基于乳業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的智能實驗室設(shè)計

馬利軍，賀月恩，李雪晶，杜 麗，路 玉

（內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)(集團)股份有限公司中心實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 011517）

1 智慧實驗室設(shè)計

智慧實驗室的開發(fā)，基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計算機技術(shù)搭建智慧實驗室管理平臺，將信息科技融入檢驗檢測全流程管理，通過自動化機器人完成實驗室重復(fù)性的工作，從樣品采集、儲存、檢測、結(jié)果出具實現(xiàn)全流程自動化[1-2]。實驗室智能化管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)應(yīng)從實驗室的實際應(yīng)用情況出發(fā)，考慮實用性、安全性和可靠性等方面因素，在研究數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)介入、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗室智能化管理系統(tǒng)具體架構(gòu)[3-4]。①持續(xù)升級測試儀器與實驗室信息化高度集成“LIMS實驗室系統(tǒng)”，提升自動化程度與覆蓋范圍，奠定智慧實驗室基礎(chǔ)。②建成“全自動機器人+智能庫房+耗材流轉(zhuǎn)”樣品智能化和“自動化+大數(shù)據(jù)+云計算”智慧運營平臺，打造全球智慧實驗室標桿。

2 智慧實驗室建設(shè)的主要任務(wù)

2.1 智能倉儲與任務(wù)流轉(zhuǎn)

①借助信息化手段來規(guī)范樣品管理工作，通過使用倉儲機器人和物料運送機器人實現(xiàn)樣品自動出入庫和自動運送流轉(zhuǎn)，從識別樣品信息、判斷樣品類別、自動選擇倉位、樣品檢測進度查看到自動物料流轉(zhuǎn)運送，做到樣品的智能化管理，使物料運送AGV（自動導(dǎo)引運輸車）、倉儲AGV實現(xiàn)樣品的自動入庫、出庫、借用、歸還、運送等任務(wù)，全過程智能化管理由機器人自動完成，替代以前的人工模式，以規(guī)范樣品管理過程、提高樣品流轉(zhuǎn)效率、減少出錯幾率，提升運營效率。②根據(jù)樣品檢測參數(shù)、庫存情況、資源情況、動態(tài)變化、設(shè)備故障、操作適宜性自動匹配任務(wù)，智能化下單。③智能倉儲物流。倉儲物流自動化升級將帶動硬件與系統(tǒng)集成的發(fā)展。在智能實驗室內(nèi)，智能物流不僅是連接材料與檢測，更是構(gòu)建智能實驗室的基石。智能倉儲物流系統(tǒng)能夠?qū)⒐S內(nèi)的智能識別設(shè)備（如RFID、傳感器等）、智能物流裝備、信息化系統(tǒng)（如LIMS等）進行有效串聯(lián)，將采購、檢測、倉儲、送貨等全部作業(yè)環(huán)節(jié)與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)智能制造與智能物流的有效融合[5-6]。

2.2 自動化設(shè)備

根據(jù)延伸拓展質(zhì)量安全研究領(lǐng)域和加速產(chǎn)業(yè)鏈檢測能力儲備的任務(wù)要求，需要新增檢測設(shè)備。

智慧實驗室布局應(yīng)保證功能區(qū)分明確,互相不干擾，便于機器人、無人車等自動終端運行；合理設(shè)計組合實驗室,研究室等實用單元。實驗室的門、樓梯、衛(wèi)生間、采光、噪音、振動控制、天花的類型和高度、地面、墻面、實驗室工作臺、清洗、安全通道、安全設(shè)備、通風系統(tǒng)、集中供氣氣路、給排水設(shè)計、電氣設(shè)計、環(huán)境監(jiān)控、潔凈空間等應(yīng)統(tǒng)籌設(shè)計[7-8]。

自動化設(shè)備應(yīng)開發(fā)和引入，如背負式機器人、移動式智能機器人、機械臂、分樣工作站、原子吸收工作站、TOC工作站、氣相分子工作站、清洗工作站等等。

