智能化實驗室技術開發與應用

霍 宏，朱家文

（蘭州石化公司自動化研究院，蘭州 730000）

1 背景概述

以往實驗室的數據很多都是手工抄錄，而且缺乏相應的信息化手段，管理模式落后，資源信息也無法有效共享，數據統計上報會很困難。隨著現代化實驗室建設水平的提高，實驗室管理工作的復雜性和艱巨性大大增加，對工作的規范性和高效性也提出了更高的要求。傳統的實驗室管理模式無法滿足當前數字化、信息化發展趨勢，有必要開展對傳統實驗室的智能化改造與升級。

當前，石化企業普遍存在人力資源緊張等問題，尤其在質檢部門更是如此，化驗頻次的不斷增加，化驗精度要求的不斷提高，加之設備老化，分析軟件更新不及時等因素，造成質檢人員超負荷勞動，忙中出錯，降低質量檢驗的準確性。因此需要依托信息化技術，將實驗室信息映射在網絡上運行，從而提高化驗室自動化水平，提升工作的規范性和時效性，降低員工工作強度。

2 研究內容

本文以石化企業化驗室為研究對象，通過對原始數據自動采集技術的研究，優化數據自動上傳過程，提升數據采集效率，同時，結合現有LIMS 系統，開發新的實驗室管理功能模塊，加強實驗室管理規范，最大限度地減少人為因素的干擾，確保分析數據的真實可靠，從而促進生產質量的全面提升。

2.1 數據采集

整體的技術思路是研發一個“化驗室儀器數據自動采集接口管理系統（DIMS）”，開發一系列配置功能實現與LIMS、分析儀器工作站、實時數據庫等軟硬件的互通互聯，同時在數據交換過程中提供長久保存、計算等功能。并且，系統需要實現高性能、易于擴展、易部署、容錯率高、高可靠性等技術要求。

2.1.1 流程及功能設計

根據現場環境調研的實際情況，梳理出質量數據自動上傳的流程為：數據報告生成→數據報告抓取→數據報告解析→質量數據計算→質量數據推送→質量數據存儲→質量數據查詢，其中數據報告解析及質量數據推送為核心環節。

本研發系統采用分布式開發架構，主要分為一個前臺功能模塊和一個后臺功能模塊，前臺功能模塊包括數據管理模塊、數據接口模塊和系統管理模塊，后臺功能模塊以后臺主服務進程為核心，與三個智能適配器協同工作。

2.1.2 數據結構設計

在對需求業務了解和熟悉以后，將需求業務中現實存在的信息轉換為邏輯信息。考慮到用戶業務的現狀和未來發展，采用目前比較成熟的大型關系型數據庫Microsoft SQL Server，本著數據算法最優，避免數據冗余，同時提取數據方便的原則來設計數據結構，為日后用戶提出新需求做出考慮，一切以靈活為本。

2.2 LIMS 系統模塊開發

利用網絡技術和數據庫技術，將人員、儀器、試劑材料和數據統計等因素有機結合起來，實現網上分配任務、檢測數據自動采集、快速發布、信息共享及分析報告自動生成；同時，引入統計技術，及時發現和控制影響產品質量的關鍵因素，連接實驗室、質量管理部及生產部門的信息平臺。

2.2.1 質量管理模塊

運用統計工具將分析數據進行可視化展現（如直方圖、趨勢圖、控制圖、散布圖等），高效直觀的指導實際生產。數據錄入時，右下方會顯示一個月該項目的折線圖，直觀判斷數據異常點，設置上下限或者控制指標、觀察指標和考核指標，當測定結果超過上下限時，鎖定樣品并提示復查窗口，經分析人員復查后，結果仍超上下限時，鎖定樣品并自動推送至關鍵崗位和管理人員5G 操作平臺，確認后方可發布；增加比對功能，抓取在線儀表數據與人工分析結果進行自動比對；增加流程圖功能，顯示裝置簡易流程圖并標注采樣點位號，便于掌握裝置及罐區質與量的關聯，有助于生產趨勢分析預測和優化調整。

2.2.2 儀器設備管理模塊

對儀器購置計劃、審批、驗收、檢定、狀態、維護和報廢進行管理，增加儀器編號和設備臺賬的查詢功能。對于需到期校檢的儀器，提前30 天提醒。儀器設備完成采購后，貼上RFID 電子標簽，將設備建賬所需的信息、復雜設備的幫助信息及儀器運行狀態信息，寫入到電子標簽中，通過RFID 讀寫器，傳輸至LIMS 管理系統，完成此操作后，為后續的設備自動化管理，提供相應的必要條件，提升檢測儀器的可靠性。

2.2.3 計量器具管理模塊

建立常規計量器具，如溫度計、粘度計的參數校正表，提供數據校正表的輸入、修改和版本更新的功能，通過計量器具的編號和相應的校正公式，實現計量器具根據視值來自動計算校正值，原始記錄可電子化；該模塊還可定制開發，對計量器具的送檢、驗收、發放、回收、破損等過程進行管理，自動生成到期送檢計量器具列表，提供計量器具臺賬的查詢功能。

