食品檢測實驗室數字化轉型和物聯網技術應用標準化的探討

鞏澤龍 楊悅 嚴燁 屠錦娣 彭輝 李丁一 張美龍

摘 要：為提升食品檢測實驗室數字化水平，加快信息化建設，將物聯網技術應用到傳統實驗室流程中，在采樣階段、受理階段、檢測階段、報告階段及實驗室安全的關鍵環節，通過USB、RS 232、LAN、WIFI、GPRS等擴展接口將檢測儀器、監測設備和智能終端同LIMS相結合，基于ADAS、Internet、RTSP、ONVIF、NLP等協議進行數據的傳輸和利用，構建食品檢測實驗室物聯網系統。該系統降低了人員參與度，提高了數據安全性和準確性，實現實驗室標準化規范管理流程，提升了管理水平和效率，保障實驗室運行安全，為實驗室數字化轉型奠定了基礎。

關鍵字：實驗室，數字化，物聯網，標準化，食品

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.029

0 引 言

傳統的檢驗檢測實驗室作為人員密集型行業，伴隨工業化的不斷發展深化，工作效率已難以滿足服務制造業快速發展的需要。食品檢測實驗室作為其中的典型代表，有著實驗室環境布局復雜、設施種類繁多、設備類型多樣、人員參與環節眾多、難以集約化生產的弊端，造成實驗室檢驗效率低下、溝通成本提升、數據退修率高、管理成本不斷增加的問題。

近些年，隨著信息化技術水平的不斷成熟和智能制造技術的不斷發展，越來越多的高新技術被應用到傳統檢驗檢測行業中[1]：建立實驗室信息化管理系統、通過物聯網技術實現設備互聯、大數據技術匯集數據、云計算技術清洗分析數據、人工智能識別、安全遠程監控等。從而規范實驗室流程、減少人員參與度、提升數據準確性、提高實驗室管理效率、降低運行成本。

國家十四五發展規劃中，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。檢測行業依托信息化技術的發展，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、視頻監控等智能硬件，同先進的實驗室信息化管理系統（LaboratoryInformation Management System， LIMS）相結合[2]，實現實驗室智能控制，使實驗室管理更加科學規范，有效保障實驗室的系統運行。

1 數字化轉型和物聯網技術應用

隨著信息化技術的不斷成熟，物聯網（Internetof Things， IOT）相關技術被應用在眾多實驗室領域，在一定程度上加快了傳統實驗室的數字化進程。程序等[3]論述了運用電磁傳動和物聯網技術實現物料的智能收納與儲存；董雷等[4]論述了依托云計算和物聯網技術，實現對實驗室設備和安全管理等多方面的智能管理；蔡永華等[5]論述了基于物聯網架構的數字化系統，實現有條件數字化的檢測設備同信息化系統的互聯；齊倩倩等[6]論述了利用基于物聯網感知技術的系統，實現實驗室設備監測、異常報警和智能巡檢等功能；周守宇等[7] 論述了利用SNMP協議技術對儀器設備不同工作狀態下的電流電壓數據進行監控，實現對儀器設備的績效考核；麻小娟等[8-9] 論述了運用物聯網技術通過前后端分離的形式開發實驗室環境監測平臺，結合溫濕度傳感和神經網絡PID控制算法，實現對實驗室環境的動態監控；蘇世雄等[10]論述了利用RFID、無線WiFi技術和電磁鎖模塊，實現實驗室門禁的智能化管理；楊定中[11]論述了基于“區塊鏈+可視化”技術構建可視化追溯體系，實現追溯實驗室活動的主體責任、物品使用路徑和識別風險隱患等目的。

實驗室的數字化轉型是一個長期的過程，對于實驗室這個管理方向繁多的服務業組織，需要從不同的切入點進行分析，將物聯網技術和智能終端相結合并實際運用，才能實現實驗室數字化物聯和標準化管理的目的。

