李日平 劉曉明 馬少維 陳 省 鄭永祥 周宇棟
(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦,廣東 韶關 512325;2.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083;3.倫圖科技(長沙)有限公司,湖南 長沙 410083)
受經(jīng)濟、社會、技術、觀念等多種因素的影響,國內(nèi)礦山企業(yè)在化驗檢測方面普遍存在資金投入不足、管理方式落后等現(xiàn)象。 許多企業(yè)依然沿用傳統(tǒng)的工作方式,如紙記人算、手抄匯總、重復謄錄、復寫報告、人工傳遞,檢測過程中存在數(shù)據(jù)抄算易出錯、原始記錄追溯難、報告編制效率低、結果查詢麻煩、數(shù)據(jù)統(tǒng)計不便、質(zhì)量管理不規(guī)范等突出問題。
LIMS(Laboratory Information Management System)是一種專門為實驗室設計的信息管理系統(tǒng),它以實驗室分析數(shù)據(jù)的采集、錄入、處理、檢查、判定、存儲、共享、報告發(fā)布及業(yè)務流程管理為核心,通過應用計算機信息技術對實驗室人員、材料、設備、技術、方法等資源進行綜合管理。 自20 世紀90 年代起,LIMS 系統(tǒng)在西方發(fā)達國家開始逐步普及和推廣,同期也開始引入國內(nèi)。 經(jīng)過二十多年的發(fā)展,LIMS 在國內(nèi)醫(yī)藥、石油、化工、環(huán)保等行業(yè)逐漸得到應用。 隨著國內(nèi)礦山企業(yè)化驗檢測業(yè)務的不斷發(fā)展,許多企業(yè)開始重視并引入LIMS 系統(tǒng)。
近年來,眾多學者對LIMS 在實驗室認證、地礦、環(huán)境檢測等領域的應用進行了深入研究。 他們主要涉及LIMS 在“雙認證”實驗室中的應用[1]、LIMS 在地礦行業(yè)開發(fā)應用現(xiàn)狀及應用前景[2]、LIMS 在西藏甲瑪銅多金屬礦的開發(fā)與應用[3]、LIMS 在海洋環(huán)境監(jiān)測中的應用[4]、LIMS 在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)整合中的應用[5]、LIMS 如何實現(xiàn)化學制造實驗室與外部行業(yè)服務實驗室進行業(yè)務靈活適配[6]等方面,這些研究為LIMS 在相關領域的應用提供了有益參考。 然而,金屬礦山具有鮮明的行業(yè)特性,國內(nèi)LIMS 針對該行業(yè)的開發(fā)和應用研究相對缺乏。 雖然國產(chǎn)LIMS軟件數(shù)量不斷增加,但市面上通用型LIMS 軟件普遍存在與CNAS 結合不緊密、流程管理不嚴謹、行業(yè)適用性不強、應用推廣困難等不足,無法有效滿足礦山行業(yè)實驗室的特殊需求。
隨著智能礦山[7-12]建設的快速推進,礦山企業(yè)如何開發(fā)適合本行業(yè)特點的LIMS 系統(tǒng)[13-14],充分發(fā)揮LIMS 的管理優(yōu)勢,已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。本研究以國內(nèi)某大型鉛鋅礦企業(yè)LIMS 的研發(fā)和應用為例,從CNAS 體系要求、LIMS 架構設計和應用創(chuàng)新等方面,對LIMS 在創(chuàng)新礦山企業(yè)化驗檢測業(yè)務管理模式、提升實驗室管理水平的現(xiàn)實意義和應用前景進行分析闡述。
礦山企業(yè)主要以礦石采選加工為主業(yè),其化驗檢測業(yè)務普遍具有以下行業(yè)特點:
(1)樣品類型相對固定。 主要包括采礦地質(zhì)樣、選礦生產(chǎn)樣、選礦試驗樣、選礦藥劑、精礦樣品、環(huán)測樣品等。
(2)檢測項目相對固定。 主要包括礦物成分分析、選礦藥劑分析、水質(zhì)分析等。
