天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王雁冰，張奎，孫麗敏，林敏，劉永超，嚴(yán)燁，姜琛 ，田艷輝

(1.中國(guó)石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，濟(jì)南 250101； 2.西安悟空檢測(cè)科技有限公司，西安 710075)

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)是將以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的信息化技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室管理需求相結(jié)合的一種信息化管理工具。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)為手段，以ISO/IEC 17025 《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》等規(guī)范體系為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)流程與質(zhì)量管理、資源管理以及其它業(yè)務(wù)工作以合理的方式進(jìn)行整合［1-3］，從而起到強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量管理，提高實(shí)驗(yàn)室的工作效率，保證實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)安全的目的。隨著實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)辦公及數(shù)據(jù)傳遞工作的模式和效率已經(jīng)難以滿足當(dāng)今實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展需求，如何高效地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的良好運(yùn)行，已經(jīng)成為各行各業(yè)實(shí)驗(yàn)室共同探討的主題［4-6］。

近些年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被逐漸應(yīng)用到計(jì)量檢測(cè)行業(yè)中來(lái)，使得該領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室管理做到了自動(dòng)化管理、無(wú)紙化辦公，從而促進(jìn)了計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的快速發(fā)展。目前，實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)在食品、疾控、醫(yī)療、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多［7-12］，但在天然氣領(lǐng)域計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。在進(jìn)行項(xiàng)目論證時(shí)，筆者對(duì)同行業(yè)實(shí)驗(yàn)室的LIMS 系統(tǒng)使用情況進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果表明，目前本行業(yè)內(nèi)的LIMS 系統(tǒng)均只實(shí)現(xiàn)了計(jì)量檢測(cè)業(yè)務(wù)流程的線上管理，對(duì)其它管理模塊的開(kāi)發(fā)融合尚未開(kāi)展?；诖?，筆者建立了集計(jì)量檢測(cè)業(yè)務(wù)開(kāi)展、質(zhì)量管理體系運(yùn)行為一體的專業(yè)化、智能化天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以天然氣計(jì)量檢測(cè)業(yè)務(wù)為核心，融合CNAS-CL01 《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》、JJF 1069 《法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》等考核規(guī)范要求，將檢測(cè)管理、校準(zhǔn)管理、質(zhì)量控制、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)分析、客戶資源等因素有機(jī)結(jié)合起來(lái)，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)室管理思想，構(gòu)建全面、規(guī)范的管理體系，為實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、快速解析、信息共享，以及質(zhì)量管理體系順利實(shí)施、實(shí)驗(yàn)室管理水平整體提高等方面提供技術(shù)支持。

1 天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)及數(shù)據(jù)架構(gòu)

天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)建設(shè)采用Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇開(kāi)放、業(yè)內(nèi)主流的JAVA 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)核心技術(shù)，基于MVC（M為業(yè)務(wù)模型，V 為用戶界面，C 為控制器）的設(shè)計(jì)架構(gòu)，采用N 層的體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)連接池接口規(guī)范自適應(yīng)各種數(shù)據(jù)庫(kù)（Oracle、MySQL、SQL Server 等）的適配，保證系統(tǒng)未來(lái)良好的可維護(hù)性及可擴(kuò)展性。

在天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，引入基于組件的設(shè)計(jì)理念，將系統(tǒng)的每一個(gè)子模塊都進(jìn)行組件化，組件之間相互獨(dú)立，可分布式部署運(yùn)行，并且通過(guò)MQ（消息隊(duì)列）技術(shù)實(shí)現(xiàn)36 個(gè)子模塊的數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)的IOE數(shù)據(jù)庫(kù)面臨數(shù)據(jù)庫(kù)連接、數(shù)據(jù)庫(kù)IO、數(shù)據(jù)庫(kù)變更等技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)采用分布式的數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，使數(shù)據(jù)庫(kù)支持高、可用切換，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可水平擴(kuò)容、性能高，數(shù)據(jù)庫(kù)變更和維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)分散等優(yōu)勢(shì)。天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，將界面、業(yè)務(wù)流程、服務(wù)、數(shù)據(jù)分離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部松耦合，以靈活、快速地響應(yīng)業(yè)務(wù)變化對(duì)系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)劃分為信息資源層、信息存取層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)流程層、展現(xiàn)層，各層次間通過(guò)直接調(diào)用或者通過(guò)ESB(即企業(yè)服務(wù)總線)進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。原則上信息資源層不允許信息存取層之外的層次對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，信息存取層不允許業(yè)務(wù)服務(wù)層之外的層次對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。各層的應(yīng)用組件利用系統(tǒng)支撐服務(wù)框架所提供的基礎(chǔ)服務(wù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)公共設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理機(jī)制。天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)分層架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)分層架構(gòu)圖

1.2 軟件功能及目標(biāo)

