建立潤滑油行業(yè)信息化智能化分析實(shí)驗(yàn)室的分析和創(chuàng)新

眭瑞燕，鄭文君，高潔，白玉成

(1.中國石油潤滑油公司，北京 100028；2.中國石油成都潤滑油分公司，四川 成都 610083；3.中國石油大連潤滑油研發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

1 信息化、智能化分析實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)背景

1.1 時(shí)代背景

當(dāng)前中國是全球第二大石油消費(fèi)國家和全球制造業(yè)基地，也是最大的潤滑油消費(fèi)國[1]。對于潤滑油生產(chǎn)和使用過程中的檢測分析需求量也日趨增加，潤滑油分析實(shí)驗(yàn)室一般可分為理化實(shí)驗(yàn)室、磨損實(shí)驗(yàn)室、污染度實(shí)驗(yàn)室、天平室、烘干室、明火作業(yè)室、臺架實(shí)驗(yàn)室、洗瓶室、危化品儲存室、資材儲存室、樣品儲存室、樣品準(zhǔn)備室、廢棄物臨時(shí)儲存室、氣體儲存室、電源控制室和檢測人員辦公室等區(qū)域[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大，每日都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)方式用手工紙質(zhì)記錄的方式效率低下，信息交流不暢，資源配置不合理已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展。以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為核心，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化儀器分析技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)代管理思想的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(Laboratory Information Management System ，LIMS)應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)以樣品接收、樣品測試、數(shù)據(jù)采集與錄入、過程記錄復(fù)核、最終結(jié)果審核、報(bào)告簽發(fā)等業(yè)務(wù)流程管理為核心并建立完善的質(zhì)量保證體系，將實(shí)驗(yàn)室的樣品、人員、儀器、試劑耗材、標(biāo)準(zhǔn)方法和環(huán)境等資源要素進(jìn)行科學(xué)的信息化管理，為實(shí)驗(yàn)室管理水平的整體提高和實(shí)驗(yàn)室的全面協(xié)調(diào)提供先進(jìn)的技術(shù)支持[3-4]。

習(xí)近平總書記在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中強(qiáng)調(diào)“我們在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級當(dāng)中，有一個很重要的項(xiàng)目就是機(jī)器人，機(jī)器人就是現(xiàn)代信息技術(shù)和制造融合的體現(xiàn)，將來會深刻地影響世界產(chǎn)業(yè)的格局。中國今后的發(fā)展必須要順應(yīng)這個大勢，在國際競爭當(dāng)中要力爭上游?！睂?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動化檢測是檢測分析機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向[5]。

1.2 發(fā)展階段

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(下文簡稱LIMS)發(fā)展至今大體可分為以下幾個階段。

雛形期，60年代末期至70年代初期為雛形期，是LIMS設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生時(shí)期，實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)管理仍然停留在手工記錄階段。

商品化時(shí)期，這個時(shí)代的計(jì)算機(jī)語言和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)，計(jì)算機(jī)的價(jià)格比較昂貴，需要專業(yè)的技術(shù)人員編寫與維護(hù)程序。

功能完善時(shí)期，隨著近年網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品的興起，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)檢測設(shè)備自動連接，云端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，并提供大數(shù)據(jù)模型分析。

1.3 行業(yè)背景

LIMS在國內(nèi)外石油化工行業(yè)得到普遍應(yīng)用，受到石油企業(yè)的重視，要利用先進(jìn)的信息化技術(shù)來開展管理工作，從而使管理的效率以及有效資源的利用率大大提升[6]。國內(nèi)外各大石油公司，如BASF、BP-Amoco、Dow Chemical、Shell、DuPont、Celanese、Akumal、Exxon-Mobile、中國石化、中國海油等都建立了LIMS系統(tǒng)。

2 信息化、智能化分析實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

(1)實(shí)施 LIMS 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全面自動化，大量的檢測樣品、分析儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，提高工作效率，降低人為出錯率，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性，解放人力資源，投入到更多科研和生產(chǎn)工作中。

