陳峰，周浩然，王文靜，錢寶

摘要：為滿足水文信息化建設的需要，長江水利委員會水文局引進了實驗室信息管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System，LIMS）。介紹了LIMS的基本情況，并總結出LIMS具有規(guī)范性、高效性、安全性3個特性。該系統(tǒng)可以提高水環(huán)境監(jiān)測實驗室的運行效率，降低由人工導致的信息錄入錯誤，實現(xiàn)失誤溯源和痕跡獲取，從而提高實驗室質量控制水平，同時能夠改變目前存在的“信息孤島”局面，有效匯總各方數(shù)據(jù)，高效發(fā)揮信息資源作用。此外，并入式部署的方式以及“集中授權，分級管理”的工作模式能夠有效保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息安全。LIMS具有在全流域水環(huán)境監(jiān)測實驗室推廣的價值，對構建智慧水文系統(tǒng)、水文數(shù)字化轉型具有積極的推動作用。

關鍵詞：水質監(jiān)測； 水環(huán)境監(jiān)測； 實驗室信息管理系統(tǒng)； 水文信息化； 智慧水文

中圖法分類號：X832? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.020

文章編號：1006-0081（2024）03-0124-06

0引言

實驗室信息管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System，LIMS）是將科學的實驗室管理思想與先進的信息化技術有機結合而形成的集成式管理系統(tǒng)，是提高實驗室質量控制水平與資源管理能力的重要方式，目前在國內外得到了廣泛應用。長江水利委員會水文局于2017年開始定制化研發(fā)并試運行LIMS，系統(tǒng)運行獲得階段性成功，并將在全流域水環(huán)境監(jiān)測實驗室推廣。通過LIMS系統(tǒng)能夠有效保證水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、可溯源性，提高對數(shù)據(jù)的整合能力和自動分析能力，為加快水文信息化建設提供有力支撐。

1應用背景

實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）是為了使實驗室快速、高效開展研究工作而設計的信息管理平臺，通過整合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等信息化技術，分析檢驗技術以及實驗室管理思想，建立以實驗室為中心的分布式管理體系。20世紀60年代末，國外關于LIMS的構想和理論開始出現(xiàn)。20世紀80年代早期，由國外制藥行業(yè)聯(lián)合軟件公司開發(fā)最初的LIMS，作為質量保證/質量控制（QA/QC）的工具，此時的LIMS屬于特別定制產(chǎn)品，由開發(fā)商集成在分析儀器上，以本機所攜專有數(shù)據(jù)庫為基礎運行。1982年，第一代商用LIMS問世，其系統(tǒng)集成在單臺集中式微型計算機上，可以自動進行數(shù)據(jù)質量檢測，并提供相應報告。隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，LIMS構建出分散客戶機-服務器的體系結構，個人用戶可以使用易于操作的PC端訪問系統(tǒng)，LIMS數(shù)據(jù)庫部署在中央服務器中，以保證其穩(wěn)定性和安全性，并通過優(yōu)化資源共享保證客戶機和服務器數(shù)據(jù)加載。基于萬維網(wǎng)（World Wide Web）的LIMS于1996年推出，這種全球廣域網(wǎng)的引入使LIMS具備電子簽名功能，有效保證了數(shù)據(jù)的可靠性；同時集成的衛(wèi)星定位技術使采樣人員可以準確定位采樣位置。在近20 a中，LIMS有效整合新興信息化技術，如PHP（超文本處理語言）、SQL（結構化查詢語言）、XML（可擴展標記語言）、虛擬實驗室等，并提供更加友好的用戶界面，致力于為實驗室提供有效管理，并提供人性化、安全化的綜合數(shù)據(jù)管理解決方案。目前，新一代LIMS從樣品檢測和結果管理轉向為實驗室提供一個先進的信息學管理架構，用于對實驗室產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行有效的信息化管理，并優(yōu)化組織人員工作架構以提高數(shù)據(jù)產(chǎn)出效率。

