射頻識別技術結合人臉識別技術用于試劑“細化”“動態”管理

翁玉華，潘蕊，許振玲，顏長明，歐陽小清，董志強，張春艷，阮嬋姿，呂銀云，任艷平

廈門大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心，福建 廈門 361005

高校實驗室使用的試劑尤其危險試劑種類多，存放點多且分散，目前大部分高校都存在試劑管理模式粗放、管理信息不全面的現象。為了有效防止易制毒、易制爆及其他各種危險化學品被用于危害社會，國家相關部門制定了一系列嚴格的法律法規加強對危險化學品(包括高校實驗室試劑)的安全管理[1–4]。當前國際形勢復雜，需要對一些特殊區域或特殊部門的化學品實行全面嚴格管控。由此可見，對化學品進行科學規范管理極其重要，除了嚴格的環境管理，還要求精準的數據管理。

廈門大學化學國家級實驗教學示范中心經過多年的細化建設和細化管理，真正建成了安全、規范、高效、實用的現代化教學實驗室，積極發揮著國家級實驗教學示范中心的“示范”與“輻射”作用[5,6]。在試劑管理方面已經摸索出一套“細化”“動態”管理模式，既滿足了實驗教學需要，又保證了實驗試劑的安全性。

1 試劑“細化”“動態”管理現狀

廈門大學化學國家級實驗教學示范中心已經按照國家標準[7]設立專用試劑倉庫，所有試劑根據種類和危險特性分柜存放：常規試劑存放在普通試劑柜中，強腐蝕性試劑存放在耐腐蝕的PP (聚丙烯)試劑柜中，易制毒試劑存放在鋼制的藍色毒品柜中，易制爆試劑存放在鋼制的黃色防爆柜中，強揮發性試劑存放在通風試劑柜中(圖1)。考慮到有些化學品混合存放可能產生危險，特別定制了試劑組合柜，將存在配伍禁忌的試劑分開存放。毒品柜、防爆柜和危險試劑柜采用雙人雙鎖管理辦法。對所有試劑進行登記、造冊并錄入計算機，定期對庫存試劑進行盤點，及時補充庫存量不足的試劑。但是人工清點、手工記錄的管理方式費時費力，難以對每次試劑使用情況進行準確記錄，存在一定的管理漏洞，離真正的信息化、智能化和自動化管理還有一定距離，這也是目前全國高校普遍存在的問題，為此我們率先引入國際上流行的射頻識別技術和人臉識別技術，開發出一套試劑“細化”“動態”管理系統。

圖1 PP試劑柜(白色)、防爆柜(黃色)、毒品柜(藍色)和通風PP試劑柜(白色)

2 射頻識別技術結合人臉識別技術用于試劑“細化”“動態”管理系統的構成

射頻識別和人臉識別這兩種技術都已發展得相當成熟，也得到了廣泛應用，但二者的結合應用目前多見于門禁系統管理[8,9]，未見有關其他方面應用的報道。

2.1 射頻識別技術

射頻識別技術(Radio frequency identification，RFID)通過無線電波進行不接觸快速信息交換和存儲，將無線通信技術結合數據訪問技術，并連接數據庫，串聯起一個復雜的系統，包括電子標簽、閱讀器和應用軟件三部分。商品化的電子標簽種類豐富，如不干膠標簽、卡片標簽、鈕扣標簽、釘子標簽、鑰匙扣標簽、手環標簽等，適合各種場所使用，甚至可以嵌入物體內部使用，其單價從幾角到幾十元不等。電子標簽可以通過閱讀器存儲數據，可容納的信息量大，也可以通過閱讀器直接修改或刪除電子標簽所存數據，電子標簽可反復使用。電子標簽所存信息通過閱讀器閱讀，閱讀標簽時沒有方向性，可同時閱讀多個標簽，閱讀范圍可根據實際需要通過改變閱讀器的發射功率來調節。

