高校實驗室危化試劑管理柜的研究設計與實現

劉 洋，萬國良

（北京林業大學 實驗室管理處，北京 100083）

近些年高校的教學條件、科研水平不斷提升，各高校在化學試劑使用的類型及數量上也呈上升趨勢[1]，實驗室內化學試劑種類繁多、危險性大，某些化學活性比較強的化學試劑，在儲存和使用中可能發生極大的危險。隨著國家對實驗室安全越來越重視，教育部從2015年開始連續3年對高校科研實驗室進行安全檢查，市教委、公安局、環保局等部門每年都發布關于學校危險化學品安全檢查的通知，化學試劑的管理也越來越嚴，管理水平也有顯著提高。但是目前依然存在著化學試劑使用過程中登記不規范、記錄不完整的情況，很多實驗室對存儲的危險化學試劑（以下簡稱“危化試劑”）的種類、數量無法做到時時監管，完全依靠使用者的自覺性去進行登記記錄，存在危化試劑流向不明的隱患，例如2013年發生的轟動全國的上海某大學投毒案，就是因為危化試劑監管不到位造成的[2]。因此，從源頭上強化危化試劑的溯源及過程管理，勢在必行[3]。

1 現狀

目前，針對危化試劑的使用管理，大致有2種模式[4]，一種是傳統手工記賬的管理模式，由使用者在登記本上進行記錄；第二種是由使用者在化學試劑管理平臺上進行登記。這2種方法都是要依靠使用者的自覺性去進行登記，實時性、準確性都難以得到保障，且效率低下、易出錯[5]。當前主流的藥品柜，不能判定使用者的身份、無法對柜內的化學試劑在數量和種類上自動統計，現有藥品柜的可追溯性差，對操作人員的依賴性太大[6]。

因此，需要一種可以把危化試劑管理柜與化學試劑管理系統相結合的辦法，通過信息化方式去實時監控化學試劑的使用情況，做到可以對化學試劑使用情況進行全程記錄、遠程監控。本文設計一種面向高校實驗室中危化試劑全流程綜合管理的、集成物聯網模塊的化學試劑安全管理柜。

2 危化試劑安全管理柜的設計

2.1 設計依據

設計危化試劑管理柜的目的是監控使用過程、提高工作效率、積累數字檔案[7]。設計遵循的基本指導原則是“源頭可溯、過程可查、責任到人”[8]。管理對象主要包括化學試劑、使用者、管理者、實驗室，其中化學試劑包括高校所使用到的全部品類的危險化學試劑及化學藥品，使用者包括教師、科研人員、管理人員、庫管人員、研究生等。危化試劑管理柜就是通過信息化及物聯網方式，理清各管理對象之間的時空關系，實施數字化管理、跟蹤、記錄、實時監控，來滿足可溯源的管理需求[9]。

2.2 產品設計

危化試劑管理柜主要由柜體、柜體內單元格、門禁系統等組成。

2.2.1 柜體組成

在藥品柜的門上增加顯示面板、電子鎖、掃描器、讀卡器等，通過藥品柜與門禁、指紋識別、人臉識別、藥品條碼管理等系統相結合，達到對危險化學試劑的管理，通過對藥品柜的開關控制管理，對柜內化學試劑的種類、使用人、使用時間、使用頻率、使用量等做出詳細的記錄。

柜內分為不同的單元格獨立存在，每個單元格都可以存放一種化學試劑，不同試劑存放在不同的單元格內。在藥品柜上方增設通風系統，對柜內藥品產生的氣體進行處理排放。柜內分為A、B 2個存放區，A區單元格可以存放酸類化學試劑，單獨使用一個通風系統，B區單元格內存放堿類或其他化學試劑，單獨使用另一個通風系統，減少相互反應的可能性。