2 食品檢測實驗室物聯系統設計

2.1 實驗室物聯網系統關系

食品實驗室整體流程可按照階段劃分為采樣階段、受理階段、檢驗檢測階段、報告階段以及安全管理部分。采樣階段配備智能填報終端和打印設備；受理階段利用掃碼設備、標簽打印設備和智能樣品架/柜同系統進行對接；檢驗階段配備具有和系統對接功能的檢測儀器、智能樣品存儲框、掃碼設備和智能填報終端；報告階段配置智能打印機、智能報告柜和滿足對接的客戶終端。食品檢驗檢測實驗室智慧物聯關系如圖1所示。

2.2 實驗室物聯網系統邏輯架構

該系統按照五層邏輯構架開發建設，包含數據采集層、傳輸層、原始數據層、應用服務層及信息展示層。系統總體架構見圖2。數據采集層也稱為感應層，通過不同的方法采集不同檢測/監測終端的數據，存儲于不同的數據庫。傳輸層通過RS232、RS484、USB、RJ45等有線通信技術接口獲取數據，或通過WIFI、GPRS、藍牙等無線傳輸方式獲取數據。原始數據層對不同類型的數據分類存儲和備份，包括但不限于原始檢測圖譜數據圖、報告庫、實驗室因子庫、預警庫、樣品庫、儀器設備庫、試劑耗材庫、檢測方法庫等。應用服務層依照通過不同技術對原始獲取數據進行解析、比對和應用，包括但不限于根據原始檢測圖譜數據生成報告、實驗室溫濕度記錄、實驗室高溫預警、實驗室水位預警、智能門禁警報、氣路壓力預警、實驗室危害因子預警、實驗室視頻監控等。信息展示層將不同類型數據應用結果分類展示，如大屏展示、系統賬號提醒、終端應用程序提醒、聲音提醒、顏色提醒等。

2.3 實驗室物聯網系統安全

實驗室數據比較復雜，既有保密性要求高的數據，又有開放性的數據。對于實驗室內部數據安全性的防護，系統設置了防火墻，由于防火墻技術僅能滿足網絡邏輯隔離策略下的數據交換需求，并不能規定物理隔離條件下的信息共享需求[12]。因此需要引入隔離區（Demilitarized Zone， DMZ）技術，DMZ可以認為是一個放置在內網和外網之間的特殊網絡區域，通常存儲一些非敏感性或公開數據的服務器[13]，作為互聯網訪問內部數據的容災緩存區。外網不能直接訪問內網數據，僅能訪問DMZ區域的數據，保證內部數據的安全性。同時縮短了訪問路徑，提高了訪問數據的響應率。食品實驗室智慧物聯系統的網絡拓撲圖見圖3。

2.4 系統對接

物聯網的實現基于L I M S和自動數據采集系統（Automatic Data Acquisition System， ADAS），通過互聯網技術（I n t e r n e t）、實時流傳輸協議（Real Time Streaming Protocol， RT SP）、開放式網絡視頻接口（Open Network Video Inter faceForum， ONVIF）、自然語言識別（Neuro LiguisticProgramming， NLP）等多種方式將不同硬件設備和智能終端接入，按照不同接口規范將設備和終端分類，執行不同的數據采集策略，獲取回傳數據、圖譜和圖像等信息，供系統分析和利用。

3 食品實驗室物聯網的功能要求

3.1 樣品采集階段

抽樣人員通過抽樣APP填寫樣品信息和抽樣記錄，在線連接自動打印設備打印委托單等資料，連接自動標簽打印機打印樣品標識，實現對現場抽樣地點定位的記錄、抽樣環境情況確認、樣品基數確認、樣品狀態確認、抽樣過程的信息記錄。

3.2 樣品受理階段

利用掃碼槍掃描二維碼獲取被抽樣品基本信息，調用產品對應標準數據庫確定檢驗項目和采用方法。根據項目分隔樣品，打印分樣標簽予以標識，待檢樣品流入實驗室智能樣品框中，備份樣品流入留樣室智能樣品柜/架留存。

