現代化智能實驗室平臺建設概述與設計

嚴燁 惠衛甲 楊雯 樊璐 呂名蕊 張艷

摘 要：隨著檢驗檢測產業的不斷深化，對技術能力和管理要求提出更高的標準，傳統實驗室的運行模式已跟不上產業發展的節奏。需依靠信息化技術和工業產品的“兩化融合”帶動實驗室運行水平的提升，保障檢驗過程可追溯、質量可控制和數據準確性。進一步提升管理效率，優化業務管理、資源管控和安全提升。本文對現代化智能實驗室的現狀進行了概述，對國內標準體系進行了探討，提出了智能化實驗室平臺的設計模型，為檢驗檢測行業發展提供參考。

關鍵詞：檢驗檢測，智能化，實驗室平臺

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.19.031

基金項目：本文受陜西省創新能力支撐計劃項目“食品安全檢驗檢測共享平臺”（項目編號：2023-CX-PT-39）資助。

Overview and Design of Modern Intelligent Laboratory Construction

YAN Ye1* HUI Wei-jia1 YANG Wen1 FAN Lu1 LYU Ming-rui1 ZHANG Yan2

（1. Xian Wukong Testing Technology Co.， Ltd.； 2. Fuping Inspection and Research Center）

Abstract： With the development of the inspection and testing industry， higher standards are set for technical capabilities and management requirements， which means traditional operation mode of laboratories can no longer keep up with the pace of industrial development. We need to rely on the integration of information technology and industrial products to drive the improvement of laboratory operation level， ensuring the traceability of inspection processes， quality control， and data accuracy. We will further improve management efficiency， optimize business management， control resources， and enhance security. This paper provides an overview of the current situation of modern intelligent laboratories， explores the domestic standards system， and proposes a design model for an intelligent laboratory platform， providing reference for the development of the inspection and testing industry.

Keywords： inspection and testing， intellectualization， laboratory platform

0 引 言

近年來，檢測行業呈現快速發展勢頭，實驗室規模逐漸擴增，但傳統的勞動密集型工作模式和效率難以滿足檢測市場的發展需求[1-3]，對于智能檢測裝備要求更高，對于機構內部的管理也提出了更高的標準，怎樣有效促進實驗室高效運行成為行業共同探討的話題[4-5]。信息技術近年來逐步應用到檢測行業中，集合利用信息化方式，攻克智能檢測基礎共性技術，使檢測裝備精準、可靠、智能、集成發展，令實驗室管理流程化、自動化，提高了質量和安全管理的工作效率和效果，促進了檢測行業的有序發展[6-9]。

信息化產業和智能制造的發展推動實驗室智能化不斷邁上新臺階，實驗室平臺的不斷探索和技術的不斷深化，讓智能實驗室管理的成熟度迅速提升。本文對檢測實驗室行業現狀進行分析，對目前智能實驗室建設涉及的技術進行探討，對國內智能實驗室建設建標情況進行說明，對智能實驗室設計提出參考概念，為實驗室智能平臺發展提供參考。

1 實驗室管理現狀

據認監委統計，截至2022年底，我國獲得資質認定的各類檢驗檢測機構共有52，769家，同比增加820家，增長率1.58%。全年實現營業收入共4275.84億元，同比增長4.54%。全年向社會出具檢驗檢測報告共6.5億份，共有從業人員154.16萬人，擁有各類儀器設備957.54萬臺套，全部儀器設備資產原值4744.75億元，檢驗檢測機構實驗室面積10，423.51萬平方米。整體來看，檢驗檢測機構增長速率放緩，但絕對數量還在不斷增加中。隨著市場活力的恢復，檢驗檢測市場會不斷向好發展。目前國內實驗室類型多樣，多數伴隨制造業的發展而興起，檢驗檢測作為輔助支撐產業，其發展狀況一直受到多方關注。

食品檢驗檢測實驗室作為具有代表性的專業性實驗室，工作類型覆蓋物理性能試驗、化學試驗、微生物試驗、毒理試驗和生物分子試驗等，種類多樣且復雜。食品實驗室檢測人員占比往往達到機構運行總人數的20%～50%，實驗室內人員密集，不易管理，安全意識參差不齊，更需要智能化手段進行管理。

