石油地質(zhì)類實驗室管理系統(tǒng)開發(fā)

江日念，許 錕，竇文思，林 霞

（中國石油勘探開發(fā)研究院計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

中國石油勘探開發(fā)研究院（RIPED）是中國石油天然氣集團(tuán)公司（CNPC）面向全球石油天然氣勘探開發(fā)的綜合性研究機(jī)構(gòu)，包括北京院區(qū)、廊坊院區(qū)、西北分院和杭州地質(zhì)研究院，業(yè)務(wù)領(lǐng)域涵蓋油氣勘探、油氣田開發(fā)、油氣井工程、信息化與標(biāo)準(zhǔn)化、新能源勘探開發(fā)、技術(shù)培訓(xùn)與研究生教育等。研究院擁有提高采收率國家重點實驗室、頁巖氣國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心和國家能源CO2驅(qū)油與埋存技術(shù)研發(fā)（實驗）中心等3個國家級重點實驗室，以及16個公司級重點實驗室和眾多儀器設(shè)備。重點實驗室已由建設(shè)階段轉(zhuǎn)為運(yùn)行階段，日常的管理人員不足，管理工作量大，需要研發(fā)一套能夠滿足研究院實驗室業(yè)務(wù)需求的實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS［1-3］）。系統(tǒng)能夠以實驗室為中心，將實驗室業(yè)務(wù)流程、環(huán)境、人員、儀器設(shè)備、標(biāo)物標(biāo)液、化學(xué)試劑、標(biāo)準(zhǔn)方法、圖書資料、文件記錄結(jié)合起來，采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的實驗室管理思想，組成一個全面、規(guī)范的管理體系，以支撐實驗室的日常運(yùn)行，減輕管理壓力，提升管理水平，實現(xiàn)資源共享。

在LIMS的建設(shè)上，許多高校都成功研發(fā)適合自身的實驗室綜合管理系統(tǒng)，提升了實驗室的管理效率和水平［4-7］。在企業(yè)實驗室管理領(lǐng)域，LIMS系統(tǒng)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，通過采購商業(yè)軟件或者自主研發(fā)滿足了企業(yè)日常管理需求。在石油行業(yè)，早期研究者意識到了LIMS在石油地質(zhì)類實驗室管理的重要性，探討了系統(tǒng)的建設(shè)的必要性和可能面臨問題的應(yīng)對策略，但并未給出詳細(xì)系統(tǒng)實現(xiàn)［8-9］。李松等［10］提出了有機(jī)分析實驗室LIMS系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用，其文中提到的流程與石油地質(zhì)的實驗流程類似，但一方面只能涵蓋石油地質(zhì)實驗室部分業(yè)務(wù)，另一方面系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，在系統(tǒng)安裝、使用、可維護(hù)性上存在不便。陳靈泉等［11］針對石油學(xué)科實驗室的特殊性，探討了其安全管理存在問題及對策，如依托LIMS系統(tǒng)將其安全管理理念落地，則會取得更好的效果。

1 需求分析

LIMS系統(tǒng)要滿足3個國家重點實驗室和16個公司重點實驗室業(yè)務(wù)需求，通過調(diào)研，管理部門、重點實驗室、相關(guān)研究所期望通過LIMS系統(tǒng)的建設(shè)滿足以下需求：

（1）對公司重點實驗室建設(shè)特別是運(yùn)行管理過程中形成的相關(guān)信息（實驗設(shè)備、人員、實驗分析項目、實驗信息以及日常上報文檔）實施信息化管理，可強(qiáng)化并細(xì)化重點實驗室管理工作，提高各層面管理人員的工作效率，進(jìn)一步提升管理水平。

（2）促進(jìn)公司重點實驗室進(jìn)一步規(guī)范對實驗設(shè)備、實驗信息（包括接收樣品、原始數(shù)據(jù)以及實驗/檢測報告簽發(fā)管理等）對外開放相關(guān)信息的管理工作。

