檢驗實驗室設(shè)備數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對企業(yè)信息化管理提出較高的要求，用戶如何快速、及時獲取準(zhǔn)確的信息成為關(guān)注的重點。因?qū)嶒炇宜迷O(shè)備接口類型多種多樣，對采集數(shù)據(jù)的實時性具有較高的要求，這種情況下，對實驗室設(shè)備數(shù)據(jù)開展采集、分析工作提出更高的要求。下文以檢驗機構(gòu)為對象，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入分析智能采集系統(tǒng)設(shè)計需求，提出系統(tǒng)架構(gòu)及各功能設(shè)計情況，以期為類似研究提供一定的參考。

關(guān)鍵字：檢驗實驗室智能采集系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理

DesignofIntelligentDataCollectionSystemforLaboratoryEquipment

WEIYajuan1，2YELingling1，2*CHENWensheng1LANShuhui1，2

WUWeicheng1BIHaiding1，2

1.GuangxiCo.，Ltd.&nbs79c43b563c243a620ea9eba9bacdfe78f9c68548236ef302b71f585ed38c729bp;ofChinaInspectionandCertification（Group）Co.，Ltd.，Nanning，GuangxiZhuangAutonomousRegion，530022China;2.KeyLaboratoryofBlackMetalMineralProductTestinginFangchenggang，CCICGuangxiServiceCo.，Ltd.，F(xiàn)angchenggang，GuangxiZhuangAutonomousRegion，538000China

Abstract：WiththedevelopmentofInternettechnology，higherrequirementshavebeenputforwardforenterpriseinformationmanagement.Howuserscanquicklyandtimelyobtainaccurateinformationhasbecomethefocusofattention.Duetothediversetypesofequipmentinterfacesusedinthelaboratory，thereisahighdemandforreal-timedatacollection.Inthiscase，higherrequirementsareputforwardforthecollectionandanalysisoflaboratoryequipmentdata.Thefollowingisanin-depthanalysisofthedesignrequirementsoftheintelligentacquisitionsystembasedonInternettechnology，andputsforwardthesystemarchitectureandthedesignofvariousfunctions，inordertoprovidecertainreferencesforsimilarresearch.

KeyWords：Testinglaboratory;Intelligentcollectionsystem;Equipmentdata;DataManagement

現(xiàn)階段，我國在實驗室方面的研究主要集中于信息處理、傳遞方面，但對數(shù)據(jù)智能化采集方面的研究比較少。現(xiàn)代實驗室是否滿足信息化、智能化要求，不只表現(xiàn)在信息交互方面。如果檢驗實驗室數(shù)據(jù)采集中，信息化程度受到制約，會直接影響最終結(jié)果的真實性。此外，采用手工記錄實驗結(jié)果，極易受到人為主觀因素的影響，從而出現(xiàn)記錄不全等問題。隨著實驗室檢驗任務(wù)不斷增加，龐大的實驗數(shù)據(jù)、混亂的樣品管理方法導(dǎo)致原來的管理流程難以達到實際需求，不便用戶進行追溯、查詢[1]?；诖?，設(shè)法提升檢驗實驗室檢測能力、工作效率成為急需解決的問題。

1.系統(tǒng)設(shè)計原則

實驗室設(shè)備數(shù)據(jù)設(shè)計的智能采集系統(tǒng)，必須遵循下列原則。

1.1低成本

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于環(huán)境的感知，設(shè)計的系統(tǒng)包含多個節(jié)點，不同節(jié)點均要設(shè)計一個感知器，必須設(shè)法降低各節(jié)點使用成本，從而降低整個系統(tǒng)的造價。

1.2便于操作

操作簡單作為所設(shè)計系統(tǒng)必須考慮的問題，設(shè)計系統(tǒng)時要立足于用戶視角，為解決實驗室日常檢驗工作中面臨的問題進行設(shè)計，所設(shè)計系統(tǒng)要具有友好的界面，且方便操作。

1.3可靠性高

系統(tǒng)重視做好各部分關(guān)鍵點的監(jiān)測工作，如對實驗室運行設(shè)備進行監(jiān)測等。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)要準(zhǔn)確、實時監(jiān)測所處環(huán)境的信息，如果提示環(huán)境數(shù)據(jù)異常，會向管理人員發(fā)送提醒信息[2]。高可靠性能由側(cè)面反映系統(tǒng)具有良好的實用性。

