智能化实验室技术开发与应用

霍 宏，朱家文

（兰州石化公司自动化研究院，兰州 730000）

1 背景概述

以往实验室的数据很多都是手工抄录，而且缺乏相应的信息化手段，管理模式落后，资源信息也无法有效共享，数据统计上报会很困难。随着现代化实验室建设水平的提高，实验室管理工作的复杂性和艰巨性大大增加，对工作的规范性和高效性也提出了更高的要求。传统的实验室管理模式无法满足当前数字化、信息化发展趋势，有必要开展对传统实验室的智能化改造与升级。

当前，石化企业普遍存在人力资源紧张等问题，尤其在质检部门更是如此，化验频次的不断增加，化验精度要求的不断提高，加之设备老化，分析软件更新不及时等因素，造成质检人员超负荷劳动，忙中出错，降低质量检验的准确性。因此需要依托信息化技术，将实验室信息映射在网络上运行，从而提高化验室自动化水平，提升工作的规范性和时效性，降低员工工作强度。

2 研究内容

本文以石化企业化验室为研究对象，通过对原始数据自动采集技术的研究，优化数据自动上传过程，提升数据采集效率，同时，结合现有LIMS 系统，开发新的实验室管理功能模块，加强实验室管理规范，最大限度地减少人为因素的干扰，确保分析数据的真实可靠，从而促进生产质量的全面提升。

2.1 数据采集

整体的技术思路是研发一个“化验室仪器数据自动采集接口管理系统（DIMS）”，开发一系列配置功能实现与LIMS、分析仪器工作站、实时数据库等软硬件的互通互联，同时在数据交换过程中提供长久保存、计算等功能。并且，系统需要实现高性能、易于扩展、易部署、容错率高、高可靠性等技术要求。

2.1.1 流程及功能设计

根据现场环境调研的实际情况，梳理出质量数据自动上传的流程为：数据报告生成→数据报告抓取→数据报告解析→质量数据计算→质量数据推送→质量数据存储→质量数据查询，其中数据报告解析及质量数据推送为核心环节。

本研发系统采用分布式开发架构，主要分为一个前台功能模块和一个后台功能模块，前台功能模块包括数据管理模块、数据接口模块和系统管理模块，后台功能模块以后台主服务进程为核心，与三个智能适配器协同工作。

2.1.2 数据结构设计

在对需求业务了解和熟悉以后，将需求业务中现实存在的信息转换为逻辑信息。考虑到用户业务的现状和未来发展，采用目前比较成熟的大型关系型数据库Microsoft SQL Server，本着数据算法最优，避免数据冗余，同时提取数据方便的原则来设计数据结构，为日后用户提出新需求做出考虑，一切以灵活为本。

2.2 LIMS 系统模块开发

利用网络技术和数据库技术，将人员、仪器、试剂材料和数据统计等因素有机结合起来，实现网上分配任务、检测数据自动采集、快速发布、信息共享及分析报告自动生成；同时，引入统计技术，及时发现和控制影响产品质量的关键因素，连接实验室、质量管理部及生产部门的信息平台。

2.2.1 质量管理模块

运用统计工具将分析数据进行可视化展现（如直方图、趋势图、控制图、散布图等），高效直观的指导实际生产。数据录入时，右下方会显示一个月该项目的折线图，直观判断数据异常点，设置上下限或者控制指标、观察指标和考核指标，当测定结果超过上下限时，锁定样品并提示复查窗口，经分析人员复查后，结果仍超上下限时，锁定样品并自动推送至关键岗位和管理人员5G 操作平台，确认后方可发布；增加比对功能，抓取在线仪表数据与人工分析结果进行自动比对；增加流程图功能，显示装置简易流程图并标注采样点位号，便于掌握装置及罐区质与量的关联，有助于生产趋势分析预测和优化调整。

2.2.2 仪器设备管理模块

对仪器购置计划、审批、验收、检定、状态、维护和报废进行管理，增加仪器编号和设备台账的查询功能。对于需到期校检的仪器，提前30 天提醒。仪器设备完成采购后，贴上RFID 电子标签，将设备建账所需的信息、复杂设备的帮助信息及仪器运行状态信息，写入到电子标签中，通过RFID 读写器，传输至LIMS 管理系统，完成此操作后，为后续的设备自动化管理，提供相应的必要条件，提升检测仪器的可靠性。

2.2.3 计量器具管理模块

建立常规计量器具，如温度计、粘度计的参数校正表，提供数据校正表的输入、修改和版本更新的功能，通过计量器具的编号和相应的校正公式，实现计量器具根据视值来自动计算校正值，原始记录可电子化；该模块还可定制开发，对计量器具的送检、验收、发放、回收、破损等过程进行管理，自动生成到期送检计量器具列表，提供计量器具台账的查询功能。