（3）通過按照統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)建立相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫及相關(guān)材料的電子版本備份，逐步實現(xiàn)重點實驗室的信息化管理及資源共享，為深化重點實驗室的對外開放工作奠定基礎(chǔ)。

（4）3個國家重點實驗室由管理辦公室統(tǒng)一管理，并關(guān)聯(lián)到相關(guān)業(yè)務(wù)研究所。管理部門要對人員、設(shè)備以及日常資料進(jìn)行信息化管理；能夠上報和查詢國家重點實驗室年度總結(jié)報告、實驗室調(diào)整報告、會議紀(jì)要和其他文檔；能夠上報和查詢國家重點實驗室學(xué)術(shù)交流情況。

（5）16個公司重點實驗室設(shè)立在各研究所，由重點實驗室管理辦公室全局統(tǒng)籌，日常運(yùn)行由研究所管理。研究所要對各實驗室的人員、儀器設(shè)備、材料、樣品、上崗培訓(xùn)、實驗項目等進(jìn)行管理，管理辦公室要對實驗室人員、儀器設(shè)備、學(xué)術(shù)交流、報告文檔等進(jìn)行查詢、統(tǒng)計匯總。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為滿足以上系統(tǒng)需求，對各實驗室的通用管理業(yè)務(wù)進(jìn)行抽象提煉，如實驗室各類資源的上報、統(tǒng)計、查詢。此次針對部分重點實驗室中業(yè)務(wù)量大，信息化預(yù)期成效明顯的石油地質(zhì)實驗中心的重點實驗室管理需求進(jìn)行重點設(shè)計。

2.1 石油地質(zhì)實驗室管理功能設(shè)計

石油地質(zhì)實驗室主要設(shè)立在石油地質(zhì)實驗研究中心，該中心目前擁有3個中國石油天然氣股份有限公司重點實驗室，分別是油氣地球化學(xué)重點實驗室、油氣儲層重點實驗室和盆地構(gòu)造與油氣成藏重點實驗室，同時也是“提高石油采收率”國家企業(yè)重點實驗室的一部分。

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，設(shè)計的系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示，包括系統(tǒng)功能、業(yè)務(wù)功能、綜合查詢統(tǒng)計3層。系統(tǒng)功能包括用戶管理、權(quán)限管理、字典管理、模板管理、組織機(jī)構(gòu)管理、系統(tǒng)日志管理等。業(yè)務(wù)功能涵蓋以生產(chǎn)實驗、科研實驗、開放實驗、上崗證辦理的石油地質(zhì)核心業(yè)務(wù)流程；以實驗室信息、人員管理、儀器管理、材料管理、樣品管理為支撐的資源管理；以質(zhì)量管理、知識產(chǎn)權(quán)管理、學(xué)術(shù)交流管理、日常上報文檔、資料管理為輔助的日常管理。綜合查詢統(tǒng)計是基于業(yè)務(wù)功能之上的各類信息的檢索、統(tǒng)計。

圖1 實驗室管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

以上功能架構(gòu)圖業(yè)務(wù)功能以粗粒度的業(yè)務(wù)模塊組織，業(yè)務(wù)設(shè)計以覆蓋普遍需求，突出重點業(yè)務(wù)為宗旨：

（1）生產(chǎn)實驗。面向生產(chǎn)業(yè)務(wù)的實驗，對外部送樣樣品統(tǒng)一登記并通過調(diào)度安排實驗產(chǎn)生檢測報告的全過程。建立從送樣人登記、調(diào)度登記、任務(wù)下達(dá)、樣品收發(fā)、樣品測試、報告審核、報告簽發(fā)、報告接收、報告歸檔、檔案歸檔、收費(fèi)結(jié)算到余樣處理等全過程的流程化跟蹤管理和數(shù)據(jù)信息的電子化管理過程，對送樣的樣品列單可進(jìn)行進(jìn)度查詢、檢測報告郵寄登記、繳費(fèi)單在線打印等。