1.4可擴展性

因互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正處在不斷發(fā)展的階段，具有廣闊的發(fā)展前景。所設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)將其二次開發(fā)及升級考慮在內(nèi)，確保系統(tǒng)添加新功能后原服務(wù)并未發(fā)生故障或終止。

1.5安全性

所設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)確保采集、存儲的重要數(shù)據(jù)不被竊取、篡改，且對于惡意攻擊、訪問有相應(yīng)的防御策略，確保數(shù)據(jù)的完整性、安全性。

2.系統(tǒng)設(shè)計需求及整體架構(gòu)

2.1設(shè)計需求分析

從檢驗實驗室視角分析，所設(shè)計的智能采集系統(tǒng)最基本的功能在于將所采集的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫完成存儲。此外，支持對數(shù)據(jù)開展分析、加工操作，方便第三方系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)。對未攜帶工作站的各種設(shè)備，主要任務(wù)在于采集儀器設(shè)備信息。對自身配備工作站的設(shè)備，支持對設(shè)備數(shù)據(jù)進行二次采集操作，數(shù)據(jù)支持類型有：Excel、XML、SQLServer等[3]。在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集操作后，用戶可利用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析、計算，比較常用的計算規(guī)則有：加減乘除、平均數(shù)、四舍五入等。分析發(fā)現(xiàn)，實驗室數(shù)據(jù)采集主要特點有：與樣本或原始數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性、采樣頻率等。所設(shè)計的智能采集系統(tǒng)要支持遠程監(jiān)控，例如：實驗環(huán)節(jié)發(fā)生污染或出現(xiàn)聲音較大的噪音等均能予以監(jiān)控。此外，系統(tǒng)還配備遠程操作功能，有些設(shè)備能夠展現(xiàn)一次性結(jié)果，部分設(shè)備則必須實施調(diào)整、更換樣品處理。例如：某一設(shè)備自帶有相應(yīng)的工作站及軟件，支持遠程監(jiān)控；一些設(shè)備并未帶有工作站及軟件，但配備相應(yīng)的接口，這種情況下，要對這類設(shè)備進行開發(fā)，形成相應(yīng)的工作站及軟件；還有一些設(shè)備缺少工作站及軟件，但支持向外部服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)，可以接受外部的控制。實驗室設(shè)計的智能采集系統(tǒng)服務(wù)包含數(shù)據(jù)采集、分析、綜合應(yīng)用等，每一類均配置靈活的功能，從而達到用戶的使用需求[4]。

2.2整體架構(gòu)

依據(jù)檢驗實驗室所用設(shè)備類型，相關(guān)設(shè)備配置的數(shù)據(jù)接口格式有串口、文本文件、數(shù)據(jù)庫等。其中，設(shè)置的通信服務(wù)器主要功能在于讀取設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，得到類型不同接口的數(shù)據(jù)。隨后，根據(jù)制訂的解析方案對數(shù)據(jù)進行拆分，并把執(zhí)行解析操作的數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)。云服務(wù)器主要功能在于完善數(shù)據(jù)的解析、傳輸?shù)炔僮?，?zhí)行不同設(shè)備的采集、分析數(shù)據(jù)功能。系統(tǒng)啟動監(jiān)聽服務(wù)程序后，根據(jù)設(shè)置的頻率完成設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作，支持采集、接收設(shè)備的原始數(shù)據(jù)。

3.系統(tǒng)各功能設(shè)計

3.1總體功能設(shè)計

該項目以檢驗實驗室為中心，通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)結(jié)合起來，支持開展采樣管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理等操作，形成信息化、智能化的智能采集系統(tǒng)，滿足實驗檢測各方面的管理要求。所設(shè)計系統(tǒng)在達到日常管理要求基礎(chǔ)上，對實驗室相關(guān)檢驗工作予以優(yōu)化，確保實驗室獲取數(shù)據(jù)的可靠性、可追溯性。實驗室常用設(shè)備不同接口類型如下：TCP/IP、文本文件、串口等。一方面，對實驗室各設(shè)備設(shè)計采集小程序，在服務(wù)器上設(shè)定各類設(shè)備的基本信息，小程序會依據(jù)Http協(xié)議為實驗室傳輸原始數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)傳輸工作[5]。另一方面，依據(jù)最先設(shè)置的設(shè)備表等對數(shù)據(jù)執(zhí)行解析、存儲等操作。待數(shù)據(jù)完成解析后，提供相應(yīng)的服務(wù)能力，如支持將數(shù)據(jù)傳送至第三方服務(wù)器、檢測數(shù)據(jù)等。

