系等方面的詳細管理辦法及細則，保障RB/T 214—2017 的各項標準細化至具體的管理要求中。

實驗室傳統的人工管理模式存在諸多問題。各種臺賬、人員信息、物品信息、儀器信息和樣品信息等主要為紙質歸檔，管理、查詢和存儲困難，管理流程上也存在混亂的問題。客戶快遞或其他方式將樣品送至實驗室后，實驗室人員根據送樣人提供的標簽進行紙質登記、分配任務，實驗數據分散的存儲于儀器連接的電腦上和實驗人員的手中，出具報告是抄錄的方式輸入數據，原始記錄和電子版報告分別保存于各個實驗人員電腦上。由此可見，實驗室的管理遠遠不夠數字化、規范化，管理模式比較落后，工作中產生了一些資源浪費、反復復核信息造成工作效率遲緩、且原始數據和報告存儲的安全性較低，有丟失的風險，針對當前出現的種種問題，急需開發一套適用于實驗室的信息管理系統。系統業務流程如圖1。

圖1 系統業務流程圖Fig.1 Flow chart

2 系統設計

2.1 總體架構

總體架構設計是對需求分析中產生的各種功能規模性、數據模型和行為模型等分析模型進行轉化，主要分為交互層、應用層、中間層和數據層幾個部分，系統結構圖如圖2。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure diagram

數據支持層為最底層，包含異構數據庫以及以數據挖掘工作流為基礎的數據倉庫，系統封裝在最底層，由操作系統、服務器、網絡對其進行底層支持。中間層提供了事務處理、索引服務、安全機制等服務機制。交互層通過訪問Web 網站，用戶可登陸進入系統，進行操作。

2.2 技術架構

實驗室管理系統開發框架是基于SpringCloud、SpringBoot、MyBatis 及周邊的生態技術開發，是一款穩定，高效，采用前后端分離的企業級微服務架構，更是致力于面向大中型企業提供的一套全面微服務架構的解決方案。架構封裝了SpringCloud 提供的負載、降級、監控和統一配置等服務，可實現對應用、服務、鏈路、性能、響應率、成功率、可用率等基礎監控與預警，并且集成了一些優秀的開源監控組件，對系統進行多維度監控。

整個架構將業務展示、業務處理、權限管理、結構化數據存儲與處理、非結構化數據存儲與處理、科學計算模型等模塊進行物理隔離，通過webapi 的數據接口進行信息交互，減少耦合性，提高系統平臺的整體維護性，各個模塊獨立運行與維護。當某個模塊出現問題的時候，能夠獨立維護，不至于影響其他模塊的運行。

系統部署在云端，采用容器化部署可以有效屏蔽系統差異問題，結合K8s 容器化技術可視化的大規模集群部署運維。在nginx 中部署證書，外網使用http 訪問，并且只開發443 和80 端口，其他端口一律關閉（防止黑客戶端口掃描），內網使用http，性能和安全都有保障，前端大量的組件代碼得以復用，提升了開發效率。

2.3 技術路線

技術路線圖如圖3。

圖3 技術路線圖Fig.3 Technology roadmap

實驗室信息管理系統是基于應用服務器和關系數據庫開發的應用系統，基于B/S 架構，選用Java編程語言和SQL Sever 數據庫來開發，采用面向對象構件化設計。開放性和可擴展性影響到系統的生命周期。系統確保業務數據和業務邏輯的可擴展性，隨著應用水平的提高、規模的擴大和需求的增加，無須對系統的體系結構做較大的改變就可以對系統的功能實現擴展。同時，系統采用MVC 架構，以便對其它系統的集成和相互調用，方便系統之間的橫向擴展，同時避免信息孤島的現象。

軟件提供多數據源支持，提供多種統計學方法，為用戶提供統計分析得力方法。最終通過公網IP 映射在Web 上實現網頁瀏覽。數據庫布設在云端服務器，使用SQL 查詢語言進行查詢。與其他系統的接口相對容易，使用關系數據庫系統，處理海量數據性能有顯著提高。

3 系統功能

實驗室信息管理系統主要是整合實驗數據，對實驗人員、送樣用戶、實驗室內部的設備等進行管理，并實現基礎功能，系統功能結構圖如圖4。

圖4 系統功能結構圖Fig.4 Functional structure diagram

實驗室信息系統包括數據管理模塊、實驗過程管理模塊、實驗運行管理模塊、遠程檢測診斷模塊和系統管理模塊、委托管理模塊；數據管理模塊對實驗數據進行采集存儲、統計分析、審核管理、授權查詢和定制輸出；實驗過程管理模塊對實驗方案、理論計算和實驗樣品進行管理；實驗運行管理模塊對工作人員、儀器設備、材料試劑、文件資料等基礎資源進行管理；遠程檢測診斷模塊具有遠程數據查詢、數據傳輸和專家診斷功能；系統管理模塊包括安全登陸、后臺維護、電子簽名和數據庫管理。

