生態環境監測LIMS管理系統開發的思考

林漢標

（廣東本科檢測有限公司，廣東 汕頭 515000）

生態環境監測通過收集和獲取生態環境中污染物的信息數據，全面、完整、精準反映環境質量狀況和變化趨勢，及時跟蹤污染源變化情況，準確預警各類環境突發事件等，為環境管理工作提供科學決策依據。隨著生態環境領域不斷拓寬、生態環境管理要求日益提高，社會化環境監測治污任務量快速增加，社會對生態環境監測服務性需求呈爆炸式增長，由此產生的用于支撐整個監測體系運轉的各類環境監測表格、文字、視圖等數據資料數量非常龐大。而海量的數據資料如果僅僅依靠人工管理和手工重復記錄的傳統管理模式，則存在信息組織不夠完整、信息處理不夠及時、統計不夠精準、運用效率低、歸查檔繁瑣等問題，不能適應數字化時代新要求。監測機構內部產生的數據量和能夠被測量、記錄的信息越來越多，對事物、現象等的測量頻次和記錄內容也更為頻繁和細致。信息化、自動化系統的應用使實驗過程記錄、儀器設備和實驗活動所得的海量數據得到了快速且及時的處理。比如對實驗室的各種儀器、傳感器、輔助設備、科研儀器、智能終端等實現互聯，數據采集、分析、應用達到了新的高度，將檢驗檢測領域推到了前所未有的“大數據”時代，市場倒逼著機構進行自我完善和提升。因此，開發一套高效率、高水平、多維度的生態環境監測LIMS管理系統（以下簡稱：LIMS管理系統），對提高工作效率，實現跨部門信息實時共享和管控，檢測流程和管理體系同步運行，全方位、系統性控制各質量要素交互運轉尤為重要。

1 分析生態環境監測LIMS管理系統應用中存在的問題

LIMS管理系統應用于20世紀90年代中期，2015年前后進入快速發展期［1］。過去LIMS管理系統大多應用于體制內的監測站，隨著社會化生態環境監測機構的全面放開和發展，LIMS管理系統的應用市場得到進一步拓寬，行業內部都紛紛意識到一個好的LIMS管理系統的重要意義，但設計一套高效率、多維度的LIMS管理系統，既需具備計算機編程知識，同時需要擁有豐富的生態環境監測從業經驗，且需通過長期不間斷地更新升級，才能不斷適應新體制、新標準和新要求。目前市面出現了很多系統開發廠商，有很多現成的LIMS管理系統可供選擇，但隨著對不同系統的試用和對管理系統深入了解后發現，仍存在不少問題：雖然各廠商開發的系統基本路徑和功能上都能走通，但系統開發仍存在未找準起點、定位不夠清晰、架構較為混亂等問題，導致推廣使用起來難度較大；或由于系統設計缺少對未來的預期，投入運用后很快就又落后于時代的發展，一旦有新標準、新方法出臺，內外部管控要求發生變化，系統就需要同步更新，不停升級打補丁甚至直接改版，浪費了大量的時間、財力和物力；系統整體開發思路存在問題，選錯設計單元，表面上看功能很強大，但其實都是照搬其他行業的管理系統，系統開發者對專業消化不透徹，分不清主次存在邏輯性問題；系統沒有模塊化設計，適應性差，不利于從易入難、由淺入深逐步推進系統應用，以致人員對系統的學習成本過高；平板電腦、手機、計算機等運行速度太慢，辦公室網絡不通暢，現場移動設備接收不到信號，平板電腦或手機內存和流量耗費太大，系統運行卡頓不穩定。除以上問題外，監測機構為防止系統實施失敗影響機構整體工作，經常采用線上線下“兩只腳”同步走路的方法。用一段時間又停一段時間，線上線下工作不斷切換，導致系統未能順利實施以致最終放棄的情況也不在少數。此外，經調查發現，很多監測機構付出了巨大代價開發或購買系統，現場拍攝相片、經緯度定位、標準庫查詢等諸多功能不如現成的APP好用，這些問題都影響到LIMS管理系統的推廣和應用，加之系統實施后未進行經常性維護，使用體驗感不佳，達不到LIMS管理系統的預期使用效果，無法將LIMS管理系統作為嫁接環境監測、信息技術、人工智能的平臺進一步發展。

2 選定系統設計單元

在LIMS管理系統框架構思階段，選擇正確的設計單元尤為關鍵，因為這將影響到整個系統運行的成功與否。在選擇系統設計單元時，通常我們會以委托單、環境要素、監測點位、樣品、監測指標、檢測報告等作為選擇指標。由于生態環境監測領域涉及面比較廣，涵蓋水、氣、聲、土壤、固廢、輻射、海洋、生態等環境要素，最終呈現的產品是監測報告，而監測報告中又包含監測因子、監測點位、樣品信息、監測人員與時間等內容。生態環境監測有別于其他行業，除了實驗室分析測試之外，還有很多現場采樣和測試項目，但測試最終的指向都是監測因子。通過實踐總結分析，認為必須以監測指標作為生態環境監測LIMS管理系統的基本設計單元。