（2）科研實驗。面向本部門科研人員的實驗，科研人員通過系統(tǒng)使用實驗室的某臺儀器設(shè)備并預(yù)約使用時段，經(jīng)過保管人和主任審批后，系統(tǒng)審查其資質(zhì)判斷其是否需要培訓(xùn)，未經(jīng)過培訓(xùn)的人員由儀器保管人負(fù)責(zé)培訓(xùn)后，實驗人員再進(jìn)行實驗、上傳實驗報告并確定儀器使用時間，儀器保管人進(jìn)行儀器驗收后，結(jié)算員根據(jù)儀器使用機(jī)時進(jìn)行收費(fèi)結(jié)算，相關(guān)人員能夠查看實驗報告并下載。

（3）開放實驗。面向外部人員的開放實驗，外部人員通過系統(tǒng)申請預(yù)約實驗室的某臺開放儀器設(shè)備，經(jīng)過審批后，系統(tǒng)自動審查使用者資質(zhì)判斷其是否需要培訓(xùn)，實驗結(jié)束后上傳實驗報告并進(jìn)行儀器驗收，可根據(jù)儀器使用機(jī)時進(jìn)行計費(fèi)并結(jié)算。

（4）上崗證辦理。實驗室人員在使用某臺儀器時必須有對應(yīng)的儀器的上崗證，實驗人員通過系統(tǒng)提出某臺儀器上崗證的辦理申請，經(jīng)過主任審批、負(fù)責(zé)人培訓(xùn)考核，考核通過后，上崗證辦理專員將其信息上報院相關(guān)部門審批，審批通過后由科研部門辦理制作上崗證。

（5）資源管理。對實驗室日常運(yùn)行的人員、儀器設(shè)備、藥品材料、樣品及實驗室基本信息管理。儀器設(shè)備管理需要涵蓋儀器信息維護(hù)、儀器維修登記、儀器運(yùn)行記錄，設(shè)定儀器校驗/檢定計劃、儀器校驗/檢定提醒，定期進(jìn)行校驗/檢定，并記進(jìn)行記錄；材料管理要維護(hù)藥品、標(biāo)準(zhǔn)品信息，建立材料庫，進(jìn)行入庫、出庫和盤點；樣品管理要維護(hù)樣品信息，樣品申請使用及流程，并查看樣品使用記錄。

（6）資料管理。對各實驗室資料文件及上報文檔進(jìn)行管理，能夠上傳資料并對資料進(jìn)行授權(quán)，以供相應(yīng)的人員進(jìn)行查看和下載。

（7）學(xué)術(shù)交流管理。對學(xué)術(shù)交流管理，包括邀請報告、參觀訪問、國際學(xué)術(shù)和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議。

（8）日常上報文檔管理。對實驗室日常運(yùn)行產(chǎn)生的文檔進(jìn)行管理，如年度工作總結(jié)、學(xué)術(shù)委員會會議、實驗室大事記、實驗室調(diào)整報告等。

（9）知識產(chǎn)權(quán)管理。對實驗室運(yùn)行期間產(chǎn)生的知識產(chǎn)權(quán)，包括論文、專利、標(biāo)準(zhǔn)、專著、軟件著作權(quán)等的管理。

（10）質(zhì)量管理。根據(jù)各實驗室質(zhì)量認(rèn)證管理的要求，各實驗室制定各類年度計劃，對人員培訓(xùn)記錄、比對驗證記錄、內(nèi)部評審記錄、管理評審記錄、質(zhì)量監(jiān)督記錄、事故報告記錄、申訴處理記錄、客戶回訪記錄、安全檢查記錄等質(zhì)量相關(guān)的信息表單的錄入、維護(hù)、查詢，以及計劃執(zhí)行情況的查詢。

