智慧实验室系统的设计与实现

赵丹汇

【摘要】    传统的实验室信息管理系统存在功能单一、无法与其他系统对接、较多依赖纸质记录等缺陷。近些年，随着移动设备、云计算、物联网等新技术的发展，以新技术打造新型智慧实验室已经势在必行。油田化学实验室结合行业特殊需求，从业务出发梳理实验、物料、设备等管理流程，利用物联网技术实现实验数据便捷采集，基于B/S架构、云架构，建立一套油田化学智慧实验室信息管理系统并部署上云。从软件研发、硬件配备、基础设施优化和云应用等方面实现实验室的全方位管理。

【关键词】    智慧实验室    管理流程    基础设施    信息管理系统    云应用

[Abstract]： The traditional laboratory information management system has some defects such as single function， being unable to connect with other systems， and relying on more paper records. In recent years， with the development of new technologies such as mobile devices， cloud computing and the internet of things， it has become imperative to build a new type of intelligent laboratory with new technologies. Combined with the special needs of the industry， we analyze the management processes of experiments， materials， equipment and use the internet of things technology to realize the convenient collection of the oilfield chemistry laboratory data. We have established a set of the oil intelligent laboratory information management system and deployed it on the cloud based on B/S architecture and cloud architecture. From the aspects of software development， hardware equipment， infrastructure optimization and cloud application， we realize the comprehensive management of the laboratory.

Key words： intelligent laboratory; management process; infrastructure; information management system; cloud application

引言：

实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System， LIMS）自20世紀六十年代末出现以来，距今已经历了几十年的发展[1]。早期的LIMS采用数据库、网络通讯技术实现一些简单功能，但功能单一;无法与其他系统对接;较多依赖纸质记录。近些年，随移动技术、云计算、物联网等新技术的爆炸性发展，产生了集现代化管理思想与新技术为一体的实验室管理新应用[2-4]。

本实验室通过梳理实验、物料、设备的管理流程，建立流程规范;对实验室进行网络基础设施的设计与优化;通过PAD移动端、智能插座等硬件设备，利用物联网技术实现数据的便捷采集;基于B/S架构建立油田化学智慧实验室系统;基于云架构将该系统部署上云。

一、智慧实验室的架构设计

1.1系统架构

通过梳理实验室管理流程，建立流程规范。智慧实验室基于规范流程，利用云虚拟机，采用微服务技术架构，通过PC端、PAD等客户端访问系统。系统架构分层为云IaaS层：云虚拟机组成了LIMS云基础设施，为LIMS运行提供硬件资源和系统环境;存储层：包括数据库和缓存，保存由数据网关统一采集、上报的数据，包括实验、物料、设备、人员和任务等数据，为LIMS系统提供数据支撑;微服务数据访问层：运行访问相关数据的微服务应用，提供数据库事务访问能力、幂等修改能力和高并发读取能力，同时封装缓存操作，屏蔽数据库存储和缓存数据一致性处理;微服务业务逻辑层：主要负责处理LIMS系统业务相关操作，包括物料管理、设备管理、实验管理等业务逻辑;微服务网关层：封装客户端的HTTP接口，根据不同业务流程转发到微服务业务逻辑层处理。

1.2技术架构

基于云架构，智慧实验室采用主流的B / S架构来实现，WEB端采用html5+css3+vue技术，PAD端采用uniapp+vue技术;结合智慧实验室用户多、数据量大、高并发等特点，选用开发便捷、高效成熟的Spring Boot微服务开发框架体系，专注于快速、方便的开发单个微服务个体;为了将这些单体微服务整合并管理，为各个服务之间提供集成服务，采用SpringCloud系列框架实现全局的微服务治理;数据库技术采用MySQL数据库，并使用Redis缓存数据库开发。

1.3 网络基础设施设计与优化

实验室内无法访问局域网，实验人员必须在实验结束后登录系统录入数据。为了提高实验室信息化水平，需要对网络基础设施设计并优化。考虑到数据安全性，防止通过生产网侵入系统盗取、篡改数据，为实验室的硬件设备构建成无线局域网。

自组网方案按照AP+AC的结构化无线网络解决方案进行设计，AP是组建无线局域网的核心设备，提供无线工作站和有线局域网之间的互相访问，实现本地化无线局域网。AC设备具有对所有AP设备进行集中式管理、控制、配置下发，以及对接入终端的认证、数据分布式/集中式转发、漫游等功能。核心交换机将AC和本地服务器相连，有路由功能并分配局域网地址。自组网使用防火墙做网络出口，通过企业专线将服务器连接到云。

整个网络基于端口和MAC地址对用户的网络访问权限进行控制，禁止非法用户连接使用无线网络，为用户构建一个稳定安全的无线网络环境。

1.4 主要功能模块

智慧实验室系统主要包含六大功能模块，包括系统管理、仓库管理、实验管理、实验设备管理、硬件设备管理、统计。其中：

仓库管理主要包括仓位管理、材料供应商管理、物料标签管理、入库、出库、库存查询、物料盘点、入库单管理、出库单管理、领用申请单管理、审核单管理等。

实验管理主要包括任务管理、创建项目、创建实验、实验查询等，其中创建实验过程中实现了配方复制、配方自动计算、多配方结果对比等个性化需求。

实验设备管理主要包括实验室管理、设备供应商管理、设备查询、预约和监控管理、设备使用、维修和保养记录、日志管理等。

二、智慧实验室系统的具体实现

PC端主要用于实验前访问系统，开展任务创建、配方设计、物料申领、设备预约、实验查询等工作。如图1所示。

PAD端主要用于查看实验信息、配方详情、设备信息等，并且在开始实验后，实时记录实验的结果。如图2所示。

三、结束语

智慧实验室将人员、设备、材料、实验等要素结合，将各业务流程有机统一，从软件、硬件、基础设施、云等方面实现全方位管理。通过物联网、云计算等新技术，使得实验数据、设备管理数据、材料管理数据由人工纸质记录到无纸化线上录入的转变，保证了数据的真实性、规范性和可溯性，切实提高了实验室的信息化水平。

参  考  文  献

[1] 白志青，张银.实验室信息管理系统（ LIMS） 综述[J].图书情报导刊，2007，17（12）：240-242.

[2] 冯金辉.数字实验室——LIMS 未来发展趋势[J].现代科学仪器， 2002（02）：10-13.

[3] 程琳琳，王旭，程延俊，等.实验室信息管理系统（LIMS）在实验室科学管理中的应用[J].热带农业工程， 2014，38（01）：16-20.

[4] 郭学桃.5G时代智慧实验室LIMS创新设计研究[J].大眾标准化，2020（03）：17-18+22.