王雁冰，張奎，孫麗敏，林敏，劉永超，嚴(yán)燁，姜琛 ，田艷輝

(1.中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，濟(jì)南 250101； 2.西安悟空檢測科技有限公司，西安 710075)

實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)是將以數(shù)據(jù)庫為核心的信息化技術(shù)與實驗室管理需求相結(jié)合的一種信息化管理工具。該系統(tǒng)以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)為手段，以ISO/IEC 17025 《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力的通用要求》等規(guī)范體系為基礎(chǔ)，將實驗室的業(yè)務(wù)流程與質(zhì)量管理、資源管理以及其它業(yè)務(wù)工作以合理的方式進(jìn)行整合［1-3］，從而起到強(qiáng)化實驗室的質(zhì)量管理，提高實驗室的工作效率，保證實驗室數(shù)據(jù)安全的目的。隨著實驗室信息管理系統(tǒng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)辦公及數(shù)據(jù)傳遞工作的模式和效率已經(jīng)難以滿足當(dāng)今實驗室的發(fā)展需求，如何高效地促進(jìn)實驗室的良好運行，已經(jīng)成為各行各業(yè)實驗室共同探討的主題［4-6］。

近些年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被逐漸應(yīng)用到計量檢測行業(yè)中來，使得該領(lǐng)域?qū)嶒炇夜芾碜龅搅俗詣踊芾?、無紙化辦公，從而促進(jìn)了計量檢測實驗室的快速發(fā)展。目前，實驗室信息管理系統(tǒng)在食品、疾控、醫(yī)療、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的實驗室中應(yīng)用較多［7-12］，但在天然氣領(lǐng)域計量檢測實驗室的應(yīng)用尚未見報道。在進(jìn)行項目論證時，筆者對同行業(yè)實驗室的LIMS 系統(tǒng)使用情況進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果表明，目前本行業(yè)內(nèi)的LIMS 系統(tǒng)均只實現(xiàn)了計量檢測業(yè)務(wù)流程的線上管理，對其它管理模塊的開發(fā)融合尚未開展。基于此，筆者建立了集計量檢測業(yè)務(wù)開展、質(zhì)量管理體系運行為一體的專業(yè)化、智能化天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以天然氣計量檢測業(yè)務(wù)為核心，融合CNAS-CL01 《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》、JJF 1069 《法定計量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》等考核規(guī)范要求，將檢測管理、校準(zhǔn)管理、質(zhì)量控制、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)分析、客戶資源等因素有機(jī)結(jié)合起來，采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的實驗室管理思想，構(gòu)建全面、規(guī)范的管理體系，為實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)自動采集、快速解析、信息共享，以及質(zhì)量管理體系順利實施、實驗室管理水平整體提高等方面提供技術(shù)支持。

1 天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)及數(shù)據(jù)架構(gòu)

天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)建設(shè)采用Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)設(shè)計，選擇開放、業(yè)內(nèi)主流的JAVA 語言作為開發(fā)核心技術(shù)，基于MVC（M為業(yè)務(wù)模型，V 為用戶界面，C 為控制器）的設(shè)計架構(gòu)，采用N 層的體系結(jié)構(gòu)，同時以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫連接池接口規(guī)范自適應(yīng)各種數(shù)據(jù)庫（Oracle、MySQL、SQL Server 等）的適配，保證系統(tǒng)未來良好的可維護(hù)性及可擴(kuò)展性。

在天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，引入基于組件的設(shè)計理念，將系統(tǒng)的每一個子模塊都進(jìn)行組件化，組件之間相互獨立，可分布式部署運行，并且通過MQ（消息隊列）技術(shù)實現(xiàn)36 個子模塊的數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)的IOE數(shù)據(jù)庫面臨數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)庫IO、數(shù)據(jù)庫變更等技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)采用分布式的數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計，結(jié)合結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲方式，使數(shù)據(jù)庫支持高、可用切換，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可水平擴(kuò)容、性能高，數(shù)據(jù)庫變更和維護(hù)風(fēng)險分散等優(yōu)勢。天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖

天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)開發(fā)和設(shè)計，將界面、業(yè)務(wù)流程、服務(wù)、數(shù)據(jù)分離，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部松耦合，以靈活、快速地響應(yīng)業(yè)務(wù)變化對系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)劃分為信息資源層、信息存取層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)流程層、展現(xiàn)層，各層次間通過直接調(diào)用或者通過ESB(即企業(yè)服務(wù)總線)進(jìn)行調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。原則上信息資源層不允許信息存取層之外的層次對其進(jìn)行調(diào)用，信息存取層不允許業(yè)務(wù)服務(wù)層之外的層次對其進(jìn)行調(diào)用。各層的應(yīng)用組件利用系統(tǒng)支撐服務(wù)框架所提供的基礎(chǔ)服務(wù)實現(xiàn)系統(tǒng)公共設(shè)計、運行與管理機(jī)制。天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)分層架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)分層架構(gòu)圖

