翁玉華，潘蕊，許振玲，顏長(zhǎng)明，歐陽(yáng)小清，董志強(qiáng)，張春艷，阮嬋姿，呂銀云，任艷平

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，福建 廈門 361005

高校實(shí)驗(yàn)室使用的試劑尤其危險(xiǎn)試劑種類多，存放點(diǎn)多且分散，目前大部分高校都存在試劑管理模式粗放、管理信息不全面的現(xiàn)象。為了有效防止易制毒、易制爆及其他各種危險(xiǎn)化學(xué)品被用于危害社會(huì)，國(guó)家相關(guān)部門制定了一系列嚴(yán)格的法律法規(guī)加強(qiáng)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品(包括高校實(shí)驗(yàn)室試劑)的安全管理[1–4]。當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)復(fù)雜，需要對(duì)一些特殊區(qū)域或特殊部門的化學(xué)品實(shí)行全面嚴(yán)格管控。由此可見，對(duì)化學(xué)品進(jìn)行科學(xué)規(guī)范管理極其重要，除了嚴(yán)格的環(huán)境管理，還要求精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)管理。

廈門大學(xué)化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心經(jīng)過(guò)多年的細(xì)化建設(shè)和細(xì)化管理，真正建成了安全、規(guī)范、高效、實(shí)用的現(xiàn)代化教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，積極發(fā)揮著國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的“示范”與“輻射”作用[5,6]。在試劑管理方面已經(jīng)摸索出一套“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理模式，既滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，又保證了實(shí)驗(yàn)試劑的安全性。

1 試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理現(xiàn)狀

廈門大學(xué)化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心已經(jīng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7]設(shè)立專用試劑倉(cāng)庫(kù)，所有試劑根據(jù)種類和危險(xiǎn)特性分柜存放：常規(guī)試劑存放在普通試劑柜中，強(qiáng)腐蝕性試劑存放在耐腐蝕的PP (聚丙烯)試劑柜中，易制毒試劑存放在鋼制的藍(lán)色毒品柜中，易制爆試劑存放在鋼制的黃色防爆柜中，強(qiáng)揮發(fā)性試劑存放在通風(fēng)試劑柜中(圖1)?？紤]到有些化學(xué)品混合存放可能產(chǎn)生危險(xiǎn)，特別定制了試劑組合柜，將存在配伍禁忌的試劑分開存放。毒品柜、防爆柜和危險(xiǎn)試劑柜采用雙人雙鎖管理辦法。對(duì)所有試劑進(jìn)行登記、造冊(cè)并錄入計(jì)算機(jī)，定期對(duì)庫(kù)存試劑進(jìn)行盤點(diǎn)，及時(shí)補(bǔ)充庫(kù)存量不足的試劑。但是人工清點(diǎn)、手工記錄的管理方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以對(duì)每次試劑使用情況進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，存在一定的管理漏洞，離真正的信息化、智能化和自動(dòng)化管理還有一定距離，這也是目前全國(guó)高校普遍存在的問題，為此我們率先引入國(guó)際上流行的射頻識(shí)別技術(shù)和人臉識(shí)別技術(shù)，開發(fā)出一套試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)。

圖1 PP試劑柜(白色)、防爆柜(黃色)、毒品柜(藍(lán)色)和通風(fēng)PP試劑柜(白色)

2 射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)的構(gòu)成

射頻識(shí)別和人臉識(shí)別這兩種技術(shù)都已發(fā)展得相當(dāng)成熟，也得到了廣泛應(yīng)用，但二者的結(jié)合應(yīng)用目前多見于門禁系統(tǒng)管理[8,9]，未見有關(guān)其他方面應(yīng)用的報(bào)道。

2.1 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio frequency identification，RFID)通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行不接觸快速信息交換和存儲(chǔ)，將無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，并連接數(shù)據(jù)庫(kù)，串聯(lián)起一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括電子標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用軟件三部分。商品化的電子標(biāo)簽種類豐富，如不干膠標(biāo)簽、卡片標(biāo)簽、鈕扣標(biāo)簽、釘子標(biāo)簽、鑰匙扣標(biāo)簽、手環(huán)標(biāo)簽等，適合各種場(chǎng)所使用，甚至可以嵌入物體內(nèi)部使用，其單價(jià)從幾角到幾十元不等。電子標(biāo)簽可以通過(guò)閱讀器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可容納的信息量大，也可以通過(guò)閱讀器直接修改或刪除電子標(biāo)簽所存數(shù)據(jù)，電子標(biāo)簽可反復(fù)使用。電子標(biāo)簽所存信息通過(guò)閱讀器閱讀，閱讀標(biāo)簽時(shí)沒有方向性，可同時(shí)閱讀多個(gè)標(biāo)簽，閱讀范圍可根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)改變閱讀器的發(fā)射功率來(lái)調(diào)節(jié)。

