增强的环境实验室信息管理系统设计与建设实践

孙开争，刘 健，闫学军

（济南市环境监测中心站，山东 济南 250014）

增强的环境实验室信息管理系统设计与建设实践

孙开争，刘 健，闫学军

（济南市环境监测中心站，山东 济南 250014）

总结了环境监测领域LIMS发展历程，分析了应用现状，研究并设计了一种增强的环境实验室信息管理系统。该系统采用分层体系架构，将流程管控逻辑、业务逻辑、系统集成逻辑分离成独立的系统子层，并根据软件质量指标将系统分成了基本型、加强型、高级型三个渐进级别，降低了系统研发的复杂性，提高了软件系统质量并支持复用。最后从系统选型、项目管理、迭代开发等方面列举了系统建设实践，为新建或改造类似信息系统提供了借鉴。

环境监测；实验室信息管理系统；分层架构；软件质量指标；系统分级

1 应用现状

1.1 发展历程

LIMS在我国环境监测领域的研究与应用起步于20世纪90年代中期，研究性的应用在这一时期出现[1-2]；2005年前后进入探索应用期，较先进的监测站[3-5]引进国外较先进LIMS产品或同国内LIMS厂商协同开发将LIMS应用于环境监测业务，获得了复杂信息化系统实施的重要经验；2015年前后进入快速发展期，较早应用LIMS的监测机构在总结应用实际的基础上进行了第一次完整版本升级，LIMS功能性、实用性及规范性不断增强；预计2025年后，多数系统将会完成两次以上大版本升级，应用将步入成熟发展期，成熟期的LIMS功能完善，安全性高，可扩展性强，将在实验室认证认可中发挥重要的基础作用。

1.2 现状分析

当前LIMS在我国环境监测领域应用快速发展的同时，存在的问题仍较为突出，主要表现在：（1）地区发展不均衡，有的已完成了两次以上版本升级，系统趋向稳定，有的经历了一次失败的尝试正准备新的研发，而有的地方仍在“观望”。（2） 过分追求“大而全”，忽略系统的本地适应性，低估实施的复杂性，投入产出比低。（3）供应商选择失准、沟通不善、人员变动、经费保证不足等因素导致供应商服务适应不了环境监测管理的需要，持续的系统改进比建设之初丰富的功能更为重要。（4）环境LIMS实施的行业内外的推动力不足，LIMS在实验室认证认可中仍未发挥其应有的作用，已上线的LIMS仍可被“选择性使用”。（5）环境监测LIMS缺乏特有的建设与认证规范，难以既满足检测和校准实验室能力的通用要求，又满足相关环保标准和技术规范要求。

本研究设计出一种增强的环境实验室信息管理系统（Enhanced Environment Laboratory Information Management Systems，简称E2LIMS），给出了体系结构和质量分级，列举出建设与实施的方法，旨在提升环境监测效率和数据可靠性，可用于指导环境监测部门类似信息系统的建设。

2 E2LIMS设计

分层软件体系结构是控制软件复杂性，提高软件系统质量，支持软件开发和复用的重要手段[6]。E2LIMS从逻辑上分为基础设施层、数据层、流程与服务管控层、业务逻辑层和人机交互或UI层，如图1所示：

图1 E2LIMS体系结构

基础设施层是整个系统的硬件支撑，包括容灾的服务器集群、数据存储与备份设备、可靠的网络与网络安全设备等。

数据层是系统的数据中心，数据从来源上可以分为两类：一类是系统内数据，包括各业务子系统的原始数据、中间数据、历史数据；一类是系统外数据，包括地图数据、空间信息数据、各种基础信息库、知识库、案例库等。

流程与服务管控层，包括柔性工作流管理系统和WEB服务管控系统。工作流管理系统是定义、创建、执行工作流的系统，柔性化是指通过各种策略增强系统的适应能力，包括流程定义的柔性化和流程运行的柔性化。WEB服务管控系统是WEB服务提供者和服务请求者的媒介，为环境业务系统集成提供技术支撑。

业务逻辑层，包括监测全过程管理和监测要素管理。监测全过程管理涵盖所有环境监测业务类型和全部工作节点，是工作流设计的依据。监测要素即实验室管理五要素，包括人员（人）、计量仪器（机）、样品试剂（料）、监测方法及规范（法）、实验室环境（环）。

人机交互层指人与软硬件系统间信息双向交互，包括人人交互、人机交互、机机交互。

3 系统分级

3.1 分级类型

根据功能性、非功能性等软件质量指标[7]不同，E2LIMS可划分为基本型、加强型、高级型。

3.2 功能性分级

3.2.1 监测全过程管理分级

监测管理，基本型功能包括：监测计划及合同管理、任务制定与下达、任务状态追踪；加强型还包括：任务短信提醒与督办、样品台帐、标签自动打印与识别、报告管理、文件管控、分包管理；高级型还包括：采购管理、计划执行情况考核、客户关系管理、量值溯源管理等。