（11）查詢統(tǒng)計。對實驗室資源、實驗過程、實驗工作量多維度的查詢統(tǒng)計。主要包括：對實驗室儀器設(shè)備、藥品材料、標(biāo)準(zhǔn)品、人員等資源的查詢；對儀器設(shè)備使用情況，故障維修情況和儀器使用率的查詢統(tǒng)計；對生產(chǎn)任務(wù)列單、分析樣品實時動態(tài)、項目進(jìn)度的跟蹤查詢；對科研實驗、開放實驗過程的跟蹤查詢；對實驗室產(chǎn)值的查詢統(tǒng)計；對課題實驗工作量、實驗檢測報告的查詢。

其中生產(chǎn)實驗、科研實驗、開放實驗是重點需求，通過3個重點實驗流程將實驗室資源、實驗過程、實驗成果資料貫穿起來。

2.2 系統(tǒng)安全設(shè)計

系統(tǒng)安全方面，按照“事前預(yù)防、事中控制、事后追蹤”的原則對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，安全策略采用如下幾種方式：

（1）權(quán)限管理。基于RBAC 的權(quán)限模型［12-13］，按照用戶、角色、功能、數(shù)據(jù)范圍對各業(yè)務(wù)功能進(jìn)行細(xì)粒度的權(quán)限控制，攔截未授權(quán)的訪問請求。

（2）三員分立。建立系統(tǒng)管理員、安全保密管理員、安全審查員3個角色，由不同的人員承擔(dān)，三者關(guān)系相互獨立、互相制約。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)系統(tǒng)用戶權(quán)限的開放工作，具有賦予權(quán)；安全保密員負(fù)責(zé)系統(tǒng)用戶權(quán)限開放的審批，具有審批權(quán)；安全審計員負(fù)責(zé)開展操作日志審計，特別是針對系統(tǒng)管理員和安全保密員在系統(tǒng)操作過程中的行為進(jìn)行審計，具有監(jiān)督權(quán)。

（3）資料授權(quán)。遵循“誰上傳、誰負(fù)責(zé)”的原則，資料上傳人自主決定將資料共享給相關(guān)的人員、群組、組織機(jī)構(gòu)。

（4）統(tǒng)一身份認(rèn)證。系統(tǒng)不存儲用戶的賬號信息，基于統(tǒng)一的身份認(rèn)證平臺做單點登錄認(rèn)證。

（5）系統(tǒng)日志。對用戶登錄、核心業(yè)務(wù)使用進(jìn)行日志埋點和日志收集，以便對涉及安全問題的用戶進(jìn)行行為審計，做到事后追蹤。

2.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用經(jīng)典的MVC 3層架構(gòu)［14］，分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)處理層、前端展示層，基于3層架構(gòu)之上構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 實驗室管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)前端基于Web2.0技術(shù)，以dhtmlx作為展示層，后端基于Spring框架編寫業(yè)務(wù)處理層邏輯，底層通過druid連接池可接入多種數(shù)據(jù)源，本項目采用MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)以組件方式搭建，包括自主研發(fā)組件、第三方開源組件、商業(yè)組件。這些組件的使用提高了研發(fā)效率和軟件質(zhì)量，也利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。比如使用代碼生成器技術(shù)［15］研發(fā)的代碼生成器可以在數(shù)分鐘內(nèi)生成學(xué)術(shù)交流管理、日常上報文檔、知識產(chǎn)權(quán)管理、質(zhì)量管理等業(yè)務(wù)功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)——以生產(chǎn)實驗為例

根據(jù)以上的需求分析和設(shè)計實現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能，支撐石油地質(zhì)實驗室的日常運(yùn)行管理。下面以實驗室的核心流程生產(chǎn)實驗為例說明系統(tǒng)的實現(xiàn)。

3.1 業(yè)務(wù)實現(xiàn)

生產(chǎn)實驗是面向生產(chǎn)業(yè)務(wù)的實驗，送樣人提交樣品和線上登記后，調(diào)度安排實驗流程，產(chǎn)生實驗結(jié)果并反饋給送樣人，同時調(diào)度對檢測報告進(jìn)行歸檔并對客戶進(jìn)行結(jié)算，其流程如圖3所示。