相比于大家熟悉的條形碼和二維碼，RFID電子標(biāo)簽價(jià)格雖然較高，但是RFID技術(shù)的自動(dòng)化識(shí)別和數(shù)據(jù)采集能力遠(yuǎn)高于條形碼和二維碼技術(shù)，RFID技術(shù)被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)最有前景的信息技術(shù)之一，已廣泛用于食品、服裝、醫(yī)療、零售、物流、圖書館等多個(gè)行業(yè)[10–12]。

2.2 人臉識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)，是人工智能技術(shù)的應(yīng)用之一。人臉與生俱來(lái)，其唯一性和不易被復(fù)制的良好特性為身份鑒別提供了必要的前提。人臉識(shí)別技術(shù)具有非強(qiáng)制性、非接觸性、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀、隱蔽性好等特點(diǎn)，在金融、公安、司法、通行、安保、考勤及自助服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[13–15]。

2.3 射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)的構(gòu)成

廈門大學(xué)化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心自主開發(fā)的融合了射頻識(shí)別技術(shù)與人臉識(shí)別技術(shù)的試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)，由硬件、應(yīng)用軟件和電子標(biāo)簽三部分組成。硬件包括電腦、攝像頭、RFID閱讀器、電子天平、報(bào)警器等。應(yīng)用軟件根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室試劑使用規(guī)范和管理要求自主開發(fā)，具備數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計(jì)等功能。電子標(biāo)簽直接從市場(chǎng)購(gòu)買，綜合考慮了使用成本、使用便利性以及耐腐蝕性等多方面因素，我們選用以塑料膜為載體的不干膠標(biāo)簽。

每個(gè)試劑倉(cāng)庫(kù)配備一臺(tái)帶攝像頭和觸摸顯示屏的電腦作為管理終端，試劑管理過(guò)程中的很多操作可以直接在觸摸屏上完成。人臉識(shí)別通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)，貫穿于試劑管理全過(guò)程，完成包括應(yīng)用軟件登錄、管理系統(tǒng)使用過(guò)程中使用人身份確認(rèn)、軟件空閑鎖定后的激活以及進(jìn)出試劑倉(cāng)庫(kù)人員的身份確認(rèn)等各項(xiàng)功能。

3 射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)使用流程

整套管理系統(tǒng)由專業(yè)人員幫助安裝，使用人員只需了解系統(tǒng)的基本構(gòu)成，即可按照該系統(tǒng)的使用流程(如圖2)進(jìn)行“傻瓜式”操作。使用流程包括試劑入庫(kù)、試劑領(lǐng)用、空瓶出庫(kù)三個(gè)部分。

圖2 射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)使用流程

3.1 試劑入庫(kù)

系統(tǒng)投入使用之前，先建立數(shù)據(jù)庫(kù)并將已有的試劑管理數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。試劑倉(cāng)庫(kù)所有現(xiàn)存試劑以及新購(gòu)試劑都需要入庫(kù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取欲入庫(kù)試劑檔案(若數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)該試劑檔案可補(bǔ)充建檔)，將信息補(bǔ)充完整，每一瓶試劑貼一張電子標(biāo)簽，將試劑放在電子天平上稱重，入庫(kù)人只需按一下觸摸屏上的“發(fā)卡鍵”并將桌面發(fā)卡器(閱讀距離約為5 cm的RFID閱讀器)靠近電子標(biāo)簽，聽到“嘀”的提示音，說(shuō)明電腦已記錄了試劑入庫(kù)毛重即最新庫(kù)存毛重、入庫(kù)時(shí)間、入庫(kù)人等信息并通過(guò)桌面發(fā)卡器將試劑信息寫入電子標(biāo)簽，這個(gè)過(guò)程稱為發(fā)卡。再將成功發(fā)卡的試劑分類存放在試劑柜里。

3.2 試劑領(lǐng)用

試劑的領(lǐng)用方式有兩種：整瓶領(lǐng)用和部分領(lǐng)用。

1) 整瓶領(lǐng)用。將一瓶或多瓶試劑放在RFID閱讀器閱讀范圍內(nèi)(閱讀距離2 m內(nèi)可調(diào))，閱讀器自動(dòng)閱讀試劑信息，電腦顯示欲領(lǐng)用試劑清單，領(lǐng)用人核對(duì)無(wú)誤后按一下觸摸屏上的“領(lǐng)用鍵”，電腦記錄下試劑領(lǐng)用信息如領(lǐng)用人、領(lǐng)用時(shí)間等。若未進(jìn)行領(lǐng)用操作就試圖將整瓶試劑帶出試劑倉(cāng)庫(kù)，安裝在倉(cāng)庫(kù)門邊的RFID閱讀器(閱讀距離5 m內(nèi)可調(diào))讀到未領(lǐng)用試劑信息，發(fā)送信號(hào)給電腦，電腦記錄下該試劑異常出門時(shí)間、倉(cāng)庫(kù)門編號(hào)(如有多個(gè)倉(cāng)庫(kù)門)等，報(bào)警器同時(shí)發(fā)出警報(bào)。已經(jīng)領(lǐng)用的整瓶試劑送回倉(cāng)庫(kù)上架前要進(jìn)行歸還操作，須逐瓶稱量試劑歸還時(shí)毛重，稱量過(guò)程中，安裝在電子天平旁邊的RFID閱讀器(閱讀距離約為50 cm)自動(dòng)閱讀試劑信息，歸還人只需選擇試劑用途(如用在哪個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目)并按一下觸摸屏上的“歸還鍵”，電腦記錄下該試劑的歸還信息如歸還時(shí)毛重即最新庫(kù)存毛重、歸還人、歸還時(shí)間以及本次領(lǐng)用試劑的用途等，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算出本次試劑領(lǐng)用量。