现场监测，基本型功能包括：采样任务分配、现场监测结果录入、采样状态追踪；加强型还包括：采样路线分组、现场信息自动录入、样品扫码交接；高级型还包括：采样路线优化与导航、采样轨迹动态显示、现场图片与视频采集。

样品分析，基本型功能包括：分析任务分配、分析测试结果录入、分析结果查询；加强型还包括：项目分析人及采用仪器自动关联、标准曲线管理；高级型还包括：仪器数据自动采集、分析状态自动采集与展示。

质量控制，基本型功能包括：实验室自控平行样、标准样、加标回收及空白样测定，质控部门密码平行样、密码标准样、密码加标、留样加测等及相关性统计，质控数据查询；加强型还包括：采样平行样、空白样，采样及分析方差分析，精密度、准确度（回收率）等质控图绘制；高级型还包括：布点优化与评价、协作实验管理与质控评价。

表1 三种类型E2LIMS质量指标

综合分析，基本型功能包括：定制式数据查询，数据导出，简单统计；加强型还包括：自组合数据查询，数据转换，基本统计分析，趋势对比，丰富的图表展示，GIS表征；高级型还包括：成因分析、环境质量与达标评价，污染分布热力图、时序动态图、三维GIS等高级数据可视化，（可选的）数据挖掘与知识发现。

3.2.2 实验室要素管理分级

“人”，基本型功能包括：人员基本信息、履历、技术能力（资质）、培训记录、操作权限等；加强型还包括：上岗证管理、考勤管理；高级型还包括：工作内容与人员资质自动匹配、工作量核算。

“机”，基本型功能包括：仪器基本信息、使用与维修管理；加强型还包括：计量鉴定管理、校准记录；高级型还包括使用效率分析等。

“料”，基本型功能包括：样品入库、领取等台帐管理，留样管理，试剂及标样使用记录；加强型还包括：样品到达与到期短信提醒；高级型还包括样品全程实时追踪、试剂及标样库存管理。

“法”，基本型功能包括：方法属性、适用范围、作业指导，能力认可项目信息，项目与方法对应，检出限与结果精度设置，分析人员、仪器、校准曲线等自动关联；加强型还包括：计算公式可视化编辑、自定义修约、方法版本管理；高级型还包括：使用物资消耗（按方法、项目）与成本核算、原始记录表单自编辑。

“环”，基本型功能包括：温湿度、压力等检测和贮存环境信息录入；高级型还包括：实验室环境在线监控、数据自动采集。

3.2.3 人机交互层功能性分级

人机交互层，基本型功能包括：客户端或WEB界面、标签制作与扫码识别；加强型还包括：射频识别、仪器控制与数据采集；高级型还包括：移动E2LIMS、近场通讯（NFC）应用。NFC技术可用来实现签到与门禁、采样与分析任务领用、简单数据交换等，配合移动E2LIMS丰富无线实验室功能。

3.2.4 系统集成功能性分级

系统集成方面，基本型功能包括：独立的封闭运行系统；加强型还包括：与已有的环境自动监控等系统集成；高级型还包括：灵活的基于Web Service的接口自定义与发布。

3.2.5 信息安全功能性分级

信息安全方面，基本型功能包括：简单的用户名+口令认证，菜单级别的操作权限控制；加强型的还包括：字段级的权限控制、简单封闭式CA认证；高级型的还包括：动态口令、全面符合FDA 21 CFR Part 11（美国联邦法规21章第11款）的安全性要求的电子记录和电子签名。

4 建设实践

良好的系统架构是成功实施LIMS的第一步，但如何结合各地环境监测实际，建设本地化的、可持续改进的系统，进而解决诸如系统投入产出比低、选择性使用、束之高阁等问题也尤为关键。

4.1 理性的系统选型

三种类型的E2LIMS在实施复杂度、建设周期、研发成本等方面存在很大不同。理性的建设应是从简单易上手的基本型开始，随着内生需求的增长，按需进行系统升级，逐步过渡到高一级的E2LIMS。人与系统的磨合是一个长期的过程，一般来讲经过两个版本的升级，系统应用才会趋于成熟。

4.2 科学的项目管理

E2LIMS的研发是一个IT项目，项目是临时性的，有清晰的目标，逐渐细化的，充分利用九大项目管理知识领域及相关管理工具、技术，把控范围、时间、成本是项目成功的关键[8]。强调“一把手”工程[5]的同时，也要重视用户参与、明确的目标、优秀项目经理的作用。

4.3 迭代式系统开发

有时，因为用户需求的改变以及确定隐含要求的困难，在需求分析阶段由最终用户确定的软件属性，当产品投入使用时不再满足用户的需求，造成项目时间与成本不断增加。因此，用户尽早介入，采取需求、设计、实现（系统原型）再到新需求的迭代开发是必选之路。另外，注重软件的用户体验和吸引性也是提高用户参与度的重要方法。

