實驗室危險化學品管理的智能化解決方案

郭鵬慧, 劉 亞, 王 璐, 馬利靜, 沈少華

(西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

經(jīng)濟的繁榮帶動了科研的快速發(fā)展,隨著新材料在不同領域的加速應用導致了材料合成等化學實驗室在各個科研方向都有不同程度的建設,而實驗室是培養(yǎng)人才和科研人員成果產(chǎn)出的重要場所[1-3]。化學實驗室中化學品的管理是否到位,直接影響著實驗室的人員安全和國家財產(chǎn)安全,目前由于專業(yè)的實驗室管理人員缺乏,對危險化學品分類及危害性重視不夠,各實驗室均有不同程度的化學品亂放、濫用等違規(guī)的現(xiàn)象[4-5]。國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了多起由于化學品管理不到位或者對化學品了解不夠而造成的人身傷害、公共財產(chǎn)損失事件,造成了不好的社會影響[6]。2016年11月底,國務院辦公廳印發(fā)了《危險化學品安全綜合治理方案》(國辦發(fā)〔2016〕88 號),部署在全國范圍內(nèi)組織開展為期3年的危險化學品安全綜合治理作提出了40條具體任務,對開展危險化學品安全綜合治理作出明確要求[7]。教育部每年也會對高校的化學品安全管理進行安全檢查,以期能夠督促實驗室的安全建設。可見,危險化學品有效安全的管理和使用是高等院校急需解決的問題。

一些高校已經(jīng)實行了化學品的信息化登記管理系統(tǒng)或嚴格的制度[8-9],也有關于化學試劑網(wǎng)絡化管理的相關文獻和專利報道[10-11],主要是加強危險化學品的審批采購、常規(guī)化學品實現(xiàn)采購登記、定期盤庫等功能。而在化學品的具體使用過程中,雖然資產(chǎn)管理部門會不定期地對學校的化學品存放進行檢查,也會對化學品的管理人員進行培訓,但仍然存在一些盲點和不足,比如化學品使用很難追溯到人、無法實現(xiàn)實時監(jiān)測、一些閑置化學品直到過期都無人使用、實驗廢液或過期試劑不能及時安全地進行處理、賬目與實物是否相符監(jiān)督不夠等[12]。這些不足,仍然會造成化學品在整個生命周期中的不安全使用、監(jiān)管不到位等現(xiàn)實問題。

互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結合的“互聯(lián)網(wǎng)+”的模式正在越來越多地走進各個行業(yè)。“互聯(lián)網(wǎng)+”所具備的跨界融合、創(chuàng)新驅動、重塑結構、尊重人性、開放生態(tài)、鏈接一切等特性,極大地改善了用戶群體的工作和生活方式。在危險化學品管理方面也急需出現(xiàn)與 “互聯(lián)網(wǎng)+”相結合的新型管理和使用模式。根據(jù)危險化學品的管理和使用過程中對安全、便捷等方面的需求,引入“互聯(lián)網(wǎng)+”能夠在安全預警、優(yōu)化資源配置、信息共享等方面起到革命性的效果。高等院校和科研院所作為危險化學品重點用戶,以及危險化學品使用和管理的教育單位,更應該在先進的危險化學品管理模式上引領社會。

1 解決方案整體概述

本文提出的危險化學品管理的智能化解決方案是一種基于互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)技術、并配合智能化高端管理平臺形成的一體化的危險化學品管理解決方案,主要包括以下幾個方面:化學品存取系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)絡支撐系統(tǒng)。該套解決方案具有以下幾個明顯的優(yōu)勢:

(1) 藥品管理員可以通過手機端APP實時了解危險化學品的領用及使用情況,查看各危險化學品的存放環(huán)境有無異常,在線審批和設置領用人的危險化學品申請清單及危險化學品使用期限,并通過發(fā)送二維碼的方式讓領用人獲得危險化學品的使用權限。同時在獲得服務器發(fā)出的異常情況提醒時可遠程將智能藥品柜密封鎖定、禁止使用,還可以一鍵打開所有柜門,方便管理員定期清庫檢查。

(2) 領用人可以通過在線瀏覽危險化學品目錄,并申請使用。在得到導師授權、管理員批準后,信息管理系統(tǒng)的客戶端服務器上會發(fā)送打開柜門的帶有有效期的二維碼、該危險化學品的使用注意事項,當領用人逾期不歸還或超出最大領用量時系統(tǒng)會重復發(fā)出提醒。

