智慧环境监测实验室建设研究

喻航，皮宁宁，刘海立，龚立

（1.重庆市生态环境监测中心；2.有机污染物环境化学行为与生态毒理重庆市重点实验室）

1 智能实验室平台

智慧实验室平台主要分为六个板块，分别是安全管理，环境管理，能源管理，资源管理，智能设备管理以及数据分析中控。

1.1 安全管理

1.1.1 人员管理

进出实验室大楼的工作人员需进行身份智能识别，记录进出实验室的时间，信息，可以采用闸机或人脸识别等技术，非工作人员进出时需要取得管理员同意或是申请临时出入卡，对临时出入卡的发放系统也作详细的记录。进出具体某个实验室房间的工作人员也由智能人脸识别的方式进行管理，记录进出房间的详细信息。工作人员的信息可以自建数据库或是对接来自于LIMS系统的信息。其中，管理者可以根据实际工作需要，在系统中规定工作人员的权限，并与实验室房间进行关联，达到精细化管理的目的。

1.1.2 规范管理

智慧环境监测实验室系统可以对进出实验室的人员进行扫描识别，如服装是否符合实验规范要求，通常实验室人员进行实验时都会换上白色的大褂以保证洁净性，如果没有达到规范，则进行安全预警。实验室人员在更衣过程中，系统提供一个智能的储衣柜，只需人脸扫码即可，方便工作人员的同时，也能减少衣物被乱放或是弄丢的风险。

1.1.3 监控管理

建立实验室的全程无死角的监控系统，对异常行为进行捕捉并预警，通知相关的责任人，如实验室夜间有人活动，将活动的人脸捕捉并发送。

1.1.4 预警管理

系统内置了许多规则，当实验室的某些情况触发到规则的阈值时，系统会将触发条件的原因预警展示并推送到相关人员进行处理或自动触发相应的装置进行预处理。例如：对实验环境有要求的温度、湿度预警，对实验室雨水进行报警；对出现某种危险气体进行预警；对实验室通电断电进行管理。系统自动处理的行为例如自动开启空气净化措施，自动打开消防相关联动设备。系统自动处理或是人为处理的信息都可以记录在系统日志中。

1.1.5 应急通知

当发生重大事故时，智慧实验室有应急呼叫功能和求救功能以通知实验室的人员快速撤离，或为在实验室的人员提供应急呼叫功能。

1.2 环境管理

对实验室环境的管理包含了排水，照明，空调，通风和净化，隔声等，此处是对物联网技术运用得最多的地方，涉及到了各类传感器，例如雨水传感器，火警传感器，声传感器，温湿度传感器，气体传感器，红外传感器等。传感器的数据进行实时上传，可以用大数据的手段进行分析；传感器除了报警外，也可与已建成的LIMS系统结合，当工作人员在做实验分析时，也可通过传感器将当前的湿度和温度数据自动代入LIMS系统。

1.2.1 能源管理

实验室的能源管理包含了供电，供水和供气，能在智慧实验室平台控制水的开和关，电的开和关，配气室里气体的开和关。尤其是在供气的时候，当气瓶室里的气体不够时能自动的切换气瓶，并触发某个气瓶气体不足的警告信息给仓管人员。水、电、气能源皆能进行可视化的管理，掌握实验室楼宇中用水，用电，用气情况。

1.2.2 资源管理

资源管理包括实验室及其设备，耗材，易制毒，易制爆等物品。

1）实验室房间管理

每个人员有对应房间的访问权限，进出入房间时有人脸识别。每个房间的每台设备都有操作规范和对应分析的项目。所以在每个房间的人脸识别屏上，管理人员在得到了权限许可后可以非常轻松的在物联网终端查看如房间的设备数量、房间的环境参数情况（温湿度，气体等）、房间的设备对应分析方法、分析方法对应的文档、房间及设备的使用章程和实验室内部质量管理要求、房间的进出入记录；这样对管理人员有管理规定，对操作人员有督促和提醒的作用。

2）设备管理

在设备硬件条件满足的情况下，智慧实验室系统可以与设备进行对接，通过系统提供的自动控制设备控制设备的启停，也可以设置需要权限的分析人员才能进行启用和停用。系统可以记录设备的情况，操作记录，可以对室内外的设备进行智能追踪和定位，可以将数据传给LIMS系统或其他系统，以便其他系统用作分析和评判。可以管理设备的运行状态，使用功率。在设备运行过程中，智慧设备管理功能用大数据收集设备自身的情况与当前的数据情况进行比对，以确保设备运行在一个稳定的区间内，当有异常时，会提醒相关的人员或是紧急情况下自动断电。出现设备故障时，可以进行联动预警，并形成相应的系统日志。

