射頻識別技術(shù)結(jié)合人臉識別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理

翁玉華，潘蕊，許振玲，顏長明，歐陽小清，董志強，張春艷，阮嬋姿，呂銀云，任艷平

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，福建 廈門 361005

高校實驗室使用的試劑尤其危險試劑種類多，存放點多且分散，目前大部分高校都存在試劑管理模式粗放、管理信息不全面的現(xiàn)象。為了有效防止易制毒、易制爆及其他各種危險化學(xué)品被用于危害社會，國家相關(guān)部門制定了一系列嚴(yán)格的法律法規(guī)加強對危險化學(xué)品(包括高校實驗室試劑)的安全管理[1–4]。當(dāng)前國際形勢復(fù)雜，需要對一些特殊區(qū)域或特殊部門的化學(xué)品實行全面嚴(yán)格管控。由此可見，對化學(xué)品進(jìn)行科學(xué)規(guī)范管理極其重要，除了嚴(yán)格的環(huán)境管理，還要求精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)管理。

廈門大學(xué)化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心經(jīng)過多年的細(xì)化建設(shè)和細(xì)化管理，真正建成了安全、規(guī)范、高效、實用的現(xiàn)代化教學(xué)實驗室，積極發(fā)揮著國家級實驗教學(xué)示范中心的“示范”與“輻射”作用[5,6]。在試劑管理方面已經(jīng)摸索出一套“細(xì)化”“動態(tài)”管理模式，既滿足了實驗教學(xué)需要，又保證了實驗試劑的安全性。

1 試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理現(xiàn)狀

廈門大學(xué)化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心已經(jīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)[7]設(shè)立專用試劑倉庫，所有試劑根據(jù)種類和危險特性分柜存放：常規(guī)試劑存放在普通試劑柜中，強腐蝕性試劑存放在耐腐蝕的PP (聚丙烯)試劑柜中，易制毒試劑存放在鋼制的藍(lán)色毒品柜中，易制爆試劑存放在鋼制的黃色防爆柜中，強揮發(fā)性試劑存放在通風(fēng)試劑柜中(圖1)?？紤]到有些化學(xué)品混合存放可能產(chǎn)生危險，特別定制了試劑組合柜，將存在配伍禁忌的試劑分開存放。毒品柜、防爆柜和危險試劑柜采用雙人雙鎖管理辦法。對所有試劑進(jìn)行登記、造冊并錄入計算機，定期對庫存試劑進(jìn)行盤點，及時補充庫存量不足的試劑。但是人工清點、手工記錄的管理方式費時費力，難以對每次試劑使用情況進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，存在一定的管理漏洞，離真正的信息化、智能化和自動化管理還有一定距離，這也是目前全國高校普遍存在的問題，為此我們率先引入國際上流行的射頻識別技術(shù)和人臉識別技術(shù)，開發(fā)出一套試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)。

圖1 PP試劑柜(白色)、防爆柜(黃色)、毒品柜(藍(lán)色)和通風(fēng)PP試劑柜(白色)

2 射頻識別技術(shù)結(jié)合人臉識別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)的構(gòu)成

射頻識別和人臉識別這兩種技術(shù)都已發(fā)展得相當(dāng)成熟，也得到了廣泛應(yīng)用，但二者的結(jié)合應(yīng)用目前多見于門禁系統(tǒng)管理[8,9]，未見有關(guān)其他方面應(yīng)用的報道。

2.1 射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)(Radio frequency identification，RFID)通過無線電波進(jìn)行不接觸快速信息交換和存儲，將無線通信技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，并連接數(shù)據(jù)庫，串聯(lián)起一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括電子標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用軟件三部分。商品化的電子標(biāo)簽種類豐富，如不干膠標(biāo)簽、卡片標(biāo)簽、鈕扣標(biāo)簽、釘子標(biāo)簽、鑰匙扣標(biāo)簽、手環(huán)標(biāo)簽等，適合各種場所使用，甚至可以嵌入物體內(nèi)部使用，其單價從幾角到幾十元不等。電子標(biāo)簽可以通過閱讀器存儲數(shù)據(jù)，可容納的信息量大，也可以通過閱讀器直接修改或刪除電子標(biāo)簽所存數(shù)據(jù)，電子標(biāo)簽可反復(fù)使用。電子標(biāo)簽所存信息通過閱讀器閱讀，閱讀標(biāo)簽時沒有方向性，可同時閱讀多個標(biāo)簽，閱讀范圍可根據(jù)實際需要通過改變閱讀器的發(fā)射功率來調(diào)節(jié)。

