LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)在水質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用

郭麗平

摘 要：水文隊(duì)與北京三維天地科技有限公司開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，具有檢測業(yè)務(wù)流程管理、質(zhì)量控制管理、全面資源管理、查詢與統(tǒng)計(jì)等功能。采用B/S開發(fā)模式，基于5層次架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，確保系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性。初步實(shí)現(xiàn)了150多個無機(jī)、有機(jī)指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集，順利完成了以北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行項(xiàng)目為主的多個項(xiàng)目中40多個指標(biāo)，共計(jì)4000多個樣品的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集工作，并采取與手工抄寫報告比對的方式，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)的可靠性，提高了實(shí)驗(yàn)室工作效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：LIMS實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集自動化;水質(zhì)檢測

Application of? LIMS laboratory information management system in water quality testing laboratory

GUO Liping

（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology （Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring）， Beijing 100195， China）

Abstract： The laboratory information management system developed by the Hydrology Team and Beijing Sanweitiandi Technology Co.， Ltd.， has the functions of testing business process management， quality control management， comprehensive resource management， inquiry and statistics， etc. B/S development mode is adopted to design and develop the system based on the five-level architecture. MySQL database is adopted to ensure highly secure and reliable systems. Over 150 inorganic and organic indicators were collected. And the laboratory data collection has been successfully completed of over 40 indicators and over 4，000 samples in many projects， mainly including the Beijing Groundwater Monitoring Network Operation Project. Reliability of the laboratory test data collected has been verified by comparing with handwritten reports， thus improving the laboratory work efficiency and management level.

Keywords： LIMS laboratory management system; data acquisition automation; water quality testing

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)早在20年前就在發(fā)達(dá)國家的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展起來，在食品、制藥、電力、化工、教育和科研等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用（聶真真等，2019）。截至2018年底，我國LIMS（Laboratory Information Management System）在檢測行業(yè)的覆蓋率可達(dá)15%～20%（張聰，2019）。同樣，近年來在我國各省市的環(huán)境監(jiān)測部門中也越來越多的開始應(yīng)用起來。

20世紀(jì)90年代初，水文隊(duì)實(shí)驗(yàn)室所有的原始記錄和報告的空白表格格式統(tǒng)一而固定，且是批量印刷，報告是人工抄寫，紙質(zhì)保存。2000年隨著電腦的普及，Office辦公軟件開始被應(yīng)用起來，Excel的應(yīng)用使得計(jì)算要比手敲計(jì)算器方便快捷很多，Word使報告可以機(jī)打，告別了手抄報告。2010年由于北京市平原區(qū)地下水監(jiān)測項(xiàng)目的開展，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要整理。2016年數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和使用，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)有組織地管理全市平原區(qū)1200多眼井的每年2～4次取樣、每個水樣包括40多個指標(biāo)的大量的檢測數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的共享使用。目前隨著北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行項(xiàng)目的開展，我單位承擔(dān)了北京市地下水環(huán)境監(jiān)測與評價，污染源調(diào)查與監(jiān)測等任務(wù);此外，針對北京市地下水污染與供水安全問題，我隊(duì)開展了北京市地下水污染評價與防治、有機(jī)污染源辨識與地下水系統(tǒng)風(fēng)險評價等科研工作，旨以科技進(jìn)步促進(jìn)北京地區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用。與此同時實(shí)驗(yàn)室擁有了離子色譜、ICP、ICP-MAS、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等50多臺套先進(jìn)的儀器設(shè)備，可以承擔(dān)無機(jī)、有機(jī)、放射性等200多個指標(biāo)的檢測。每年需要提供大量的真實(shí)可靠的檢測數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步解決當(dāng)前地下水檢測工作中存在的問題和不足，改變地下水檢測數(shù)據(jù)提交相對滯后的不利局面，按照水文隊(duì)的部署，引入實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)促進(jìn)地下水檢測能力及水平提升。經(jīng)過兩年多的前期調(diào)研籌備工作，決定和北京三維天地科技有限公司（以下簡稱：三維天地）合作開發(fā)，半年后水文隊(duì)LIMS實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)上線。該系統(tǒng)結(jié)合水文隊(duì)的工作特點(diǎn)，開發(fā)了報告預(yù)審功能，開發(fā)了適合水質(zhì)檢測的有特色的質(zhì)控系統(tǒng)，有效提高了檢測工作質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)室管理水平。