(2)實(shí)施LIMS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量保證的重要技術(shù)支撐。LIMS 系統(tǒng)將人員、儀器、試劑、方法、環(huán)境、文件等質(zhì)量要素有機(jī)結(jié)合起來，既能滿足實(shí)驗(yàn)室管理需求，又能促進(jìn)質(zhì)控體系的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)實(shí)施 LIMS 系統(tǒng)是保障企業(yè)質(zhì)量管理體系的重要基礎(chǔ)。建設(shè) LIMS 系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了 LIMS 系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，還可以為企業(yè)的質(zhì)量控制和生產(chǎn)優(yōu)化提供及時(shí)可靠的支持。

(4)通過LIMS系統(tǒng)建設(shè)，能夠提高檢驗(yàn)分析自動化水平及工作效率，規(guī)范管理，建立高效、統(tǒng)一的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)工作效率、設(shè)備效率和人員效率的最大化，并且對所有實(shí)驗(yàn)室實(shí)行有效的管理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的有效運(yùn)行和客戶服務(wù)。

(5)實(shí)施 LIMS 系統(tǒng)有利于實(shí)驗(yàn)室資源的統(tǒng)籌規(guī)劃，可以有效降低設(shè)備的重復(fù)購買投入，有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室間的信息交流和資源共享。特別是對于全國多點(diǎn)分布的實(shí)驗(yàn)室，每個實(shí)驗(yàn)室都會根據(jù)本身的需要去單獨(dú)購買實(shí)驗(yàn)設(shè)備，出現(xiàn)重復(fù)購置設(shè)備的情況[7]。

3 信息化、智能化分析實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)

通過建立LIMS 系統(tǒng)，打破專業(yè)界線，消除“信息孤島”、構(gòu)建信息管理實(shí)踐大平臺[8]。管理平臺遵從 ISO/IEC 17025的標(biāo)準(zhǔn)，逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)業(yè)務(wù)流程化、數(shù)據(jù)電子網(wǎng)絡(luò)化、管理流程規(guī)范化、分析業(yè)務(wù)過程自動化、質(zhì)量信息及時(shí)化。以最經(jīng)濟(jì)的方式優(yōu)化質(zhì)量管理與控制，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)廠、中間控制樣品、產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)等常規(guī)檢測任務(wù)管理，推動企業(yè)降低成本、增強(qiáng)效益、不斷提升潤滑產(chǎn)品質(zhì)量管理水平，從而全面提高潤滑油行業(yè)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化管理水平。

4 建設(shè)規(guī)劃與技術(shù)架構(gòu)

4.1 功能架構(gòu)

LIMS系統(tǒng)功能可分為基礎(chǔ)功能和延伸功能兩大部分?；A(chǔ)功能用以保證實(shí)驗(yàn)室日常業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)和管理；延伸功能主要作用是為設(shè)備自動連接、數(shù)據(jù)自動傳輸、移動應(yīng)用等提升效率。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的前提是，實(shí)驗(yàn)室首先建立完備的工作規(guī)范和制度，使實(shí)驗(yàn)人員職責(zé)分明、儀器設(shè)備狀態(tài)良好、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行平穩(wěn)、安全防護(hù)及危險(xiǎn)品管理規(guī)范[9]。

4.1.1 基礎(chǔ)功能模塊

(1)標(biāo)準(zhǔn)庫管理：相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的錄入、更新、修改和審核等功能。一套完整的標(biāo)準(zhǔn)庫是使整個業(yè)務(wù)能夠流暢運(yùn)轉(zhuǎn)的根本保障，標(biāo)準(zhǔn)庫的內(nèi)容應(yīng)該包括標(biāo)準(zhǔn)代碼、標(biāo)準(zhǔn)名稱、標(biāo)準(zhǔn)類別、項(xiàng)目代碼、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值、項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)單位、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)科室等必要字段。

(2)樣品管理：樣品管理是實(shí)驗(yàn)室日常運(yùn)行最為頻繁的模塊，是實(shí)驗(yàn)室檢測任務(wù)的前提和根本，貫穿于整個檢測過程[10]。它為樣品分析評價(jià)提供了支持，包括樣品分析、樣品登錄、樣品管理、樣品測試、系統(tǒng)審核、結(jié)果輸出、QA/QC等方面。

(3)爭議處理：當(dāng)用戶對分析結(jié)果產(chǎn)生質(zhì)疑時(shí)，可以通過爭議模塊處理爭端。LIMS系統(tǒng)應(yīng)完整記錄樣品分析相關(guān)信息并具備可追蹤性。