1）基礎數據庫管理。基礎數據庫管理包括實驗室人員信息管理、用戶信息管理、樣品信息管理、實驗設備管理。LIMS 面向實驗室人員和送樣客戶，不同用戶分配不同的權限。基礎數據庫整合了實驗室人員信息、用戶信息、樣品信息、物品信息、實驗數據，按照數據結構存儲。實驗數據是實驗室的核心，同一采樣地點的工業分析水分，灰分，揮發分、真密度、塊體密度有交叉重疊，歷史數據積累，存儲安全性保障，數據挖掘。系統提拱了基于數據挖掘的數據倉庫建設。

2）委托管理。委托管理主要針對送樣客戶，客戶分為內部客戶與外部客戶。委托模塊實現預約功能，客戶將樣品的相關信息（送樣日期、礦名、采樣地點、煤層、標高、采樣人，送樣組或單位等）輸入系統中，選擇需要做的實驗項目，系統自動的分配給對應的實驗人員，并對樣品進行排號，實現自動化分配流程，節省中間環節，使后期實驗人員出具報告時減少了復核量。同時，系統可實現移動端微信小程序委托登記和進度查詢操作功能，不限制地址移動下單、查詢，更加方便、快捷。

3）報告管理。平臺實現一鍵化出具報告，各項實驗報告模板保存在服務器中。實驗人員結束實驗后，選擇樣品編號，輸入對應的實驗數據，調用對應項目的模板，在平臺上出具電子版的報告，并加蓋電子簽字章。電子版的報告統一的保存在系統中。系統具有強大的報告管理功能：用戶可自行配置報告模板關聯檢測類型和檢測項目。經過報告編制，根據不同的檢測項目自行選擇報告模板生成報告，再進行報告審核、簽發。系統支持電子簽名、電子簽章，CMA/CNAS/公章/騎縫章等均可實現在線簽章。報告編制人員可通過系統自動生成檢驗報告，通過維護不同類別試驗的報告模板，系統能夠實現自動獲取報告中涉及的委托信息、實驗結果及相關數據。能夠實現報告編制人員查看該受理的全部原始記錄信息，支持報告編制人員電子簽名的維護。部分試驗需出具單項及綜合2 類報告的，系統能夠在相應環節實現2 類報告的編制，能夠根據要求分別對2 類報告完成編制-審核-簽發3 級審核。

4）綜合查詢管理。客戶通過瀏覽器登錄實驗室信息管理系統，查詢樣品狀態是否排隊、實驗中或者完結；查詢電子版報告、下載、打印報告；查詢實時實驗數據與歷史數據，輸出報表，實現數據的統計功能。管理人員可以通過LIMS 平臺，實時了解實驗室內各臺設備和人員的工作狀態、不同崗位待檢樣品數量等信息。LIMS 可以提供對整個實驗室各種信息的統計分析，得到諸如設備使用率、維修率、不同崗位工人工作量、出錯率、委托樣品及測試項目分布特點、實驗室全年各類任務的時間分布狀態、試劑或經費的消耗規律等信息。該模塊主要是對數據進行挖掘，支持數據展板，依據業務需要生成數據統計圖表、分析圖表、線性圖譜、質控曲線等，展現形式支持word、excel、PDF、JPG 等。LIMS 將整個實驗室的各類資源有機地整合在一起，實現實驗室數據完整性、合法性以及可追溯性，工作人員可以方便地對實驗室曾經做過的全部分析樣品和結果進行查詢。

4 結 語

針對煤礦瓦斯災害防治實驗室管理的實際需求，結合RB/T214-2017 標準，引入了先進的實驗室管理理念和技術手段，研發了基于B/S 架構的煤礦瓦斯災害防治實驗室信息管理系統。實驗室信息管理系統對實驗室的樣品信息、實驗數據、實驗結果等進行合理有效的科學管理，從而提高實驗室數字化、標準化和規范化管理水平，具有高維護性和第使用成本。

“十四五”期間，應充分發揮大數據與企業信息化系統建設的融合發展，一方面要將大數據作為基礎性戰略資源，加快推動數據資源共享開放和開發應用，積極構建平臺化、組件化信息化系統，拓展數據采集廣度和深度，強化關鍵數據的積累。另一方面要建立健全大數據輔助科學決策和治理的機制，推進管理模式創新。實驗室信息管理系統的開發為信息化建設打下基礎，提高實驗室管理效率，作為實驗室建設的附加應用，提升了企業形象。此外，該系統還需要根據實際需求進一步擴展功能模塊，降低模塊之間的耦合度，研究更深入的數據挖掘算法，提高實驗室信息化建設水平，科學規范業務流程。