現(xiàn)代智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

林燕奎， 熊貝貝， 王丙濤， 王樓明， 候樂(lè)錫， 王光輝

(深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局 深圳市食品安全技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518045)

0 引 言

從IBM提出了“智慧地球”[1-2]的概念后，國(guó)內(nèi)相繼提出了建設(shè)智慧城市和智慧社區(qū)的規(guī)劃，相信不久智能化將會(huì)推廣到生活的方方面面。一般談到智慧實(shí)驗(yàn)室往往就會(huì)想到電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等實(shí)驗(yàn)室，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不斷有新的技術(shù)和新的理念應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物等常規(guī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理[3-6]，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[7]、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)[8-10]、云技術(shù)[11]等，以及常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(Laboratory Information Management System，LIMS)[12]，還有用于高校和研究所等科研工作的Everlab[13]、Evernote[14]等，這一系列以安全性、人性化、自動(dòng)化、信息化、遠(yuǎn)程控制等高科技為特征的現(xiàn)代化智慧型實(shí)驗(yàn)室新概念正逐步形成[15-16]。目前，我國(guó)還沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)和軟件管理進(jìn)行規(guī)范和要求，現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在理論和實(shí)踐中還存在諸多空白，通過(guò)查閱資料和大型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃、體系運(yùn)行管理實(shí)踐，對(duì)現(xiàn)代新型的智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有一定的經(jīng)驗(yàn)和較為深入的研究，對(duì)今后實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃和建設(shè)提供一些借鑒意義。

作為理化、生物等實(shí)驗(yàn)室，特別是大型專(zhuān)業(yè)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，涉及到人員、設(shè)備、耗材、方法、環(huán)境、風(fēng)險(xiǎn)管理甚至危機(jī)預(yù)警等多個(gè)要素，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，設(shè)備和耗材越來(lái)越多，使用方法越來(lái)越精密高效，對(duì)環(huán)境的要求也越來(lái)越高，這就可能造成實(shí)驗(yàn)室管理混亂、樣品丟失、數(shù)據(jù)出錯(cuò)等質(zhì)量事故發(fā)生，如果沒(méi)有智能化的通風(fēng)處理系統(tǒng)還可能造成廢氣倒灌、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部空氣渾濁，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)人員人身健康和實(shí)驗(yàn)儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至還會(huì)危及到實(shí)驗(yàn)室周邊的生態(tài)環(huán)境安全，因此如何將這些核心要素相互銜接和有機(jī)協(xié)作，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理過(guò)程中的頭等大事。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，給實(shí)驗(yàn)室科學(xué)管理，提供了技術(shù)上的可能，如何利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)建立一個(gè)智慧實(shí)驗(yàn)室，讓實(shí)驗(yàn)室更加智能、實(shí)驗(yàn)室管理更加規(guī)范高效、減少人為因素影響，成為了未來(lái)的重要任務(wù)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 智慧實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代新型實(shí)驗(yàn)室，特別是大規(guī)模實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮傳統(tǒng)的平面布局、通風(fēng)、空調(diào)、供氣、供電和供水以及廢氣處理等，還要注重科學(xué)設(shè)計(jì)、合理布局以及前瞻性，為實(shí)驗(yàn)室智能化的布局留下足夠的空間和容量，軟硬件的可擴(kuò)展性要強(qiáng)。

新型的現(xiàn)代化智慧實(shí)驗(yàn)室的平面布局應(yīng)規(guī)劃出專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理區(qū)域，用于集中或者分類(lèi)擺放數(shù)據(jù)的采集傳輸和集中處理的硬件實(shí)施，便于工作人員技術(shù)處理和報(bào)告數(shù)據(jù)，以及可能涉及到的人機(jī)分離、遠(yuǎn)程控制等。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)室涉及到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，一般智慧實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至少包括因特網(wǎng)、單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及大型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等智能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線，有的還涉及到智能通風(fēng)系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)等等，在實(shí)驗(yàn)室一定要規(guī)劃設(shè)計(jì)3個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，留足備用網(wǎng)絡(luò)端口，以便相關(guān)系統(tǒng)的升級(jí)換代和新系統(tǒng)的使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)布線規(guī)劃設(shè)計(jì)

供電和供氣是大中型實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)配置，如現(xiàn)在常見(jiàn)的是一臺(tái)質(zhì)譜儀配幾個(gè)氣體鋼瓶，不僅管路連接復(fù)雜，更換麻煩，而且很容易出現(xiàn)斷氣，影響儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成大型實(shí)驗(yàn)室樣品積壓，嚴(yán)重影響檢測(cè)效率。為了使實(shí)驗(yàn)區(qū)域更加規(guī)范，方便使用，一般在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用集中供電和集中供氣模式，特別是大型實(shí)驗(yàn)室，有液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀、電感耦合等離子質(zhì)譜儀等較多的質(zhì)譜類(lèi)精密儀器，這些設(shè)備不能斷電和斷氣，所以需要在建設(shè)時(shí)采用UPS集中供電，多氣瓶串聯(lián)自動(dòng)切換集中供氣。實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)專(zhuān)門(mén)規(guī)劃，并在樓板承重和排水通風(fēng)方面進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，方便使用，確保安全。