2.1 從涵蓋范圍大小排序看

在實際操作中，上述各選項涵蓋范圍排序為：委托單＞監測報告＞環境要素＞點位＞樣品＞監測指標，其中委托單可能涉及范圍最廣，監測指標涉及范圍最小。委托單通常對應一份或多份監測報告，如對各種環境要素的監測中經常要求同一監測點位分時間段按不同頻次采多組樣品，樣品采集要根據監測指標及保存條件安排采樣瓶和固定劑。選擇涉及范圍最小的監測指標作為設計單元，合成樣品分析結果，組成監測點位分析結果，再合并環境要素的結果信息，在此基礎上生成監測報告，與委托單相對應。選用涉及范圍最小的監測指標為設計單元，有利于系統編排和程序編寫，以覆蓋系統后續開發的各個方面，由點及面搭建復雜的LIMS管理系統。

2.2 從業務流轉各環節看

生態環境監測業務環節復雜而繁多，但各環節的共同點都是監測指標，各環節的連接點也是監測指標，譬如合同、方案、前期準備、采樣、保存、運輸、交接及分析、留樣、數據審核、監測報告編制等環節都是圍繞各種監測指標的測試在流轉。各業務環節之間的連接一般靠任務單和交接單、原始記錄和標簽將具體工作內容落實到部門或人，交接單是現場采樣與實驗室分析之間的銜接，原始記錄能夠保證監測過程具有可追溯性，標簽是確保樣品唯一性的基本保證，表單和標簽的制作自始至終要圍繞著監測指標進行。而監測報告作為生態環境監測的最終產品，其內容所呈現的最重要的信息就是各種監測指標的測試結果。

2.3 從生態環境監測相關標準看

生態環境監測過程中常用的標準既有監測方法及監測規范，也有質量標準、排放標準和修改單與解釋，比較復雜的項目還會涉及技術指南和技術導則。每個監測指標都能找到相應的方法、規范或執行限值等標準，技術指南和技術導則更是直接規定某個監測指標必須使用哪種監測方法。LIMS管理系統資源庫最獨特的部分就是標準庫，標準庫的設計與搭建也要以監測指標為基礎單元，而以其他人員、儀器設備、物料和實驗室環境條件建立的資源庫，都是監測指標測試結果質量和資源的保障。

2.4 從質量保證與質量控制要求看

關于生態環境監測質量保證與質量控制（QC/QA）方法，上文2.2中已經闡述了方案、采樣、交接等業務環節（也是質量保證與質量控制的重點環節），其圍繞著監測指標在流轉，下面重點簡述實驗室質量控制、數據審核與監測指標的關系。實驗室內部質量控制方法采用空白樣、平行樣、加標回收樣、標準物質的方法，基本也是建立在對一項或多項監測指標的測試上。校準曲線和質量控制圖通常指向特定的監測指標，外部質量控制方法的能力驗證、室間比對同樣也是針對某一監測指標。數據審核是對各個監測指標的測試結果進行審核，對各個監測指標的測試結果進行準確性、合理性、可比性、邏輯性分析，判斷是否出現異常結果并及時處理。影響實驗室檢測質量的人、機、料、法、環、測等6方面因素，均指向同一監測指標。

以監測指標作為設計單元的LIMS管理系統，當其能夠與生態環境監測標準體系相符時，質量管理工作才能得到全面的保障。以監測指標作為設計單元的LIMS管理系統，數據流才不會出問題，即使流程或功能有所欠缺，只需要進一步完善便能確保系統正常運行，即便系統不能順利通過測試，基礎測試數據也是可以導出的，避免違反采樣、分析、保存時間等時效性要求。以監測指標作為設計單元，后續拓展性和個性化設計才有明確的起點，往上往下延伸和優化都十分清晰，極大地減少了系統開發人員與使用人員之間的溝通障礙。

3 設計具有前瞻性的LIMS管理系統

由于LIMS管理系統環節和功能太多，既要PC端又要移動端，還要處理海量的圖片信息和數據資料，不同的崗位需同時高強度運行系統，開發廠商為滿足客戶的所有要求，一味追求全面而缺乏事前評估，待功能開發出來后才發現其技術水平遠遠落后于市面專業產品，如移動端使用存在網絡、儲存的限制等問題。一套LIMS管理系統開發和實施都要花費大量時間、人力及資金，而且時刻離不開系統開發人員，文件、人員、設備稍有變動，系統就需進行升級。此外，不同區域管理部門對監測報告中所需的信息點要求不盡相同，一成不變的報告模板很難適應不同要求。而不同領域專家所關注的監測報告的細節也是不一樣的，提出系統本身很難實現的要求，需要經常性地返回線下修改報告，之后還需重新導入系統保存。從發展的眼光看待事物，系統需要長期不斷升級更新，而開發單位往往因對此項工作的長期性預估不足，預算自然也就不足以支撐系統的開發。實施初期配合升級更新比較積極，但長久反復修改甚至推翻原有設計框架，使設計人員不堪重負。因此，系統本身應具備強大的整合能力，除了完善基本功能之外，還需同時兼顧其拓展性和適應性、智能化和個性化水平等。