一方面，檢測流程環節較多，需要提升更高的效率和對外展示度。內外管理環節包括采樣過程、送樣過程、檢測過程、質量管理、試劑耗材領用、報告打印發放等一系列過程。這些環節串聯形成閉環，需要借助更智能的工具和手段來整合。另一方面，實驗室安全運行需要重視，包括對實驗室溫度、水路、危害因子、有毒有害氣體等的監控十分有必要。而實現以上運行管理目標的方式就是實現實驗室內外的智能建設，提升實驗室感知、分析、控制、決策能力和水平，實時掌控實驗室運轉情況。

檢測行業依托的信息化技術蓬勃發展，已經不局限于軟件的開發。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中，多次提到對物聯網及其相關產業的發展要求和重點，推動傳感器、網絡切片、高精度定位等技術創新。將實驗設備、試劑耗材、環境監測、門禁控制、消防控制、安防報警、視頻監控等物理模塊，同先進的實驗室信息化管理系統（LIMS）相結合，實現智能控制，即實驗室的智慧化、安全化和可視化系統管理，使實驗室管理更加科學規范，充分有效保障實驗室的系統運行。

智能實驗室就是應用硬件集成、信息采集和通信技術，通過信息管理等系統對實驗室活動進行智能化管理的實驗室[10]。智能化是在應用網絡[11-13]、大數據[14]、人工智能[15]、云計算[16]、生物識別[17]、物聯網[18]等核心技術的支撐下，體現具有完全或部分自助能動性的，可滿足實驗室不同需求的機械、軟件或平臺屬性。其目的是通過智能設備的發展和一定組織規范引導，使智能實驗室這個概念落地并有序、實用的發展。

2023年中共中央、國務院印發《數字中國建設整體布局規劃》，其中指出建設數字化中國是數字時代推進中國式現代化的重要引擎，是構筑國家競爭新優勢的有力支撐。提出到2025年，基本形成橫向打通、縱向貫通、協調有力的一體化推進格局，數字中國建設取得重要進展。推動數字技術和實體經濟深度融合，在農業、工業、金融、教育、醫療、交通、能源等重點領域，加快數字技術創新應用。

檢驗檢驗行業作為人民生產生活中必不可少的一個環節，其數據的社會價值和經濟分析作用不容忽視。隨著檢驗檢測行業對信息化、智能化的接受程度不斷增長，實驗室會在智能化建設發展的引導下規范、高效的發展[19-21]。

2 國內智能實驗室建設標準體系

GB/T 40343-2021《智能實驗室 信息管理系統功能要求》規定了實驗室信息化管理系統的功能模型、核心功能要求、通信功能要求和系統管理功能要求，介紹了智能實驗室信息管理系統的擴展功能[22]。RB/T 028-2020《實驗室信息管理系統管理規范》規定了實驗室信息管理系統的管理策劃、建設、運行、維護、退役等管理要求。重點在于對系統全生命周期的管理規范[23]。RB/T 029-2020《檢測實驗室信息管理系統建設指南》提出了檢測實驗室信息化系統建設中的項目啟動、需求分析、系統設計、系統構建、系統實施、系統運維和系統更新方面的指南內容。內容涉及部分資源管理需求，如系統應提供監測、控制和記錄環境條件的功能[24]。GB/T 39555-2020《智能實驗室 儀器設備 氣候、環境試驗設備的數據接口》規定了智能實驗室用氣候、環境實驗設備與系統通信的數據接口的術語和定義、數據定義、數據類型和數據結構等[25]。GB/T 39556-2020《智能實驗室 儀器設備 通信要求》規定了智能實驗室儀器設備與上層系統通信的總體要求、網絡通信模型和命令格式等[26]。GB/T 33711-2017《移動實驗室 信息傳輸系統通用技術規范》規定了移動實驗室信息傳輸系統的術語和定義、分類和框架、要求及試驗方法。對于遠程數據傳輸模型的建設有一定的參考意義[27]。DB33/T 893.1-2013《臨床實驗室信息系統 第1部分：基本功能規范》、DB33/T 893.2-2013《臨床實驗室信息系統 第2部分：數據傳輸與交換》及DB33/T 893.3-2013《臨床實驗室信息系統 第3部分：工作流程規范》針對臨床試驗信息系統系列做出要求[28-30]。