3.2詳細(xì)功能設(shè)計

實驗室使用大量的檢驗設(shè)備，其類型多種多樣。因此，設(shè)計的系統(tǒng)要將不同格式的數(shù)據(jù)考慮其中，根據(jù)前端交互頁面進行配置，從而迅速完成數(shù)據(jù)采集、解析工作，便于用戶調(diào)取數(shù)據(jù)或修改。除此以外，系統(tǒng)配置外部API數(shù)據(jù)接口，確保采集、傳輸數(shù)據(jù)操作的安全性，數(shù)據(jù)處理過程中其過程可以追蹤，系統(tǒng)設(shè)計的功能及配置接口便于擴展。

3.1數(shù)據(jù)管理

3.1.1數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)配置的采集組件對經(jīng)過采集數(shù)據(jù)進行拆分處理，依據(jù)系統(tǒng)定義的格式完成上述操作，建立相應(yīng)的JSON字符串，并把這些信息傳送至客戶端執(zhí)行交付操作。針對檢驗實驗室的環(huán)境數(shù)據(jù)執(zhí)行采集任務(wù)時，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的傳感器完成溫濕度等環(huán)境信息監(jiān)測工作。傳感器作為所設(shè)計系統(tǒng)重要的元器件，應(yīng)與微控制器結(jié)合起來對環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。系統(tǒng)配置的微控制器型號為ARMCortex-M3，采用ZigBee模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)無線傳輸工作，聯(lián)合傳感器感知檢驗實驗室的環(huán)境信息。傳感器對采集的信號經(jīng)放大器處理傳送至微控制器，利用微控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作，經(jīng)ZigBee傳輸給服務(wù)器，方便進行處理[6]。

3.1.2數(shù)據(jù)上傳

對數(shù)據(jù)進行上傳操作時，包含用戶名、連接字符串等信息，借助設(shè)備端設(shè)計的采集小程序?qū)υO(shè)備信息、路由地址執(zhí)行讀取操作。

3.1.3數(shù)據(jù)解析

系統(tǒng)主要功能在于數(shù)據(jù)解析，其主要劃分為基礎(chǔ)管理、項管理兩類，前者旨在對數(shù)據(jù)存儲方法、設(shè)備編碼、制作數(shù)據(jù)表等操作；后者旨在對設(shè)備編碼、數(shù)據(jù)所處位置等實施維護。必須注意，對數(shù)據(jù)進行解析操作比較復(fù)雜，包含固定或循環(huán)數(shù)據(jù)項，因此，必須設(shè)置相關(guān)的解析規(guī)則。

3.1.4數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)支持Windows7以及更新版本客戶端，配備SQLServer2012數(shù)據(jù)庫，便于完成數(shù)據(jù)的存儲操作。系統(tǒng)支持對下列數(shù)據(jù)進行存儲：（1）業(yè)務(wù)管理各項數(shù)據(jù)信息；（2）對檢驗數(shù)據(jù)進行存儲，包含原始數(shù)據(jù)；通過解析處理的數(shù)據(jù)；（3）其他類型數(shù)據(jù)予以存儲，如通信日志文件等。

3.2物料及試劑管理

物料與試劑管理是一個可以獨立使用、專門針對檢驗實驗室設(shè)計的應(yīng)用軟件。實現(xiàn)試劑耗材訂購申請、訂購審批、物品訂購、物品接收、物品分發(fā)、消耗庫存、物品清除的流程。建立標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)臺賬，詳細(xì)記錄相關(guān)信息，包括批號、有效日期、濃度、不確定度等，可根據(jù)供應(yīng)商、物品、項目、部門、人員等為目標(biāo)進行追蹤查詢，匯總后的物資報告會給公司的運作管理帶來極有價值的參考。

WppDaVovVp+bkKvIeZOV3w==3.3樣品管理

系統(tǒng)指出對樣品實施周期管控，包含樣品出入庫、清除等構(gòu)成完整的證據(jù)鏈，監(jiān)控樣品自采集至處理整個過程。開展樣品交接工作時，系統(tǒng)會記錄樣品性狀、接收時間、數(shù)量等信息，利用密碼明確交接樣本的流程。在此基礎(chǔ)上，通過管理人員對樣品實施登錄簽署工作，便于工作人員領(lǐng)取所需樣品。