1.2 軟件功能及目標(biāo)

按照CNAS-CL01 《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》、JJF1069 《法定計量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》等考核規(guī)范的規(guī)定和要求，結(jié)合天然氣計量檢測實驗室實際情況，以樣品檢測過程為主線（圖3），通過頂層設(shè)計公司分布式實驗室信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)公司下轄實驗室的集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化管理；通過分析儀器網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)的自動采集、二維碼設(shè)置、移動APP 開發(fā)等功能，實現(xiàn)樣品流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)采集與處理、檢定檢測延伸性服務(wù)等項目的智能化管理；通過整合質(zhì)量控制及管理體系等項目，實現(xiàn)實驗室業(yè)務(wù)管理的信息一體化。

圖3 樣品檢測流程圖

天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)可劃分為檢測管理、校準(zhǔn)管理、水質(zhì)監(jiān)測、潤滑油檢測、樣品管理、資質(zhì)管理、客戶管理、系統(tǒng)管理、資源管理、費用管理、文檔管理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)上報、移動APP 及統(tǒng)計分析15 個子模塊（圖4），每個模塊之間可獨立管理且存在依賴關(guān)系。

圖4 天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)子模塊功能概覽

2 天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)使用J2EE(企業(yè)級分布式應(yīng)用程序開發(fā))平臺作為核心開發(fā)技術(shù)。JAVA 平臺具有強(qiáng)大的功能和非常高的綜合程度，定義了整個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開發(fā)體系結(jié)構(gòu)和一個部署環(huán)境。在J2EE(企業(yè)級分布式應(yīng)用程序開發(fā))平臺上開發(fā)企業(yè)級應(yīng)用，充分利用了J2EE(企業(yè)級分布式應(yīng)用程序開發(fā))技術(shù)規(guī)范在事務(wù)處理、遠(yuǎn)程訪問、安全保護(hù)的優(yōu)勢，保證了系統(tǒng)的效率、靈活性、擴(kuò)展性。項目中采用的核心技術(shù)主要有：SpringBoot(軟件開發(fā)框架)、Spring Mvc(軟件開發(fā)框架)、Jwt(身份認(rèn)證)、Redis(遠(yuǎn)程字典服務(wù))、ActiveMQ(消息隊列)、Quartz(定時任務(wù))、MyBatis(持久層框架)、Alibaba Druid(阿里巴巴數(shù)據(jù)源)、Velocity(模板引擎)、PageOffice(在線編輯辦公軟件)等。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化管理

天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)上線前， 公司下屬的三個實驗室均獨立開展天然氣計量檢測業(yè)務(wù)，尚未實現(xiàn)集中管理，不利于公司統(tǒng)一調(diào)配及資源共享。結(jié)合公司實際，系統(tǒng)設(shè)計為分布式架構(gòu)方式（圖5），頂層定義系統(tǒng)通用模塊，將基礎(chǔ)模塊建設(shè)及統(tǒng)計模塊獨立于主流程之外部署，將檢測主流程針對各自實驗室分布式部署，確保數(shù)據(jù)的隔離及業(yè)務(wù)的可拓展性，從而實現(xiàn)公司下轄實驗室的集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化管理。

圖5 分布式架構(gòu)方式

2.2 智能化管理

2.2.1 數(shù)據(jù)自動采集

隨著智慧實驗室在計量檢測領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，儀器數(shù)據(jù)自動采集勢在必行。未實現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)自動采集時，是通過人為謄寫原始數(shù)據(jù)到原始記錄上，較容易出現(xiàn)謄寫錯誤，通過LIMS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動采集功能，可減少人為原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)錯誤，提高實驗室儀器設(shè)備的自動化程度和規(guī)范化管理水平，進(jìn)一步提升實驗室的工作效率和工作質(zhì)量［13-15］。該系統(tǒng)通過在儀器工作站安裝自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件，可將儀器生成的圖譜文件實時傳送到服務(wù)器進(jìn)行自動解析，獲取樣本編號、檢測項目及檢測數(shù)值等信息，并將數(shù)據(jù)還原到原始記錄進(jìn)行自動計算獲取檢測結(jié)果（圖6）。

圖6 數(shù)據(jù)自動采集流程

（1）儀器連接。將儀器生成的原始記錄（pdf、excel 文件）上傳到系統(tǒng)解析，實現(xiàn)檢測項目結(jié)果的自動抓取功能。

（2）原始記錄填寫。原始記錄填寫分為兩部分，一部分為所有原始記錄共有信息（樣品名稱、樣品編號、項目名稱、檢測依據(jù)、檢測日期、樣品狀態(tài)、完成日期、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、儀器及編號、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)信息），可在頁面填寫，然后選擇原始記錄模板生成原始記錄之后回填到原始記錄，且以后同一項目及方法可以再次調(diào)用；另一部分為特有信息(檢測數(shù)值部分)，需在原始記錄單中完成，保存原始記錄單之后系統(tǒng)自動提取最終結(jié)果至檢測報告。