從相關標準的查詢結果來看，近些年對于智能化實驗室建設標準的研究和制定逐漸增加，在不同領域和方向都有所探討，檢測行業的多樣化促使不同標準對實驗室智能化模塊內容和要求存在較大差異。

3 實驗室智能化建設體系設計

根據檢驗檢測實驗室的特性，將智能建設應用于五個階段：采樣階段、業務受理階段、檢驗檢測階段、報告階段，以及日常實驗室安全監控。分別對每個階段應連接的終端類別、終端性能要求和連接方式提出指導，為檢驗檢測實驗室的智能建設指引方向。

基于物聯網技術的實驗室以信息智能為核心目標，圍繞信息采集智能化、信息處理智能化、信息顯示與推送智能化全面展開。智能終端的選擇、信息采集智能化是智慧實驗室的關鍵環節，智慧實驗室中的信息采集智能化設備具有自組網、自診斷、自修復、不間斷運行高穩定性和高可靠性特點，能夠對實驗室中的信息自動實時采集、分析與挖掘，減少信息采集中的人力投入，提高數據采集的準確性和可靠性[31-32]。信息處理智能化依靠云計算的強大處理能力，對信息進行分析、處理，為決策提供有力的數據保障。

將目前最適合的軟件和信息化技術應用到實驗室規劃和建設過程中來，結合智能終端和設備，實現實驗室一定程度上的智能預警、管理和控制。智能化建設的目的是梳理和規范實驗室內外部管理、提高檢測效率、增強數據準確性、穩固實驗室安全。引導檢驗檢測實驗室向流暢、智能管理的方向發展，提高實驗室內部管理效率，增強實驗室運行安全意識，減少和避免實驗室隱患問題的發生，使檢驗檢測工作高效、準確、可追溯。

智能實驗室框架概念如圖1所示，布局如圖2所示，模式數據控制和展示如圖3所示。

4 結 語

上游技術支持，下游市場認同。一方面是在于法規上的完善，引導智能實驗室建設合理、合法和規范。另一方面在于市場習慣的養成，培養市場在報告電子化、真實性和溯源性上更加快速、準確。

智能實驗室的基礎支持在于智能制造和信息技術的發展。智能制造一方面解決目前人工參與程度比較高的部分工作，另一方面提供依靠軟件技術不能解決的新思路。軟件技術的作用在于集成，整體把控流程，收集數據、解析數據和應用數據結果。

目前完全針對實驗室智能設備制造的企業屈指可數，國外儀器設備廠商重在基于自身專利技術的擴展，同時設定較高的技術壁壘，除非從法規上要求，不然只能從面上解決設備連接的問題；國內近些年檢測智能設備有所發展，但應用性還需探討，比如全自動微生物檢測裝置，每次進樣有限，整體效率有待提升，單臺設備較為昂貴，推廣性不是很強；又如專業性較高的全自動核酸檢測實驗室，造價高，不易推廣，且需要大量的業務進行持續性的支撐。

政府規范和客戶需求是智能實驗室可以發展的著力點，人為因素的減少可以提高流程的規范性和數據的可靠性，成熟的模式有利于監管的執行，智能的檢測流程和報告進度一目了然。檢測本身沒有秘密，檢測過程質量控制才是應該重點關注的內容。

綜上所述，智能實驗室是檢驗檢測行業發展的趨勢，是隨著硬件和軟件技術發展而產生的不可逆的方向。任何一個新事物的產生會經歷由混亂到秩序化的過程，這個過程需要有專業的組織去引導和探索，同時需要有一定的法規進行規范和約束。

參考文獻

[1]林王兵.環境保護實驗室發展現狀及未來趨勢研究[J].環境工程，2022，40（9）：284.

[2]梁宗正，閆金定，趙可，等.中國農業領域國家重點實驗室發展現狀與對策[J].科技管理研究，2022，42（8）：59-65.

[3]蔡啟良，蔡霞，瞿滌，等.我國高等級生物安全實驗室現狀、發展和挑戰[J].國家安全研究，2023（1）：61-76+151.