相比于大家熟悉的條形碼和二維碼，RFID電子標簽價格雖然較高，但是RFID技術的自動化識別和數據采集能力遠高于條形碼和二維碼技術，RFID技術被認為是物聯網最有前景的信息技術之一，已廣泛用于食品、服裝、醫療、零售、物流、圖書館等多個行業[10–12]。

2.2 人臉識別技術

人臉識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術，是人工智能技術的應用之一。人臉與生俱來，其唯一性和不易被復制的良好特性為身份鑒別提供了必要的前提。人臉識別技術具有非強制性、非接觸性、操作簡單、結果直觀、隱蔽性好等特點，在金融、公安、司法、通行、安保、考勤及自助服務等多個領域得到應用[13–15]。

2.3 射頻識別技術結合人臉識別技術用于試劑“細化”“動態”管理系統的構成

廈門大學化學國家級實驗教學示范中心自主開發的融合了射頻識別技術與人臉識別技術的試劑“細化”“動態”管理系統，由硬件、應用軟件和電子標簽三部分組成。硬件包括電腦、攝像頭、RFID閱讀器、電子天平、報警器等。應用軟件根據化學實驗室試劑使用規范和管理要求自主開發，具備數據采集、匯總、統計等功能。電子標簽直接從市場購買，綜合考慮了使用成本、使用便利性以及耐腐蝕性等多方面因素，我們選用以塑料膜為載體的不干膠標簽。

每個試劑倉庫配備一臺帶攝像頭和觸摸顯示屏的電腦作為管理終端，試劑管理過程中的很多操作可以直接在觸摸屏上完成。人臉識別通過攝像頭實現，貫穿于試劑管理全過程，完成包括應用軟件登錄、管理系統使用過程中使用人身份確認、軟件空閑鎖定后的激活以及進出試劑倉庫人員的身份確認等各項功能。

3 射頻識別技術結合人臉識別技術用于試劑“細化”“動態”管理系統使用流程

整套管理系統由專業人員幫助安裝，使用人員只需了解系統的基本構成，即可按照該系統的使用流程(如圖2)進行“傻瓜式”操作。使用流程包括試劑入庫、試劑領用、空瓶出庫三個部分。

圖2 射頻識別技術結合人臉識別技術用于試劑“細化”“動態”管理系統使用流程

3.1 試劑入庫

系統投入使用之前，先建立數據庫并將已有的試劑管理數據導入數據庫。試劑倉庫所有現存試劑以及新購試劑都需要入庫，從數據庫中調取欲入庫試劑檔案(若數據庫中無該試劑檔案可補充建檔)，將信息補充完整，每一瓶試劑貼一張電子標簽，將試劑放在電子天平上稱重，入庫人只需按一下觸摸屏上的“發卡鍵”并將桌面發卡器(閱讀距離約為5 cm的RFID閱讀器)靠近電子標簽，聽到“嘀”的提示音，說明電腦已記錄了試劑入庫毛重即最新庫存毛重、入庫時間、入庫人等信息并通過桌面發卡器將試劑信息寫入電子標簽，這個過程稱為發卡。再將成功發卡的試劑分類存放在試劑柜里。

3.2 試劑領用

試劑的領用方式有兩種：整瓶領用和部分領用。

1) 整瓶領用。將一瓶或多瓶試劑放在RFID閱讀器閱讀范圍內(閱讀距離2 m內可調)，閱讀器自動閱讀試劑信息，電腦顯示欲領用試劑清單，領用人核對無誤后按一下觸摸屏上的“領用鍵”，電腦記錄下試劑領用信息如領用人、領用時間等。若未進行領用操作就試圖將整瓶試劑帶出試劑倉庫，安裝在倉庫門邊的RFID閱讀器(閱讀距離5 m內可調)讀到未領用試劑信息，發送信號給電腦，電腦記錄下該試劑異常出門時間、倉庫門編號(如有多個倉庫門)等，報警器同時發出警報。已經領用的整瓶試劑送回倉庫上架前要進行歸還操作，須逐瓶稱量試劑歸還時毛重，稱量過程中，安裝在電子天平旁邊的RFID閱讀器(閱讀距離約為50 cm)自動閱讀試劑信息，歸還人只需選擇試劑用途(如用在哪個實驗項目)并按一下觸摸屏上的“歸還鍵”，電腦記錄下該試劑的歸還信息如歸還時毛重即最新庫存毛重、歸還人、歸還時間以及本次領用試劑的用途等，同時自動計算出本次試劑領用量。