3.4結(jié)果批準(zhǔn)與審核

按照任務(wù)進行數(shù)據(jù)的批準(zhǔn)，對分析完成的數(shù)據(jù)校核流程，并記錄校核過程（如操作人、時間及校核意見），如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有問題，可以直接退回數(shù)據(jù)至分析人員，輸入退回原因。數(shù)據(jù)校核時可以查看原始記錄，包括圖譜、實驗室環(huán)境條件、儀器使用狀況等。

對需分析的樣品按樣品類型、檢測項目等批量取出關(guān)聯(lián)。記錄分析時環(huán)境條件、使用儀器等信息，并按分析規(guī)范選擇質(zhì)控種類，生成唯一的質(zhì)控批次編號。儀器超出檢定/校準(zhǔn)有效期，則顯示紅色進行提醒，檢定不合格、停用、廢止、維修等狀態(tài)的儀器無法選用。

3.5報告管理

系統(tǒng)執(zhí)行報告生成操作時，先要取出工作編號，勾選需要生成報告的樣品及其監(jiān)測項目，可以自動生成符合CMA、CNAS中關(guān)于結(jié)果報告的相關(guān)要求。報告審核后，如果需要退回數(shù)據(jù)，記錄退回原因；退回后，該報告仍保存在瀏覽界面，方便溯源管理。對報告進行二審，可通過匯總報告查詢界面查看報告及整個項目的所有信息，包括監(jiān)測方案、采樣相關(guān)信息、樣品交接信息等內(nèi)容[7]。對報告進行三審，可通過匯總報告查詢界面查看報告及整個項目的所有信息，包括監(jiān)測方案、樣品交接信息、儀器圖譜、質(zhì)控信息等內(nèi)容。

3.6儀器設(shè)備管理

建立儀器設(shè)備臺賬，記錄相關(guān)信息，包括儀器名稱、型號、編號、使用狀態(tài)等基本信息。在此基礎(chǔ)上，要將器設(shè)置的定期校對、核查、期間核查等信息的錄入，完成文件的上傳操作。限制超出檢定/校準(zhǔn)有效期或者檢定不合格的儀器設(shè)備的使用。系統(tǒng)記錄儀器的狀態(tài)修改，包括啟用、停用、廢止、維修、檢定不合格等狀態(tài)，上傳保留相關(guān)文件，審核后該儀器，如果處于停用狀態(tài)，使用界面不再顯示該儀器[8]。

4.系統(tǒng)效果分析

為檢驗所設(shè)計的智能采集系統(tǒng)性能是否達標(biāo)，分別選定C、D這兩個案例進行對比，所選案例均是在檢驗實驗室開展的項目，使用的設(shè)備及其數(shù)量大致相同。在此基礎(chǔ)上，C案例每一臺設(shè)備使用定制開發(fā)以及維護方法，D案例則使用本文設(shè)計的系統(tǒng)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。這兩個項目均使用200臺設(shè)備對數(shù)據(jù)進行采集，C案例根據(jù)不同設(shè)備的接口類型及需求采用定制化方案完成開發(fā)，使用開發(fā)及維護周期耗費時間較長。加之，實驗室對不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行調(diào)試時，需要重新執(zhí)行開發(fā)、調(diào)試工作，使用的維護成本比較高，維護操作難度也有所增加。D項目所用本次設(shè)計的智能采集系統(tǒng)，能有效規(guī)避C項目面臨的問題，便于完成項目的采集、管理工作。

5.結(jié)論

總之，基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)針對檢驗實驗室設(shè)計的設(shè)備數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)，確保實驗室管理工作中將環(huán)境檢測、設(shè)備管理、研發(fā)結(jié)合起來，管理人員、開發(fā)人員、使用者均可借助無線或有線方法隨時查看實驗室情況，不僅可以提升系統(tǒng)的傳輸及響應(yīng)速度，也能改善實驗室管理的效果。本研究在分析檢驗實驗室設(shè)備數(shù)據(jù)采集中的問題，提出設(shè)計相應(yīng)的智能采集系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)實施中能有效減少成本，且支持高效率采集、分析不同類型數(shù)據(jù)操作，便于系統(tǒng)后續(xù)開展維護和管理工作，為后期大數(shù)據(jù)分析打下堅實的基礎(chǔ)。

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