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心和關(guān)鍵，特別是對(duì)擁有大型精密檢測(cè)儀器的實(shí)驗(yàn)室，通風(fēng)系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)區(qū)域的通風(fēng)風(fēng)速和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)能減排，室內(nèi)空氣無(wú)毒無(wú)異味，特別是化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有機(jī)、高熱、酸堿等廢氣能夠分類(lèi)集中處理排放，有毒生物能夠得到有效控制，不能對(duì)周邊的大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。全自動(dòng)控制、變頻、遠(yuǎn)程控制、人機(jī)對(duì)話等尖端技術(shù)在通風(fēng)廢氣處理系統(tǒng)上的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)廢氣處理的自動(dòng)化和智能化。

2 基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交互系統(tǒng)的建立

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室服務(wù)，報(bào)檢樣品需要親自送樣到實(shí)驗(yàn)室，填寫(xiě)委托申請(qǐng)單，交接樣品，付款簽訂委托合同后才開(kāi)始檢測(cè)。而今智能互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，所有這些流程都可以在互聯(lián)網(wǎng)上完成。只需登錄實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，客戶可以足不出戶就能完成檢測(cè)項(xiàng)目查詢、詢價(jià)、檢測(cè)委托流程，物流寄送樣品，網(wǎng)上支付，檢測(cè)結(jié)束后能在網(wǎng)上獲得檢測(cè)報(bào)告(見(jiàn)圖2)。智能網(wǎng)絡(luò)報(bào)檢功能節(jié)點(diǎn)化，使得客戶能在千里之外的遠(yuǎn)程便知悉其委托檢測(cè)的樣品在實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)狀態(tài)，使檢測(cè)客戶與實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)無(wú)障礙互動(dòng)交流?？蛻暨€可在委托檢測(cè)時(shí)登記手機(jī)號(hào)碼，實(shí)驗(yàn)室收到樣品后，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)手機(jī)短信提醒，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人員開(kāi)始檢測(cè)后，手機(jī)短信自動(dòng)提醒：“樣品開(kāi)始檢測(cè)”；報(bào)告出具后自動(dòng)提醒：“報(bào)告書(shū)已出”?，F(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用使委托客戶可以很方便的知悉實(shí)驗(yàn)室的活動(dòng)，短信或者網(wǎng)上隨時(shí)查詢進(jìn)展?fàn)顟B(tài)，也可電話語(yǔ)音查詢相關(guān)信息。

圖2 網(wǎng)絡(luò)智能報(bào)檢示意圖

3 基于RFID技術(shù)的樣品與耗材管理系統(tǒng)

大型的實(shí)驗(yàn)室每年有數(shù)萬(wàn)份樣品需要檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目繁多，涉及到的樣品單元有近數(shù)十萬(wàn)個(gè)以上，某些樣品甚至多達(dá)幾十個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，如奶粉，涉及到微生物、理化、常規(guī)化學(xué)等多個(gè)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室50多項(xiàng)檢測(cè)；此外，樣品性狀不一、類(lèi)別各異，如食品實(shí)驗(yàn)室，既有餅干、糖等常溫保存的樣品，又有肉、魚(yú)、冰激淋等需要冷藏的樣品，既有醬油、醋、油等瓶裝食品，又有大米、面粉等散裝食品，混淆甚至丟失一直是困擾實(shí)驗(yàn)室樣品管理的一個(gè)難題。如何科學(xué)管理，使樣品既容易查找，又不容易出錯(cuò)，需引進(jìn)了RFID技術(shù)用于樣品管理，使樣品接收、分發(fā)以及檢測(cè)處理等各個(gè)流程都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理(見(jiàn)圖3)。而且手持式掃描儀可以很輕松的從一堆樣品中找到你想要的樣品，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了工作效率。RFID防損壞的技術(shù)設(shè)計(jì)，可以有效地防止樣品的丟失以及替換的情況，特別適用于法定物證樣品的保管。

實(shí)驗(yàn)室儀器眾多，使用的耗材種類(lèi)和數(shù)量龐大，一些主要耗材直接關(guān)系到檢測(cè)結(jié)果的正確與否，RFID技術(shù)還可以用在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和耗材管理上，對(duì)試劑耗材的采購(gòu)、出入庫(kù)管理和使用有重要的作用。對(duì)于價(jià)值較高的色譜等耗材采取RFID標(biāo)簽管理，使得相關(guān)耗材各種使用信息能夠順利追溯，不僅方便管理，流程規(guī)范，提高實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)的可追溯性和質(zhì)量管理水平。

4 互聯(lián)高效數(shù)據(jù)處理與報(bào)告系統(tǒng)