危化試劑管理柜整體設計如圖1所示[11]。

圖1 危化試劑管理柜結構圖

2.2.2 藥品柜的門禁控制

藥品柜有2層門禁。

第一層門禁，通過一卡通讀卡器及指紋、人臉識別系統等裝置把讀取的數據送入控制器，進行數據比對，當數據比對符合要求時即可進行下一步操作。控制器識別并記錄使用人，同時彈出送/取試劑對話框，操作人員進行選擇，對該人員是送試劑還是取試劑進行判別，記錄時間并打開試劑柜大門，同時識別并記錄使用人要送/取試劑的種類。試劑柜內的化學試劑種類可以在門禁顯示面板上進行設置和操作，每個單元格可設置存放一種危化試劑的種類，該設置只能由實驗室化學試劑管理員進行操作。管理人員可以通過界面選擇送/取的化學試劑的種類，取化學試劑的時候，通過顯示面板進行確認所取化學試劑的種類；送化學試劑的時候，通過二維碼掃描功能，進行自動記錄化學試劑的種類，通過試劑柜單元格底部的電子天平對該化學試劑進行稱重，同時通過傳感器記錄重量，再通過重量差自動計算出化學試劑的使用量。通過對藥品柜加裝門禁后，藥品柜的開啟只能通過授權人員才能進行操作，首先確保了藥品的常規安全；藥品柜的開啟，需要驗證授權人員，即授權人員要刷卡或進行指紋人臉識別，該卡（指紋人臉識別）是授權人員的身份識別裝置，可記錄具體操作人員、操作時間。

第二層門禁為柜體內各單元格的管理，即在柜體內部分為多個單元格，每個單元格都單獨存放一種化學試劑，單元格內底部有電子天平可以對化學試劑進行稱重。當使用人員在控制面板上選擇取該化學試劑的同時，該單元格的門禁打開，可以對該類化學試劑進行取的操作，同時記錄當前信息，何人何時取何種化學試劑；當使用人員在控制面板選擇送化學試劑的時候，需要通過二維碼掃描自動識別要送入的化學試劑種類，該化學試劑所在的單元格打開，當把該試劑放入單元格內，電子天平對該試劑進行稱重，通過傳感器記錄，并上傳到數據庫中，通過與上一個數據進行比對，得出重量差，差值即該化學試劑的本次使用量。當電子天平的數據長時間為零，達到設定時間期限的時候，系統會產生一個信號，通過網絡報警通知實驗室化學試劑管理人員，同時把該單元格的上一個記錄發送到實驗室化學試劑管理員手中，該記錄包括何人何時取走何種化學試劑、超過規定時間有沒有歸還，同時把該使用人員的聯系方式發送給管理人員。當重量傳感器數值為非零，但長時間沒有變化并達到設置的時間點，或者該試劑的重量值為空瓶的重量值時，也會給管理人員發送通知，即該化學試劑可能已經長時間沒使用，已經失效，或者該試劑已經使用完，現在狀態為空瓶狀態，提醒更換新的化學試劑。

藥品柜流程圖如圖2所示。

圖2 危化試劑管理柜流程圖

2.2.3 信息系統功能設計

信息系統采用B/S架構，后臺數據庫用來存儲門禁信息，其中包括第一步門禁記錄中的試劑使用人員的信息、使用的時間等，第二步門禁記錄使用人員對每一種化學試劑的使用量、使用頻率，對該化學試劑進行預警監控等，還包括用戶管理、用戶角色管理、危化試劑柜管理、試劑類型管理、試劑數量流水記錄等。通過危化試劑柜上的網絡連接模塊，將2個門禁記錄數據實時上傳到服務器端，達到對多個柜子的使用狀況記錄、監測以及數據統計；通過手機app對該試劑柜進行實時數據查看、操作預警信息提示等。

3 結語

危化試劑管理在高校理化實驗室中的地位舉足輕重，涉及到校園安全和社會安全[10]。本文針對當前主流管理模式的弊端，從柜體組成、門禁系統、電子稱量、遠程控制等方面，提出一種基于物聯網的危化試劑管理柜的整體設計方案，全流程跟蹤“誰在使用、使用了哪種試劑、使用的數量、當前危化試劑的余量遠程管理”等，通過危化試劑柜的記錄功能，達到對操作人員的權限進行限制、對操作人員的具體操作進行精確的記錄。對化學試劑使用的全程電子自動記錄功能及數據統計功能，做到了化學試劑的精確管理，實現了化學試劑使用的遠程管理、監控、報警及化學試劑的可追溯性，對高校理化實驗室的危化試劑管理提供了一種新的思路。