環境檢測實驗室樣品智能化管理系統的設計、應用及改善

嚴玲琳,邱 潔,高 晨,李冠華

(江蘇康達檢測技術股份有限公司,蘇州 215000)

自“十三五”規劃提出以來,國家對生態環境保護工作給予了高度重視,這給環境檢測工作帶來了巨大的機遇和挑戰[1]。實驗室樣品管理是環境檢測工作的重要組成環節,也是實驗室管理、實驗室認可、計量認證的重要內容,更是檢測結果公正性、科學性和準確性的重要保障[2]。傳統實驗室在進行接樣、暫存、流轉、留樣等樣品管理全流程工作中需要大量的人工,難以滿足快速、高效工作及結果量值溯源要求,也達不到現代智能化實驗室的管理水平。面對日益繁重的檢測任務以及越來越高的檢測要求,傳統實驗室的樣品管理模式顯得力不從心。為提高工作效率,實現樣品智能化管理已成為環境檢測實驗室建設的迫切需要[3-4]。然而樣品管理智能化建設在理論和實踐中還存在諸多空白[5],在此背景下,我司在環境檢測樣品智能化管理系統設計中,采用樣品智能化管理與智慧物流結合的模式,充分考慮樣品在流轉中的各個需求場景,并結合自動化和信息化技術,開發了智能化的倉儲機器人(AGV)調度樣品,在一定程度上減少了人工成本、降低了勞動強度和工作危險性、提高了工作效率[6],且自動化和信息化程度較高,實用性和創新性較好,可有效地滿足樣品管理過程中量值溯源等方面要求[7]。本工作分析了環境檢測實驗室樣品管理現狀,介紹了樣品智能化管理系統,總結了樣品智能化管理系統在應用時存在的問題,并給出了相應的解決措施,最后對樣品的智能化管理進行了展望,以期為環境檢測實驗室對樣品的智能化管理提供參考。

1 環境檢測實驗室樣品管理現狀

樣品管理工作是戶外采樣工作和實驗室分析工作的保證。隨著實驗室質量管理體系的不斷完善[8],樣品管理工作的重要性也愈加突出。然而,大部分檢測機構主要關注現場采樣和樣品檢測工作,對樣品管理重要性的認識還不到位,且普遍存在管理不善、條件配置不足、培訓不到位等現象,從而出現樣品編號錯誤、樣品錯裝或檢測項目錯填[9]、樣品存儲不當和樣品清理不及時等問題。

1.1 樣品編號錯誤

實驗室在接到來樣時,需要給每個樣品進行編號,以便于樣品管理員查找取樣及管理員和分析員追溯樣品信息。但在日常分析工作中,由于樣品量較大或人工編號失誤等原因,編號錯誤現象(如編號重復、日期錯誤、編號與檢測項目不對應等)時常出現。

1.2 樣品錯裝或檢測項目錯填

在日常分析工作中,當樣品裝錯容器(如塑料瓶裝成了玻璃瓶)或遺漏、增加檢測單中檢測項目都會對檢測結果的精確度和檢測的時效性產生影響。如采集含氟化物的水樣時,因為玻璃瓶的主要成分為二氧化硅,氟化物對玻璃有腐蝕性,所以只能用塑料瓶裝,如果用玻璃瓶裝,必然會影響氟化物的測定結果;微生物檢測項目的檢測時間一般需要兩天,一旦填寫檢測項目時發生遺漏,不僅檢測時效大打折扣,而且檢測成本也會增加。

1.3 樣品存儲不當

樣品的類別或需要的檢測項目不同,它們儲存的方式也不盡相同。然而在日常分析工作中,由于對樣品管理的認識不到位,經常會發生因樣品貯存條件不完善而導致測定不準確,如:將應冷藏或冷凍儲存的樣品保存在常溫條件下,這會導致樣品含量或性質發生變化;易揮發、性質不穩定的樣品不按要求的儲存條件保存,從而導致樣品分解、變質等。

1.4 樣品清理不及時

樣品管理工作中還會發生樣品清理不及時的現象,比如需要檢測很多項目的樣品,由于檢測工作耗時較長而導致冷庫堆積現象嚴重,這些樣品無法及時清理,新到樣品也無法在應有的儲存條件下保存,可能影響其檢測結果的準確度。

2 樣品智能化管理系統

加強檢測實驗室智能化、自動化管理是很有必要的[10]。國家質檢總局?“十一五”科技發展規劃?提出,開發智能化儀器設備和軟件產品是大勢所趨,各級技術機構和檢驗檢疫實驗室應發揮自身業務特點推廣普及科研、檢測及數據分析處理工作的信息化。因此,本司設計、開發并投入使用了樣品智能化管理系統,設計工作包括:先根據實驗室樣品管理流程和現有實驗室規模、區域的空間結構布局[11],樣品的類別、保存條件等因素,對樣品屬性進行了統計分類,并依據分類結果建立8個樣品自動存儲倉庫;然后對各個實驗室的分布位置進行分析,利用樣品智能化管理系統發布指令,使用AGV 完成樣品的倉儲和運輸,從而實現樣品倉庫和實驗室之間的連通。

