智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙丹匯

【摘要】? ? 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)存在功能單一、無法與其他系統(tǒng)對(duì)接、較多依賴紙質(zhì)記錄等缺陷。近些年，隨著移動(dòng)設(shè)備、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，以新技術(shù)打造新型智慧實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)勢在必行。油田化學(xué)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合行業(yè)特殊需求，從業(yè)務(wù)出發(fā)梳理實(shí)驗(yàn)、物料、設(shè)備等管理流程，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便捷采集，基于B/S架構(gòu)、云架構(gòu)，建立一套油田化學(xué)智慧實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)并部署上云。從軟件研發(fā)、硬件配備、基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化和云應(yīng)用等方面實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的全方位管理。

【關(guān)鍵詞】? ? 智慧實(shí)驗(yàn)室? ? 管理流程? ? 基礎(chǔ)設(shè)施? ? 信息管理系統(tǒng)? ? 云應(yīng)用

[Abstract]： The traditional laboratory information management system has some defects such as single function， being unable to connect with other systems， and relying on more paper records. In recent years， with the development of new technologies such as mobile devices， cloud computing and the internet of things， it has become imperative to build a new type of intelligent laboratory with new technologies. Combined with the special needs of the industry， we analyze the management processes of experiments， materials， equipment and use the internet of things technology to realize the convenient collection of the oilfield chemistry laboratory data. We have established a set of the oil intelligent laboratory information management system and deployed it on the cloud based on B/S architecture and cloud architecture. From the aspects of software development， hardware equipment， infrastructure optimization and cloud application， we realize the comprehensive management of the laboratory.

Key words： intelligent laboratory; management process; infrastructure; information management system; cloud application

引言：

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System， LIMS）自20世紀(jì)六十年代末出現(xiàn)以來，距今已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展[1]。早期的LIMS采用數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)一些簡單功能，但功能單一;無法與其他系統(tǒng)對(duì)接;較多依賴紙質(zhì)記錄。近些年，隨移動(dòng)技術(shù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的爆炸性發(fā)展，產(chǎn)生了集現(xiàn)代化管理思想與新技術(shù)為一體的實(shí)驗(yàn)室管理新應(yīng)用[2-4]。

本實(shí)驗(yàn)室通過梳理實(shí)驗(yàn)、物料、設(shè)備的管理流程，建立流程規(guī)范;對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)與優(yōu)化;通過PAD移動(dòng)端、智能插座等硬件設(shè)備，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的便捷采集;基于B/S架構(gòu)建立油田化學(xué)智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng);基于云架構(gòu)將該系統(tǒng)部署上云。

一、智慧實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

通過梳理實(shí)驗(yàn)室管理流程，建立流程規(guī)范。智慧實(shí)驗(yàn)室基于規(guī)范流程，利用云虛擬機(jī)，采用微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，通過PC端、PAD等客戶端訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)分層為云IaaS層：云虛擬機(jī)組成了LIMS云基礎(chǔ)設(shè)施，為LIMS運(yùn)行提供硬件資源和系統(tǒng)環(huán)境;存儲(chǔ)層：包括數(shù)據(jù)庫和緩存，保存由數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一采集、上報(bào)的數(shù)據(jù)，包括實(shí)驗(yàn)、物料、設(shè)備、人員和任務(wù)等數(shù)據(jù)，為LIMS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐;微服務(wù)數(shù)據(jù)訪問層：運(yùn)行訪問相關(guān)數(shù)據(jù)的微服務(wù)應(yīng)用，提供數(shù)據(jù)庫事務(wù)訪問能力、冪等修改能力和高并發(fā)讀取能力，同時(shí)封裝緩存操作，屏蔽數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和緩存數(shù)據(jù)一致性處理;微服務(wù)業(yè)務(wù)邏輯層：主要負(fù)責(zé)處理LIMS系統(tǒng)業(yè)務(wù)相關(guān)操作，包括物料管理、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)管理等業(yè)務(wù)邏輯;微服務(wù)網(wǎng)關(guān)層：封裝客戶端的HTTP接口，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)發(fā)到微服務(wù)業(yè)務(wù)邏輯層處理。

1.2技術(shù)架構(gòu)

