供水水质监测智慧实验室建设研究与设计

孙扬，韩宛汝

（1.青岛水务集团有限公司，山东青岛 266071；2.青岛市海润自来水集团有限公司水质监测站，山东青岛 266034；3.青岛市水质保障与水资源开发利用重点实验室，山东青岛 266034）

信息化时代已经全面到来，“一切业务数据化，一切数据业务化”“让数据用起来”[1]，社会各行各业，包括供水、能源、交通运输等传统民生行业，均面临着数字化转型、智慧化升级的机遇与挑战。其中供水安全直接关系到城乡居民健康和社会稳定，水质监测实验室是供水业务链的重要一环，如何运用新一代信息技术，协同构建智慧型供水水质监测实验室，实现实验室的运营管理及检测业务信息化、智能化，达到规范实验室管理，是未来水质监测实验室发展的重要课题。

1 智慧实验室建设现状及面临的问题

目前智慧实验室建设概念已在高校、科研机构等教育科研领域实验室被广泛提出并部分应用建设[2-4]。在企业智慧实验室建设中，马利军等[5]对基于乳业全产业链的智能实验室进行了设计，以实验室信息化高度集成“LIMS 实验室系统”为基础，构建智慧运营平台，打造乳业智慧实验室标杆。由于传统民生行业属性，特别是水务企业的监测实验室按照业务种类不同，大部分采用传统方式管理或部分信息化管理，包括简单的数据处理或依托LIMS 系统实现集检测流程管理、质控管理、设备管理等部分信息化管理，对于实验室数字化智慧化的全方位应用管理较少。林云生等[6]以深圳市深水光明水务有限公司中心化验室为例，针对其化验室的工作情况和管理需求，设计开发了多功能LIMS 系统，可与其公司BI 系统和综合调度系统对接协同应用，实现化验室的整体信息化管理。

供水水质安全直接关系到人们日常生活和经济社会平稳发展。随着新的《生活饮用水卫生标准》全面实施要求及新一代现代化技术的普遍应用，供水系统监测实验室肩负着越来越重要的水质保障职责，因此在监测实验室智慧化建设方面应起到导向作用，不断提高水质检测工作效率、数据的可靠性及实验室运行管理效率，打造水质监测行业智慧实验室标杆，以应对中国发展形势的新变化，实现人民群众对美好生活的新期待。

2 水质监测智慧实验室建设思路

水质监测智慧实验室是利用新一代信息技术与水质监测业务深度融合，实现监测运营各环节控制智能化、数据资源化、管理精细化、决策智慧化的新型实验室，基于物联网、互联网、大数据、计算机技术搭建智慧实验室管理平台，将信息科技融入检验检测全流程管理，实现人在线、物在线、运营全在线。

实验室的总体设计整体架构应从水质监测业务的实际应用情况出发，充分考虑实用性、安全性和可靠性等方面因素，设计实验室智能化管理系统具体架构，按照“121”即1 张基础网络、2 个信息管理系统（1 个检测信息化系统、1 个运营信息化系统）、1 个运营管理系统的建设思路，打造成为行业智慧厂站标杆。供水水质监测实验室设计思路如图1 所示。

图1 供水水质监测实验室设计思路

3 水质监测智慧实验室架构设计

3.1 基础网络建设

基础网络建设包括三部分，即完善感知层设备、实验室基础网络层改造和视频安防网络建设。

3.1.1 完善感知层设备

根据实验室生产控制的需求，基于实验室人员、设备安全原则，完善实验室感知层事物（包括环境、设备、样品等）状态的能力。例如，在重要点位布设实验室环境信息温度传感器、压力传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，同时形成感知层布设规范和维护规程，为监测控制调度提供数据支撑。

3.1.2 实验室基础网络层改造

基础网络层应基于数据安全原则，按照检测网、办公网、视频网严格分开（三网分离）的目标建设，进行IP 地址改造，实现检测网检测数据隔离，所有实验室外网出口统一归至本单位自建的数据中心机房，全面提升网络安全保障水平。