相比于大家熟悉的條形碼和二維碼，RFID電子標(biāo)簽價格雖然較高，但是RFID技術(shù)的自動化識別和數(shù)據(jù)采集能力遠(yuǎn)高于條形碼和二維碼技術(shù)，RFID技術(shù)被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)最有前景的信息技術(shù)之一，已廣泛用于食品、服裝、醫(yī)療、零售、物流、圖書館等多個行業(yè)[10–12]。

2.2 人臉識別技術(shù)

人臉識別是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識別的一種生物識別技術(shù)，是人工智能技術(shù)的應(yīng)用之一。人臉與生俱來，其唯一性和不易被復(fù)制的良好特性為身份鑒別提供了必要的前提。人臉識別技術(shù)具有非強制性、非接觸性、操作簡單、結(jié)果直觀、隱蔽性好等特點，在金融、公安、司法、通行、安保、考勤及自助服務(wù)等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用[13–15]。

2.3 射頻識別技術(shù)結(jié)合人臉識別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)的構(gòu)成

廈門大學(xué)化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心自主開發(fā)的融合了射頻識別技術(shù)與人臉識別技術(shù)的試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)，由硬件、應(yīng)用軟件和電子標(biāo)簽三部分組成。硬件包括電腦、攝像頭、RFID閱讀器、電子天平、報警器等。應(yīng)用軟件根據(jù)化學(xué)實驗室試劑使用規(guī)范和管理要求自主開發(fā)，具備數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計等功能。電子標(biāo)簽直接從市場購買，綜合考慮了使用成本、使用便利性以及耐腐蝕性等多方面因素，我們選用以塑料膜為載體的不干膠標(biāo)簽。

每個試劑倉庫配備一臺帶攝像頭和觸摸顯示屏的電腦作為管理終端，試劑管理過程中的很多操作可以直接在觸摸屏上完成。人臉識別通過攝像頭實現(xiàn)，貫穿于試劑管理全過程，完成包括應(yīng)用軟件登錄、管理系統(tǒng)使用過程中使用人身份確認(rèn)、軟件空閑鎖定后的激活以及進(jìn)出試劑倉庫人員的身份確認(rèn)等各項功能。

3 射頻識別技術(shù)結(jié)合人臉識別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)使用流程

整套管理系統(tǒng)由專業(yè)人員幫助安裝，使用人員只需了解系統(tǒng)的基本構(gòu)成，即可按照該系統(tǒng)的使用流程(如圖2)進(jìn)行“傻瓜式”操作。使用流程包括試劑入庫、試劑領(lǐng)用、空瓶出庫三個部分。

圖2 射頻識別技術(shù)結(jié)合人臉識別技術(shù)用于試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)使用流程

3.1 試劑入庫

系統(tǒng)投入使用之前，先建立數(shù)據(jù)庫并將已有的試劑管理數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。試劑倉庫所有現(xiàn)存試劑以及新購試劑都需要入庫，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取欲入庫試劑檔案(若數(shù)據(jù)庫中無該試劑檔案可補充建檔)，將信息補充完整，每一瓶試劑貼一張電子標(biāo)簽，將試劑放在電子天平上稱重，入庫人只需按一下觸摸屏上的“發(fā)卡鍵”并將桌面發(fā)卡器(閱讀距離約為5 cm的RFID閱讀器)靠近電子標(biāo)簽，聽到“嘀”的提示音，說明電腦已記錄了試劑入庫毛重即最新庫存毛重、入庫時間、入庫人等信息并通過桌面發(fā)卡器將試劑信息寫入電子標(biāo)簽，這個過程稱為發(fā)卡。再將成功發(fā)卡的試劑分類存放在試劑柜里。

3.2 試劑領(lǐng)用

試劑的領(lǐng)用方式有兩種：整瓶領(lǐng)用和部分領(lǐng)用。

1) 整瓶領(lǐng)用。將一瓶或多瓶試劑放在RFID閱讀器閱讀范圍內(nèi)(閱讀距離2 m內(nèi)可調(diào))，閱讀器自動閱讀試劑信息，電腦顯示欲領(lǐng)用試劑清單，領(lǐng)用人核對無誤后按一下觸摸屏上的“領(lǐng)用鍵”，電腦記錄下試劑領(lǐng)用信息如領(lǐng)用人、領(lǐng)用時間等。若未進(jìn)行領(lǐng)用操作就試圖將整瓶試劑帶出試劑倉庫，安裝在倉庫門邊的RFID閱讀器(閱讀距離5 m內(nèi)可調(diào))讀到未領(lǐng)用試劑信息，發(fā)送信號給電腦，電腦記錄下該試劑異常出門時間、倉庫門編號(如有多個倉庫門)等，報警器同時發(fā)出警報。已經(jīng)領(lǐng)用的整瓶試劑送回倉庫上架前要進(jìn)行歸還操作，須逐瓶稱量試劑歸還時毛重，稱量過程中，安裝在電子天平旁邊的RFID閱讀器(閱讀距離約為50 cm)自動閱讀試劑信息，歸還人只需選擇試劑用途(如用在哪個實驗項目)并按一下觸摸屏上的“歸還鍵”，電腦記錄下該試劑的歸還信息如歸還時毛重即最新庫存毛重、歸還人、歸還時間以及本次領(lǐng)用試劑的用途等，同時自動計算出本次試劑領(lǐng)用量。