3.3 樣品檢測階段

掃描智能樣品框二維碼查詢目標待檢樣品，樣品經預處理（粉碎、切割等）后進行分割，打印樣品標簽流入檢驗室智能樣品框。檢驗人員掃碼查詢目標樣品，經預處理上機檢測。檢測設備通過和系統對接上傳檢測數據，或系統通過抓取圖譜獲取數據。數據經系統解析，同時獲取實驗室環境條件、儀器信息和試劑信息等內容生成原始記錄，匯總原始記錄結果生成檢驗報告并自動判定。

3.4 樣品報告階段

檢驗報告生成后在線進行審核和批準，經自動打印裝訂機形成正式報告，直接線上發送給客戶，或暫存于智能報告柜，對不合格樣品在線通知客戶并進行預警提醒。

3.5 實驗室安全環節

系統實現對溫濕度監測設備、高溫探測器、水位檢測設備、氣流壓力檢測設備、智能門禁設備、視頻監控設備、氣體泄漏監測設備、危害氣體監測設備及顆粒物監測設備等監測/檢測設備的數據連接，接口形式不限于USB、RS 232、RS 485、GPIB及LAN等接口，或通過WIFI、GPRS等擴展網絡連接。系統針對不同信息的模擬形式進行解析，從而達到監測實驗室安全因子的目的。

4 結 語

傳統食品實驗室的管理較為復雜，根據其運行環節多樣性的特點，通過物聯網技術的應用，將抽樣環節、樣品接收環節、檢測環節、報告環節和實驗室安全等過程中的關鍵環節從線下轉為線上，減少了人員參與的人力成本和干擾，提高了數據準確性和有效性，規范了管理流程，提升了實驗室信息化和標準化水平，加快實驗室數字化進程。展望未來，隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能和區塊鏈等信息化新技術的發展和成熟，數字化將會和傳統實驗室技術融合的更加緊密，實驗室的智能化水平將不斷提升，實驗室檢測智慧工廠的目標將有實現的可能。

參考文獻

[1]嚴燁，惠衛甲，楊雯，等.現代化智能實驗室平臺建設概述與設計[J].中國標準化，2023（19）：192-197.

[2]林魯春，邵根富，姜周曙，等. 智慧實驗室系統的研究與構建[J].實驗科學與技術，2020（2）：151-154.

[3]程序，黎佳藝，楊佳瑞，等.智能實驗室電子元件收納與儲存裝置[J].物聯網技術，2023，13（10）：93-96.

[4]董雷，龔聰，高偉坤.基于物聯網技術的高校實驗教學與實驗室綜合管理系統設計[J].物聯網技術，2023，13（8）：154-158.

[5]蔡永華，李鎮，杜進，等.檢驗檢測實驗室數字化架構與實踐探索[J].物聯網技術，2023，13（8）：119-126.

[6]齊倩倩，羅躍逸.實驗室智能物聯感知平臺設計與實現[J].現代計算機，2023，29（12）：94-98.

[7]周守宇，傅文睿，宋兆磊，等.基于SNMP協議的海關實驗室儀器設備績效監控系統研發[J].信息系統工程，2023（6）32-35.

[8]麻小娟，陳世亮，黨建林.基于物聯網實驗室環境遠程監測系統的研究[J].計算機測量與控制，2021，29（11）：65-70.

[9]麻小娟，黨海燕，荀艷麗.實驗室環境監測平臺的設計與研究[J].物聯網技術，2023，13（3）：16-17.

[10]蘇世雄，馬新華，楊楠，等.基于物聯網的實驗室智能門禁系統研究與設計[J].自動化與儀表，2022，37（2）：105-108.

[11]楊定中.“區塊鏈+物聯網”實驗室安全可視化追溯體系構建[J].實驗技術與管理，2022，39（12）：223-228+233.

[12]陳志軍，洪莎莎.跨網絡信息安全交換平臺建設方案研究[J].數字通信世界，2021（5）：80-81.

[13]潘琳琳，付遠.網閘和DMZ在氣象信息跨網交換中的應用[J].信息與電腦（理論版），2023，35（7）：209-211.

作者簡介

鞏澤龍，碩士，工程師，研究方向為實驗室管理與標準化。

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。

張美龍，本科，助理工程師，主要從事質量與標準化研究工作。

（責任編輯：袁文靜）