1 LIMS的概況

隨著30多臺儀器設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，僅有少量儀器設(shè)備如濁度計(jì)、電子天平、紫外分光光度計(jì)等暫不能上線，LIMS經(jīng)過兩個月靜態(tài)調(diào)試階段，終于上線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了以實(shí)驗(yàn)室為中心，對檢測數(shù)據(jù)和相關(guān)信息進(jìn)行收集、分析、報告和管理，它將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、分析檢驗(yàn)技術(shù)、儀器儀表技術(shù)與科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室管理思想進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，給了我們一個信息管理的平臺。結(jié)合地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作的特點(diǎn)，三維天地為水文隊(duì)實(shí)驗(yàn)室量身定制6個子系統(tǒng)，包括：檢測業(yè)務(wù)流程管理子系統(tǒng)、資源管理子系統(tǒng)、檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量管理子系統(tǒng)、分析原始記錄管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和儀器數(shù)據(jù)自動采集子系統(tǒng)。

2 LIMS子系統(tǒng)功能簡介

根據(jù)我隊(duì)的具體業(yè)務(wù)情況，三維天地對各個子系統(tǒng)進(jìn)行了有針對性地開發(fā)。

（1）檢測業(yè)務(wù)流程管理

包括項(xiàng)目登記、樣品接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)互審、報告預(yù)審、報告編制、報告簽發(fā)和報告歸檔等的全流程管理。項(xiàng)目登記功能解決了監(jiān)測點(diǎn)位每年、每次重復(fù)錄入的問題，因?yàn)榈叵滤O(jiān)測項(xiàng)目和國家地下水項(xiàng)目的點(diǎn)位不變，可以把監(jiān)測點(diǎn)信息導(dǎo)入系統(tǒng)，避免了每次重復(fù)錄入的麻煩。結(jié)合水文隊(duì)化驗(yàn)室工作特點(diǎn)開發(fā)了報告預(yù)審功能，第一，這個功能可以對質(zhì)控不合格的樣品進(jìn)行退回重測;第二，檢測項(xiàng)目上半年水樣檢測1200多個點(diǎn)位，取樣時間長達(dá)兩個月，可以分批提交數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)提交的及時性。

（2）資源管理

遵從ISO/IEC 17025標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)與檢測質(zhì)量密切相關(guān)的全方位管理，提升綜合管理水平。包括人員管理、儀器設(shè)備管理、樣品管理、標(biāo)準(zhǔn)試劑管理、文件管理、檢測方法管理、檢測項(xiàng)目管理、評價標(biāo)準(zhǔn)管理、監(jiān)測對象管理和分包管理。并能對影響質(zhì)量的諸要素進(jìn)行有效的監(jiān)控，將人員上崗資質(zhì)、儀器設(shè)備檢定與校準(zhǔn)狀況、方法標(biāo)準(zhǔn)的有效性、標(biāo)樣試劑的有效性、水質(zhì)達(dá)標(biāo)評價等與檢測工作關(guān)聯(lián)，不符合時有報警功能。質(zhì)量管理人員可查詢相關(guān)信息，進(jìn)行質(zhì)量追蹤（林艷等，2019;朱廣福等，2019;張靜波等，2013）。

（3）檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理

根據(jù)目前所承擔(dān)的北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行項(xiàng)目和國家地下水項(xiàng)目的質(zhì)量控制的具體要求，量身定制了固定格式的幾種報表。主要依據(jù)3個標(biāo)準(zhǔn)：DD 2014-15《地下水污染源調(diào)查評價樣品分析質(zhì)量控制技術(shù)要求》、GB/T 5750.3-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 水質(zhì)分析質(zhì)量控制》、HJ/T 164-2004《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》。從現(xiàn)場平行樣品、實(shí)驗(yàn)室平行樣品、全程序空白、有證標(biāo)準(zhǔn)樣品和自制標(biāo)準(zhǔn)樣品等方面對實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)的內(nèi)部管理進(jìn)行控制?？捎?jì)算平行樣的相對偏差，也可根據(jù)質(zhì)控樣品的標(biāo)準(zhǔn)值對檢測結(jié)果自動評判（圖1）（宋生攀，2017;周環(huán)宇，2019）。

（4）分析原始記錄管理

系統(tǒng)通過對原始記錄模板進(jìn)行整合，在系統(tǒng)中建立相應(yīng)的原始記錄模板，將委托信息、樣品信息、分析參數(shù)、分析方法提取到原始記錄中，并通過原始記錄中結(jié)果數(shù)據(jù)的自動采集，以及自動公式計(jì)算、自動修約（可根據(jù)不同濃度分段修約）、自動判定檢出限（有機(jī)項(xiàng)目可以根據(jù)不同項(xiàng)目對檢出限不同的要求設(shè)定不同的檢出限）、自動單位換算、自動計(jì)算質(zhì)控指標(biāo)、自動判定樣品結(jié)果和質(zhì)控結(jié)果、自動簽名和自動統(tǒng)計(jì)，最終自動合成電子化的原始記錄。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了所有指標(biāo)的原始記錄電子化（圖2）。