20世紀70年代末期，中國開始出現(xiàn)有關LIMS的構想和實踐，但受限于國內計算機軟硬件水平，LIMS僅可以在單機上完成簡單的數(shù)據(jù)處理任務。20世紀80年代后期，中國石化、制藥等領域引入國外的LIMS，但其本土化工作不夠，對中文處理能力低下，導致LIMS使用效率較低；且LIMS購入價格高昂，國內配套設施稀缺，導致LIMS難以在全國推廣。隨著全球信息技術的快速發(fā)展以及國內對信息化的重視，國內諸多科研院所在開發(fā)、改進國產(chǎn)LIMS方面做出了重大貢獻，例如石油化工科學研究院在2000年開發(fā)出商業(yè)版LIMS網(wǎng)絡系統(tǒng)（RIP-LIMS），并在實際工作中投入使用［1］；國家地質測試中心研發(fā)的Org-LIMS具有完全自主知識產(chǎn)權，能夠實現(xiàn)對有機分析實驗室的全過程信息化管理［2］；華東理工大學結合上海化工研究院監(jiān)測中心的實際需求，設計了基于Browser/Server （B/S）架構的LIMS，很好地滿足了對方在化工數(shù)據(jù)監(jiān)測方面的個性化需求［3］。目前，國內專業(yè)的LIMS公司也大量出現(xiàn)，研發(fā)的商用LIMS符合中國實驗室實際需要，具備中國特色，在各大高校、事業(yè)單位、企業(yè)的實驗室中有著較為廣泛的應用。

2LIMS與水文信息化

水文信息化轉型是水文現(xiàn)代化的重要進程。推進水文信息采集自動化、數(shù)據(jù)分析智能化、模型構建精細化、信息服務現(xiàn)代化是構建智慧水文的重要組成部分，有助于強化流域治理管理，推動水利高質量發(fā)展。2008年長江委水文局提出“數(shù)據(jù)資源一個中心，信息共享一張圖，應用服務一個平臺”的水文信息化建設工程；2016年確定了“社會水文、綠色水文、智慧水文、和諧水文”的“四個水文”發(fā)展目標［4］。不斷提升水文信息化水平，加快智慧水文建設，推動智慧平臺設計落地［5］。

水環(huán)境監(jiān)測是水文監(jiān)測的重要組成部分，是流域水資源保護工作的重要手段。水環(huán)境監(jiān)測面臨著斷面增加、項目增多、頻率提升等諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)抄錄、報告編寫、資源協(xié)調的模式已經(jīng)難以勝任；在統(tǒng)分結合、整體聯(lián)動的工作機制要求下，各水環(huán)境監(jiān)測中心之間的“信息壁壘”也亟待打破。為改變監(jiān)測能力不足、信息整合不暢的局面，長江水利委員會水文局水環(huán)境監(jiān)測中心引入武漢三正科技有限公司研發(fā)的LIMS，該系統(tǒng)Web端基于B/S架構、.net語言構建，服務器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 R2 Enterprice X64，數(shù)據(jù)庫選用SqlServer2008R2，客戶端操作系統(tǒng)為Windows 7/10，以信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)“人（人員）、機（儀器）、料（材料）、法（方法）、環(huán)（環(huán)境）”的全面資源管理（圖1）。LIMS是現(xiàn)代分析實驗室綜合管理的整體解決方案，通過LIMS可以達到無紙化辦公、智能協(xié)調實驗室資源、自動數(shù)據(jù)分析、高效整合各中心數(shù)據(jù)資源的目的，對于構建智慧水文系統(tǒng)具有積極的推動作用。

3LIMS在水環(huán)境監(jiān)測領域的應用

2022年12月，長江委水文局所屬多個水環(huán)境監(jiān)測實驗室開始試運行LIMS。針對水環(huán)境監(jiān)測工作，LIMS系統(tǒng)可以對檢測任務整體流程進行有效覆蓋，覆蓋流程見圖2。同時通過對LIMS系統(tǒng)進行創(chuàng)新改造，使其系統(tǒng)更加適用于實際生產(chǎn)工作。