(3)檢測方法相對固定。 主要包括容量分析、光譜分析、重量分析、電化學分析等。
CNAS-CL01、CNAS-CL01-A002 準則對LIMS 提出了明確要求,主要涵蓋實驗室通用要求、結構要求、資源要求、過程要求和管理體系要求。 這些要求旨在確保實驗室的檢測和校準能力符合標準,并為質(zhì)量改進提供數(shù)據(jù)依據(jù)。 為了滿足以上要求,LIMS 應具備以下功能:
(1)標準化管理。 LIMS 應提供樣品管理、人員管理、設備管理、方法管理、標準物質(zhì)管理等功能。
(2)過程控制。 LIMS 應符合CNAS 關于檢測方法、檢測程序、數(shù)據(jù)完整性、結果有效性、量值溯源性和不確定度的相關要求,并提供符合CNAS 要求的文件和記錄管理功能。
(3)支持多種檢測類型。 LIMS 應支持化學分析、光譜分析、色譜分析、質(zhì)譜分析等多種檢測類型,并采用靈活的數(shù)據(jù)采集和分析模塊以適應不同類型的需求。
(4)數(shù)據(jù)處理。 LIMS 應具備自動化數(shù)據(jù)處理功能,包括數(shù)據(jù)采集、計算、修約和統(tǒng)計等,并具備數(shù)據(jù)審核和數(shù)據(jù)溯源功能。
(5)數(shù)據(jù)存儲和備份。 LIMS 應具備強大的數(shù)據(jù)存儲和備份功能,以保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。
國內(nèi)某大型鉛鋅礦是亞洲已探明地質(zhì)儲量和鉛鋅精礦產(chǎn)量最大的礦山之一,該礦自1958 年建礦以來,經(jīng)過多次技術改造和擴建,現(xiàn)已具備日處理鉛鋅礦石5 000 t、年產(chǎn)鉛鋅金屬量18 萬t 的綜合生產(chǎn)能力。 該礦質(zhì)控中心負責為礦山采選生產(chǎn)、科研技改、各類試驗和產(chǎn)品銷售提供化驗檢測服務,為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營決策提供數(shù)據(jù)支持。 為緊跟行業(yè)信息化發(fā)展潮流,該中心制定了“標準化、信息化、自動化”的建設目標。 2018—2020 年,該中心順利完成了CMA 資質(zhì)認證和CNAS 實驗室認可,建立了全面的質(zhì)量管理標準體系。 隨后,2020—2022 年,根據(jù)礦山企業(yè)化驗檢測業(yè)務特點和實際需求,該中心成功研發(fā)出一款符合CNAS 體系要求、融合行業(yè)管理特色的LIMS 系統(tǒng),開啟了礦山實驗室數(shù)字化信息化管理的新篇章。
針對傳統(tǒng)化驗檢測模式存在的問題,依據(jù)《CNAS-CL01 檢測和校準實驗室能力認可準則(ISO/IEC 17025)》[15-16]設計開發(fā)了金屬礦山LIMS 系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體架構如圖1 所示。

圖1 LIMS 系統(tǒng)架構示意Fig.1 Schematic of the LIMS system architecture
(1)系統(tǒng)管理。 設計系統(tǒng)管理模塊,用于對模塊、按鈕、數(shù)據(jù)字典進行設置管理。 設計機構管理模塊,用于對部門和職位進行設置管理。 設計權限管理模塊,對用戶、角色或用戶組進行權限設置管理。
(2)基礎數(shù)據(jù)管理。 該模塊是LIMS 架構設計的核心。 通過建立樣品類型、樣品名稱與檢測項目之間的對應關系,對委托單位、檢測部門、化驗崗位、檢測方法、計算公式、標定公式、再現(xiàn)性限、雙杯單人分析等進行關聯(lián)配置。
(3)檢測流程。 根據(jù)CNAS 體系規(guī)范,設計LIMS標準檢測流程,主要包括業(yè)務委托、受理、加密、收樣、任務分配、任務認領、稱樣、定容、測定和結果匯總,對檢測過程實行流程化管理,以確保檢測程序的嚴謹性和規(guī)范性。