(4)實(shí)驗(yàn)室事務(wù)：主要從事日常事物處理工作，匯總實(shí)驗(yàn)室人員、設(shè)備、項(xiàng)目以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成各種日常報(bào)表編制和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上信息采集、整理、檢索和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。

(5)報(bào)告管理：包括檢驗(yàn)報(bào)告、分析報(bào)告，質(zhì)量報(bào)告、管理報(bào)告等。這些報(bào)告不僅能簡單地反映出系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，而且還能通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，反映出質(zhì)量趨勢、質(zhì)量波動等。

(6)檢測收費(fèi)：樣品受理完成后形成繳費(fèi)單據(jù)，財(cái)務(wù)人員根據(jù)樣品受理時(shí)產(chǎn)生的唯一編號進(jìn)行收費(fèi)操作。

(7)客戶關(guān)系管理：主要包括管理客戶信息、客戶聯(lián)系人、客戶聯(lián)系拜訪、客戶跟進(jìn)、客戶事務(wù)登記、滿意度調(diào)查以及銷售人員、團(tuán)隊(duì)及歸屬客戶管理等功能。

(8)資源管理：包括人力資源、物力資源、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理、其他物資管理以及無形資產(chǎn)如知識產(chǎn)權(quán)等的管理模塊?？梢酝ㄟ^各種監(jiān)控手段，對樣品、設(shè)備和物料的使用進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，形成全過程、全鏈條的自動化管理[11]。

4.1.2 延伸功能模塊

(1)儀器數(shù)據(jù)采集：LIMS系統(tǒng)通過對儀器(如液相色譜儀、氣相色譜儀、天平等)分析數(shù)據(jù)的自動采集，減少手工錄入錯誤，加快數(shù)據(jù)傳送速度，從而節(jié)約了分析員的大量時(shí)間。LIMS系統(tǒng)為儀器創(chuàng)建定期的校正計(jì)劃表，跟蹤、記錄校正情況。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使LIMS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制分析儀器成為可能，使實(shí)驗(yàn)室人員可以最大范圍地使用自動化儀器，隨時(shí)對樣品分析全過程進(jìn)行動態(tài)跟蹤監(jiān)控。

(2)數(shù)據(jù)接口：LIMS系統(tǒng)與企業(yè)系統(tǒng)整合，如ERP、MES、APS、生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)等系統(tǒng)提供友好的靈活接口，便于組織內(nèi)統(tǒng)一質(zhì)量信息的分發(fā)，提高運(yùn)作效益。加快實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)流動，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)收集和報(bào)告集成一體。

(3)設(shè)備接口管理：LIMS系統(tǒng)能兼容支持多種不同接口類型檢驗(yàn)設(shè)備接入，對設(shè)備接口數(shù)據(jù)進(jìn)行底層解析并兼容統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)通用性接口轉(zhuǎn)換，提供良好的硬件平臺支持。

(4)移動應(yīng)用：LIMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在移動端APP(Android、IOS)、 PC端等不同平臺提供服務(wù)，方便不同用戶群的靈活定制需求。

4.2 技術(shù)架構(gòu)

4.2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定、可靠、安全，以B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)，可配合必要C/S架構(gòu)為補(bǔ)充，支持主流操作系統(tǒng)及瀏覽器，可升級性好。

4.2.2 系統(tǒng)集成

LIMS系統(tǒng)平臺應(yīng)留供外部調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)接口，可根據(jù)需求提供給其他系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)，便于與其他系統(tǒng)集成，提供多種形式的接口，如WebService、ODBC/JDBC、OPC等，為后續(xù)的系統(tǒng)開發(fā)和集成提供良好的支持；平臺支持常用通訊協(xié)議，包括SOAP、HTTP、TCP/IP等。

4.2.3 儀器連接

LIMS與檢測儀器接口的實(shí)現(xiàn)是各大實(shí)驗(yàn)室的LIMS開發(fā)需求的關(guān)鍵所在，通過與自動化分析儀器的連接，自動獲取化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，完成儀器集成。

(1)與自帶附屬工作站的儀器的接口對接

對于自帶附屬工作站軟件的檢測儀器，儀器的工作站軟件可以將結(jié)果文件輸出為ASC Ⅱ文本格式，通過LIMS 系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先定制的DCU，可以自動將檢測儀器結(jié)果數(shù)據(jù)采集到LIMS的數(shù)據(jù)庫檢測結(jié)果字段。