2.2.4 材料试剂管理模块

危险化学品通过扫码进行入库登记，使用人只有进入系统平台扫描二维码才能完成材料试剂的申请领用和归还，实现实验室危险化学品使用—归还—闭环信息化管理；物资到货后，库管员进行更新库存批次，实现出入库信息、当前库存信息（时间、数量、规格）及质检部总库存信息汇总，实现各科室信息共享，统一调配；实现库存数量上下限自动提醒，高毒、剧毒试剂的自动识别与归类统计管理。

2.2.5 多维度统计模块

根据LIMS 数据形成产品合格率统计等报表，自动抓取所需数据，形成交接班、日志、周报、月报和台账等信息，可记录当班生产质量情况、分析情况和交班任务等信息。将生产关键点的海量质量数据进行有效提取后，结合生产工艺参数，采用相关高效算法，计算过程能力控制CPK 等值，并提供直方图、趋势图、控制图等可视化信息，便于分析质量因素的变化及生产波动，优化生产；增加流程图，显示装置简易流程图并标注采样点位号及生产装置关键参数，便于掌握装置及罐区质与量的关联，有助于生产趋势分析预测和优化调整。

3 系统部署

3.1 DIMS 系统配置

3.1.1 数据采集架构

为充分提高数据推送的时效性，利用数据库配置、FTP 工具等手段，实现分析报告从多点轮循到单点抓取的方式，进一步减少对现场环境的依赖性，提升整体系统性能。

3.1.2 色谱仪器网络化

要最大程度的降低数据文件导出的步骤环节，只能通过网络版平台管理软件来实现，因为只有本厂家的软件才可以对数据进行分析处理及导出。平台整合可以有效地降低工作站的使用数量，并且可以有效降低运维成本，方便管理人员进行管理及维护，也可有效降低岗位人员数量，提高岗位人员工作效率。

3.1.3 客户端配置

实验者在做样之前，每次需手动录入规定的样品信息，且不能出错，否则会造成数据无法推送至LIMS 系统。为降低化验人员出错概率，减少工作量，在系统部署时开发了单独的小程序，集成在FTP 客户端软件中，化验人员通过点击复制、粘贴即可实现样品信息的录入功能。

3.2 可视化配置

对样品流转分析的每个环节进行监控和管理，细化分工职责，实现数据的动态可视化展现。全动态分级管理共分为6 级：

（1）样品预约：样品预约分为计划样品与非计划样品两类；计划样品由LIMS 系统根据分析计划自动登录；非计划样品是由生产装置提报检验任务通知单，注明样品信息及加样原因，实验室同意／拒绝接收样品。接收成功后，样品信息可实现自动登样，通过连接扫码设备，运用“一物一码”技术，生成样品独一无二的“身份证”，将其贴敷在采样瓶上进行后续工作。能够全面跟踪样品在实验室流转的过程。

（2）样品采集：样品预约结束后，由样品采集人员进行样品的采集，并负责将样品分配到各分析岗位。

（3）样品接收：是指待检样品在分析前，由样品操作人员使用扫码枪扫描采样瓶身的二维码或条形码，样品进入“已接收”状态。

（4）样品操作：是指由样品操作人员负责具体的样品称量、封装等前处理工作，在工作站内进行样品注册，向仪器内注射样品。

（5）数据处理：是指样品操作人员与数据处理人员对接，待仪器分析结束后，由数据处理人员对样品的谱图等数据进行处理，负责生成数据报告并进行数据的上传工作。

（6）样品发布：数据上传至LIMS 系统并审核发布。

4 未来展望

随着物联网技术在智能家居、智能楼宇等方面得到了广泛的应用，物联网技术给整个应用环境带来了智能化的改变。因此，将物联网技术在智能家居、智能楼宇等方面的应用与实验室建设相结合，将实验室信息映射在网络上运行，使原始的资料、设备、项目、人员的管理通过网络技术、多媒体技术、模拟仿真技术等来实现，探索智能实验室的建设将是未来必然的发展方向。

5 结语

要建立智能化化验室，首先完成实验室管理的信息化，将实验室的业务流程、环境、人员、溶液、仪器设备及标准方法等实验室数据进行收集、分析和管理，最大限度减少人为因素的干扰。其次，实验室环境层面的智能化，利用FRID 技术和传感器技术实时采集实验设备信息和实验室环境参数，实时监控，对实验过程和实验环境进行安全预警。最后是基于先进的5G物联网传感技术和大数据分析能力，通过多端、可视化等手段，利用5G 移动客户端，实现方寸之间尽在掌握。让实验室既能满足用户的个性化需求，又能满足相关法律法规、行业规则、检测标准、安全标准等要求，实现全自动无人值守及智能化管控化验室。