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實驗室智能化沒那么難（2）——詳解實驗室場景協同系統建設研一智控

更新時間：2022-05-13瀏覽：5263次

前情提要

在上期文章《實驗室智能化沒那么難（1）——詳解實驗室物資管理系統建設》中，筆者講解了物資管理系統的建設過程，實際上很多實驗室都有負責各方面的不同系統，如Lims、ERP、OA等，如何將不同系統交叉融合，搭建一個相互協同配合、數據互聯互通的場景系統，是橫亙在這些實驗室面前的難題，也是本期文章的重點。

研究概述

本文以筆者親身參與的實驗室場景協同系統建設項目為研究對象，對總體技術路線進行探討，從理念到技術再到功能設計全面分析，展現智能化實踐的建設方法，為現階段行業發展提供借鑒意義。主要的研究內容如下：

（1）將行業規范和目標實驗室特性融入到智能化項目建設中，高標準、個性化達成建設目標，提供科學有效的解決方案；

（2）將RFID無線射頻識別、物聯網、數據分析等技術應用到智能化項目建設中，構建了軟硬件一體的管理系統；

（3）搭建了場景協同系統，設計了人員、物資、設備、環境幾個管理角度的流程和功能；

（4）總結了實驗室智能化第二階段的發展趨勢。

正文字數3500字，預計閱讀時間8分鐘
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現狀分析

當前，很多實驗室已經認識到智能化建設的重要性，但在實際建設中容易陷入“起步快，提升慢"的瓶頸，歸根到底，持續推進智能化需要強有力的資源整合，其中既包括軟硬件技術產品等“硬"供給，又包括知識方法等“軟"供給，這就需要根據機構具體流程、資源搭建量身定制的場景管理系統。

建設背景

中國合格評定國家認可委員會（China National Accreditation Service for Conformity Assessment 英文縮寫為：CNAS）應用CNAS-CL01、CNAS-CL03等文件對實驗室能力進行認可，這些文件形成了實驗室質量體系的規范性文件（以下簡稱“規范"）。獲得CNAS認可不僅代表實驗室整體規范化水平較高，更重要的是得到了有關認可國際組織內國家和地區實驗室認可機構的承認，因此，根據規范進行建設符合場景管理的標準要求。

另外在實際搭建中，還需對目標場景進行前期考察，結合規范中重點要求與機構本身缺陷等情況，找出關鍵問題和搭建主線，以符合場景管理的個性要求。通過項目前期考察并使用魚骨圖分析法進行歸因，發現目前該實驗室重點需解決如下問題：

魚骨圖分析場景問題

現狀	規范要求
業務量大，人員不便集中培訓人員能力檔案缺失	6.2.5c 實驗室應制訂程序對新進技術人員和現有技術人員新的技術活動進行培訓。實驗室應識別對實驗室人員的持續培訓需求，對培訓活動進行適當安排，并保留培訓記錄。 6.2.5d實驗室應關注對人員能力的監督模式，確定可以獨立承擔實驗室活動人員，以及需要在指導和監督下工作的人員。
設備管理維護工作量大，易疏漏	6.4.3實驗室應指派專人負責設備的管理，包括校準、維護和期間核查等。實驗室應建立機制以提示對到期設備進行校準、核查和維護。
各類物資種類多數量大，手工登記處理工作量極大，管理麻煩	6.6.1a) 實驗室應根據自身需求，對需要控制的產品和服務進行識別，并采取有效的控制措施。 - 易耗品可包括培養基、標準物質、化學試劑、試劑盒和玻璃器皿。適用時，實驗室應對其品名、規格、等級、生產日期、保質期、成分、包裝、貯存、數量、合格證明等進行符合性檢查或驗證。
紙質檔案易丟失、被涂改	7.5.1 a) 實驗室應確保能方便獲得所有的原始記錄和數據，記錄的詳細程度應確保在盡可能接近條件的情況下能夠重復實驗室活動。

總體設計

根據規范要求，對象實驗室主要問題體現在（1）人員資質能力、人員權限等人員要求，（2）設備可用性狀態、物資供應等資源類要求，（3）物資/設備信息記錄、廢液處理等過程類要求，本案例的系統總體設計從人員、設備、易耗物資三個角度結合業務流程來達成規范要求，提升合規性指標。

在進行系統設計和實施的過程中，需要對系統的整體框架，軟硬件的實現方式以及各模塊功能的需求進行分析和系統的整理。根據對象實驗室的業務邏輯，將系統功能模塊分為人員管理模塊、設備管理模塊、試劑管理模塊（含獨立廢液處理模塊）三個部分，其中人員信息通過人臉識別技術獲取，物資和設備流動的信息通過RFID技術獲取，通過統一的數據管理平臺進行數據處理/交互/統計/分析，實現系統在場景中落地。