（1）送樣人登記。送樣人（客戶）可以自由選擇進(jìn)行樣品測試的實驗室，填寫樣品基本信息，根據(jù)模板上傳樣品信息文件。

（2）調(diào)度登記。調(diào)度可以新增送樣單，也可以審核送樣人登記的送樣單，對審核通過的送樣單進(jìn)行部分修改形成一個合格的送樣單。調(diào)度對送樣單選擇檢測項目后，從Excel樣品文件中導(dǎo)入并修改信息，自動生成送樣通知單。

（3）任務(wù)下達(dá)。調(diào)度安排檢測項目后，形成實驗任務(wù)，設(shè)置樣品在各檢測崗位的流轉(zhuǎn)流程，并能跟蹤任務(wù)單進(jìn)度，任務(wù)下達(dá)后產(chǎn)生結(jié)算收費(fèi)單，由結(jié)算員對送樣單進(jìn)行收費(fèi)結(jié)算。

（4）樣品收發(fā)。調(diào)度下達(dá)任務(wù)后，各崗位的實驗人員產(chǎn)生樣品接收待辦，同一崗位的人員可對樣品接收進(jìn)行“搶辦”。崗位下實驗人員進(jìn)行完實驗后，如存在下游崗位，可將樣品發(fā)送到下一個崗位，由下一個崗位實驗人員進(jìn)行樣品接收，如有余樣可將余樣發(fā)送給調(diào)度，由調(diào)度接收并處理，否則該樣品收發(fā)的分支流程結(jié)束，如圖3左側(cè)的樣品收發(fā)子流程所示。

（5）樣品測試。檢測人接收樣品并在線下進(jìn)行實驗，一個崗位接收樣品，可同時進(jìn)行多個檢測項目實驗，完成實驗后下載檢測報告模板，填寫實驗結(jié)果，并上傳含有實驗結(jié)果的檢測報告，同時對使用的儀器進(jìn)行記錄，包括使用時段、工作內(nèi)容、設(shè)備狀況。

（6）報告審核。審核人在報告審核待辦中下載檢測報告，查看實驗檢測結(jié)果，對不合格報告退回到檢測人，對合格的報告自動流轉(zhuǎn)到報告簽發(fā)人。

（7）報告簽發(fā)。簽發(fā)人對報告再次審核，不通過則退回到檢測人重新測試，通過則發(fā)送給檢測人進(jìn)行報告接收。樣品測試、報告審核、報告簽發(fā)的三審機(jī)制是生產(chǎn)實驗質(zhì)量控制重要的一環(huán)。

（8）報告接收。檢測人接收報告并保持，可對報告進(jìn)行打印并郵寄給送樣人。

（9）報告歸檔。調(diào)度對檢測報告進(jìn)行初步歸檔。

（10）檔案歸檔。對實驗報告進(jìn)行檔案歸檔，并自動進(jìn)入資料庫，可以新增報告更正說明。

圖3 石油地質(zhì)類生產(chǎn)實驗流程

生產(chǎn)實驗流程有5個角色：送樣人、調(diào)度、實驗人員（包括檢測人、審核人、簽發(fā)人）、收費(fèi)結(jié)算員、檔案員。調(diào)度和實驗人員是生產(chǎn)實驗流程流轉(zhuǎn)的紐帶，流程以樣品為輸入，以檢測報告為輸出，多方共同參與完成生產(chǎn)實驗全過程。

3.2 技術(shù)實現(xiàn)

在生產(chǎn)實驗的技術(shù)實現(xiàn)上，有如下實現(xiàn)要點：

（1）可視化實驗流程調(diào)度。在任務(wù)下達(dá)時，調(diào)度通過可視化流程定義，安排各實驗崗位之間樣品收發(fā)的流程，流程采用工作流插件GooFlow實現(xiàn)。