同时建设检测网备用网络，采用高可靠的网络拓扑结构传输检测数据，可利用当前的4G/5G 网络实现双链路备份，并采用SD-WAN 技术实现有线无线自动切换。

3.1.3 视频安防网络建设

根据实验室视频监控安防需求，完善视频安防设备（包括实验室药剂、易燃易爆气瓶、外来人员、消防设备等），在药剂、材料库房、放射性检测室、气瓶室、消防设备、实验室外围边界等位置安装防爆监控设备，监控探头可选用POE 供电，减少布线需求，为实验室运营管理系统提供安防视频支持。

3.2 实验室信息管理系统（LIMS）建设

3.2.1 系统技术架构

实验室信息管理系统（LIMS）是以数据库为核心的信息化技术与实验室管理需求相结合的信息化管理工具[7]，应在保障数据安全的前提下，采用主流的B/S系统架构，便于系统维护升级，同时为加强对信息安全的控制，采用专网建设，将该系统本地化部署，设立隔离网闸，防止通过办公网等外网侵入LIMS 系统盗取、窜改实验数据，保证数据安全。

3.2.2 LIMS 系统主要功能模块

3.2.2.1 检测业务流程管理

下达采样任务：下达采样任务的负责人提前在系统中下达采样任务，采样人登录系统后会在第一界面看到自己的采样任务，做好准备工作。系统采用条形码技术，实现采样瓶跟化验项目的自动关联，自动判断各个检测采样点所需的采样瓶种类、数量及现场检测项目。

样品检测：样品在验收和领用后，系统自动将检测任务分配到相应的科室和人员身上。检测人员可通过自己的检测任务列表了解相应检测任务，点击化验单可看到对应项目的原始记录表。

三级审核：为保障检测数据真实可靠，系统设置三级审核，即检测人、校核人、复核人。当审核人员发现化验单有问题时，将标明退回原因并退回化验单。数据溯源跟踪功能，可以确保系统中重要数据不会被无故修改，确保了整个检测过程中数据的可靠性。

3.2.2.2 质控管理模块

该模块设计应包括现场质控、室内质控及质控统计3 个部分。在下达检测任务时，可以勾选现场平行和全程序空白的现场质控。通过设置数据合理性分析模块，对质控的数据进行统计，对不合格的数据进行变色提醒。同时对数据进行集中统计，方便质控管理者对整个实验室的质量控制管理。

3.2.2.3 仪器对接管理模块

仪器与LIMS 系统的连接可实现对水质监测实验室中大型检测仪器的数据自动采集功能。通过仪器接口程序将仪器文件数据直接载入到原始记录表中，并对数据进行自动修约、位数保留及检出限判断处理，在接口程序上根据不同仪器对数据进行针对性处理，确保其载入的准确性和可靠性。

3.2.2.4 数据管理功能模块

该模块设置数据统计、查询、分析、评价等功能。其中最常用的是数据统计功能，根据实验室的实际情况设计水质公报及常规月报，通过初始设置后可以实现检测数据的直接统计，并且标注超标项目。数据查询功能可以实现根据样品编号、检测日期、化验单号、样品名称、检测项目等信息查询。重要点位数据分析功能是结合历史数据，通过直观的变化趋势图谱来展现项目检测数据波动情况。

3.2.2.5 系统管理模块

系统管理模块包含检测方法管理、检测标准限值管理、检测人员权限管理、采样容器管理等基础功能。其中检测方法管理是将所有检测项目的方法及基本信息初始化到系统中，并将检测方法直接关联到原始记录表，检测人员可根据实际检测需要选择相应检测方法及设备等。

3.3 智慧实验室运营管理系统建设

通过建设水质监测智慧实验室运营管理系统可为未来实验室的管理和运行提供统一的运营和管理信息化系统界面。系统可采用主流的B/S 系统架构，搭建在本级单位或上级单位基于超融合基础架构（HCI）建设的私有云上，将LIMS 检测网与办公网有效分离，通过隔离网闸实现LIMS 检测网到办公网的数据摆渡。该系统设置水质检测数据分析、仪器设备管理、库房管理、车辆管理、视频监控安防等5 种应用模块及移动APP，为从采样、检测、数据应用的实验室全周期提供协同闭环管理。