3）耗材管理

可以登记耗材，管理耗材的出入库记录，库存记录，智能提醒耗材不足，使管理和维护更为直观。

4）易制毒，易制爆管理

可以登记易制毒、易制爆的信息，出入库记录，库存记录，智能提醒不足。对此类资源，系统可专门为其放置气体检测器和火星检测器，当检测到火星时，联动触发消防措施和预警。

1.3 智能设备管理

因智慧实验室的感知层有很大部分来源于传感器，还有一些物联自动控制装置，数量众多，所以单独为这些传感器和自动控制装置做了一个可视化界面管理，在系统界面中，可以分类查看所有传感器和控制装置，这些智能硬件设备工作的状态和位置，并直观进行维护和管理。

1.4 数据中控管理

数据中控是基于数据分析技术开发的，也是整个系统的智慧控制中枢，通过采集传感器的数据进行分析比较，进行日常事情的处理和异常事件的提醒，此外，它还提供以下功能。

①数据的分析统计功能。

②统一的中控管理，对实验室全方位的建设数据进行掌握，其中数据的分析统计功能包含但不限于（也可以按照要求进行定制）：设备的使用率、环境数据趋势、环境问题异常事件情况和发生的概率、人员进出情况，违规情况统计、资源和能源的使用情况，资源和能源的统计，历史资源和能源的趋势分析。

数据中控是对整个实验室的可视化操作以及全局把控，通过大屏展示的方式可查看当前实验室的实时情况，包含人员情况，房间情况，环境情况，预警情况，空气质量情况等。

1.5 系统展现方式

系统采用移动端+PC网页端的形式来展示。无论移动端还是PC端，系统对各个功能模块有着严格的权限划分。领导视图和普通工作人员视图是不一致的。

2 实验室通风系统

实验室通风系统与室内空调系统的通风设计要求不同，主要目的是提供安全、舒适的工作环境，减少人员暴露在危险空气下，通风主要是解决实验人员的身体健康和劳动保护问题。全面通风是对整个房间进行通风换气，用送入室内的新鲜空气把房间里的有害气体浓度稀释到标准允许范围内，同时把室内污染的空气经过净化处理后排到室外大气中。二噁英实验室需要满足恒温、恒湿、超净、工作区间分化、与外部环境存在压差、能独立运行的工作环境。二噁英类物质在分析过程干扰因素多，准确定性、定量分析的难度大，技术要求高。

3 实验室建筑空调与洁净系统

实验室建筑与普通的建筑是有区别的，不同的实验室对温度、湿度、压强、洁净度等参数有不同的要求，而且不同的实验室之间的气流不能交叉污染，实验区的气流不能流向办公区，因此实验建筑空调系统的要求比普通建筑的要求复杂很多，按布置方式不同可分为分散型空调系统、集中型空调系统及局部集中型空调系统[1]。

4 实验室气体管道系统

实验室气体的供应不同于一般工厂的要求，首先表现在仪器设备对气体的纯度要求较高，一般工作气体要求达到99.999%以上，其次气体的供应连续，输出压力平稳，气体的压力波动可能导致仪器设备没有办法正常工作，气体的不连续供应甚至可能导致仪器设备故障，因此实验室气体管路的设计是较为严格的。

5 实验室给排水系统

该系统包括实验给水系统、生活给水系统和消防给水系统。实验给水系统分为一般实验用水与实验用纯水，实验室纯水系统属于单独的给水系统，生活给水系统和消防给水系统与一般建筑的给水系统一致。

6 实验室纯水系统

在当今的实验室中，水环境作为绝大数实验室的基本环境，在实验中占的地位非常重要，水质往往决定了很多实验结果的真实性、可重复性，实验室超纯水系统生产纯度极高的水，可以将水中的导电介质几乎完全去除，同时把不离解的气体、胶体以及有机物（包括细菌）也去除至很低程度，但使用中央供水还是局部供水还需根据实际情况商榷。

7 实验室供电系统

实验室建筑内部有各种类型的实验室及仪器设备，供电系统除了维持实验室特定的环境用电外，还要满足现有及未来增加的各种仪器的特殊用电要求，对于离心机、层析冷柜、低温冰箱带压缩机之类的仪器，它们的电机启动所需要的电流往往是工作电流的数倍，在启动瞬间往往会影响该线路的电压波动，如果接在该线路上所用的大功率仪器较多，就会引起仪器工作不正常。

所以，对实验建筑供电系统的设计，除了要预留足够的富余电量以满足未来发展的需要，还需要提供不间断的稳压电源，基于实验室的与众不同，实验室建筑的供电系统从电源、线路、照明、安全等各方面都有其独特性，实验建筑的用电量通常是现有用电量的2倍。

8 结语

本文对智慧环境监测实验室的建设进行了探讨，智慧实验室的构建提升了分析工作效率并且让更多的科研创新成为可能性，对原有的实验室管理模式有质的提升，更加高效的为管理服务，推动科研人才培养与社会服务更高效的发展。本探讨以期为智慧环境实验室的构建与管理提供一定的参考。