按照CNAS-CL01 《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》、JJF1069 《法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》等考核規(guī)范的規(guī)定和要求，結(jié)合天然氣計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，以樣品檢測(cè)過(guò)程為主線（圖3），通過(guò)頂層設(shè)計(jì)公司分布式實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)公司下轄實(shí)驗(yàn)室的集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化管理；通過(guò)分析儀器網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、二維碼設(shè)置、移動(dòng)APP 開(kāi)發(fā)等功能，實(shí)現(xiàn)樣品流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)采集與處理、檢定檢測(cè)延伸性服務(wù)等項(xiàng)目的智能化管理；通過(guò)整合質(zhì)量控制及管理體系等項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)管理的信息一體化。

圖3 樣品檢測(cè)流程圖

天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)可劃分為檢測(cè)管理、校準(zhǔn)管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油檢測(cè)、樣品管理、資質(zhì)管理、客戶管理、系統(tǒng)管理、資源管理、費(fèi)用管理、文檔管理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)上報(bào)、移動(dòng)APP 及統(tǒng)計(jì)分析15 個(gè)子模塊（圖4），每個(gè)模塊之間可獨(dú)立管理且存在依賴關(guān)系。

圖4 天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)子模塊功能概覽

2 天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)使用J2EE(企業(yè)級(jí)分布式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā))平臺(tái)作為核心開(kāi)發(fā)技術(shù)。JAVA 平臺(tái)具有強(qiáng)大的功能和非常高的綜合程度，定義了整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)和一個(gè)部署環(huán)境。在J2EE(企業(yè)級(jí)分布式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā))平臺(tái)上開(kāi)發(fā)企業(yè)級(jí)應(yīng)用，充分利用了J2EE(企業(yè)級(jí)分布式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā))技術(shù)規(guī)范在事務(wù)處理、遠(yuǎn)程訪問(wèn)、安全保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，保證了系統(tǒng)的效率、靈活性、擴(kuò)展性。項(xiàng)目中采用的核心技術(shù)主要有：SpringBoot(軟件開(kāi)發(fā)框架)、Spring Mvc(軟件開(kāi)發(fā)框架)、Jwt(身份認(rèn)證)、Redis(遠(yuǎn)程字典服務(wù))、ActiveMQ(消息隊(duì)列)、Quartz(定時(shí)任務(wù))、MyBatis(持久層框架)、Alibaba Druid(阿里巴巴數(shù)據(jù)源)、Velocity(模板引擎)、PageOffice(在線編輯辦公軟件)等。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化管理

天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)上線前， 公司下屬的三個(gè)實(shí)驗(yàn)室均獨(dú)立開(kāi)展天然氣計(jì)量檢測(cè)業(yè)務(wù)，尚未實(shí)現(xiàn)集中管理，不利于公司統(tǒng)一調(diào)配及資源共享。結(jié)合公司實(shí)際，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式架構(gòu)方式（圖5），頂層定義系統(tǒng)通用模塊，將基礎(chǔ)模塊建設(shè)及統(tǒng)計(jì)模塊獨(dú)立于主流程之外部署，將檢測(cè)主流程針對(duì)各自實(shí)驗(yàn)室分布式部署，確保數(shù)據(jù)的隔離及業(yè)務(wù)的可拓展性，從而實(shí)現(xiàn)公司下轄實(shí)驗(yàn)室的集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化管理。

圖5 分布式架構(gòu)方式

2.2 智能化管理

2.2.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集

隨著智慧實(shí)驗(yàn)室在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集勢(shì)在必行。未實(shí)現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集時(shí)，是通過(guò)人為謄寫(xiě)原始數(shù)據(jù)到原始記錄上，較容易出現(xiàn)謄寫(xiě)錯(cuò)誤，通過(guò)LIMS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能，可減少人為原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)錯(cuò)誤，提高實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的自動(dòng)化程度和規(guī)范化管理水平，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)室的工作效率和工作質(zhì)量［13-15］。該系統(tǒng)通過(guò)在儀器工作站安裝自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件，可將儀器生成的圖譜文件實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)解析，獲取樣本編號(hào)、檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)數(shù)值等信息，并將數(shù)據(jù)還原到原始記錄進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算獲取檢測(cè)結(jié)果（圖6）。

圖6 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集流程

（1）儀器連接。將儀器生成的原始記錄（pdf、excel 文件）上傳到系統(tǒng)解析，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)果的自動(dòng)抓取功能。

（2）原始記錄填寫(xiě)。原始記錄填寫(xiě)分為兩部分，一部分為所有原始記錄共有信息（樣品名稱、樣品編號(hào)、項(xiàng)目名稱、檢測(cè)依據(jù)、檢測(cè)日期、樣品狀態(tài)、完成日期、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、儀器及編號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)信息），可在頁(yè)面填寫(xiě)，然后選擇原始記錄模板生成原始記錄之后回填到原始記錄，且以后同一項(xiàng)目及方法可以再次調(diào)用；另一部分為特有信息(檢測(cè)數(shù)值部分)，需在原始記錄單中完成，保存原始記錄單之后系統(tǒng)自動(dòng)提取最終結(jié)果至檢測(cè)報(bào)告。