3.3.1 数据分析应用模块

检测试验过程中会产生大量数据，这些数据的采集、存储和使用是数字化应用的重要一步。基于LIMS主题数据库，在实验室运营管理系统中建设数据分析应用模块，利用大数据分析技术，结合历史数据，分析原水、水厂、管网各点位的水质异常、管网波动等情况，形成水质分析报告，为解决实际业务问题提供数据支撑，并通过搭载专家库、水质风险对策方案库等，为水质问题处理决策提供智能推荐功能。

3.3.2 仪器设备管理模块

仪器设备是水质检测实验室的核心基础。通过建立设备仪器管理模块，实现对仪器设备的文档资料、使用情况、维护情况等档案的综合管理，同时实现快速查询、统计、分析资产信息，为资产报废、年度预算、设备检定期限确定等工作提供可靠的数据支撑。

3.3.3 智慧库房管理模块

库务和设备是化验室生产检测的重要辅助业务模块。通过构建智慧库房管理模块，对实验室的标准物质、药品试剂、玻璃器皿、耗材等均采用线上管理，实现到货入库管理、领用管理、库存管理、库存盘点、货位管理、库存报表的物品全生命周期管理管控，特别针对库存缺口、药剂保质期等设置自动提醒功能。设置危险化学品门禁管理模块及剧毒物等保险柜设置，联网管理，库房管理人员、使用人员通过指纹、人脸识别后，方能领用危险药品，并可在该模块记录、查询人员进出情况及危化品领用品种及数量等情况，做到危险品领用追踪。

3.3.4 车辆管理模块

车辆采样是水质监测过程中的基础环节与保障，通过建设该系统可帮助管理人员和采样人员实现实验室采样及公务车辆预约调度、车辆定期维护提醒、油耗管理等功能，将车辆管理从粗放式的单据填报、事后管理变为实时科学调度管理，提升了实验室采样及办公效率。

3.3.5 集中监控安全管理模块

该模块可对智慧实验室的所有重点设备仪器、检测过程中的各个环节节点、气瓶室及药品标物库房等重要事项进行集中监视，可远程实时浏览、远程存储、远程回放等，真实反映运行情况，让各级管理人员能够及时、直观地了解和掌握实验室的运行状况。

3.3.6 移动管控APP

可根据需要开发智慧实验室运营管控平台的手机APP 应用，实现运营管控平台的大部分功能。同时，该APP 需充分考虑数据传输加密和安全性问题，实现“口袋中的实验室”功能，实现对实验室的全方位监测。

4 水质保障专家决策系统建设

数据资产的应用能够发挥智慧水务建设的重要价值，通过检测数据资产的提取、处理、应用，实现实验室数据的智慧化落地，可有效指导供水监测智能化管控与水质应急处置。

通过建设搭载“水质保障专家决策系统”，设计建设知识方案库、运营经验库、专家问答库，结合水质监测实验室运营管理经验，建立具备决策支持、资源调度、移动指挥功能的专家决策系统。

5 水质监测智慧实验室建设建议

因建设运营复杂程度高，需建立统一标准。智慧实验室建设是复杂的系统性问题，需要应用系统思维，全面梳理实验室监测运营面临的难点、痛点。行业内应研究智慧实验室的统一定义和建设运营标准，形成智慧实验室建设系统全面的解决方案，需要水务企业以我为主、深度参与，集聚优势资源，结合实际开展试点建设。

技术创新与管理变革协同发力，更新完善运营理念和知识结构。在技术方面，需要对实验室进行基础网络优化、LIMS 建设升级，为建设维护运营管理系统，实现智能应用场景提供技术支撑。管理方面，需要优化重构实验室管理体制和考核机制，更新完善运营管理人员的理念和知识结构，加强实验室管理人员智慧化数字化业务培训，提供管理支撑。

突出以人为本理念，加强实验室技术人员参与设计力度。实验室人员是智慧实验室建设项目的使用主体，应突出以人为本的理念，在设计阶段让技术人员积极参与设计院等专业机构的设计工作，形成设计院、施工方和使用者之间有效的沟通，充分结合实验室工艺流程设计和系统工程设计，在设计阶段就充分考虑智慧实验室功能需求，实现实验室工程与智慧化协同建设。