4.4 全面的人员培训

E2LIMS最终用户IT水平参差不齐，各自关注点不同，详尽而全面的操作培训不仅能使他们更快地理解与使用系统，也能使他们理解自己在全局中的位置，减少一些片面、不合理的需求。

4.5 良好的运行维护

软件产品在生命周期内是一个多版本增量完善的过程，在版本更迭间的运行维护也至关重要，发挥系统管理员的重要作用、保障必要的系统维护经费[5]也是业界共识。系统管理员是乙方项目经理在运行维护期的延续，应做好人员培训、运行故障解决、问题汇总与新版本升级谋划等工作。

5 展望

LIMS是环境监测机构最基础最重要的信息管理系统，LIMS实施也是一项长期性、系统性的工程。本研究设计出了环境监测LIMS通用体系框架，在系统分级的基础上给出了系统建设的步骤与方法。下一步工作主要集中在两个方面，一是做好顶层设计[9]，参考美国材料测试掌握ASTM E-1578[10]（实验室信息管理系统（LIMS）的标准指南）和ASTM E-2066[11]（实验室信息管理系统的验证标准导则）的规定，制定环境监测LIMS建设、评价、认证等相关规范，建立环境监测LIMS术语，制定需求分析、成本核算、软件实现、项目管理、培训及系统文档标准，给出分类功能列表和典型案例，建立环境监测LIMS验证（鉴定）的术语、验证方案、测试、步骤与验证报告，供应商评价等方法。二是通过采用先进的信息安全技术，不断提高环境监测LIMS的可信性，利用现有的各区域数字证书认证中心（Certificate Authority，CA）或者新建环保（环境监测）行业CA中心，建立环境LIMS（或其他环境信息化系统）可信性认证体系，以有效保证环境监测全过程中电子数据的有效性、可靠性以及电子签名应用的规范性，使电子数据、电子签名真正具有等同于纸质记录、手写签名的法律效力。

[1]况昶，程声通，谢卫，等.环境监测全过程管理信息系统的研究与开发[J].环境科学学报，1999，19（4）：427-432.

[2]尚凡一，王兆文.实验室信息管理系统（LIMS）的设计及实现[J].中国环境监测，2000，16（4）：1-3.

[3]赵瑞萍，逄振杰，柳香莲.环境监测管理信息系统的构建[J].中国环境管理干部学院学报，2005，15（2）：86-89.

[4]邓爱萍.环境监测LIMS系统建设中的问题剖析[J].环境科学与管理，2010，35（3）：103-105.

[5]王向明，伏晴艳，刘红，等.环境监测实验室信息管理系统建设——以上海市环境监测中心为例[J].环境监测管理与技术，2007，19（4）：4-8.

[6]梅宏，申峻嵘.软件体系结构研究进展[J].软件学报，2006，17（6）：1257-1275.

[7]GB/T 16260.1-2006软件工程产品质量第1部分：质量模型[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2006：5-8.

[8]Kathy Schwalbe.IT项目管理[M].5版．杨坤，译．北京：机械工业出版社，2008：4-10.

[9]任小龙.顶层视角下的基层环境监测站信息系统建设机制研究[J].中国环境监测，2013，29（3）：148-151.

[10]ASTM.E1578-13 Standard Guide for Laboratory Informatics[S]. USA：American Society for Testing and Materials，2013.

[11]ASTM.E2066-00（Reapproved 2007）Standard Guide for Validation of Laboratory Information Management Systems[S].USA：American Society for Testing and Materials，2007.

（编辑：程 俊）

Design and Development Experience of Enhanced Environment Laboratory Information Management System

Sun Kaizheng,Liu Jian,Yan Xuejun
（Jinan Environmental Monitoring Centre,Jinan Shandong 250014,China）

Based on s ummarizing the development course and analyzing application status,a hierarchic architecture of Enhanced Environment Laboratory Information Management System (E2LIMS)was studied and designed.E2LIMS's logic of workflow management,business and system integration were separated into individual sub-layers and E2LIMS was classified into three progressive types:BASIC,INTENSIVE,ADVANCED,which decreased the complexity of R&D, improved software quality and would support software reusing.Finally enumerated some development practice about system selection,project management and interactive developing progress which can be referenced by other similar information systems'construction.

environmental monitoring，LIMS，hierarchic architecture，software quality indexes，system grade

X84

A

1008-813X（2015）06-0079-04

10.13358/j.issn.1008-813x.2015.06.19

2015-08-14

孙开争（1983-），男，山东聊城人，毕业于山东大学计算机应用技术专业，硕士研究生，工程师，主要从事环境监测及信息化方面的工作。