2) 部分領(lǐng)用。也可利用系統(tǒng)配備的電子天平在試劑倉庫稱取所需量試劑，在試劑稱量過程中，RFID閱讀器自動閱讀試劑信息，領(lǐng)用人選擇試劑用途后按一下觸摸屏上的“稱量鍵”，電腦記錄下所稱試劑的質(zhì)量、領(lǐng)用人、領(lǐng)用時間和本次領(lǐng)用試劑的用途等信息，同時自動計算出試劑的最新庫存毛重。也可先將部分試劑從庫存試劑瓶轉(zhuǎn)移到其他容器，再通過電子天平稱量剩余試劑毛重即最新庫存毛重，電腦自動計算出本次試劑領(lǐng)用量，這種操作方法也適合液體試劑。部分領(lǐng)用全過程都在試劑倉庫完成，更加直接方便。

3.3 空瓶出庫

當(dāng)試劑用完只?？掌繒r，應(yīng)及時將該瓶試劑從試劑庫存中移除，我們專門設(shè)計了空瓶出庫操作環(huán)節(jié)，空瓶出庫的時候電腦記錄下空瓶的處理方法。

將射頻識別技術(shù)和人臉識別技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可以將每次試劑使用細(xì)節(jié)記錄下來(圖3)，這些詳細(xì)數(shù)據(jù)可用于后期對試劑管理鏈條中的任何節(jié)點進(jìn)行倒查。對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以幫助我們了解試劑庫存情況，某一時間段或某個實驗項目的試劑消耗情況等，有計劃、有依據(jù)地進(jìn)行試劑訂購，有效提高了試劑的利用率，避免了試劑因長期存放造成的過期變質(zhì)情況。將本系統(tǒng)結(jié)合人臉識別門禁系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)使用，最大程度地保證了試劑管理和使用的安全性。

圖3 試劑領(lǐng)用明細(xì)查詢界面

4 系統(tǒng)成本

一個試劑倉庫配備一套管理系統(tǒng)，每套管理系統(tǒng)所需投入的硬件和軟件總費用為7–8萬元。系統(tǒng)運行過程中的主要消耗品為電子標(biāo)簽，市售電子標(biāo)簽單價從幾角到幾十元不等，我們選用便宜又可重復(fù)使用的以塑料膜為載體的不干膠標(biāo)簽，可以方便牢固地貼在試劑瓶及其他包裝物上，不易損壞丟失，標(biāo)簽單價為0.35元/張，即使作為一次性標(biāo)簽使用，每年消耗2000張標(biāo)簽，總費用為700元。所以，廈大自主開發(fā)的結(jié)合了射頻識別技術(shù)和人臉識別技術(shù)的試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)無論是前期投入還是運行成本都是比較低的，適合大范圍推廣使用。

5 結(jié)語

我們率先將RFID技術(shù)和人臉識別技術(shù)結(jié)合用于試劑的“細(xì)化”“動態(tài)”管理，有效提高了試劑管理和使用的安全性以及工作人員的工作效率。該系統(tǒng)目前用于教學(xué)實驗室的試劑管理，也可應(yīng)用于科研實驗室的試劑管理。如能進(jìn)一步將這種管理模式擴展到上游的試劑生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)銷商和下游的化學(xué)廢物處理企業(yè)、環(huán)境衛(wèi)生管理部門，則有望真正實現(xiàn)試劑從生產(chǎn)、貯存、運輸、利用到化學(xué)廢物處置全生命周期的安全管理。

系統(tǒng)投入使用半年來，總體運行穩(wěn)定。針對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的問題和使用人提出的意見建議，我們隨時對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整使其不斷完善，以滿足更多用戶需求。2019年12月中旬，在廈門大學(xué)舉辦的第二屆全國高校化學(xué)實驗技術(shù)交流會上，我們向與會者介紹了廈大自主開發(fā)的應(yīng)用了射頻識別技術(shù)和人臉識別技術(shù)的試劑“細(xì)化”“動態(tài)”管理系統(tǒng)，并現(xiàn)場進(jìn)行了操作演示，大家對該系統(tǒng)給予了高度評價，認(rèn)為有很高的推廣價值。