（1） 任務計劃編制。LIMS系統(tǒng)提供了模板編制法和手工編制法2種手段。通常情況下，管理人員只需選擇任務模板，再針對本次任務的具體情況進行簡單修改即可生成計劃（包括采樣路線組合和監(jiān)測內容），簡化了任務編制流程。面向水環(huán)境監(jiān)測工作，通過同LIMS系統(tǒng)設計公司訂制監(jiān)測模板（如地表水109項指標、地下水93項指標等），方便管理人員一鍵下達任務。對于特殊任務，管理人員還可以手工編制任務，自由創(chuàng)建采樣斷面、采樣時間、評價項目、人員指派、質控要求等，可有效適應各種非常規(guī)監(jiān)測任務。

（2） 采樣流程。傳統(tǒng)采樣過程中，采樣人員需要手工記錄現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，采樣完成后還需再次錄入為電子數(shù)據(jù)；手工記錄的紙質數(shù)據(jù)易污損或丟失，造成現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)缺失。此外，管理人員也不能對采樣過程進行有效控制，實際采樣點位與任務點位有較大偏移的情況時有發(fā)生。

LIMS系統(tǒng)可以有效解決以上問題，通過將LIMS系統(tǒng)部署在APP端，采樣人員到達采樣位置后需要通過手機進行GPS簽到，簽到位置與任務位置不能超過100 m（否則將作為異常情況上報）。現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以通過LIMS手機端進行實時錄入，同時可以拍攝照片或者視頻一并上傳到LIMS系統(tǒng)，有效支撐誤差溯源工作。由于實際采樣過程中部分點位非常偏僻，網(wǎng)絡環(huán)境差，進一步設計了離線簽到上傳功能，保證現(xiàn)場信息最終可以錄入LIMS系統(tǒng)，其現(xiàn)場采樣流程見圖3。

（3） 分析錄入。分析人員通過LIMS系統(tǒng)可以看到采樣和接樣進度，可對樣品進行拆分和合并批次。對于儀器分析結果，可以將EXCEL或PDF格式的文件直接錄入LIMS，避免手動輸入導致的錯誤。數(shù)據(jù)錄入過程中，LIMS系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進行實時水質評價，對于非數(shù)值類型和低于檢出限值數(shù)據(jù)會做提醒。同時質控模塊會記錄添加質控樣的數(shù)量以及是否存在不合格樣品，未達到相應的質控比例時，無法提交數(shù)據(jù)。面向水質數(shù)據(jù)特點，系統(tǒng)會根據(jù)填報數(shù)據(jù)進行綜合性審查判斷，例如：總氮>無機氮，總氮>有機氮，無機氮>硝酸鹽氮>亞硝酸鹽氮等。

（4） 數(shù)據(jù)管理與輸出。管理人員在拿到實驗數(shù)據(jù)后，需要進行數(shù)據(jù)校審。通過LIMS系統(tǒng)，管理人員可以查看所有樣品數(shù)據(jù)、實驗室過程數(shù)據(jù)、原始記錄表質控評價結果、上傳附件信息等。當數(shù)據(jù)存在問題時，可將數(shù)據(jù)退回給分析人員，并注明原因。數(shù)據(jù)確認無誤后可完成任務上報，并可在LIMS系統(tǒng)內導出檢測報告、野外采樣原始記錄、野外采樣檢測記錄、實驗室原始記錄、上報數(shù)據(jù)報表、質控統(tǒng)計報表、現(xiàn)場任務通知單、樣品交接單、樣品流轉及留樣單等報表。導出后的文檔存在服務器內，供下載和預覽。

（5） 全局管理。面向上級管理部門，LIMS系統(tǒng)可以提供全局監(jiān)測任務完成情況透視圖（圖4），包含采樣進度、接樣進度、領樣進度、分析進度、校核進度與審核進度，幫助管理部門全面掌握各水質實驗室任務完成情況，提高管理效率。