(4)報告流程。 設計報告編制、審核、批準、發(fā)布、歸檔等標準流程,以確保檢測報告的質(zhì)量和準確性。 在報告編制環(huán)節(jié),系統(tǒng)按照規(guī)定的格式和內(nèi)容要求進行編制,以確保報告的真實性、準確性和完整性。在審核環(huán)節(jié),由專業(yè)人員對報告的內(nèi)容、格式、數(shù)據(jù)分析和結論等進行全面審查和評估,以確保報告的質(zhì)量和合規(guī)性。 在批準環(huán)節(jié),由高層管理人員對報告進行審批和決策,以確保報告的權威性。 經(jīng)過批準的報告將傳達給相關人員,并確保報告的傳達方式和時間符合標準要求。 在歸檔環(huán)節(jié),系統(tǒng)將整理并保存報告以備查詢和追溯。
(5)統(tǒng)計查詢。 設計業(yè)務流轉(zhuǎn)、檢測進度、報告進度、工作量統(tǒng)計、報告溯源等查詢功能,提供友好、精準的查詢體驗。 用戶可以通過該模塊輕松查詢業(yè)務的實時狀態(tài),跟蹤監(jiān)控業(yè)務流程,以便更好地把握業(yè)務進展情況。 同時,該模塊還應具備報告自動生成功能,并自動對人員的工作量進行統(tǒng)計和分析。
(6)質(zhì)量管理。 設計質(zhì)量抽查、質(zhì)控樣管理、質(zhì)控圖、人員監(jiān)督及質(zhì)量監(jiān)控等功能。 質(zhì)量抽查模塊通過隨機或按計劃抽取樣品進行檢測,以評估產(chǎn)品或檢測的質(zhì)量,確保質(zhì)量控制貫穿于整個質(zhì)量活動過程。質(zhì)控圖模塊通過可視化方式展示質(zhì)量控制數(shù)據(jù),提供對質(zhì)量數(shù)據(jù)的趨勢分析和預測功能,幫助管理人員快速了解質(zhì)量狀況,識別異常數(shù)據(jù)和趨勢,及時采取糾正措施,進行相應決策,避免質(zhì)量問題擴大化。 人員監(jiān)督模塊則對參與質(zhì)量管理過程的人員進行監(jiān)督和管理,確保工作人員具備必要的資質(zhì)和技能,并提供對培訓需求和績效評估的管理功能。 通過這些功能確保質(zhì)量管理過程的嚴謹性和可靠性。
(7)資源管理。 資源管理主要包括對人員、設備、文件、試劑和樣品等資源的管理。 在人員管理方面,要確保相關人員具備必要的專業(yè)技能和知識,提供人員資質(zhì)審查和培訓管理功能。 在設備管理方面,提供設備采購、使用、維護、校準、維修、報廢全生命周期管理功能。 在文件管理方面,提供文件發(fā)放、歸檔、存儲管理功能和定期查新功能,確保其與最新標準和相關法規(guī)保持一致。
3.3.1 業(yè)務管理流程化
借助LIMS 系統(tǒng),檢測過程實現(xiàn)了符合CNAS 體系要求的流程化管理。 從業(yè)務委托、樣品接收、任務分配、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審核,到結果匯總、報告編制、報告審批和發(fā)布,整個業(yè)務流程均受到LIMS 系統(tǒng)的嚴密監(jiān)控和管理。 業(yè)務流程如圖2 所示。

圖2 LIMS 檢測業(yè)務流程示意Fig.2 Schematic of the LIMS detection business process
在業(yè)務委托過程中,用戶可以通過遠程登錄LIMS 系統(tǒng),自主選擇樣品類型和檢測項目進行委托,同時可以打印樣品標簽和委托單。 收發(fā)室通過掃描樣品標簽的方式受理樣品,并簽訂委托檢測協(xié)議。 在樣品移交檢測室之前,可根據(jù)需要對樣品進行加密處理。 在檢測室收樣登記后,系統(tǒng)會自動將檢測任務分配至各檢測部門和崗位。 檢測人員需通過個人賬號登錄系統(tǒng),選擇相應的檢測崗位、檢測項目和檢測方法,主動認領檢測任務并完成檢測。 檢測完成后,結果將自動進行匯總、超差判定、復檢提示和結果平均處理。 當匯總結果提交后,系統(tǒng)將根據(jù)委托單自動完成報告編制,管理人員則按照系統(tǒng)授權進行報告的審核、批準和發(fā)布。 整個流程各環(huán)節(jié)緊密銜接、環(huán)環(huán)相扣,必須按照既定流程進行,任何人無法隨意改變,從而有效杜絕了管理漏洞。
