供水水質監測智慧實驗室建設研究與設計

孫揚，韓宛汝

（1.青島水務集團有限公司，山東青島 266071；2.青島市海潤自來水集團有限公司水質監測站，山東青島 266034；3.青島市水質保障與水資源開發利用重點實驗室，山東青島 266034）

信息化時代已經全面到來，“一切業務數據化，一切數據業務化”“讓數據用起來”[1]，社會各行各業，包括供水、能源、交通運輸等傳統民生行業，均面臨著數字化轉型、智慧化升級的機遇與挑戰。其中供水安全直接關系到城鄉居民健康和社會穩定，水質監測實驗室是供水業務鏈的重要一環，如何運用新一代信息技術，協同構建智慧型供水水質監測實驗室，實現實驗室的運營管理及檢測業務信息化、智能化，達到規范實驗室管理，是未來水質監測實驗室發展的重要課題。

1 智慧實驗室建設現狀及面臨的問題

目前智慧實驗室建設概念已在高校、科研機構等教育科研領域實驗室被廣泛提出并部分應用建設[2-4]。在企業智慧實驗室建設中，馬利軍等[5]對基于乳業全產業鏈的智能實驗室進行了設計，以實驗室信息化高度集成“LIMS 實驗室系統”為基礎，構建智慧運營平臺，打造乳業智慧實驗室標桿。由于傳統民生行業屬性，特別是水務企業的監測實驗室按照業務種類不同，大部分采用傳統方式管理或部分信息化管理，包括簡單的數據處理或依托LIMS 系統實現集檢測流程管理、質控管理、設備管理等部分信息化管理，對于實驗室數字化智慧化的全方位應用管理較少。林云生等[6]以深圳市深水光明水務有限公司中心化驗室為例，針對其化驗室的工作情況和管理需求，設計開發了多功能LIMS 系統，可與其公司BI 系統和綜合調度系統對接協同應用，實現化驗室的整體信息化管理。

供水水質安全直接關系到人們日常生活和經濟社會平穩發展。隨著新的《生活飲用水衛生標準》全面實施要求及新一代現代化技術的普遍應用，供水系統監測實驗室肩負著越來越重要的水質保障職責，因此在監測實驗室智慧化建設方面應起到導向作用，不斷提高水質檢測工作效率、數據的可靠性及實驗室運行管理效率，打造水質監測行業智慧實驗室標桿，以應對中國發展形勢的新變化，實現人民群眾對美好生活的新期待。

2 水質監測智慧實驗室建設思路

水質監測智慧實驗室是利用新一代信息技術與水質監測業務深度融合，實現監測運營各環節控制智能化、數據資源化、管理精細化、決策智慧化的新型實驗室，基于物聯網、互聯網、大數據、計算機技術搭建智慧實驗室管理平臺，將信息科技融入檢驗檢測全流程管理，實現人在線、物在線、運營全在線。

實驗室的總體設計整體架構應從水質監測業務的實際應用情況出發，充分考慮實用性、安全性和可靠性等方面因素，設計實驗室智能化管理系統具體架構，按照“121”即1 張基礎網絡、2 個信息管理系統（1 個檢測信息化系統、1 個運營信息化系統）、1 個運營管理系統的建設思路，打造成為行業智慧廠站標桿。供水水質監測實驗室設計思路如圖1 所示。

圖1 供水水質監測實驗室設計思路

3 水質監測智慧實驗室架構設計

3.1 基礎網絡建設

基礎網絡建設包括三部分，即完善感知層設備、實驗室基礎網絡層改造和視頻安防網絡建設。

3.1.1 完善感知層設備

根據實驗室生產控制的需求，基于實驗室人員、設備安全原則，完善實驗室感知層事物（包括環境、設備、樣品等）狀態的能力。例如，在重要點位布設實驗室環境信息溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，同時形成感知層布設規范和維護規程，為監測控制調度提供數據支撐。

3.1.2 實驗室基礎網絡層改造

基礎網絡層應基于數據安全原則，按照檢測網、辦公網、視頻網嚴格分開（三網分離）的目標建設，進行IP 地址改造，實現檢測網檢測數據隔離，所有實驗室外網出口統一歸至本單位自建的數據中心機房，全面提升網絡安全保障水平。