根據以上設計，本系統中主要涉及的硬件如下：

硬件	主要功能
設備標簽	綁定設備信息
試劑標簽	綁定試劑信息
改造管理柜	識別/定位試劑信息，存放試劑，提供存放環境條件
攝像頭	識別人員、視頻監控
RFID識別器	識別標簽
天平	試劑稱重
傳感器	監測溫濕度、氣體濃度

本項目涉及硬件在市場上有較多不同路線的成熟商用產品，本文主要圍繞系統設計與功能集成討論，此處硬件選型略去不表。

本案例場景系統各項功能雖然是根據對象實驗室業務流程設計，但仍在一定程度上改變了其原有運作模式，需從技術實現和效率提升的角度保證其正向優化效果。

技術實現：對象實驗室場景系統涉足業務廣泛，出于系統部署過程中可能會頻繁更新迭代的考量，系統采用B/S架構設計，主要功能模塊都在后臺服務器端，易于升級維護，可隨時根據用戶實際使用需求遠程調整功能模塊，并且支持用戶通過瀏覽器進行訪問，減少了使用的維護成本。系統選用可靠的軟硬件一體技術路線進行設計，硬件產品選型成熟可靠的商用產品，系統中使用的設備標簽、試劑標簽等屬于目前實驗室常見的基礎設施，人員身份通過人臉識別認證，學習/理解成本和使用成本較低；使用的智能管理柜設備集成度較高，即插即用，無需配置，用戶可無障礙使用。

效率提升：場景系統將各流程轉變成完整的電子化流程，結合人員權限管理、功能模塊分配、數據處理等手段，隱藏不需要人工干預的中間環節，實現“端到端"的信息傳遞，可大大提升使用效率和體驗感；場景系統對整體數據進行全面統籌，呈現格式統一的數據報表，方便用戶查詢、導出，提高用戶決策的科學性和準確性。

管理模塊

1. 人員管理模塊

規范中要求實驗室對人員能力進行全程監控，因新進人員或業務發生變更，導致人員整體能力不匹配時，需要及時啟動培訓程序或配置取證渠道，實現持證上崗。人員機制設計如下圖所示，通過人員檔案中的上崗證和校核證信息，結合人員權限管理，可避免權限不符的人員誤操作造成信息泄漏、數據修改錯誤等問題。

▲ 配圖：建立全面的人員檔案，結合區域門禁實現準入管理

▲ 配圖：將培訓考核與人員能力聯系起來，確保勝任工作

2. 設備管理模塊

規范中要求實驗室強化設備的定期校準、核查和維護，以保證設備穩定工作。設備管理模塊設計如下圖，通過將標簽與設備信息進行綁定，當設備需要進行維修/維護、計量等活動時，系統為用戶指向對應設備的標簽位置；未按系統指示進行操作將激活預警，直到規范操作；用戶定期將自行盤點的數據與系統數據庫進行一鍵比對，及時查漏補缺。

▲ 配圖：建立詳實的儀器設備檔案，錄入完整的維護、計量信息

▲ 配圖：利用標簽、手持終端、智能電源形成有效的管理、監控能力

3. 試劑管理模塊

規范中要求對實驗室試劑、耗材等易耗品盡可能全面地控制，即全周期管理。試劑管理模塊設計如下:

無紙化

系統中的試劑管理模塊設計主要是對實驗室試劑、耗材等易耗品進行從入庫、領用、歸還到最終報廢的全生命周期管理，通過將RFID標簽與試劑信息進行綁定，在使用過程中進行識別、數據采集和自動記錄，整個過程無需人工登記檔案；軟件功能從信息管理、物理性質、數據處理三個維度進行覆蓋，用戶可以直接在軟件完成日常操作和管理。

有效控制

在易耗品使用過程中，除常規承載軟件的終端和識讀標簽的識別器外，還需要搭配其它硬件用于構建完整的基礎服務，如人員數據/人臉識別算法搭配攝像頭實現人員身份驗證，通信/控制服務搭配電子鎖實現開關柜門；定位算法搭配分布于存儲層板的標簽識讀器實現自動記錄標簽出入庫和定位；環境監測服務搭配溫濕度、氣體濃度傳感器實現存儲環境監控等，試劑管理模塊將軟件服務與集成的各項硬件一一對應，實現日常操作和管理的全程數據化和可控。

數據支撐

系統各模塊充分利用錄入的易耗品成本、有效期情況和使用中收集的各方面的數據，整合分析出不同維度的報表，并提供統計、查詢、篩選等數據查看方式，方便用戶根據自身管理目標針對性地介入，實現整體控制的目的。