3.1 儀器設備的自動采集

生態環境監測用到的儀器設備種類較多，數量龐大，目前實驗室數據采集技術相對比較成熟，但隨著人工智能的發展，很多崗位逐步由機器代替人工操作，以減少工作量和有毒有害物質的接觸時間。輔助設備和機械臂的數據采集技術又對系統提出了新的課題。現場采樣儀器逐步向輕量化、智能化、便捷化的方向發展，現場監測儀器越來越先進，很多監測指標可現場直接讀出結果而不需要實驗室分析環節，自動監測技術代替了更多的人工采樣環節，如無人機、無人船、無人車遠程采樣、衛星遙感監測技術等，最大限度地減少高溫、高空、海上、水上作業次數，同時也進一步提高了生態環境監測作業的安全性，使立體空間采樣變得更為簡單。而這些新的現場采樣技術的應用，最終將相關測試數據采集到系統中。所以LIMS管理系統在儀器設備數據采集方面應具有拓展性，以應對不同儀器設備接口、數據格式、制式數據采集能力等。當然，個別儀器設備確實無法實現采集則需要通過針對性開發小工具或者借助數據抓取技術等來實現。

3.2 軟件APP數據的整合

在網絡技術高速發展的時代，專業細分和生態化趨勢越來越明顯，相反LIMS管理系統的發展還處于初級階段。當前，生態環境監測機構常用的“微信”、“今日水印”、“釘釘”、“奧維地圖”、“百度地圖”、“北斗衛星地圖”等軟件都各有優勢，上手快且使用簡便，采用云存儲云計算技術，背后支撐平臺強大，很多是免費或低費工具。又如財務部門使用金蝶、用友等專業財稅軟件，本身也有強大的物流與倉庫管理模塊，供應商和物料出入庫管理功能非常完善。公安和環保上級部門也開發了專門的管理軟件，用于全過程管控預制毒、危險化學品、危險廢物。因此，LIMS管理系統應該博采眾長，把各種成熟可靠的功能整合在生態環境監測當中，系統設計初期需預留好端口和格式，快速采集或批量導入相關軟件APP數據。在物資庫開發設計中要整合其他相關軟件的功能，避免同一事項重復操作。

3.3 適應不同管理體制

生態環境監測單位規模大小不一，既有系統內的監測站，也有國有、民營企業性質的社會監測機構，組織架構設置和人員配置有很大區別，管理體制和運行模式也各有差別，各單位對LIMS管理系統有不同要求。但不管是哪種性質的生態環境監測單位，體制改革和管理模式都在不停演變，不同時期要懂得使用不同的管理模式，“金字塔型”垂直層級管理與“阿米巴”扁平化管理制度交融切換，西方“KPI”績效管理和中國式“以人為本”人性管理取長補短，不同的管理體制，在日常管理運營中對數據的獲取和人員權限設置都不一樣。LIMS管理系統設計初期應盡量把各種功能板塊模塊化，預留足夠的功能板塊數據交換聯系接口，根據各生態環境監測單位的實際情況，靈活選擇所需功能板塊組合個性化系統。

3.4 人機交互技術應用

人工智能技術高速發展的今天，很多新技術陸續涌現，比如設備使用記錄采用指紋和人臉識別技術，樣品流轉和溯源標簽采用二維碼技術，實驗室環境和機械臂的自動適應和自動調節，監測探頭的自校正自適用技術等等。未來還會有更多的人工智能技術應用融入進來，比如：操作界面簡潔美觀，操作人員可以根據自己的使用習慣，調節自己喜歡的文本框樣式，同時操作多個界面，語音指示系統執行某些操作。測試過程中可以根據需要臨時調用線性邏輯關系、環境因素、執行限值、任務分配等提醒和預警，系統數據和圖像信息輸入方式可以是自動采集、手工錄入、模板導入、語音輸入等，靈活切換并無縫對接，數據輸出有豐富的查詢篩選、匯總統計、邏輯分析樣式；可靈活勾選記錄、報告等信息，留有更多插入和備注功能，各環節存取和糾錯操作方便等等。通過應用更加先進的人工智能技術，個性化設置功能更為齊全，進一步減少了人員枯燥乏味的重復勞作，提升系統人機交互體驗。

4 結語

無論是體制內還是社會化生態環境監測單位，“互聯網+”時代下，一套高效率、高水平、多維度的生態環境監測LIMS管理系統對機構自身及行業發展至關重要。通過將信息通信技術、互聯網平臺與實驗室信息管理系統進行深度融合，促進新的生態發展。在大家的共同推動下，希望LIMS管理系統會繼續前行，不斷整合自動化和智能化技術，朝著無人或準無人生態環境監測方向發展，更好地為生態環境保護和環境污染治理提供強有力支撐。