2.2.4 材料試劑管理模塊

危險化學品通過掃碼進行入庫登記，使用人只有進入系統平臺掃描二維碼才能完成材料試劑的申請領用和歸還，實現實驗室危險化學品使用—歸還—閉環信息化管理；物資到貨后，庫管員進行更新庫存批次，實現出入庫信息、當前庫存信息（時間、數量、規格）及質檢部總庫存信息匯總，實現各科室信息共享，統一調配；實現庫存數量上下限自動提醒，高毒、劇毒試劑的自動識別與歸類統計管理。

2.2.5 多維度統計模塊

根據LIMS 數據形成產品合格率統計等報表，自動抓取所需數據，形成交接班、日志、周報、月報和臺賬等信息，可記錄當班生產質量情況、分析情況和交班任務等信息。將生產關鍵點的海量質量數據進行有效提取后，結合生產工藝參數，采用相關高效算法，計算過程能力控制CPK 等值，并提供直方圖、趨勢圖、控制圖等可視化信息，便于分析質量因素的變化及生產波動，優化生產；增加流程圖，顯示裝置簡易流程圖并標注采樣點位號及生產裝置關鍵參數，便于掌握裝置及罐區質與量的關聯，有助于生產趨勢分析預測和優化調整。

3 系統部署

3.1 DIMS 系統配置

3.1.1 數據采集架構

為充分提高數據推送的時效性，利用數據庫配置、FTP 工具等手段，實現分析報告從多點輪循到單點抓取的方式，進一步減少對現場環境的依賴性，提升整體系統性能。

3.1.2 色譜儀器網絡化

要最大程度的降低數據文件導出的步驟環節，只能通過網絡版平臺管理軟件來實現，因為只有本廠家的軟件才可以對數據進行分析處理及導出。平臺整合可以有效地降低工作站的使用數量，并且可以有效降低運維成本，方便管理人員進行管理及維護，也可有效降低崗位人員數量，提高崗位人員工作效率。

3.1.3 客戶端配置

實驗者在做樣之前，每次需手動錄入規定的樣品信息，且不能出錯，否則會造成數據無法推送至LIMS 系統。為降低化驗人員出錯概率，減少工作量，在系統部署時開發了單獨的小程序，集成在FTP 客戶端軟件中，化驗人員通過點擊復制、粘貼即可實現樣品信息的錄入功能。

3.2 可視化配置

對樣品流轉分析的每個環節進行監控和管理，細化分工職責，實現數據的動態可視化展現。全動態分級管理共分為6 級：

（1）樣品預約：樣品預約分為計劃樣品與非計劃樣品兩類；計劃樣品由LIMS 系統根據分析計劃自動登錄；非計劃樣品是由生產裝置提報檢驗任務通知單，注明樣品信息及加樣原因，實驗室同意／拒絕接收樣品。接收成功后，樣品信息可實現自動登樣，通過連接掃碼設備，運用“一物一碼”技術，生成樣品獨一無二的“身份證”，將其貼敷在采樣瓶上進行后續工作。能夠全面跟蹤樣品在實驗室流轉的過程。

（2）樣品采集：樣品預約結束后，由樣品采集人員進行樣品的采集，并負責將樣品分配到各分析崗位。

（3）樣品接收：是指待檢樣品在分析前，由樣品操作人員使用掃碼槍掃描采樣瓶身的二維碼或條形碼，樣品進入“已接收”狀態。

（4）樣品操作：是指由樣品操作人員負責具體的樣品稱量、封裝等前處理工作，在工作站內進行樣品注冊，向儀器內注射樣品。

（5）數據處理：是指樣品操作人員與數據處理人員對接，待儀器分析結束后，由數據處理人員對樣品的譜圖等數據進行處理，負責生成數據報告并進行數據的上傳工作。

（6）樣品發布：數據上傳至LIMS 系統并審核發布。

4 未來展望

隨著物聯網技術在智能家居、智能樓宇等方面得到了廣泛的應用，物聯網技術給整個應用環境帶來了智能化的改變。因此，將物聯網技術在智能家居、智能樓宇等方面的應用與實驗室建設相結合，將實驗室信息映射在網絡上運行，使原始的資料、設備、項目、人員的管理通過網絡技術、多媒體技術、模擬仿真技術等來實現，探索智能實驗室的建設將是未來必然的發展方向。

5 結語

要建立智能化化驗室，首先完成實驗室管理的信息化，將實驗室的業務流程、環境、人員、溶液、儀器設備及標準方法等實驗室數據進行收集、分析和管理，最大限度減少人為因素的干擾。其次，實驗室環境層面的智能化，利用FRID 技術和傳感器技術實時采集實驗設備信息和實驗室環境參數，實時監控，對實驗過程和實驗環境進行安全預警。最后是基于先進的5G物聯網傳感技術和大數據分析能力，通過多端、可視化等手段，利用5G 移動客戶端，實現方寸之間盡在掌握。讓實驗室既能滿足用戶的個性化需求，又能滿足相關法律法規、行業規則、檢測標準、安全標準等要求，實現全自動無人值守及智能化管控化驗室。