2) 部分領(lǐng)用。也可利用系統(tǒng)配備的電子天平在試劑倉(cāng)庫(kù)稱取所需量試劑，在試劑稱量過(guò)程中，RFID閱讀器自動(dòng)閱讀試劑信息，領(lǐng)用人選擇試劑用途后按一下觸摸屏上的“稱量鍵”，電腦記錄下所稱試劑的質(zhì)量、領(lǐng)用人、領(lǐng)用時(shí)間和本次領(lǐng)用試劑的用途等信息，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算出試劑的最新庫(kù)存毛重。也可先將部分試劑從庫(kù)存試劑瓶轉(zhuǎn)移到其他容器，再通過(guò)電子天平稱量剩余試劑毛重即最新庫(kù)存毛重，電腦自動(dòng)計(jì)算出本次試劑領(lǐng)用量，這種操作方法也適合液體試劑。部分領(lǐng)用全過(guò)程都在試劑倉(cāng)庫(kù)完成，更加直接方便。

3.3 空瓶出庫(kù)

當(dāng)試劑用完只?？掌繒r(shí)，應(yīng)及時(shí)將該瓶試劑從試劑庫(kù)存中移除，我們專門設(shè)計(jì)了空瓶出庫(kù)操作環(huán)節(jié)，空瓶出庫(kù)的時(shí)候電腦記錄下空瓶的處理方法。

將射頻識(shí)別技術(shù)和人臉識(shí)別技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可以將每次試劑使用細(xì)節(jié)記錄下來(lái)(圖3)，這些詳細(xì)數(shù)據(jù)可用于后期對(duì)試劑管理鏈條中的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行倒查。對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以幫助我們了解試劑庫(kù)存情況，某一時(shí)間段或某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的試劑消耗情況等，有計(jì)劃、有依據(jù)地進(jìn)行試劑訂購(gòu)，有效提高了試劑的利用率，避免了試劑因長(zhǎng)期存放造成的過(guò)期變質(zhì)情況。將本系統(tǒng)結(jié)合人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)使用，最大程度地保證了試劑管理和使用的安全性。

圖3 試劑領(lǐng)用明細(xì)查詢界面

4 系統(tǒng)成本

一個(gè)試劑倉(cāng)庫(kù)配備一套管理系統(tǒng)，每套管理系統(tǒng)所需投入的硬件和軟件總費(fèi)用為7–8萬(wàn)元。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的主要消耗品為電子標(biāo)簽，市售電子標(biāo)簽單價(jià)從幾角到幾十元不等，我們選用便宜又可重復(fù)使用的以塑料膜為載體的不干膠標(biāo)簽，可以方便牢固地貼在試劑瓶及其他包裝物上，不易損壞丟失，標(biāo)簽單價(jià)為0.35元/張，即使作為一次性標(biāo)簽使用，每年消耗2000張標(biāo)簽，總費(fèi)用為700元。所以，廈大自主開發(fā)的結(jié)合了射頻識(shí)別技術(shù)和人臉識(shí)別技術(shù)的試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)無(wú)論是前期投入還是運(yùn)行成本都是比較低的，適合大范圍推廣使用。

5 結(jié)語(yǔ)

我們率先將RFID技術(shù)和人臉識(shí)別技術(shù)結(jié)合用于試劑的“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理，有效提高了試劑管理和使用的安全性以及工作人員的工作效率。該系統(tǒng)目前用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的試劑管理，也可應(yīng)用于科研實(shí)驗(yàn)室的試劑管理。如能進(jìn)一步將這種管理模式擴(kuò)展到上游的試劑生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)銷商和下游的化學(xué)廢物處理企業(yè)、環(huán)境衛(wèi)生管理部門，則有望真正實(shí)現(xiàn)試劑從生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸、利用到化學(xué)廢物處置全生命周期的安全管理。

系統(tǒng)投入使用半年來(lái)，總體運(yùn)行穩(wěn)定。針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問題和使用人提出的意見建議，我們隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整使其不斷完善，以滿足更多用戶需求。2019年12月中旬，在廈門大學(xué)舉辦的第二屆全國(guó)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)交流會(huì)上，我們向與會(huì)者介紹了廈大自主開發(fā)的應(yīng)用了射頻識(shí)別技術(shù)和人臉識(shí)別技術(shù)的試劑“細(xì)化”“動(dòng)態(tài)”管理系統(tǒng)，并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了操作演示，大家對(duì)該系統(tǒng)給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為有很高的推廣價(jià)值。