3.3.2 檢測過程自動化
在傳統(tǒng)的化驗檢測過程中,數(shù)據(jù)抄錄、結果計算、匯總登記以及報告編制等環(huán)節(jié)均需人工手動操作,這種方式不僅工作量大,過程也較為繁瑣,且極易出現(xiàn)錯誤,從而直接影響化驗檢測的質(zhì)量。 LIMS 通過數(shù)字化技術進行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸及保存[17-18],確保檢測過程數(shù)據(jù)處理的準確性和規(guī)范性,從而有效避免了人為錯誤發(fā)生,提高化驗檢測質(zhì)量。
(1)數(shù)據(jù)自動采集。 LIMS 采用多種技術手段來確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。 一是通過不同的端口通信協(xié)議,自動采集天平及溫濕度計的測量數(shù)據(jù)。 二是通過二維碼技術,自動獲取樣品、標準溶液、儀器設備的相關信息,如名稱、編號、型號、規(guī)格、濃度等。 三是通過導入和解析測定數(shù)據(jù)文件,自動采集分析儀器的檢測數(shù)據(jù)。 四是借助移動通信技術,自動采集Pad端錄入的數(shù)據(jù)。 這些技術的應用徹底取代了人工抄寫記錄方式,顯著提高了數(shù)據(jù)采集效率和準確度。 數(shù)據(jù)采集平臺如圖3 所示。

圖3 LT-IoT 數(shù)據(jù)采集平臺Fig.3 LT-IoT data acquisition platform
(2)結果自動計算。 在基礎數(shù)據(jù)管理模塊中,可以預先設置標定計算公式和結果計算公式(圖4)。在檢測時,系統(tǒng)只需采集稱樣量、體積、濃度等原始檢測數(shù)據(jù),分析結果將自動計算,從而避免因人工計算和反復抄寫而產(chǎn)生的錯誤。

圖4 計算公式管理Fig.4 Calculation formula management
(3)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化傳輸。 檢測數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)、Wi-Fi 或者AP 等進行傳輸和共享,委托方可登錄網(wǎng)絡查詢、下載和打印檢測報告。
(4)報告自動歸檔。 LIMS 將檢測記錄表、結果匯總表、檢測報告等原始記錄以數(shù)字化形式進行存儲歸檔,解決了紙質(zhì)記錄保存難、歸檔難、查詢難等問題,確保記錄的準確性和完整性。
3.3.3 結果匯總規(guī)范化
LIMS 系統(tǒng)嚴格按照相關國家標準規(guī)范要求,對化驗檢測數(shù)據(jù)進行嚴謹?shù)男藜s、計算與匯總。
(1)規(guī)范數(shù)字修約。 在數(shù)據(jù)采集階段,系統(tǒng)根據(jù)分析儀器測量精度來確定有效數(shù)字,確保數(shù)據(jù)具有較高的精確度。
(2)規(guī)范結果計算。 在結果計算時,系統(tǒng)會按照標準方法的相關規(guī)定進行計算,確保結果的規(guī)范性和準確性。
(3)結果自動匯總。 當平行樣分析結果提交后,系統(tǒng)會自動進行匯總,無需人工抄寫謄錄,大大提高了工作效率。
(4)規(guī)范超差判定。在處理匯總結果時,系統(tǒng)會依據(jù)標準方法的再現(xiàn)性限,對平行樣結果是否超差進行判定。 同時,根據(jù)平行樣結果的極差值與再現(xiàn)性限的相差程度,按照試樣分析結果可接受性評價流程[19],系統(tǒng)將自動判定應執(zhí)行單杯重驗還是雙杯重驗。 其中,再現(xiàn)性限是由系統(tǒng)根據(jù)標準方法規(guī)定用插入法或者外延法計算得到。