2) 部分領用。也可利用系統配備的電子天平在試劑倉庫稱取所需量試劑，在試劑稱量過程中，RFID閱讀器自動閱讀試劑信息，領用人選擇試劑用途后按一下觸摸屏上的“稱量鍵”，電腦記錄下所稱試劑的質量、領用人、領用時間和本次領用試劑的用途等信息，同時自動計算出試劑的最新庫存毛重。也可先將部分試劑從庫存試劑瓶轉移到其他容器，再通過電子天平稱量剩余試劑毛重即最新庫存毛重，電腦自動計算出本次試劑領用量，這種操作方法也適合液體試劑。部分領用全過程都在試劑倉庫完成，更加直接方便。

3.3 空瓶出庫

當試劑用完只剩空瓶時，應及時將該瓶試劑從試劑庫存中移除，我們專門設計了空瓶出庫操作環節，空瓶出庫的時候電腦記錄下空瓶的處理方法。

將射頻識別技術和人臉識別技術結合應用，可以將每次試劑使用細節記錄下來(圖3)，這些詳細數據可用于后期對試劑管理鏈條中的任何節點進行倒查。對數據的統計分析可以幫助我們了解試劑庫存情況，某一時間段或某個實驗項目的試劑消耗情況等，有計劃、有依據地進行試劑訂購，有效提高了試劑的利用率，避免了試劑因長期存放造成的過期變質情況。將本系統結合人臉識別門禁系統和監控系統使用，最大程度地保證了試劑管理和使用的安全性。

圖3 試劑領用明細查詢界面

4 系統成本

一個試劑倉庫配備一套管理系統，每套管理系統所需投入的硬件和軟件總費用為7–8萬元。系統運行過程中的主要消耗品為電子標簽，市售電子標簽單價從幾角到幾十元不等，我們選用便宜又可重復使用的以塑料膜為載體的不干膠標簽，可以方便牢固地貼在試劑瓶及其他包裝物上，不易損壞丟失，標簽單價為0.35元/張，即使作為一次性標簽使用，每年消耗2000張標簽，總費用為700元。所以，廈大自主開發的結合了射頻識別技術和人臉識別技術的試劑“細化”“動態”管理系統無論是前期投入還是運行成本都是比較低的，適合大范圍推廣使用。

5 結語

我們率先將RFID技術和人臉識別技術結合用于試劑的“細化”“動態”管理，有效提高了試劑管理和使用的安全性以及工作人員的工作效率。該系統目前用于教學實驗室的試劑管理，也可應用于科研實驗室的試劑管理。如能進一步將這種管理模式擴展到上游的試劑生產企業、經銷商和下游的化學廢物處理企業、環境衛生管理部門，則有望真正實現試劑從生產、貯存、運輸、利用到化學廢物處置全生命周期的安全管理。

系統投入使用半年來，總體運行穩定。針對系統運行過程中出現的問題和使用人提出的意見建議，我們隨時對系統進行調整使其不斷完善，以滿足更多用戶需求。2019年12月中旬，在廈門大學舉辦的第二屆全國高校化學實驗技術交流會上，我們向與會者介紹了廈大自主開發的應用了射頻識別技術和人臉識別技術的試劑“細化”“動態”管理系統，并現場進行了操作演示，大家對該系統給予了高度評價，認為有很高的推廣價值。