4應用成效

4.1規(guī)范性

LIMS通過對水環(huán)境監(jiān)測工作中的任務登記下發(fā)、樣品采集、樣品交接、檢測分析、質控管理、數(shù)據(jù)錄入、多級審核、報告生成進行信息化賦能，實現(xiàn)全流程的標準化管理（圖5）。項目負責人根據(jù)任務信息制定合適的監(jiān)測方案和質控方案，并線上提交部門負責人進行審核。對每個采集樣品，LIMS系統(tǒng)會給出具有唯一性的樣品標識（條形碼或二維碼），搭配掃碼槍則可以確保樣品在流轉和檢測過程中不發(fā)生混淆，實現(xiàn)樣品出入庫跟蹤、樣品有效期提醒、留樣狀態(tài)管控等，從而完成樣品整體生命周期管理。

傳統(tǒng)模式中，不同實驗室分析人員對同一指標可能采用不同的檢測和評價方法，導致不同分析人員、分析單位得到的檢測結果不一致，即存在較大的系統(tǒng)誤差。通過LIMS可以統(tǒng)一管理各類指標的評價和檢測的標準方法，分析人員依此開展樣品分析工作，可有效降低系統(tǒng)誤差。由于LIMS可以實現(xiàn)樣品檢測全過程的實時監(jiān)控，管理人員可以追溯任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)的失誤，及時對工作流程作出調整［6］。

4.2高效性

通過LIMS對數(shù)據(jù)自動或半自動的加工處理、統(tǒng)計分析、實時共享等功能，實驗室的工作效率得以大幅提高。項目負責人可通過LIMS已制定的分配規(guī)則以及人員檢測資質進行自動任務分配，有效減少項目負責人工作量。采樣人員通過LIMS系統(tǒng)的APP端對采樣地點進行GPS定位，并通過APP進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)填報以及圖片信息采集等，從而減少對傳統(tǒng)紙筆記錄的依賴，簡化采樣流程；數(shù)據(jù)會實時同步至PC端，并由系統(tǒng)進行初步的數(shù)據(jù)分析與可視化，使負責人更為高效地掌握第一手資料。接樣人員以及分析人員可以通過APP了解樣品采集狀況，并通過掃描樣品二維碼的方式快速清點核對樣品信息。分析人員完成樣品分析后，可將csv、dat、excel、pdf格式的儀器原始數(shù)據(jù)上傳讓系統(tǒng)自動解析，還可通過COM、USB網(wǎng)口等以TCP/IP協(xié)議將檢測儀器與LIMS系統(tǒng)串聯(lián)，從而達成實時數(shù)據(jù)采集上傳。檢測設備和LIMS的整合串聯(lián)可以避免人工易犯的抄寫轉錄錯誤，同時將實驗員從繁瑣工作中解放出來，有效減少人員工作量。數(shù)據(jù)上傳后，系統(tǒng)可以自動對異常值進行檢測提醒，自動帶入標準曲線、公式進行數(shù)據(jù)計算，并可以自動評價質控結果，確保數(shù)據(jù)準確。對于已經(jīng)確認無誤的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會根據(jù)預設模板生成標準報告，有效減少報告編制時間。整個任務進行過程中，負責人可以通過系統(tǒng)實時跟進任務進度，及時對突發(fā)情況作出有效調整。

目前，也嘗試將LIMS系統(tǒng)同其他信息化系統(tǒng)進行異構集成，改變存在的“信息孤島”局面，解決各業(yè)務系統(tǒng)不共享、難共享的問題，使各系統(tǒng)能夠各司其職，但又緊密相連，高效發(fā)揮信息資源作用［7］。

4.3安全性

LIMS采用先進的計算機網(wǎng)絡技術，通過多層次、數(shù)據(jù)儲存分層的分離技術，有效防范惡意病毒攻擊，確保數(shù)據(jù)完整。系統(tǒng)登錄采取身份認證方式，對用戶實行實名制，系統(tǒng)管理員能夠對用戶設置訪問權限，同時設置二級系統(tǒng)管理員進一步細分認證與訪問權限，實現(xiàn)“集中授權，分級管理”的工作模式，實現(xiàn)對用戶整體的有效管理，保護系統(tǒng)資源不被非法或越權訪問。當用戶對系統(tǒng)內資源進行訪問時，系統(tǒng)可以通過認證日志、權限檢測日志、操作日志等記錄訪問過程，系統(tǒng)管理員通過日志可以發(fā)現(xiàn)安全隱患，比如同一賬戶短時間內多次企圖認證可能是賬號攻擊，多次權限檢測失敗可能是企圖訪問非授權資源。此外，系統(tǒng)管理員也可以通過日志系統(tǒng)恢復數(shù)據(jù)、撤銷操作，從而避免誤操作帶來的損失。