（5）數(shù)據(jù)管理

實(shí)現(xiàn)全面數(shù)據(jù)的綜合管理，檢測數(shù)據(jù)、檢測報告和各種查詢統(tǒng)計(jì)報表的自動生成和導(dǎo)出，如docx、xlsx、pdf等多種格式的儀器輸出文件或圖表，支持各種數(shù)據(jù)和信息的統(tǒng)計(jì)和查詢（帥闖等，2019）。結(jié)合各個井位的經(jīng)緯度信息，將來可以實(shí)現(xiàn)在一張地理地圖上自動生成采樣點(diǎn)以往歷史數(shù)據(jù)的趨勢圖，將檢測結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)對比分析。北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行項(xiàng)目將對1800多眼井進(jìn)行長期不斷的動態(tài)監(jiān)測，固定井位不變，每年進(jìn)行2～4次監(jiān)測，其中平原區(qū)的點(diǎn)位已經(jīng)進(jìn)行了10年的監(jiān)測，對這些數(shù)據(jù)的分析和管理尤其重要。

（6）儀器數(shù)據(jù)自動采集

儀器分析的數(shù)據(jù)可自動上傳到LIMS系統(tǒng)中，LIMS系統(tǒng)可自動完成對原始數(shù)據(jù)的處理，如計(jì)算、修約、單位換算、曲線生成和超標(biāo)判定等，最終生成原始記錄。通過對儀器信號的自動采集，既減少分析人員抄錄數(shù)據(jù)的工作量，同時也避免因人工抄寫產(chǎn)生的錯誤、偏差，系統(tǒng)會自動保存上傳的數(shù)據(jù)以及譜圖文件，保證數(shù)據(jù)的可追溯性（孟靂，2020）。

3 LIMS的應(yīng)用特點(diǎn)

（1）完整的質(zhì)量保證體系

遵循導(dǎo)則ISO/IEC 17025，方便實(shí)驗(yàn)室管理者對于影響實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量的諸多要素進(jìn)行全面管理和控制，對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、儀器設(shè)備、標(biāo)物標(biāo)液、人員和方法標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)驗(yàn)室的各種資源進(jìn)行全面、詳實(shí)的管理。

（2）儀器信號的自動采集

數(shù)據(jù)電子化，實(shí)現(xiàn)無紙化辦公，不僅節(jié)約了紙張，還方便了數(shù)據(jù)的查詢。以前大量的原始記錄滿滿得裝了幾個柜子，查閱起來也不方便，現(xiàn)在節(jié)省了空間和時間。

（3）質(zhì)量信息技術(shù)化

建立信息管理系統(tǒng)后，從工作質(zhì)量控制角度，可以解決以下問題：

一是幾種報表可以直觀地把質(zhì)量問題暴露出來。我們目前使用了陰陽離子匯總表、報告數(shù)據(jù)匯總表、質(zhì)控報表以及分析任務(wù)查詢表等，以前分析人員要把每個項(xiàng)目的質(zhì)控檢測數(shù)據(jù)報給質(zhì)量管理人員，管理人員要先收集好數(shù)據(jù)，再進(jìn)行質(zhì)量控制工作。數(shù)據(jù)的收集整理占據(jù)了大量的時間，往往不能及時發(fā)現(xiàn)問題。現(xiàn)在可以從原來繁瑣的收集、整理質(zhì)量信息的工作中解脫出來，集中精力關(guān)注質(zhì)量控制工作。解決了一直困擾質(zhì)控人員的問題。

二是幫助質(zhì)量管理人員發(fā)現(xiàn)問題、確認(rèn)問題、解決問題及對質(zhì)量產(chǎn)生的問題進(jìn)行追溯。系統(tǒng)能詳細(xì)記錄業(yè)務(wù)流程中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，對疑問數(shù)據(jù)能及時溯源。這樣就提高了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和公正性，實(shí)現(xiàn)對日常工作全過程的質(zhì)量控制和監(jiān)管，提升質(zhì)量管理的水平。三維天地為水文隊(duì)的質(zhì)量管理開發(fā)了適合水質(zhì)檢測的專門的有特色的質(zhì)控體系，例如添加了陰陽離子平衡偏差小于3%，游離二氧化碳、碳酸鹽和pH的相關(guān)性，電導(dǎo)率和溶解性總固體的相關(guān)性等質(zhì)控手段。這樣能及時的發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，及時復(fù)測（圖3）。