(3) 智能藥品柜可以實時監(jiān)測藥品的存放環(huán)境及藥品余量。二維碼掃描系統(tǒng)與服務器和手機APP軟件對接,柜子功能模塊化,可單獨定制,與服務器之間通過以太網(wǎng)通信。

(4) 物聯(lián)管理網(wǎng)絡實現(xiàn)了單個實驗室、課題組、研究所和全校的統(tǒng)一化管理,單位的相關管理部門便于檢查、監(jiān)測危險化學品的入庫、使用及出庫情況,可以對危險化學品進行有效管理和監(jiān)測,避免危險化學品濫用、盜用等情況的發(fā)生。

通過以上特點的描述,這套解決方案一方面實現(xiàn)了危險化學品網(wǎng)上申請采購、智能入庫、實時監(jiān)測化學品的存儲環(huán)境和使用情況、與高級管理部門接通后也可以實現(xiàn)化學品的緊急調(diào)撥和借用,保證了危險化學品整個生命周期的有效管理；另一方面該系統(tǒng)鏈接多個知識數(shù)據(jù)庫,為使用者提供危險化學品的使用須知和注意事項,保證了化學品在使用中的安全性；最后,該系統(tǒng)的提醒功能覆蓋了危險化學品逾期不還、使用超量、環(huán)境異常、超出質保期待處理、庫存清零待補充等方面,配合大單位的網(wǎng)絡系統(tǒng),提供了一整套全面智能的危險化學品管理的解決方案,極大地保障了危險化學品的使用環(huán)境、有利于維護公眾的人身財產(chǎn)安全。

2 解決方案中存取系統(tǒng)的工作方法

2.1 智能藥品柜構造及配置

圖1所示為模塊化的智能危險化學品存儲柜的構造及配置。在柜子內(nèi)部的底面放置的是電子天平,側面安裝了溫度傳感器,柜門上安裝了智能鎖,柜體前面安裝了顯示屏、安全指示燈、警示擴音器,柜體后面有網(wǎng)絡接口。多個方形的單個柜子采用陣列排布的方式組合在一起,所有柜子的通信線纜通過網(wǎng)絡交換機與服務器互聯(lián)。每個柜子對應一個網(wǎng)絡地址,與存放進去的化學品一一對應。該存儲柜配合物聯(lián)系統(tǒng)及信號處理能夠實現(xiàn)的主要功能是:

圖1 模塊化智能危險化學品存儲柜的構造及配置示意圖

(1) 安全監(jiān)測:包含內(nèi)部的傳感器和警示燈、警示擴音器。根據(jù)不同危險化學品的需求,選配合適的探測器,并將探測信號實時傳遞至控制服務器。

(2) 重量檢測:主要為存儲柜底部的智能質量探測器,設置每次在柜門關閉時記錄重量數(shù)據(jù)并上傳至服務器,并將實時的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上。

(3) 信息顯示:包括樣品名稱、重量、存放日期。

(4) 智能鎖:根據(jù)服務器的指令執(zhí)行開鎖關鎖,同時帶有自鎖功能和全部打開的功能。

(5) 模塊化的設計可方便用戶自由選配柜子材質、探測器、重量檢測器等配件。

2.2 化學品入/出庫的操作

在該解決方案中,只有管理員權限登錄客戶端系統(tǒng)后,才能添加化學品的入庫,采用條形碼掃描器對化學品的標簽進行掃描,在系統(tǒng)中補充規(guī)格、純度、級別、質保期、最大單次使用量、最長領用周期、設置鏈接到已知數(shù)據(jù)庫的屬性部分及使用安全注意事項等基本信息。化學品出庫采取的方法是在系統(tǒng)中申請人的使用申請被管理員批準后,申請人獲得權限碼,通過掃描器掃描權限碼即可打開相應的柜門。柜門在使用人未歸還化學品時將保持打開狀態(tài),歸還后重量監(jiān)測單元記錄重量,并同步更新到服務器上。

3 解決方案中信息管理系統(tǒng)的工作方法

3.1 人員信息管理

在該解決方案的軟件系統(tǒng)中,人員管理方式見圖2。

圖2 危險化學品管理系統(tǒng)權限分布圖

人員具體類別分為4類,分別是:

(1) 第一類是學生,需要使用學生ID來注冊賬戶,并加入相應的實驗室和導師課題組,對應的權限是提出使用申請和采購申請。

(2) 第二類是導師,導師使用ID可直接登錄,權限是可查閱本課題組名下學生使用化學品的記錄,審批特殊化學品的采購申請。

(3) 第三類是藥品管理員,負責本實驗室的化學藥品的整體管理,權限是采購化學品的入庫、一次性打開所有柜門對化學品進行盤庫、監(jiān)測化學品的存儲環(huán)境信息、批復學生的領用申請、在環(huán)境狀態(tài)異常時可直接強制關閉智能鎖、可編輯少量的提示或警示用語、針對過期化學品申請?zhí)幚砘厥铡⑻厥饣瘜W品的訂單處理、閑置化學品登記。

(4) 第四類是單位內(nèi)的相關部門,負責監(jiān)測化學品的環(huán)境狀態(tài)信息,批復過期化學品的處理回收,特殊化學品的訂單批復,閑置化學品調(diào)撥等。

3.2 安全查詢信息管理

信息管理系統(tǒng)中的安全、查詢信息模塊包含:化學品的環(huán)境狀態(tài)查詢、質量查詢、學生使用清單查詢、申購清單查詢等。化學品的環(huán)境狀態(tài)查詢是通過智能藥品柜內(nèi)安裝的探測器傳回的信號直接獲得；質量查詢則是每次關門時將記錄化學品的剩余質量Mt,本次的剩余質量減去上次的剩余質量M(t-1)即可獲得本次學生的使用量ΔM。系統(tǒng)中設置的每種化學品最大使用量、最長領用周期、閑置時間等也可查詢；使用清單及申購清單可按照學生姓名查詢,也可按照日期查詢。

3.3 提醒警告信息管理

信息管理系統(tǒng)中不可缺失的一部分是提醒警告模塊,主要包括:

(1) 與已有的網(wǎng)上信息源或國藥網(wǎng)藥品性質庫聯(lián)網(wǎng),在學生領用化學品申請獲批和第一次領用時,系統(tǒng)將自動發(fā)送一份該化學品的性質特點及管理員添加的安全注意事項。

(2) 在學生單次取用量或領用周期超過系統(tǒng)設定值,系統(tǒng)發(fā)出警示語“單次使用量超量”“領用周期已過期,請盡快歸還”。

(3) 藥品超過保質期時需要向一級管理員發(fā)出“#柜藥品超出質保期”。

(4) 化學品閑置時間超過1年的,系統(tǒng)會向管理員發(fā)出“#柜藥品閑置時間過長,請申請調(diào)撥處理”。

(5) 有采購申請時會向導師發(fā)出提醒；有調(diào)撥需求時會向管理部門發(fā)出提醒。

4 其他支撐部件及擴展升級

本方案采用單一服務器并行控制多臺存儲柜網(wǎng)絡通信方案。服務器將所有存儲柜的信息通過網(wǎng)絡共享至每一個具有權限的用戶終端(包含手機端APP和PC客戶端),實現(xiàn)內(nèi)部用戶間的信息共享 。用戶可以根據(jù)實驗室的需要,選配不同類型不同數(shù)量的存儲柜。由于不同類型的化學物質的物理化學特性具有非常大的差異,存儲柜的主體部分要選用合適的材質。一般的,每種類型的存儲柜會有固定顏色(主要是黃色、紅色、藍色以及乳白色)。除此之外,該解決方案不僅可以解決危險化學品,通過對智能存儲柜的特殊定制,可以擴展功能實現(xiàn)對于其他化學品的存放管理。比如:貴重樣品存儲柜(提高防護級別,設定使用人選)、大容量樣品存儲柜(增加容納體積和智能質量探測器量程,相同類別不同化學品的存放還可在化學品入庫時增加條目)、氣氛存儲柜(密封設計,通入惰性氣體,氣壓可調(diào))、恒溫存儲柜(加制冷、制熱單元和溫控單元),另外,對于更高一級的管理部門,也可在軟件系統(tǒng)中添加相應的權限,便于危險化學品的實時監(jiān)測。

5 使用案例

藥品管理線路如下：

5.1 雙通道便捷入庫

藥品入庫通過掃描條形碼獲得藥品信息,在藥品庫中找到相應的藥品,補充必不可少的信息,并為藥品選擇分類智能柜,設置號碼和標簽,同時可編輯該類藥品的領用設置,一次領用的最長期限(可設置為5～20 min)和最大領用量(可設置為0.5～2 g)。見圖3。