（3）圖譜上傳。圖譜上傳分兩種情況，即系統(tǒng)自動(dòng)抓取和檢測(cè)員選擇上傳。針對(duì)單樣品和單檢測(cè)方法可根據(jù)圖譜命名(樣品編號(hào)_方法編號(hào))來(lái)自動(dòng)識(shí)別；針對(duì)多樣品情況，檢測(cè)員可手動(dòng)選擇相應(yīng)的項(xiàng)目上傳圖譜。

2.2.2 移動(dòng)APP 功能

對(duì)于公司下達(dá)的取樣檢測(cè)任務(wù)，該天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)配備移動(dòng)手持終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樣品信息的采集工作。外出采樣之前可為樣品打印二維碼標(biāo)簽，貼至取樣氣瓶合適位置。通過(guò)移動(dòng)手持終端APP 掃描二維碼填寫(xiě)取樣方案，并上傳至系統(tǒng)。到達(dá)天然氣場(chǎng)站完成取樣后，通過(guò)移動(dòng)手持終端APP掃碼識(shí)別樣品填寫(xiě)取樣記錄，記錄樣品基本信息（取樣地點(diǎn)、取樣部位、氣源溫度、氣源壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等），提交之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并回傳到服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的采集工作。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展的天然氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)、硫化氫等項(xiàng)目的檢測(cè)，通過(guò)移動(dòng)APP 也可完成原始記錄的填寫(xiě)、上傳工作。通過(guò)移動(dòng)手持終端APP 登錄后，選擇相應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目，按提示填寫(xiě)檢測(cè)地點(diǎn)、檢測(cè)部位、檢測(cè)日期、檢測(cè)人員、環(huán)境條件、氣源條件，以及檢測(cè)原始數(shù)據(jù)，提交之后可將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并回傳至服務(wù)器。移動(dòng)APP 截圖如圖7 所示。

圖7 移動(dòng)APP 截圖

2.3 質(zhì)控一體化管理

實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制是保證實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行和保證檢測(cè)結(jié)果正確的活動(dòng)，目的是在于控制樣品檢測(cè)的各環(huán)節(jié)和產(chǎn)生、形成或?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中的各程序，并使它們達(dá)到規(guī)定的要求，把不符合要求的環(huán)節(jié)控制在其形成早期并加以消除［16］。天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)通過(guò)天然氣計(jì)量檢測(cè)業(yè)務(wù)和質(zhì)量控制體系的全流程一體化管理，大幅提高業(yè)務(wù)工作質(zhì)量和工作效率，保證數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的完整性、安全性和可靠性。

系統(tǒng)質(zhì)控管理模塊支持質(zhì)量控制負(fù)責(zé)人在線編制質(zhì)控計(jì)劃（內(nèi)部：人員比對(duì)、儀器比對(duì)、留樣復(fù)測(cè)、加標(biāo)回收；外部：實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)、測(cè)量審核、能力驗(yàn)證），系統(tǒng)自動(dòng)將質(zhì)量控制計(jì)劃通知到相應(yīng)的執(zhí)行人，并在預(yù)期執(zhí)行時(shí)間前進(jìn)行提醒?？刂朴?jì)劃完成后，將執(zhí)行結(jié)果在線反饋至計(jì)劃編制人，并提醒計(jì)劃編制人跟進(jìn)并進(jìn)行評(píng)價(jià)。如質(zhì)控結(jié)果滿意，將質(zhì)控記錄進(jìn)行歸檔，如不滿意則啟動(dòng)原因分析流程。質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

建立的天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)覆蓋了人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等關(guān)鍵點(diǎn)的把控，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中管理，探索了實(shí)驗(yàn)室的分布式管理模式，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)流程，使實(shí)驗(yàn)室達(dá)到規(guī)范化運(yùn)轉(zhuǎn)、無(wú)紙化辦公、高效化生產(chǎn)，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步發(fā)展與提升。

（1）分布式天然氣實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了公司下轄三家實(shí)驗(yàn)室的資源共享、集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化管理。通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)、分析系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)等活動(dòng)，不斷提高實(shí)驗(yàn)室計(jì)量檢測(cè)能力，進(jìn)一步提升公司計(jì)量管理水平。

（2）采用特定的儀器聯(lián)結(jié)與儀器控制功能，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能化采集，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳，減少因人為因素造成的分析誤差，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性、安全性和可靠性；通過(guò)設(shè)置樣品二維碼，系統(tǒng)可以對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行精確的全周期追溯，通過(guò)審核追溯鏈可以復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)生成的全過(guò)程和要素，保證檢定檢測(cè)的服務(wù)質(zhì)量。

（3）系統(tǒng)嚴(yán)格按照CNAS-CL01 及JJF 1069 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求管理實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)工作，以程序化方式優(yōu)化計(jì)量檢測(cè)工作流程，建立完備的質(zhì)量控制手段，有效提高實(shí)驗(yàn)室工作質(zhì)量和工作效率。