2.1 樣品自動存儲倉庫

樣品儲存是樣品管理的重要內容[12]。本司建立的8個樣品自動存儲倉庫包括污水庫、凈水庫、吸收液庫、土壤庫、固廢庫、吸收液準備庫等6個冷庫和固廢庫、土壤庫等2 個常溫庫,占地面積為350 m2,每個樣品庫中都配備了1臺倉庫AGV 流轉硬件設施和不同顏色、形狀和材質的樣品容器[13](包括16 800 個水樣瓶、18 750 個土樣瓶和20 500個固廢瓶)。樣品清點人員需要根據樣品的屬性,將不同類型的樣品放入對應顏色的周轉箱:白色周轉箱承裝潔凈樣品、藍色周轉箱承裝廢水樣品、黃色周轉箱承裝固廢樣品、灰色周轉箱承裝土壤樣品。由AGV 根據樣品調度系統指令自動完成樣品的入庫、出庫和庫間轉移等操作[14]。

2.2 實驗室AGV流轉系統

實驗室AGV 流轉系統包括倉庫AGV 流轉系統和貨運AGV 流轉系統。我司初步設置4臺倉庫AGV、10臺貨運AGV 和1個專用的AGV 充電室,并依據各個實驗室的空間布局,鋪設了AGV 磁條軌跡,在每個接收樣品實驗室門口建立了物料接駁平臺,實驗室AGV 流轉系統可通過樣品管理系統的指令自動完成樣品周轉箱的調度任務。

2.2.1 倉庫AGV 流轉系統

倉庫AGV 流轉系統的硬件設施包括倉庫AGV、倉庫物料接駁平臺、倉庫AGV 充電樁、倉庫AGV 磁條鋪設軌跡。倉庫AGV 使用全向背負升高叉車式機器人,可通過樣品管理系統指令自動完成樣品的入庫、出庫和庫間轉移等操作。

2.2.2 貨運AGV 流轉系統

貨運AGV 流轉系統硬件設施包括貨運AGV、實驗室物料接駁平臺、實驗室AGV 充電樁、貨運AGV 磁條鋪設軌跡。貨運AGV 使用背負皮帶式運輸機器人,可通過樣品管理系統指令自動完成樣品、試劑、器皿、耗材等物料在樣品自動存儲倉庫、試劑庫、儀器室、耗品庫、前處理室、天平室、清洗室等實驗室功能區之間的運送流轉工作。

2.2.3 樣品流轉流程

1)入庫 樣品清點人員通過掃描槍錄入周轉箱的箱號至倉庫管理系統內,再將樣品的信息掃描錄至倉庫管理系統中,并與周轉箱號對應(周轉箱數量根據樣品數量設置錄入上限),貨運AGV 運輸樣品周轉箱至指定倉庫的樣品交接口,將樣品周轉箱卸到物料接駁平臺上,倉庫AGV 自動接收樣品周轉箱并根據樣品預設入庫規則選擇庫位入庫,系統中自動記錄該批樣品庫位信息。

2)調度 分析人員通過樣品管理系統指定調度樣品,由貨運AGV 將放有該樣品的周轉箱從倉庫沿著磁條鋪設軌跡送至目的地的物料接駁平臺。

實驗室AGV 流轉系統具有以下優點:①通過導入AGV 小車,工廠可以減少搬運人力,不僅可以降低人工成本,還可以提高工作效率;②大大降低了人工搬運的錯誤率,保障了檢測工作的正常進行;③可以靈活地進行不同區域的物流搬運,可避免人員在不適應或有害環境下工作,提高生產的柔性;④可以防止搬運安全事故的發生,解決了搬運安全性問題;⑤全數字化管理可以有效規避人為因素,提高管理水平。

2.3 樣品管理系統

樣品管理系統包含樣品信息識別、樣品類別判斷、倉庫自動選擇、保存條件設置和提醒、保存周期查看和提醒、樣品檢測進度查看和提醒、檢測任務處理、樣品處置提醒和記錄等內容,可以在一定程度上保證樣品從入庫到出庫過程中信息的完整性,且每個環節在對應的功能化操作中都有記錄,便于實時查找樣品詳細信息。我司樣品管理系統主要分為兩大模塊:基本資料、功能操作(圖1)。無論是科室、倉庫、庫位、庫存、集裝箱、實驗室等管理,還是樣品的出入庫、借用、歸還、移庫、流轉都能做到有跡可循。

2.3.1 基本資料

在用戶管理選項中,擁有管理員權限的賬號可創建、注銷賬號,設置用戶基本信息,依據用戶所屬科室對賬號進行分類并設置操作權限。除此之外,管理員還可進行以下操作:在科室管理、倉庫管理和庫位管理選項中,為每一個科室、倉庫、庫位設置能被AGV 識別的特有編號;在箱管理選項中,記錄樣品周轉箱中樣品的條碼信息;在庫存管理選項中,實時查詢各個倉庫的庫位總數、已用庫位數、空庫位數等信息,而且還可查看系統根據設定的樣品保存期限自動顯示樣品超期的提示。