圖3 入庫通道及化學品信息補充及領用設置示意圖

5.2 獨立碼安全領用

藥品領用出庫管理見圖4。在領用人獲得授權二維碼后,軟件會提示領用人領用的藥品期限和領用量,并會給領用人發(fā)送藥品安全須知、使用須知和歸還提醒等。同時這些信息會記錄在服務器上方便管理員隨時查詢,若領用人發(fā)生超時超量使用時,系統(tǒng)會同時提醒管理員和領用人,方便及時處理。

圖4 藥品出庫示意圖

5.3 多模式逐級處理

智能藥品柜上設計的各種傳感器可對藥品的存放環(huán)境進行實時監(jiān)測,一旦環(huán)境異常,通過內(nèi)部網(wǎng)絡給服務器提醒,服務器會自動將異常信息發(fā)送給管理員,管理員根據(jù)異常信息的類型可進行遠程操控,比如實行自鎖或全鎖,在極端異常的情況下,管理員可從手機端下達廣泛提醒命令,使得柜體上的報警器響起,提醒周圍人員盡快疏散。

正常情況下,系統(tǒng)會給管理員發(fā)送藥品質保期或使用完畢之后清庫或訂購的提醒,方便管理員及時對藥品進行處理或補充,同時管理員賬戶具有一鍵清查的功能,可將所有柜門一次性打開,方便管理。

結合大面積的互聯(lián)網(wǎng)體系,管理部門也可在訪問服務器對藥品的使用情況和環(huán)境進行監(jiān)測,并可以向處理部門申請?zhí)幚砘蚧厥瘴ｋU化學品,而處理部門也可將計劃時間從系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送給管理員和管理部門,提高整個系統(tǒng)的人力效率。

6 方案的特點和優(yōu)勢

該解決方案利用互聯(lián)網(wǎng)+的技術可以解決在危險化學品管理中的盲點和不足。不僅如此,一次投入,逐漸升級的系統(tǒng)還大量節(jié)約了人力物力,便于管理部門對于危險化學品的監(jiān)督和管理,具有明顯的以下4個特點和優(yōu)勢:

6.1 無人值守、實時監(jiān)控

由于本產(chǎn)品同時使用了互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術,領用人可利用手機端APP隨時申請藥品使用、管理員、導師可以隨時批準,藥品管理員和單位相關管理部門則可實現(xiàn)隨時監(jiān)控查看危險化學品的存放環(huán)境信息。

6.2 分級管理、數(shù)據(jù)共享

軟件將人員分為四類:領用人、領用人導師、藥品管理員、單位相關管理部門,每類人的權限對應的登錄界面都不一樣,但是通道的合理對接實現(xiàn)了便捷的分級管理,比如領用人申領藥品,導師和管理員批準后即可給予領用人的領用期限；領用人在發(fā)出訂購需求時,單位相關管理部門即可查詢各實驗室的庫存,批準調(diào)撥或借用；另一方面,單位的相關管理部門不能直接通過領用人的申領請求,只能由藥品管理員核準后發(fā)送打開藥品柜的帶有有效期的二維碼,因此各級用戶之間既有數(shù)據(jù)共享,又分工明確,為科研保駕護航的同時最大程度上方便了對危險化學品的管理。

6.3 模塊設計、功能定制

按照危險化學品的不同分類,將智能柜也分成了不同的類別,而且是模塊化設計,用戶可以根據(jù)需求增加或減少柜子的數(shù)量,同時可以根據(jù)成本增加或減少探測器或感應器的類別,比如可增加柜子的可視化功能、甚至是自動銷毀功能。

6.4 節(jié)能環(huán)保、便捷安全

該產(chǎn)品系統(tǒng)實現(xiàn)了從藥品的入庫、使用、出庫、清查全部流程的無紙化管理,去除了繁瑣的登記、抄寫、打字等事務性工作,極大的方便了科研人員和管理人員。系統(tǒng)連接的危險化學品安全須知會在領用人的申領許可獲批準后自動發(fā)送到領用人的手機上,提示領用人注意安全；如果領用人沒有在期限內(nèi)歸還藥品,系統(tǒng)會自動發(fā)送提醒短信,杜絕了危險化學品的亂放濫用；藥品柜監(jiān)測過程中出現(xiàn)異常信號會自動發(fā)送到服務器,并進一步發(fā)送到管理員和相關管理部門的手機上提醒,如果異常問題較為嚴重,管理員可以遠程發(fā)送代碼,將全部藥品柜自動密封上鎖,極大的保證了科研人員及實驗室資產(chǎn)安全。

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