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(jiān)測站，山東青島 266034；3.青島市水質保障與水資源開發(fā)利用重點實驗室，山東青島 266034）

信息化時代已經(jīng)全面到來，“一切業(yè)務數(shù)據(jù)化，一切數(shù)據(jù)業(yè)務化”“讓數(shù)據(jù)用起來”[1]，社會各行各業(yè)，包括供水、能源、交通運輸?shù)葌鹘y(tǒng)民生行業(yè)，均面臨著數(shù)字化轉型、智慧化升級的機遇與挑戰(zhàn)。其中供水安全直接關系到城鄉(xiāng)居民健康和社會穩(wěn)定，水質監(jiān)測實驗室是供水業(yè)務鏈的重要一環(huán)，如何運用新一代信息技術，協(xié)同構建智慧型供水水質監(jiān)測實驗室，實現(xiàn)實驗室的運營管理及檢測業(yè)務信息化、智能化，達到規(guī)范實驗室管理，是未來水質監(jiān)測實驗室發(fā)展的重要課題。

1 智慧實驗室建設現(xiàn)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(yè)智慧實驗室建設中，馬利軍等[5]對基于乳業(yè)全產(chǎn)業(yè)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(tǒng)”為基礎，構建智慧運營平臺，打造乳業(yè)智慧實驗室標桿。由于傳統(tǒng)民生行業(yè)屬性，特別是水務企業(yè)的監(jiān)測實驗室按照業(yè)務種類不同，大部分采用傳統(tǒng)方式管理或部分信息化管理，包括簡單的數(shù)據(jù)處理或依托LIMS 系統(tǒng)實現(xiàn)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(shù)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(fā)了多功能LIMS 系統(tǒng)，可與其公司BI 系統(tǒng)和綜合調度系統(tǒng)對接協(xié)同應用，實現(xiàn)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(jīng)濟社會平穩(wěn)發(fā)展。隨著新的《生活飲用水衛(wèi)生標準》全面實施要求及新一代現(xiàn)代化技術的普遍應用，供水系統(tǒng)監(jiān)測實驗室肩負著越來越重要的水質保障職責，因此在監(jiān)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(shù)據(jù)的可靠性及實驗室運行管理效率，打造水質監(jiān)測行業(yè)智慧實驗室標桿，以應對中國發(fā)展形勢的新變化，實現(xiàn)人民群眾對美好生活的新期待。

2 水質監(jiān)測智慧實驗室建設思路

水質監(jiān)測智慧實驗室是利用新一代信息技術與水質監(jiān)測業(yè)務深度融合，實現(xiàn)監(jiān)測運營各環(huán)節(jié)控制智能化、數(shù)據(jù)資源化、管理精細化、決策智慧化的新型實驗室，基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、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(xiàn)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(jiān)測業(yè)務的實際應用情況出發(fā)，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(tǒng)具體架構，按照“121”即1 張基礎網(wǎng)絡、2 個信息管理系統(tǒng)（1 個檢測信息化系統(tǒng)、1 個運營信息化系統(tǒng)）、1 個運營管理系統(tǒng)的建設思路，打造成為行業(yè)智慧廠站標桿。供水水質監(jiān)測實驗室設計思路如圖1 所示。

圖1 供水水質監(jiān)測實驗室設計思路

3 水質監(jiān)測智慧實驗室架構設計

3.1 基礎網(wǎng)絡建設

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

3.1.1 完善感知層設備

根據(jù)實驗室生產(chǎn)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(huán)境、設備、樣品等）狀態(tài)的能力。例如，在重要點位布設實驗室環(huán)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(guī)范和維護規(guī)程，為監(jiān)測控制調度提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1.2 實驗室基礎網(wǎng)絡層改造

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

同時建設檢測網(wǎng)備用網(wǎng)絡，采用高可靠的網(wǎng)絡拓撲結構傳輸檢測數(shù)據(jù)，可利用當前的4G/5G 網(wǎng)絡實現(xiàn)雙鏈路備份，并采用SD-WAN 技術實現(xiàn)有線無線自動切換。

3.1.3 視頻安防網(wǎng)絡建設

根據(jù)實驗室視頻監(jiān)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(jiān)控設備，監(jiān)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(tǒng)提供安防視頻支持。

3.2 實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）建設

3.2.1 系統(tǒng)技術架構

實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）是以數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)安全的前提下，采用主流的B/S系統(tǒng)架構，便于系統(tǒng)維護升級，同時為加強對信息安全的控制，采用專網(wǎng)建設，將該系統(tǒng)本地化部署，設立隔離網(wǎng)閘，防止通過辦公網(wǎng)等外網(wǎng)侵入LIMS 系統(tǒng)盜取、竄改實驗數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)安全。

3.2.2 LIMS 系統(tǒng)主要功能模塊

3.2.2.1 檢測業(yè)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(tǒng)中下達采樣任務，采樣人登錄系統(tǒng)后會在第一界面看到自己的采樣任務，做好準備工作。系統(tǒng)采用條形碼技術，實現(xiàn)采樣瓶跟化驗項目的自動關聯(lián)，自動判斷各個檢測采樣點所需的采樣瓶種類、數(shù)量及現(xiàn)場檢測項目。