基于云架構(gòu)，智慧實(shí)驗(yàn)室采用主流的B / S架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，WEB端采用html5+css3+vue技術(shù)，PAD端采用uniapp+vue技術(shù);結(jié)合智慧實(shí)驗(yàn)室用戶多、數(shù)據(jù)量大、高并發(fā)等特點(diǎn)，選用開發(fā)便捷、高效成熟的Spring Boot微服務(wù)開發(fā)框架體系，專注于快速、方便的開發(fā)單個(gè)微服務(wù)個(gè)體;為了將這些單體微服務(wù)整合并管理，為各個(gè)服務(wù)之間提供集成服務(wù)，采用SpringCloud系列框架實(shí)現(xiàn)全局的微服務(wù)治理;數(shù)據(jù)庫技術(shù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，并使用Redis緩存數(shù)據(jù)庫開發(fā)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無法訪問局域網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)人員必須在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后登錄系統(tǒng)錄入數(shù)據(jù)。為了提高實(shí)驗(yàn)室信息化水平，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)并優(yōu)化。考慮到數(shù)據(jù)安全性，防止通過生產(chǎn)網(wǎng)侵入系統(tǒng)盜取、篡改數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備構(gòu)建成無線局域網(wǎng)。

自組網(wǎng)方案按照AP+AC的結(jié)構(gòu)化無線網(wǎng)絡(luò)解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，AP是組建無線局域網(wǎng)的核心設(shè)備，提供無線工作站和有線局域網(wǎng)之間的互相訪問，實(shí)現(xiàn)本地化無線局域網(wǎng)。AC設(shè)備具有對(duì)所有AP設(shè)備進(jìn)行集中式管理、控制、配置下發(fā)，以及對(duì)接入終端的認(rèn)證、數(shù)據(jù)分布式/集中式轉(zhuǎn)發(fā)、漫游等功能。核心交換機(jī)將AC和本地服務(wù)器相連，有路由功能并分配局域網(wǎng)地址。自組網(wǎng)使用防火墻做網(wǎng)絡(luò)出口，通過企業(yè)專線將服務(wù)器連接到云。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基于端口和MAC地址對(duì)用戶的網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限進(jìn)行控制，禁止非法用戶連接使用無線網(wǎng)絡(luò)，為用戶構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定安全的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.4 主要功能模塊

智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)主要包含六大功能模塊，包括系統(tǒng)管理、倉庫管理、實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、硬件設(shè)備管理、統(tǒng)計(jì)。其中：

倉庫管理主要包括倉位管理、材料供應(yīng)商管理、物料標(biāo)簽管理、入庫、出庫、庫存查詢、物料盤點(diǎn)、入庫單管理、出庫單管理、領(lǐng)用申請(qǐng)單管理、審核單管理等。

實(shí)驗(yàn)管理主要包括任務(wù)管理、創(chuàng)建項(xiàng)目、創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)查詢等，其中創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)了配方復(fù)制、配方自動(dòng)計(jì)算、多配方結(jié)果對(duì)比等個(gè)性化需求。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理主要包括實(shí)驗(yàn)室管理、設(shè)備供應(yīng)商管理、設(shè)備查詢、預(yù)約和監(jiān)控管理、設(shè)備使用、維修和保養(yǎng)記錄、日志管理等。

二、智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

PC端主要用于實(shí)驗(yàn)前訪問系統(tǒng)，開展任務(wù)創(chuàng)建、配方設(shè)計(jì)、物料申領(lǐng)、設(shè)備預(yù)約、實(shí)驗(yàn)查詢等工作。如圖1所示。

PAD端主要用于查看實(shí)驗(yàn)信息、配方詳情、設(shè)備信息等，并且在開始實(shí)驗(yàn)后，實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如圖2所示。

三、結(jié)束語

智慧實(shí)驗(yàn)室將人員、設(shè)備、材料、實(shí)驗(yàn)等要素結(jié)合，將各業(yè)務(wù)流程有機(jī)統(tǒng)一，從軟件、硬件、基礎(chǔ)設(shè)施、云等方面實(shí)現(xiàn)全方位管理。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)、材料管理數(shù)據(jù)由人工紙質(zhì)記錄到無紙化線上錄入的轉(zhuǎn)變，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性、規(guī)范性和可溯性，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)室的信息化水平。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 白志青，張銀.實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（ LIMS） 綜述[J].圖書情報(bào)導(dǎo)刊，2007，17（12）：240-242.

[2] 馮金輝.數(shù)字實(shí)驗(yàn)室——LIMS 未來發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器， 2002（02）：10-13.

[3] 程琳琳，王旭，程延俊，等.實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）在實(shí)驗(yàn)室科學(xué)管理中的應(yīng)用[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程， 2014，38（01）：16-20.

[4] 郭學(xué)桃.5G時(shí)代智慧實(shí)驗(yàn)室LIMS創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2020（03）：17-18+22.