同時建設檢測網備用網絡，采用高可靠的網絡拓撲結構傳輸檢測數據，可利用當前的4G/5G 網絡實現雙鏈路備份，并采用SD-WAN 技術實現有線無線自動切換。

3.1.3 視頻安防網絡建設

根據實驗室視頻監控安防需求，完善視頻安防設備（包括實驗室藥劑、易燃易爆氣瓶、外來人員、消防設備等），在藥劑、材料庫房、放射性檢測室、氣瓶室、消防設備、實驗室外圍邊界等位置安裝防爆監控設備，監控探頭可選用POE 供電，減少布線需求，為實驗室運營管理系統提供安防視頻支持。

3.2 實驗室信息管理系統（LIMS）建設

3.2.1 系統技術架構

實驗室信息管理系統（LIMS）是以數據庫為核心的信息化技術與實驗室管理需求相結合的信息化管理工具[7]，應在保障數據安全的前提下，采用主流的B/S系統架構，便于系統維護升級，同時為加強對信息安全的控制，采用專網建設，將該系統本地化部署，設立隔離網閘，防止通過辦公網等外網侵入LIMS 系統盜取、竄改實驗數據，保證數據安全。

3.2.2 LIMS 系統主要功能模塊

3.2.2.1 檢測業務流程管理

下達采樣任務：下達采樣任務的負責人提前在系統中下達采樣任務，采樣人登錄系統后會在第一界面看到自己的采樣任務，做好準備工作。系統采用條形碼技術，實現采樣瓶跟化驗項目的自動關聯，自動判斷各個檢測采樣點所需的采樣瓶種類、數量及現場檢測項目。

樣品檢測：樣品在驗收和領用后，系統自動將檢測任務分配到相應的科室和人員身上。檢測人員可通過自己的檢測任務列表了解相應檢測任務，點擊化驗單可看到對應項目的原始記錄表。

三級審核：為保障檢測數據真實可靠，系統設置三級審核，即檢測人、校核人、復核人。當審核人員發現化驗單有問題時，將標明退回原因并退回化驗單。數據溯源跟蹤功能，可以確保系統中重要數據不會被無故修改，確保了整個檢測過程中數據的可靠性。

3.2.2.2 質控管理模塊

該模塊設計應包括現場質控、室內質控及質控統計3 個部分。在下達檢測任務時，可以勾選現場平行和全程序空白的現場質控。通過設置數據合理性分析模塊，對質控的數據進行統計，對不合格的數據進行變色提醒。同時對數據進行集中統計，方便質控管理者對整個實驗室的質量控制管理。

3.2.2.3 儀器對接管理模塊

儀器與LIMS 系統的連接可實現對水質監測實驗室中大型檢測儀器的數據自動采集功能。通過儀器接口程序將儀器文件數據直接載入到原始記錄表中，并對數據進行自動修約、位數保留及檢出限判斷處理，在接口程序上根據不同儀器對數據進行針對性處理，確保其載入的準確性和可靠性。

3.2.2.4 數據管理功能模塊

該模塊設置數據統計、查詢、分析、評價等功能。其中最常用的是數據統計功能，根據實驗室的實際情況設計水質公報及常規月報，通過初始設置后可以實現檢測數據的直接統計，并且標注超標項目。數據查詢功能可以實現根據樣品編號、檢測日期、化驗單號、樣品名稱、檢測項目等信息查詢。重要點位數據分析功能是結合歷史數據，通過直觀的變化趨勢圖譜來展現項目檢測數據波動情況。

3.2.2.5 系統管理模塊

系統管理模塊包含檢測方法管理、檢測標準限值管理、檢測人員權限管理、采樣容器管理等基礎功能。其中檢測方法管理是將所有檢測項目的方法及基本信息初始化到系統中，并將檢測方法直接關聯到原始記錄表，檢測人員可根據實際檢測需要選擇相應檢測方法及設備等。

3.3 智慧實驗室運營管理系統建設

通過建設水質監測智慧實驗室運營管理系統可為未來實驗室的管理和運行提供統一的運營和管理信息化系統界面。系統可采用主流的B/S 系統架構，搭建在本級單位或上級單位基于超融合基礎架構（HCI）建設的私有云上，將LIMS 檢測網與辦公網有效分離，通過隔離網閘實現LIMS 檢測網到辦公網的數據擺渡。該系統設置水質檢測數據分析、儀器設備管理、庫房管理、車輛管理、視頻監控安防等5 種應用模塊及移動APP，為從采樣、檢測、數據應用的實驗室全周期提供協同閉環管理。