為進一步保障信息安全，LIMS總服務器同水文局網(wǎng)絡信息中心的服務器統(tǒng)一部署，由網(wǎng)信中心提供安全維護，用戶的訪問端口需經(jīng)由水文局內網(wǎng)訪問（現(xiàn)場采樣APP需先連接水文局內網(wǎng)VPN），具體硬件安全部署見圖6。這種并入式部署方式有利于形成完整統(tǒng)一的網(wǎng)絡與信息安全體系，改變傳統(tǒng)模式下不同系統(tǒng)各自運行的維護模式，切實保障水文信息安全［8-9］。

5結論與建議

LIMS在水環(huán)境監(jiān)測實驗室可實現(xiàn)“人機料法環(huán)”的全面資源管理。該系統(tǒng)對從監(jiān)測任務下發(fā)至報告生成的全流程進行信息化賦能，使水環(huán)境監(jiān)測工作更加規(guī)范、高效、安全。針對LIMS系統(tǒng)的進一步優(yōu)化，提出以下幾個方面建議。

（1） 由于LIMS初期構建工作主要以整體部署為主，使得LIMS對一些分析儀器輸出數(shù)據(jù)的匹配不到位，實驗人員仍用傳統(tǒng)方式向系統(tǒng)錄入或者導入數(shù)據(jù)。后續(xù)實驗人員將繼續(xù)同研發(fā)公司溝通協(xié)作，針對特殊分析儀器的使用需求進行系統(tǒng)開發(fā)，提高LIMS與分析儀器的聯(lián)用程度，進一步實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的規(guī)范化、智慧化。

（2） 將LIMS與同期開發(fā)的整編系統(tǒng)進行有效整合，優(yōu)化功能架構，發(fā)揮各自特點，刪減重合業(yè)務，實現(xiàn)實驗室管理和大數(shù)據(jù)整編的一站式服務。

（3） 將LIMS延伸至水文局各水質實驗室，結合水質全要素監(jiān)測能力建設，實現(xiàn)水質數(shù)據(jù)的全設備、全要素、全過程的智能管理，并在LIMS內進一步部署開發(fā)水質數(shù)據(jù)的智能傳輸、率定、預警系統(tǒng)。

（4） 嘗試將LIMS并入水文局水文業(yè)務應用集群，協(xié)助構建集監(jiān)控管理、大數(shù)據(jù)分析、智能應用為一體的水文水資源監(jiān)測預報預警平臺，進一步提升水文業(yè)務整體化、智慧化水平。

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（編輯：張爽）

Application analysis of Laboratory Information Management System in water environment monitoring

CHEN Feng，ZHOU Haoran，WANG Wenjing，QIAN Bao

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430011，China）

Abstract：?In order to meet the construction needs of hydrological informatization，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission introduced the Laboratory Information Management System （LIMS）.We introduced the basic situation of LIMS，and concluded that LIMS had three characteristics of standardization，high efficiency and security.The system can improve the operating efficiency of water environment monitoring laboratory，reduce the information input errors caused by manual，achieve error tracing and operation trace acquisition，and improve the laboratory quality control level.At the same time，it can change the current situation of information island，effectively summarize the data of all parties，and effectively play the role of information resources.In addition，the mode of integrated deployment and the working mode of centralized authorization and hierarchical management can effectively ensure the information security of monitoring data.LIMS had the value of promotion in water environment monitoring laboratories in the whole basin，played a positive role in building smart hydrological system and assisted the digital transformation of hydrology.

Key words：?water quality monitoring； water environment monitoring； Laboratory Information Management System； hydrological informatization； smart hydrology