[4]張桂玲.智能實驗室標準體系建設研究[J].中國標準化，2020（S1）：115-120.

[5]章玥云.智能實驗室信息化系統的建設與管理[J].信息記錄材料，2022，23（11）：166-168.

[6]王文雙，楊雅君.實驗室信息管理系統發展綜述[J].電子產品可靠性與環境試驗，2021，39（S2）：60-63.

[7]李雨鑫，解迎剛，孫錦，等.智能實驗室管理與控制系統的設計[J].物聯網技術，2022，12（5）：94-96.

[8]孫德俊.智能實驗室開發與通道系統技術研究[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2020，36（2）：190-196.

[9]廖軍，張毅，王成良，等.基于數據智能一體化的實驗室云平臺的建設與研究[J].實驗技術與管理，2020，37（4）：249-252.

[10]劉潔怡，周佳社，王新懷，等.人工智能開放式實驗室建設與管理探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（3）：252-255+265.

[11]殷鑫華，萬旭成.基于多網融合的智能實驗室系統設計[J].物聯網技術，2021，11（3）：107-109+114.

[12]范皓然.基于STM32的實驗室智能安全綜合控制系統[J].集成電路應用，2019，36（12）：23-24+27.

[13]邢娟，秦丹，戰麗波.基于Wi Fi的智能實驗室環境監測和監控系統設計[J].實驗室研究與探索，2019，38（3）：265-268+272.

[14]大數據與人工智能創新實驗室[J].太原學院學報（自然科學版），2021，39（1）：2+87.

[15]劉潔怡，周佳社，王新懷，等.人工智能開放式實驗室建設與管理探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（3）：252-255+265.

[16]鄧鵬.基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統設計[J].機電工程技術，2022，51（4）：139-141+276.

[17]趙云鴻，馬振偉，李貴，等.基于LD3320語音識別和KS2A242人臉識別的智能實驗室管理研究[J].電子世界，2020（4）：187-188.

[18]劉娜.基于物聯網技術的智能實驗室建設研究[J].大眾標準化，2021（21）：38-40.

[19]李景宇.智能實驗室的多級管理及其性能保證研究[D].成都：電子科技大學，2016.

[20]劉剛，韓飛.智能實驗室安全報警系統[J].時代農機，2018，45（10）：221.

[21]童保軍.智能實驗室管理系統的自動化數據采集優化方向[J].自動化應用，2019（2）：155-156.

[22]全國實驗室儀器及設備標準化技術委員會.智能實驗室信息管理系統 功能要求：GB/T 40343-2021[S].2021.

[23]國家認證認可監督管理委員會.實驗室信息管理系統管理規范：RB/T 028-2020[S].2020.

[24]國家認證認可監督管理委員會.檢測實驗室信息管理系統建設指南：RB/T 029-2020[S].2017.

[25]全國實驗室儀器及設備標準化技術委員會.智能實驗室儀器設備 氣候、環境試驗設備的數據接口：GB/T 39555-2020[S].2020.

[26]全國實驗室儀器及設備標準化技術委員會.智能實驗室儀器設備 通信要求：GB/T 39556-2020[S].2020.

[27]全國實驗室儀器及設備標準化技術委員會.移動實驗室信息傳輸系統通用技術規范：GB/T 33711-2017[S].2017.

[28]浙江省質量技術監督局.臨床實驗室信息系統 第1部分：基本功能規范：DB33/T 893.1-2013[S].2013.

[29]浙江省質量技術監督局.臨床實驗室信息系統 第2部分：數據傳輸與交換：DB33/T 893.2-2013[S].2013.

[30]浙江省質量技術監督局.臨床實驗室信息系統 第3部分：工作流程規范：DB33/T 893.3-2013[S].2013.

[31]戴剛.基于物聯網的智能實驗室管理系統研究[J].現代工業經濟和信息化，2020，10（7）：62-63+75.

[32]劉君玲.基于物聯網技術的智慧實驗室管理系統的研究與應用[D].西安：西安電子科技大學，2019.

作者簡介

嚴燁，通信作者，碩士，高級工程師，研究方向為質量檢測與實驗室建設。

（責任編輯：袁文靜）