3.3.1 數據分析應用模塊

檢測試驗過程中會產生大量數據，這些數據的采集、存儲和使用是數字化應用的重要一步。基于LIMS主題數據庫，在實驗室運營管理系統中建設數據分析應用模塊，利用大數據分析技術，結合歷史數據，分析原水、水廠、管網各點位的水質異常、管網波動等情況，形成水質分析報告，為解決實際業務問題提供數據支撐，并通過搭載專家庫、水質風險對策方案庫等，為水質問題處理決策提供智能推薦功能。

3.3.2 儀器設備管理模塊

儀器設備是水質檢測實驗室的核心基礎。通過建立設備儀器管理模塊，實現對儀器設備的文檔資料、使用情況、維護情況等檔案的綜合管理，同時實現快速查詢、統計、分析資產信息，為資產報廢、年度預算、設備檢定期限確定等工作提供可靠的數據支撐。

3.3.3 智慧庫房管理模塊

庫務和設備是化驗室生產檢測的重要輔助業務模塊。通過構建智慧庫房管理模塊，對實驗室的標準物質、藥品試劑、玻璃器皿、耗材等均采用線上管理，實現到貨入庫管理、領用管理、庫存管理、庫存盤點、貨位管理、庫存報表的物品全生命周期管理管控，特別針對庫存缺口、藥劑保質期等設置自動提醒功能。設置危險化學品門禁管理模塊及劇毒物等保險柜設置，聯網管理，庫房管理人員、使用人員通過指紋、人臉識別后，方能領用危險藥品，并可在該模塊記錄、查詢人員進出情況及危化品領用品種及數量等情況，做到危險品領用追蹤。

3.3.4 車輛管理模塊

車輛采樣是水質監測過程中的基礎環節與保障，通過建設該系統可幫助管理人員和采樣人員實現實驗室采樣及公務車輛預約調度、車輛定期維護提醒、油耗管理等功能，將車輛管理從粗放式的單據填報、事后管理變為實時科學調度管理，提升了實驗室采樣及辦公效率。

3.3.5 集中監控安全管理模塊

該模塊可對智慧實驗室的所有重點設備儀器、檢測過程中的各個環節節點、氣瓶室及藥品標物庫房等重要事項進行集中監視，可遠程實時瀏覽、遠程存儲、遠程回放等，真實反映運行情況，讓各級管理人員能夠及時、直觀地了解和掌握實驗室的運行狀況。

3.3.6 移動管控APP

可根據需要開發智慧實驗室運營管控平臺的手機APP 應用，實現運營管控平臺的大部分功能。同時，該APP 需充分考慮數據傳輸加密和安全性問題，實現“口袋中的實驗室”功能，實現對實驗室的全方位監測。

4 水質保障專家決策系統建設

數據資產的應用能夠發揮智慧水務建設的重要價值，通過檢測數據資產的提取、處理、應用，實現實驗室數據的智慧化落地，可有效指導供水監測智能化管控與水質應急處置。

通過建設搭載“水質保障專家決策系統”，設計建設知識方案庫、運營經驗庫、專家問答庫，結合水質監測實驗室運營管理經驗，建立具備決策支持、資源調度、移動指揮功能的專家決策系統。

5 水質監測智慧實驗室建設建議

因建設運營復雜程度高，需建立統一標準。智慧實驗室建設是復雜的系統性問題，需要應用系統思維，全面梳理實驗室監測運營面臨的難點、痛點。行業內應研究智慧實驗室的統一定義和建設運營標準，形成智慧實驗室建設系統全面的解決方案，需要水務企業以我為主、深度參與，集聚優勢資源，結合實際開展試點建設。

技術創新與管理變革協同發力，更新完善運營理念和知識結構。在技術方面，需要對實驗室進行基礎網絡優化、LIMS 建設升級，為建設維護運營管理系統，實現智能應用場景提供技術支撐。管理方面，需要優化重構實驗室管理體制和考核機制，更新完善運營管理人員的理念和知識結構，加強實驗室管理人員智慧化數字化業務培訓，提供管理支撐。

突出以人為本理念，加強實驗室技術人員參與設計力度。實驗室人員是智慧實驗室建設項目的使用主體，應突出以人為本的理念，在設計階段讓技術人員積極參與設計院等專業機構的設計工作，形成設計院、施工方和使用者之間有效的溝通，充分結合實驗室工藝流程設計和系統工程設計，在設計階段就充分考慮智慧實驗室功能需求，實現實驗室工程與智慧化協同建設。