(5)規(guī)范平均結果計算。 在計算平均結果時,系統(tǒng)會根據(jù)平行結果匯總計算規(guī)則,自動計算平行樣結果的算術平均值或者中位數(shù)作為平均結果。 整個匯總過程由系統(tǒng)按照標準規(guī)范流程自動處理,完全避免了人工干預和計算錯誤,顯著提高了工作效率。
3.3.4 報告管理程序化
匯總結果提交后,系統(tǒng)根據(jù)委托檢測協(xié)議書自動生成檢測報告。 根據(jù)系統(tǒng)分配的報告審批權限,用戶可以編制、審核、批準檢測報告。 在審批過程中,用戶可以查看相關的原始記錄,并允許將可疑報告進行回退處理。 在審批提交時,可以指定下一步審批責任人。 報告發(fā)布后,委托方可以通過登錄系統(tǒng)查看、下載、打印本單位的相關檢測報告。 通過這種方式,實現(xiàn)了檢測報告審批的程序化處理和規(guī)范化管理。 同時,用戶在審批過程中無法修改或刪除任何數(shù)據(jù),從而克服了傳統(tǒng)模式下依賴手寫編制、復印抄寫和人工傳送報告的不足,避免了報告被篡改。
3.3.5 報告溯源數(shù)字化
在報告溯源模塊中,用戶可以通過委托編號、報告編號以及樣品類型輕松查找到歷史檢測報告,對報告數(shù)據(jù)進行溯源(如圖5 所示),極大地提高了報告溯源效率和便利性。

圖5 報告溯源界面Fig.5 Interface of report traceability
3.3.6 體系管控平臺化
根據(jù)《檢測和校準實驗室能力認可準則》(CNASCL01),經(jīng)過確認的實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)可以用于收集、處理、記錄、報告、存儲或檢索實驗室活動所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息[20],對CNAS 體系要求的全部要素實現(xiàn)平臺化管理。
(1)數(shù)據(jù)管理。 LIMS 系統(tǒng)可以將檢測活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖譜、記錄、報告等信息以數(shù)字化形式進行存儲和管理。
(2)人員管理。 LIMS 系統(tǒng)以文件形式存儲人員的個人信息、培訓記錄、能力確認記錄、崗位、權限分配、質(zhì)量監(jiān)督和監(jiān)控記錄等。 通過角色、崗位定義,將人員的培訓記錄、能力確認記錄進行相互關聯(lián)。 只有經(jīng)過考核授權的人員才能開展檢測工作、使用相關儀器,有效避免了缺乏資質(zhì)或未經(jīng)授權的人員開展檢測工作。
(3)設備管理。 LIMS 系統(tǒng)對儀器設備的名稱、型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、出廠編號、管理編號、有效期、檢定周期、二維碼等基本信息進行統(tǒng)一管理,并將設備采購、使用、維護、維修、報廢等記錄信息以附件形式保存在系統(tǒng)中。 系統(tǒng)將儀器設備、標準物質(zhì)的狀態(tài)與檢測流程進行關聯(lián),確保超標、檢定過期、不合格的設備無法進入檢測流程。
(4)資源管理。 通過LIMS 對玻璃儀器、化學試劑、樣品的出入庫及盤點操作進行管理。
(5)標準管理。 通過創(chuàng)建標準檢測方法庫,關聯(lián)計算公式、標定公式、記錄表格,對標準方法及相關計算進行管理。
(6)質(zhì)量管理。 通過人員監(jiān)督、質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量抽查、質(zhì)控圖(圖6)、能力驗證、管理評審等功能模塊,對實驗室檢測活動及質(zhì)量進行管理。

圖6 質(zhì)控圖界面Fig.6 Interface of quality control chart