（3）圖譜上傳。圖譜上傳分兩種情況，即系統(tǒng)自動抓取和檢測員選擇上傳。針對單樣品和單檢測方法可根據(jù)圖譜命名(樣品編號_方法編號)來自動識別；針對多樣品情況，檢測員可手動選擇相應(yīng)的項目上傳圖譜。

2.2.2 移動APP 功能

對于公司下達(dá)的取樣檢測任務(wù)，該天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)配備移動手持終端進(jìn)行現(xiàn)場樣品信息的采集工作。外出采樣之前可為樣品打印二維碼標(biāo)簽，貼至取樣氣瓶合適位置。通過移動手持終端APP 掃描二維碼填寫取樣方案，并上傳至系統(tǒng)。到達(dá)天然氣場站完成取樣后，通過移動手持終端APP掃碼識別樣品填寫取樣記錄，記錄樣品基本信息（取樣地點、取樣部位、氣源溫度、氣源壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等），提交之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并回傳到服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的采集工作。

對于現(xiàn)場開展的天然氣水露點、烴露點、硫化氫等項目的檢測，通過移動APP 也可完成原始記錄的填寫、上傳工作。通過移動手持終端APP 登錄后，選擇相應(yīng)的檢測項目，按提示填寫檢測地點、檢測部位、檢測日期、檢測人員、環(huán)境條件、氣源條件，以及檢測原始數(shù)據(jù)，提交之后可將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并回傳至服務(wù)器。移動APP 截圖如圖7 所示。

圖7 移動APP 截圖

2.3 質(zhì)控一體化管理

實驗室質(zhì)量控制是保證實驗室正常運行和保證檢測結(jié)果正確的活動，目的是在于控制樣品檢測的各環(huán)節(jié)和產(chǎn)生、形成或?qū)崿F(xiàn)過程中的各程序，并使它們達(dá)到規(guī)定的要求，把不符合要求的環(huán)節(jié)控制在其形成早期并加以消除［16］。天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)通過天然氣計量檢測業(yè)務(wù)和質(zhì)量控制體系的全流程一體化管理，大幅提高業(yè)務(wù)工作質(zhì)量和工作效率，保證數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的完整性、安全性和可靠性。

系統(tǒng)質(zhì)控管理模塊支持質(zhì)量控制負(fù)責(zé)人在線編制質(zhì)控計劃（內(nèi)部：人員比對、儀器比對、留樣復(fù)測、加標(biāo)回收；外部：實驗室間比對、測量審核、能力驗證），系統(tǒng)自動將質(zhì)量控制計劃通知到相應(yīng)的執(zhí)行人，并在預(yù)期執(zhí)行時間前進(jìn)行提醒?？刂朴媱澩瓿珊?，將執(zhí)行結(jié)果在線反饋至計劃編制人，并提醒計劃編制人跟進(jìn)并進(jìn)行評價。如質(zhì)控結(jié)果滿意，將質(zhì)控記錄進(jìn)行歸檔，如不滿意則啟動原因分析流程。質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

建立的天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)覆蓋了人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等關(guān)鍵點的把控，將各個實驗室進(jìn)行集中管理，探索了實驗室的分布式管理模式，優(yōu)化了實驗室的業(yè)務(wù)流程，使實驗室達(dá)到規(guī)范化運轉(zhuǎn)、無紙化辦公、高效化生產(chǎn)，促進(jìn)了實驗室的進(jìn)一步發(fā)展與提升。

（1）分布式天然氣實驗室信息管理系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了公司下轄三家實驗室的資源共享、集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化管理。通過開展實驗室間比對、分析系統(tǒng)性能評價等活動，不斷提高實驗室計量檢測能力，進(jìn)一步提升公司計量管理水平。

（2）采用特定的儀器聯(lián)結(jié)與儀器控制功能，完成實驗數(shù)據(jù)的智能化采集，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動上傳，減少因人為因素造成的分析誤差，保證實驗數(shù)據(jù)的完整性、安全性和可靠性；通過設(shè)置樣品二維碼，系統(tǒng)可以對每個樣品進(jìn)行精確的全周期追溯，通過審核追溯鏈可以復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)生成的全過程和要素，保證檢定檢測的服務(wù)質(zhì)量。

（3）系統(tǒng)嚴(yán)格按照CNAS-CL01 及JJF 1069 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求管理實驗室的各項工作，以程序化方式優(yōu)化計量檢測工作流程，建立完備的質(zhì)量控制手段，有效提高實驗室工作質(zhì)量和工作效率。