2.3 智慧實驗室萬物互聯(lián)

①智慧實驗室應(yīng)合理布局實驗室門禁、實驗室集中供氣氣路、實驗室通風、實驗室純水、實驗室排水、實驗室電氣、實驗室凈化、實驗室環(huán)境監(jiān)控、實驗室潔凈空間、實驗室廢棄物處理、實驗室倉儲、實驗室安全管理等系統(tǒng)。②部署海量的多種類型傳感器。不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同[9]。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實時性，按一定的頻率，周期性的采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。③通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實時準確地進行傳遞。

2.4 建立“信息電站”

傳感器定時采集的信息需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,由于其數(shù)量極其龐大，形成了海量信息，將實驗室內(nèi)外部的任務(wù)信息、人員信息、設(shè)備信息、倉儲信息、檢測信息、采購信息、環(huán)境信息、客戶信息、檢測能力等各類信息進行互聯(lián)，形成實驗室信息流。

2.5 工作流程的集成化和模型化

①樣品前處理模型化。根據(jù)實際檢測流程，集成樣品自動識別、容器自動開蓋、加蓋、樣品自動分配、樣品自動預(yù)處理、廢液自動回收、容器自動清洗等自動化設(shè)備與檢測儀器的有效連接。②分析檢測模型化。將分析儀器進行改造，如自動上樣裝置、數(shù)據(jù)自動讀數(shù)、儀器狀態(tài)監(jiān)測、耗材廢液監(jiān)測，實現(xiàn)自動檢測[10]。③樣品傳輸模式化。通過集成管路傳輸、傳送帶傳輸、機器人傳送3種模式，完成樣品接收、樣品分揀、分配任務(wù)、搬運出庫（預(yù)處理輸送線）、預(yù)處理后，留樣/待檢、樣品入庫、搬運運動檢測機臺、搬運至回收清洗機臺的樣品自動傳送全生命流程。④清洗模型化。根據(jù)實驗室不同領(lǐng)域的清洗要求，自動分類、設(shè)置不同程序，完成自動清洗。

2.6 實驗室智慧眼—平臺可視化

實驗室CCR（Central Control Room），又稱中央控制室。其能可視化管理實驗室“人、機、料、法、環(huán)”，包括人員監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、物料狀態(tài)監(jiān)控、任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控、場地和環(huán)境監(jiān)控（溫濕度監(jiān)控、氣體監(jiān)測、水災(zāi)監(jiān)測）、LIMS、ERP、質(zhì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入。而且還能實現(xiàn)智能化的照明管理、能源管理、通風管理[11-13]。

2.7 實驗室超級智慧大腦—實驗室數(shù)字化

智慧實驗室解決方案配套衍生了多種可視化終端，將業(yè)務(wù)整合數(shù)據(jù)，后臺分析數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一的可視化的呈現(xiàn)，通過對風險的識別和評估，提前發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致事故的風險因素，有針對性地做好預(yù)防、預(yù)測、預(yù)警和預(yù)報工作，為決策者提供有價值的信息[14-16]。

公共信息集中管理平臺，將原本零散的業(yè)務(wù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)重新整合，形成統(tǒng)一管理體系，如大型儀器共享管理系統(tǒng)、試劑耗材安全管理平臺、實驗室氣體實時監(jiān)控系統(tǒng)、實驗室樣品追溯管理平臺，以及人員信息、地理信息、組織機構(gòu)、配置信息等的綜合管理及權(quán)限管理[17]。

3 結(jié)語

智慧乳業(yè)實驗室能夠帶動智能制造的同步發(fā)展，加快乳業(yè)區(qū)域化發(fā)展。建立智慧實驗室，推動從食品安全控制向質(zhì)量控制的轉(zhuǎn)變，提升乳品品質(zhì)，智慧“加持”打造乳業(yè)強國，是我國乳業(yè)高質(zhì)量發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。