經(jīng)過2 a 左右的開發(fā)、測試、優(yōu)化及試運行,LIMS系統(tǒng)在2022 年9 月順利通過竣工驗收,并正式投入使用。 該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了信息技術、儀器技術、分析測試技術與CNAS 質(zhì)量管理體系的有機結合,為礦山企業(yè)開創(chuàng)了一種全新的實驗室管理模式。 其應用效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的自動化采集、規(guī)范化錄入、智能化處理以及電子化保存,顯著提高了工作效率和檢測質(zhì)量。
(2)實現(xiàn)了檢測過程無紙化辦公、檢測報告網(wǎng)絡化發(fā)布、業(yè)務流程規(guī)范化管理、CNAS 體系平臺化運行,優(yōu)化了資源配置,促進了信息共享,提升了實驗室管理水平。
(3)有效克服了傳統(tǒng)檢測模式中的諸多弊端,如數(shù)據(jù)靠紙記、結果靠人算、匯總靠手抄、報告靠復寫、傳遞靠跑腿等,避免了傳統(tǒng)檢測模式中數(shù)據(jù)謄抄轉(zhuǎn)錄錯誤以及人為篡改的風險,加強了實驗室規(guī)范化管理和質(zhì)量控制能力。
(1)針對礦山企業(yè)化驗檢測管理模式落后、市面上通用型LIMS 軟件無法充分滿足礦山行業(yè)實驗室特殊需求的問題,結合CNAS 質(zhì)量管理體系要求,研發(fā)了一款具有礦山行業(yè)特色的LIMS 系統(tǒng)。 該系統(tǒng)在基礎數(shù)據(jù)管理、業(yè)務委托流程、檢測流程、報告管理流程等方面進行了系統(tǒng)性創(chuàng)新。 系統(tǒng)引入了樣品類型、設備類型、化驗崗位、再現(xiàn)性限設置和報告權限設置等概念,建立了樣品類型、樣品名稱、檢測項目、檢測方法和設備類型之間的關聯(lián)關系。 根據(jù)這些關聯(lián)關系,系統(tǒng)可以自動將檢測任務分配到特定的檢測班組和化驗崗位,并關聯(lián)相應的分析儀器。 通過這些關聯(lián)關系,可以批量委托檢測任務,靈活設置用戶的報告審批權限。 在進行結果匯總處理時,系統(tǒng)會首先根據(jù)檢測時選擇的檢測方法計算再現(xiàn)性限,然后判斷平行檢測結果是否超出了允許的誤差范圍。 對于超差情況,系統(tǒng)明確了重驗方式以及平均結果的計算方法,并對其作了嚴格的規(guī)定。
(2)該系統(tǒng)利用LT-IoT 數(shù)據(jù)采集平臺,實現(xiàn)了分析儀器、天平、溫濕度計、二維碼等數(shù)據(jù)的自動采集,確保數(shù)據(jù)準確性、完整性和可追溯性。 同時,該系統(tǒng)實現(xiàn)了分析結果的自動計算與匯總,建立了規(guī)范的委托業(yè)務、化驗檢測、報告審批及質(zhì)量管理等業(yè)務流程,有效解決了人工抄寫算記容易導致的數(shù)據(jù)錯誤、工作效率低下、記錄追溯困難以及管理不規(guī)范等問題,提升了實驗室整體質(zhì)量管理水平與綜合競爭力。 該系統(tǒng)的研發(fā)成功,為金屬礦山行業(yè)提供了一個高效、嚴謹、規(guī)范化的實驗室信息管理系統(tǒng),為行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了強有力的支持。
(3)由于分析儀器種類繁多,數(shù)據(jù)接口各不相同,要徹底實現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)全自動采集面臨諸多困難。如果儀器設備生產(chǎn)廠家能統(tǒng)一設備數(shù)據(jù)接口,提供接口協(xié)議規(guī)范,將有助于LIMS 實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)全自動采集。