樣品檢測：樣品在驗收和領用后，系統(tǒng)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(shù)據(jù)真實可靠，系統(tǒng)設置三級審核，即檢測人、校核人、復核人。當審核人員發(fā)現(xiàn)化驗單有問題時，將標明退回原因并退回化驗單。數(shù)據(jù)溯源跟蹤功能，可以確保系統(tǒng)中重要數(shù)據(jù)不會被無故修改，確保了整個檢測過程中數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2.2.2 質控管理模塊

該模塊設計應包括現(xiàn)場質控、室內質控及質控統(tǒng)計3 個部分。在下達檢測任務時，可以勾選現(xiàn)場平行和全程序空白的現(xiàn)場質控。通過設置數(shù)據(jù)合理性分析模塊，對質控的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，對不合格的數(shù)據(jù)進行變色提醒。同時對數(shù)據(jù)進行集中統(tǒng)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(tǒng)的連接可實現(xiàn)對水質監(jiān)測實驗室中大型檢測儀器的數(shù)據(jù)自動采集功能。通過儀器接口程序將儀器文件數(shù)據(jù)直接載入到原始記錄表中，并對數(shù)據(jù)進行自動修約、位數(shù)保留及檢出限判斷處理，在接口程序上根據(jù)不同儀器對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理功能模塊

該模塊設置數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查詢、分析、評價等功能。其中最常用的是數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，根據(jù)實驗室的實際情況設計水質公報及常規(guī)月報，通過初始設置后可以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的直接統(tǒng)計，并且標注超標項目。數(shù)據(jù)查詢功能可以實現(xiàn)根據(jù)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(shù)據(jù)分析功能是結合歷史數(shù)據(jù)，通過直觀的變化趨勢圖譜來展現(xiàn)項目檢測數(shù)據(jù)波動情況。

3.2.2.5 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)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(tǒng)中，并將檢測方法直接關聯(lián)到原始記錄表，檢測人員可根據(jù)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(tǒng)建設

通過建設水質監(jiān)測智慧實驗室運營管理系統(tǒng)可為未來實驗室的管理和運行提供統(tǒng)一的運營和管理信息化系統(tǒng)界面。系統(tǒng)可采用主流的B/S 系統(tǒng)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(wǎng)與辦公網(wǎng)有效分離，通過隔離網(wǎng)閘實現(xiàn)LIMS 檢測網(wǎng)到辦公網(wǎng)的數(shù)據(jù)擺渡。該系統(tǒng)設置水質檢測數(shù)據(jù)分析、儀器設備管理、庫房管理、車輛管理、視頻監(jiān)控安防等5 種應用模塊及移動APP，為從采樣、檢測、數(shù)據(jù)應用的實驗室全周期提供協(xié)同閉環(huán)管理。

3.3.1 數(shù)據(jù)分析應用模塊

檢測試驗過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的采集、存儲和使用是數(shù)字化應用的重要一步?；贚IMS主題數(shù)據(jù)庫，在實驗室運營管理系統(tǒng)中建設數(shù)據(jù)分析應用模塊，利用大數(shù)據(jù)分析技術，結合歷史數(shù)據(jù)，分析原水、水廠、管網(wǎng)各點位的水質異常、管網(wǎng)波動等情況，形成水質分析報告，為解決實際業(yè)務問題提供數(shù)據(jù)支撐，并通過搭載專家?guī)臁⑺|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(xiàn)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(xiàn)快速查詢、統(tǒng)計、分析資產(chǎn)信息，為資產(chǎn)報廢、年度預算、設備檢定期限確定等工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.3 智慧庫房管理模塊

庫務和設備是化驗室生產(chǎn)檢測的重要輔助業(yè)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)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?；奉I用品種及數(shù)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(jiān)測過程中的基礎環(huán)節(jié)與保障，通過建設該系統(tǒng)可幫助管理人員和采樣人員實現(xiàn)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(jù)填報、事后管理變?yōu)閷崟r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(jiān)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(huán)節(jié)節(jié)點、氣瓶室及藥品標物庫房等重要事項進行集中監(jiān)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(jù)需要開發(fā)智慧實驗室運營管控平臺的手機APP 應用，實現(xiàn)運營管控平臺的大部分功能。同時，該APP 需充分考慮數(shù)據(jù)傳輸加密和安全性問題，實現(xiàn)“口袋中的實驗室”功能，實現(xiàn)對實驗室的全方位監(jiān)測。

4 水質保障專家決策系統(tǒng)建設

數(shù)據(jù)資產(chǎn)的應用能夠發(fā)揮智慧水務建設的重要價值，通過檢測數(shù)據(jù)資產(chǎn)的提取、處理、應用，實現(xiàn)實驗室數(shù)據(jù)的智慧化落地，可有效指導供水監(jiān)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(tǒng)”，設計建設知識方案庫、運營經(jīng)驗庫、專家問答庫，結合水質監(jiān)測實驗室運營管理經(jīng)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(tǒng)。

5 水質監(jiān)測智慧實驗室建設建議

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

技術創(chuàng)新與管理變革協(xié)同發(fā)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(wǎng)絡優(yōu)化、LIMS 建設升級，為建設維護運營管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能應用場景提供技術支撐。管理方面，需要優(yōu)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(shù)字化業(yè)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(yè)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(tǒng)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(xiàn)實驗室工程與智慧化協(xié)同建設。