大型實(shí)驗(yàn)室每年要對(duì)外出具數(shù)十萬(wàn)個(gè)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都需要從儀器工作站人工打印或摘抄出儀器檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)，并將稱(chēng)樣量、定容體積、稀釋倍數(shù)等數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式，經(jīng)手動(dòng)計(jì)算出最終結(jié)果，并填寫(xiě)形成原始記錄單，再將計(jì)算結(jié)果、每個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè)方法、限量標(biāo)準(zhǔn)、濃度單位等信息手工錄入實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)(LIMS系統(tǒng))，同時(shí)人工進(jìn)行是否合格的判定，最終向委托客戶傳送數(shù)據(jù)，原始記錄單需要檢測(cè)人員和審核人員簽字確認(rèn)后用于存檔。這些數(shù)據(jù)的計(jì)算、原始單據(jù)的填寫(xiě)、LIMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)登錄等，占用了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人員的大量時(shí)間，成為檢測(cè)過(guò)程中的一個(gè)限速步驟，影響到工作效率的提高，同時(shí)大量的人工計(jì)算和填寫(xiě)還經(jīng)常出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，導(dǎo)致結(jié)果報(bào)錯(cuò)甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

新引入的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)自動(dòng)管理系統(tǒng)，可涵蓋除常規(guī)理化手動(dòng)分析之外的絕大部分自動(dòng)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)現(xiàn)從LIMS系統(tǒng)自動(dòng)選取待測(cè)批、自動(dòng)選擇檢測(cè)方法和儀器、自動(dòng)圖譜智能分析、檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)取數(shù)、自動(dòng)計(jì)算結(jié)果和添加回收、自動(dòng)報(bào)告結(jié)果、根據(jù)設(shè)定限值自動(dòng)判定合格與否以及超標(biāo)智能預(yù)警等智能化步驟，大大節(jié)省人力物力，使得檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的實(shí)時(shí)傳遞、無(wú)縫對(duì)接，避免人工計(jì)算和報(bào)告的失誤，大大提高了工作效率(見(jiàn)圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)取數(shù)流程示意圖

5 全自動(dòng)自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種廢氣，作為一個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室對(duì)室內(nèi)溫度、濕度控制、房間壓差、空氣潔凈度、噪聲、排風(fēng)等都有較高的要求，不僅要考慮實(shí)驗(yàn)人員的人身安全、高端儀器設(shè)備的安裝要求、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還要考慮對(duì)周邊環(huán)境的影響。傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)使用起來(lái)很不方便，實(shí)驗(yàn)之前要開(kāi)啟通風(fēng)柜，還要調(diào)節(jié)抽風(fēng)量的大小，下班的時(shí)候要關(guān)掉抽風(fēng)系統(tǒng)，開(kāi)啟過(guò)多的通風(fēng)柜還會(huì)相互影響。

采用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)感應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)閉環(huán)負(fù)壓自適應(yīng)式實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備自動(dòng)定時(shí)運(yùn)行功能，可根據(jù)實(shí)際特殊需要手動(dòng)臨時(shí)開(kāi)啟運(yùn)行；具備集中、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制運(yùn)行功能，根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)啟全系統(tǒng)或獨(dú)立開(kāi)啟部分子系統(tǒng)，適應(yīng)多任務(wù)、多時(shí)段的工作要求；具備總控、分級(jí)密碼控制功能，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的行政管理劃分實(shí)施區(qū)域管理、明確管理責(zé)任；具備自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)記錄、數(shù)據(jù)分析功能，可以記錄設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，分析運(yùn)行曲線；具備優(yōu)化運(yùn)行功能，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)情況，設(shè)置最大風(fēng)量、最大開(kāi)啟度、最小風(fēng)量、最小開(kāi)啟度以及各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保要求；具備遠(yuǎn)程控制功能，還有良好的可擴(kuò)展性。廢氣處理系統(tǒng)將廢棄分類(lèi)集中處理，自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，使其智能化運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集壓力、風(fēng)機(jī)水泵運(yùn)行頻率及狀態(tài)、噴淋狀態(tài)、吸附處理堵塞狀態(tài)等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反饋、自動(dòng)控制處理，在淋洗塔中采用pH值自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)稀釋排放工藝，實(shí)現(xiàn)廢氣經(jīng)處理后環(huán)保排放。

6 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及管理專(zhuān)業(yè)技術(shù)性很強(qiáng)，建設(shè)一個(gè)高效規(guī)范的智慧實(shí)驗(yàn)室想必是未來(lái)化學(xué)、生物、物理、材料、食品等領(lǐng)域研究和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室涉及到的因素非常多，現(xiàn)階段我國(guó)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)只是一個(gè)起步階段，作者所在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是一個(gè)新型現(xiàn)代化大型開(kāi)放性智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的有益嘗試，系統(tǒng)的建成和使用使實(shí)驗(yàn)室的工作效率、業(yè)務(wù)管理和質(zhì)量管理水平得到了很大的提高。

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