智慧實驗室管理系統設計與實現*

陳婕卿 張 鋒 朱衛國 楊文航 楊欣壯 王辰超 周 力 朱朝輝

(中國醫學科學院北京協和醫院 北京 100730)

1 引言

2020年4月30日工業和信息化部辦公廳發布《關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》[1]，鼓勵各行業加速傳統產業數字化轉型，快速推進和發展物聯網技術。2021年3月15日國家衛生健康委員會辦公廳印發《醫院智慧管理分級評估標準體系(試行)》[2]，指出醫院智慧管理是“三位一體”智慧醫院建設的重要組成部分，應充分利用智慧管理工具提升醫院管理的精細化和智能化水平。其中實驗室管理對應醫院運營管理和運行保障管理的范疇，應用物聯網和信息數字技術助力智慧實驗室管理能力提升，將成為未來重要發展趨勢。2021年5月中國醫學科學院北京協和醫院建成轉化醫學國家重大科技基礎設施(以下簡稱轉化醫學樓)，充分發揮醫院的臨床資源優勢，緊密圍繞老齡化相關心腦血管疾病、疑難重癥和罕見病等，開展多學科交叉綜合合作的臨床實驗和科學研究。同時轉化醫學樓承擔了基礎研究成果快速向臨床應用轉化的任務。針對實驗室資源高效利用的需求，如果沿用傳統管理模式將會導致實驗室共享困難、儀器閑置、重復購置、難以溯源和存在安全隱患等管理問題。因此協和醫院應用物聯網、信息化、智能化和數字化技術手段，為轉化醫學樓構建智慧實驗室管理系統，并積極采用先進的物聯網技術實現對實驗儀器和設備的精準、智能管控，促進科研活動高效開展，提高實驗室運轉效率。本文將從系統架構、技術方案和功能實現等方面詳細闡述轉化醫學樓的智慧實驗室管理系統建設經驗，為行業內同類研究提供參考。

2 系統架構設計

智慧實驗室管理系統用分層結構進行搭建，包括用戶界面(User Interface,UI)層、業務層、數據層和運行環境層等。UI層由前端顯示層和UI框架組成，前端提供PC端Web頁面；業務層由業務邏輯層、業務服務層組成；數據層由數據接口層、實體倉儲層組成；系統日志、權限控制的中間件模塊貫穿UI層、業務層和數據層，提供統一日志記錄服務及鑒權服務。數據資源層主要使用MySQL關系型數據庫。系統采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)架構，部署在Windows Server的互聯網信息服務器(Internet Information Services，IIS)中，運行環境使用微軟最新的.Net Core框架，在Web應用外部附帶監控審計、檢查更新，見圖1。

圖1 智慧實驗室管理系統架構

3 系統功能實現

3.1 概述

智慧實驗室管理系統的核心業務包括4部分：實驗室儀器管理、實驗室危化品管理、實驗環境監測和實驗動物管理。此外還包括信息發布、場地預約、文檔管理和考核管理等基礎功能。系統建設在保障安全的同時提升實驗室資源利用效率和共享水平，并通過物聯網技術實現點對點的儀器管控[3]。

3.2 實驗室儀器管理

針對實驗室儀器和設備能夠實時監測其總運行時長、運行狀態、實時開關機情況、設備故障率和被預約次數等信息。通過智慧實驗室管理系統、儀器控制器和物聯網技術的組合應用，實現預約人員的儀器使用權限分配和使用周期設定，管理員能夠實時遠程開啟、關閉儀器，實時設置、取消故障，并且一鍵同步儀器權限。另外儀器設備可設置定期維護及校準提醒功能，可根據不同時段設置不同預約策略。在數據統計方面能夠統計人員的使用記錄、費用明細、預約記錄以及儀器使用時間、使用次數、使用時間與空閑時間占比。

3.3 實驗室危化品管理

選用防爆儲存專柜儲存危化品，通過安裝智能鎖和應用物聯網技術以軟硬件結合的模式進行管理。一方面系統監控防止危化品被盜等問題的發生，另一方面在柜子底部配置漏液槽，防止液體意外流出等風險。管理方面包括數據錄入、物品領取、歸還和盤點4個階段。管理人員在智慧實驗室管理系統錄入危化品信息，包括試劑名稱、規格、存量、每次最大取用量、保質期等。科研人員取用試劑并關柜門時柜中讀卡器自動讀取并進行危化品盤點，同時記錄取用的試劑名稱、時間和取用人。當科研人員對危化品用后稱重、放回防爆儲存專柜后，系統自動記錄此次操作的各項信息。放入試劑到柜子并關上柜門即視為歸還成功。最后系統進行盤點，配合門禁、視頻監控等管控手段實現危化品閉環安全管理。