圖4所示為任務(wù)下達(dá)后的一個樣品流轉(zhuǎn)圖，每個節(jié)點代表一個崗位，每條邊代表樣品的流向，調(diào)度是流程的開始節(jié)點，除調(diào)度外，其他節(jié)點為實驗人員崗位，一個實驗崗位可做多個檢測項目。節(jié)點顏色代表不同的狀態(tài)，綠色表示該崗位已經(jīng)接受了樣品并完成了指定的檢測項目，并將樣品發(fā)送到下一個節(jié)點；黃色為樣品待接收崗；灰色為尚未開始的崗位節(jié)點。

調(diào)度通過拖拽方式可視化定義樣品流轉(zhuǎn)圖。直觀掌握樣品分發(fā)后樣品流轉(zhuǎn)動向和各崗位工作進(jìn)度，且樣品流轉(zhuǎn)圖具有繼承、記憶功能，能夠根據(jù)調(diào)度選擇的崗位組合自動獲取歷史流程，方便調(diào)度使用。

圖4 任務(wù)下達(dá)-樣品流轉(zhuǎn)圖

（2）基于模板的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出。在送樣登記時，下載送樣單模板并填寫送樣單信息，導(dǎo)入系統(tǒng)自動識別送樣人信息、樣品信息、每個樣品對應(yīng)的檢測項目信息，調(diào)度可對信息進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省了調(diào)度填寫送樣單的工作量；在檢測報告下載、送樣單通知生成、三聯(lián)收費(fèi)結(jié)算單生成時，自動在對應(yīng)的模板中生成，并可導(dǎo)出、下載打印、在線打印，規(guī)范了系統(tǒng)中表單、報告格式。

（3）實驗報告三審簽名自動生成。在樣品測試、報告審核、報告簽收的三審過程中，通過POI操作Excel讀寫圖片自動在報告模板的位置插入對應(yīng)角色的簽名。

（4）基于XML配置的動態(tài)數(shù)據(jù)查詢。后臺查詢引擎自動識別前端的查詢條件、分頁信息、排序信息，調(diào)用XML配置生成數(shù)據(jù)，由前端二次開發(fā)的表格組件dhtmlxGrid渲染，系統(tǒng)運(yùn)行時可動態(tài)修改查詢條件，數(shù)據(jù)列，而不用重新編碼。

技術(shù)選型與實現(xiàn)滿足了系統(tǒng)隨需應(yīng)變的能力，支撐了生產(chǎn)實驗從樣品接收、收費(fèi)結(jié)算、實驗過程、歸檔的全流程，滿足了系統(tǒng)可視化展示、快速開發(fā)、按需擴(kuò)展的能力。

4 結(jié) 語

為了滿足勘探院國家重點實驗室和公司重點實驗室的日常運(yùn)行管理，設(shè)計和實現(xiàn)了實驗室信息管理系統(tǒng)。針對實驗室管理的普遍需求和重點業(yè)務(wù)需求，對石油地質(zhì)類實驗室的日常運(yùn)行業(yè)務(wù)進(jìn)行重點分析設(shè)計，簡要闡述系統(tǒng)安全設(shè)計、技術(shù)架構(gòu)設(shè)計，最后，以業(yè)務(wù)核心流程生產(chǎn)實驗為例說明了系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)部分技術(shù)實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

石油地質(zhì)類LIMS已經(jīng)上線運(yùn)行，各重點實驗室的通用管理業(yè)務(wù)已在平臺實現(xiàn)，如資源管理、日常管理、質(zhì)量管理、學(xué)術(shù)交流、知識產(chǎn)權(quán)管理。石油地質(zhì)類實驗的核心流程生產(chǎn)實驗、科研實驗、開放實驗、上崗證辦理已在平臺運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，已有用戶近2 000人，生產(chǎn)實驗累計送樣3 000多單，產(chǎn)生實驗報告近7 000份。在技術(shù)實現(xiàn)上，調(diào)度通過可視化流程組件配置實驗流程，系統(tǒng)通過模板實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、簽名、在線打印，通過XML配置實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)查詢與配置。系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠滿足石油地質(zhì)類實驗室運(yùn)行管理需求，具有推廣應(yīng)用的價值。