（4）數(shù)據(jù)保密性

水文隊(duì)實(shí)驗(yàn)室配備了專門的局域網(wǎng)系統(tǒng)，確保信息安全。系統(tǒng)根據(jù)工作職責(zé)不同對管理權(quán)限進(jìn)行劃分，也就是一個用戶只有一套操作權(quán)限。用戶可以根據(jù)自身需求關(guān)聯(lián)多個角色，且不同角色具備不同操作權(quán)限，從而對不同操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行嚴(yán)格控制。每個操作人員都需要密碼登錄（楊曉雪，2019）。

（5）系統(tǒng)采用架構(gòu)與數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)采用B/S開發(fā)模式。客戶端無需安裝軟件即可正常使用，減少系統(tǒng)維護(hù)的工作量。系統(tǒng)構(gòu)架主要包括5個層次的功能：應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施層、信息資源層、支撐層、應(yīng)用層和信息展示層。數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，是一種開放源代碼的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，因此任何人可以根據(jù)個性化的需要對其進(jìn)行修改。因?yàn)槠渌俣取⒖煽啃院瓦m應(yīng)性而被采用。

易學(xué)、易用，只需有一定的WINDOWS的操作知識，即可學(xué)會LIMS的操作。LIMS對計(jì)算機(jī)的硬軟件要求有限，因此，投入較低。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，客戶端零維護(hù)，支持質(zhì)量體系的持續(xù)性改進(jìn)，有利于投資保護(hù)。這種開發(fā)維護(hù)必須是長期性的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室工作不斷發(fā)展變化，不斷擴(kuò)充新的檢測項(xiàng)目、檢測方法，增添儀器設(shè)備，儀器設(shè)備的軟件升級等都要求LIMS系統(tǒng)做出不斷的調(diào)整和改進(jìn)，以保證實(shí)驗(yàn)室工作的順利進(jìn)行。

（6）系統(tǒng)管理維護(hù)

系統(tǒng)管理維護(hù)對保證LIMS系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要的意義。系統(tǒng)管理維護(hù)包括操作權(quán)限的設(shè)置、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)訪問日志的管理維護(hù)等。其中數(shù)據(jù)庫的管理維護(hù)尤為重要，因?yàn)橄到y(tǒng)每天運(yùn)行都要產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的有效存儲、備份都是很重要的。為了保證數(shù)據(jù)安全，定期將數(shù)據(jù)庫備份，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)。另外化驗(yàn)室配備了專門的業(yè)務(wù)管理員維護(hù)監(jiān)測模板和基礎(chǔ)測試庫。

4 LIMS使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

水文隊(duì)LIMS實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)經(jīng)過半年的上線運(yùn)行，主要完成了與檢測工作直接相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、報告編制等核心功能的使用，并初步實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量管理的要求，初步顯示了它的優(yōu)越性。對水質(zhì)檢測結(jié)果的分析利用服務(wù)是系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)和趨勢，系統(tǒng)自動完成大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作（林舒等，2018）;可以通過系統(tǒng)中積累的檢測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測項(xiàng)目各種指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)與分析，如主要污染物分析、檢測指標(biāo)的檢出率、超標(biāo)率分析等;提供豐富的圖表功能，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的直觀性和表現(xiàn)力，如曲線圖、直方圖和餅狀圖等。這樣可以對每口井的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步掌握水質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)變化，從而達(dá)到充分利用基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料的目的，并將環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)中地理信息與GIS應(yīng)用有效地結(jié)合起來（圖4）。

在野外工作中，可以考慮pH、電導(dǎo)率等現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)即時上傳;現(xiàn)在只涉及水質(zhì)檢測，將來土和廢氣檢測會隨著業(yè)務(wù)的持續(xù)開發(fā)而逐漸加入進(jìn)來。總之，系統(tǒng)建設(shè)工作難以一蹴而就，實(shí)驗(yàn)室人員正在逐步了解、逐步掌握，并促進(jìn)系統(tǒng)的逐步完善，以助力于實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)發(fā)展。

5 結(jié)論

水文隊(duì)LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)自動采集，自動完成檢測記錄中的各種計(jì)算，自動生成原始記錄和檢測報告，實(shí)現(xiàn)了工作流程的自動化。極大地提高了數(shù)據(jù)的及時性、有效性。將不斷以現(xiàn)場檢測和化驗(yàn)室分析化驗(yàn)為中心，將人、機(jī)、料、法、環(huán)等影響檢測數(shù)據(jù)的各種因素有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)行全面控制和管理。使整個質(zhì)量管理體系的運(yùn)行更趨科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)也在快速的發(fā)展。通過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)未來地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的高度專業(yè)化、智能化、系統(tǒng)化、自動化。因此現(xiàn)有的以信息管理為主題思想的LIMS將不斷適用地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的要求。我們正在努力打造一個適合水文隊(duì)發(fā)展的有特色的地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，更好的為地質(zhì)事業(yè)服務(wù)。

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