3.4 實驗環境監測

實驗室環境要求不同于一般公共場所，環境監測的目的是保障實驗正常運行，預防突發事件發生，使管理人員能及時掌握和了解實驗室情況以減少損失[4]。環境監測模塊由3部分組成，包括溫度智能控制器、環境監測智能控制器和斷電監測系統，其中環境監測智能控制器可通過智能感知探頭對有特定溫濕度、氣體濃度要求的實驗室進行信息采集并進行數字化轉換，再經由網絡上傳至服務中心[5]。整個流程智能、高效，無需人工干預，為實驗環境監測提供可靠依據，見圖2。

圖2 實驗環境監測管理流程

3.5 動物房管理

智慧實驗室管理系統的實驗動物管理模塊設置主要是為解決傳統管理中各環節松散、關聯度低等問題，以及各類申請及審批線下處理的辦公效率低下問題。核心業務流程主要包括倫理實驗在線學習和培訓、倫理申請和審核、實驗申請和審核、籠位分配和綁定、實驗預約和管理等。此外該模塊具有科研人員訪問使用和管理員后臺統一管理功能，包括登錄、預約、審核等操作；系統后臺具備人員培訓、實驗管理、倫理審批管理、寄養喂養管理、動物生產、籠位管理等多種功能，見圖3。

圖3 實驗動物管理業務流程

4 物聯網技術創新應用

近年來物聯網(Internet of Things，IOT)已被定位為我國新基建和戰略性新興產業。物聯網的實質是泛在網絡融合協同的一種網絡工作模式[6]，其由智能感應設備、傳輸網絡和應用控制網絡系統構成。本研究中的設備應用無線、有線和移動網絡，通過傳輸控制協議及互聯網絡協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)與專用監聽軟件進行長連接通信，監聽軟件再使用SignalR技術與核心服務器通信[7]。在物聯網智能管理方面，以軟件和硬件結合為基礎，通過醫用冷鏈智能管控模塊、物聯網儀器電源控制器、溫度智能控制器、冰箱智能控制鎖等IOT物聯網控制器，對實驗人員使用情況、冰箱開關情況和溫度進行監測，實現實驗室設備的智能管控[8]。本研究中采用的物聯網儀器電源控制器通過儀器智能控制器開關來管控儀器電源，具有超強抗干擾能力以及計量、控制、限制、管理等功能，可以實現控制儀器使用權限的目的。該控制器支持刷卡識別、指紋識別和二維碼控制3類模式，綜合以上3種控制方式進行智能控制器設計， 3種模式互不干擾、互相補充，見圖4。

圖4 物聯網電源控制器應用模式

5 系統運行情況

5.1 建設情況

歷經5個月2021年3月4日完成智慧實驗室管理系統項目建設，建設內容包括需求調研、系統設計、研發實施、用戶培訓等。在系統建設中從人員、環境、安全、儀器、數據5方面充分進行需求評估，從多個緯度為科研實驗室提出新的管理理念與方式，為實驗室儀器管理、實驗室危化品管理、實驗環境監測和實驗動物管理4方面核心業務提供能力支撐和技術保障。

5.2 運行情況

自2021年8月12日啟動智慧實驗室管理系統試運行以來，已注冊用戶279名、共享儀器163臺、累計實驗設備使用機時達3 503小時，系統整體運行平穩。部署該系統前實驗室儀器預約采用手工登記和電話聯系方式，部署系統后則采用線上預約模式。統計部署系統前后所需的預約工作時長并匯總，Tm代表預約所需最可能時間，To代表最快完成預約的樂觀時間，Tp代表最慢完成預約的悲觀時間，通過三點估算法[9-10]進行評估，估計預約所需時間T=(To+4×Tm+Tp)/6。對比部署該系統前后的儀器預約所需時長，部署系統前約為8.17小時，部署系統后則僅需1.08小時，工作效率顯著提升，見表1。智慧實驗室系統的搭建不僅支撐轉化醫學業務和實驗室資源共享，而且將實驗室管理信息化水平提升到新高度。

表1 調查數據(單位：小時)

6 結語

本研究梳理智慧實驗室管理系統設計方案和管理模式，總結物聯網技術在實驗室儀器管理、實驗室危化品管理、實驗室環境監測和實驗動物管理等方面的實踐經驗。研究仍有不足之處，目前數據積累情況尚不足以進行決策支持，智慧實驗室管理系統在整合數據資源的同時，下一步工作中將實現對運行數據的自動收集和統計分析，為實驗室未來建設規劃提供可靠的數據和決策支撐。智慧實驗室管理系統的成功建設進一步反映了其在設備共享、便捷管理、流程優化和節約資源方面具有較好的推廣意義和應用價值。智慧實驗室管理系統建設是現代化智慧醫院建設和醫院智慧管理的重要組成部分，為轉化醫學樓臨床實驗和科學研究提供有力保障，未來將進一步助力轉化醫學實驗管理的高水平、多元化和國際化發展。