(2)與通過RS232串口輸出的檢測儀器接口對接

安裝LIMS的PC機(jī)直接通過RS232 串口連接檢測儀器，只要儀器具有RS232的輸出信號，就可以讀取到PC機(jī)的相應(yīng)端口?；蛘咄ㄟ^第三方軟件采集串口數(shù)據(jù)并保存為文本文件，LIMS讀取原理與有工作站儀器相同。

4.2.4 硬件和網(wǎng)絡(luò)部署

可采用本地部署機(jī)房方式，包括實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)布線工程，交換機(jī)、路由器、服務(wù)器及備份機(jī)選型以及機(jī)房相關(guān)配套建設(shè)，例如配電、接地、UPS 電源、防塵、防靜電、空調(diào)等。如果連接外網(wǎng)還需要考慮防火墻等安全設(shè)施及策略[12]。由于機(jī)房配套設(shè)施建設(shè)相對復(fù)雜且后期需要運(yùn)營維護(hù)，因此可以考慮采用互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。由云服務(wù)供應(yīng)商提供存儲、計(jì)算、安全和維護(hù)服務(wù)。

5 分析與創(chuàng)新

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

發(fā)揮LIMS系統(tǒng)和分析檢測儀器的自動化連接功能，減少了人工錄入分析結(jié)果的工作時(shí)間、節(jié)約大量人力成本；取消紙質(zhì)報(bào)告單，實(shí)現(xiàn)電子化，節(jié)約大量耗材成本；減少不同實(shí)驗(yàn)室之間設(shè)備的重復(fù)投入。

5.2 管理提升分析

(1)LIMS系統(tǒng)應(yīng)用后，分析模型在系統(tǒng)中自動計(jì)算，質(zhì)量日報(bào)、質(zhì)量月報(bào)、合格率等統(tǒng)計(jì)功能的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)分析模型自動計(jì)算、自動修約、自動進(jìn)行平行測試，全面提升判斷準(zhǔn)確率。

當(dāng)檢測分析指標(biāo)完成后，即進(jìn)行趨勢分析。分析模型應(yīng)考慮以下幾方面內(nèi)容：(1)將在用油性能值與極限值進(jìn)行比較；(2)相鄰幾次測試結(jié)果之間變化率的大?。?3)分析變化較大的指標(biāo)之間的相互依賴的程度；(4)通過聚類分析和多元統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法，對所測項(xiàng)目做出綜合性評判[13]。

(2)當(dāng)有嚴(yán)重質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)，LIMS系統(tǒng)能夠及時(shí)反饋給質(zhì)量管理部門，為其提供及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警服務(wù)[14]。人、機(jī)、料、法、環(huán)實(shí)驗(yàn)要素的有機(jī)結(jié)合，使得分析過程和質(zhì)量管控形成閉環(huán)管理，提高了質(zhì)量保障能力。

(3)LIMS系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)、銷售、科研、技術(shù)服務(wù)等部門的任務(wù)下達(dá)與接收、樣品登錄、數(shù)據(jù)輸入、審核、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能要求，實(shí)現(xiàn)了“產(chǎn)、銷、研、服”各類業(yè)務(wù)分析過程的全覆蓋，提升了企業(yè)整體管理水平。

LIMS系統(tǒng)的應(yīng)用，為更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)提供支撐，從核心價(jià)值到經(jīng)營各環(huán)節(jié)，皆以顧客需求為中心，提升客戶服務(wù)質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，使得企業(yè)對內(nèi)外客戶的滿意度大幅提升[15]。

5.3 企業(yè)經(jīng)營模式創(chuàng)新

通過LIMS系統(tǒng)建立信息化智能化分析實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過深化應(yīng)用和數(shù)據(jù)積累后，利用云計(jì)算技術(shù)，對大規(guī)模數(shù)據(jù)集合智能處理，進(jìn)而在大規(guī)模的數(shù)據(jù)中獲取有用的信息，挖掘和整理建立數(shù)據(jù)分析模型，建立產(chǎn)品的大數(shù)據(jù)庫為企業(yè)提供規(guī)范的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，幫助企業(yè)決策者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與質(zhì)量大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的落地實(shí)施，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)營模式創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型。