2.3.2 功能操作

在樣品入庫選項中,樣品清點人員需要使用個人賬號進行樣品入庫操作,進入頁面后,需要錄入樣品編號,選擇儲庫樣品存、錄入周轉箱條碼以及設置樣品檢測期限和保存期限,系統會根據要求自動分配空余庫位,降低了人工清點、搬運、整理過程中的出錯概率,同時減少了勞動力的數量,提高了樣品流轉的效率。

在樣品借用和樣品歸還選項中,實驗人員應使用個人賬號借用、歸還樣品,進入頁面后,需要輸入完整的樣品條碼、選擇樣品接收點和運輸方式,系統會根據要求生成任務,并會隨時更新該任務的進度信息,如該任務的創建時間、創建人員、是否需要排隊、當前使用人員等,使樣品狀態有跡可循(圖2)。實驗人員則可設置定時或提前發送調度命令,且能遠程操控,實現了無人值守時也能流轉樣品,而主管級操作人員具有加急權限,可優先處理任一樣品的流轉,以便及時進行工作調整。

圖2 樣品借用窗口信息Fig.2 Window information of the sample borrowing

在樣品移庫選項中,樣品清點人員只需輸入樣品原庫位信息、樣品周轉箱編號,就能在系統中快速搜尋到該樣品或周轉箱,并選擇新目標倉位后,系統會根據要求自動分配新庫位,樣品清點人員能隨時調度倉庫中的樣品或周轉箱,并用AGV 將該樣品的周轉箱送至目的地。

在看到樣品超期的提示后,樣品清點人員需要點擊樣品出庫選項,將超期樣品清理出庫,樣品隨后會保存到暫存區。

完善、高效的樣品智能化管理系統可以實時記錄、跟蹤和控制樣品全流程的信息,實現了責任到人,樣品全流程的自動化管理[15]。

3 樣品智能化管理系統應用時存在的問題及解決措施

樣品智能化管理系統是根據我司實驗室的平面布局,量身定制的一套信息化、自動化、智能化的管理系統,該系統已正式投入運行,實現了樣品在樣品室和各個實驗室間的流轉,提升了樣品流轉效率、實現了樣品信息透明化追溯和無紙化管理,降低了流轉差錯率,實用性很強。我司已設置2 000個庫位,可存放100 000個樣品,隨著工作任務的增加,在樣品智能化管理系統設計初期未考慮或考慮不全面的一些因素逐漸在實際應用過程中顯現出來,主要問題包括樣品流轉效率低、樣品流轉方式不靈活、樣品流轉路徑單一等。

1)樣品流轉效率低 每個倉庫中只配置了一臺倉庫AGV,當樣品量增加時,樣品入庫、出庫時貨運AGV 等候時間變長;在樣品流轉中,貨運AGV調度效率低,會出現樣品滯留的情況。

2)樣品流轉方式不靈活 在對樣品進行入庫、出庫和調度時,系統默認的運輸方式為AGV 運輸,如遇到停電、機器故障、運輸特殊樣品等特殊狀況時,樣品流轉將無法正常進行,如果直接采用人工運輸,不僅會耗費大量勞動力,還會導致樣品流轉混亂,難以實現樣品信息的實時追蹤和控制。

3)樣品流轉路徑單一 已被借用的樣品需先回到倉庫,才能被再次借出,不能實現實驗室和實驗室間的快速流轉。

針對以上情況,我司聯合軟件公司綜合分析了解決這些問題的必要性和需求設計的可行性,提出了一些措施,以進一步完善樣品智能化管理系統。

1)為每個倉庫中增加1臺倉庫AGV,在樣品流轉中增加2臺貨運AGV,以提高流轉效率。

2)在樣品智能化管理系統中涉及樣品操作的頁面中,增加人工運輸的選項,使人工運輸樣品的流轉記錄也能在系統里顯示,從而使該樣品有跡可循。

3)在樣品智能化管理系統的功能操作中,增加物品流轉選項,在其中增加樣品編號、周轉箱編號、樣品起點科室、終點科室等信息,以實現樣品和周轉箱能在實驗室不同科室間流轉。

4 展望

我司還將不斷完善樣品智能化管理系統,完成水樣、土壤、固廢、吸收液等8個倉庫的智能化管理,以及實驗室與實驗室間的樣品運轉,使智能化系統逐漸適應實際樣品管理的需求,并將該系統與我司實驗室智慧運營平臺相連接,以收集系統運行數據,總結系統開發經驗,做到無人化管理。建設“保存＋流轉”相融合的一體化管控平臺,全面規范樣品的管理過程、有效降低人力物力,提高樣品流轉效率、降低出錯概率,使環境監測工作更加規范合理,以符合未來實驗室標準化、實時化、透明化管理的趨勢。