李千慧

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113000）

隨著科研和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對分析測試的要求無論在樣品數(shù)量、分析周期、分析項目和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面都提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，原有的人工管理模式在這種形式下已經(jīng)落后。因此國際上相關(guān)實驗室均已朝著先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化管理方向發(fā)展，LIMS（實驗室信息管理系統(tǒng)，Laboratory Information Management System）[1]從20 世紀(jì)60 年代發(fā)展至今，借助計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及相關(guān)實驗室管理信息的網(wǎng)絡(luò)化。通過LIMS，實驗室可以達(dá)到自動化運(yùn)行、信息化管理和無紙化辦公的目的，對實驗室提高工作效率、降低運(yùn)行成本起到至關(guān)重要的作用。

在發(fā)達(dá)國家，LIMS 被普遍應(yīng)用在制藥、石油、化工、環(huán)保、供水、醫(yī)療、采礦、商檢、電力及教育和科研單位等行業(yè)，諸如百事可樂公司、美孚石油、杜邦化學(xué)、通用電氣等公司都采用了LIMS 系統(tǒng)，并取得了可觀的收益。目前，國內(nèi)實驗室目前也正在逐步開始采用這樣的管理方式[2-6]。

隨著計算機(jī)技術(shù)普及網(wǎng)絡(luò)云共享技術(shù)的發(fā)展，以及“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的不斷推進(jìn)，建設(shè)數(shù)字化、智慧化的實驗室信息管理系統(tǒng)成為了必然趨勢。目前針對煤炭行業(yè)的實驗室信息管理研究較少[7-10]?；诖?，研發(fā)了基于B/S 架構(gòu)的煤礦瓦斯災(zāi)害防治實驗室信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計綜合考慮了RB/T 214—2017行業(yè)實驗室準(zhǔn)則，可幫助瓦斯實驗中心建立一套既適應(yīng)實驗室信息化發(fā)展需要又能夠規(guī)范運(yùn)作的體制機(jī)制；嚴(yán)格規(guī)范管理，切實將信息化作為規(guī)范檢驗工作的重要手段和措施。

1 需求分析

煤礦瓦斯災(zāi)害防治實驗室主要包括煤層瓦斯涌出預(yù)測、瓦斯抽采技術(shù)和煤與瓦斯突出防治等研究單元，涵蓋孔隙率測定、吸附解吸測定、工業(yè)分析、煤的瓦斯殘存量測定等一系列實驗項目，未來還可能繼續(xù)增項，實驗數(shù)據(jù)已有一定量的積累。實驗室依據(jù)RB/T 214—2017《檢驗檢測機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定能力評價檢驗檢測機(jī)構(gòu)通用要求》[11]，結(jié)合實際情況，制定針對機(jī)構(gòu)、人員、場所環(huán)境、設(shè)備設(shè)施、管理體系等方面的詳細(xì)管理辦法及細(xì)則，保障RB/T 214—2017 的各項標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化至具體的管理要求中。

實驗室傳統(tǒng)的人工管理模式存在諸多問題。各種臺賬、人員信息、物品信息、儀器信息和樣品信息等主要為紙質(zhì)歸檔，管理、查詢和存儲困難，管理流程上也存在混亂的問題。客戶快遞或其他方式將樣品送至實驗室后，實驗室人員根據(jù)送樣人提供的標(biāo)簽進(jìn)行紙質(zhì)登記、分配任務(wù)，實驗數(shù)據(jù)分散的存儲于儀器連接的電腦上和實驗人員的手中，出具報告是抄錄的方式輸入數(shù)據(jù)，原始記錄和電子版報告分別保存于各個實驗人員電腦上。由此可見，實驗室的管理遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠數(shù)字化、規(guī)范化，管理模式比較落后，工作中產(chǎn)生了一些資源浪費(fèi)、反復(fù)復(fù)核信息造成工作效率遲緩、且原始數(shù)據(jù)和報告存儲的安全性較低，有丟失的風(fēng)險，針對當(dāng)前出現(xiàn)的種種問題，急需開發(fā)一套適用于實驗室的信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖1。

圖1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖Fig.1 Flow chart

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

總體架構(gòu)設(shè)計是對需求分析中產(chǎn)生的各種功能規(guī)模性、數(shù)據(jù)模型和行為模型等分析模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，主要分為交互層、應(yīng)用層、中間層和數(shù)據(jù)層幾個部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

數(shù)據(jù)支持層為最底層，包含異構(gòu)數(shù)據(jù)庫以及以數(shù)據(jù)挖掘工作流為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)倉庫，系統(tǒng)封裝在最底層，由操作系統(tǒng)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行底層支持。中間層提供了事務(wù)處理、索引服務(wù)、安全機(jī)制等服務(wù)機(jī)制。交互層通過訪問Web 網(wǎng)站，用戶可登陸進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行操作。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

實驗室管理系統(tǒng)開發(fā)框架是基于SpringCloud、SpringBoot、MyBatis 及周邊的生態(tài)技術(shù)開發(fā)，是一款穩(wěn)定，高效，采用前后端分離的企業(yè)級微服務(wù)架構(gòu)，更是致力于面向大中型企業(yè)提供的一套全面微服務(wù)架構(gòu)的解決方案。架構(gòu)封裝了SpringCloud 提供的負(fù)載、降級、監(jiān)控和統(tǒng)一配置等服務(wù)，可實現(xiàn)對應(yīng)用、服務(wù)、鏈路、性能、響應(yīng)率、成功率、可用率等基礎(chǔ)監(jiān)控與預(yù)警，并且集成了一些優(yōu)秀的開源監(jiān)控組件，對系統(tǒng)進(jìn)行多維度監(jiān)控。

整個架構(gòu)將業(yè)務(wù)展示、業(yè)務(wù)處理、權(quán)限管理、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲與處理、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲與處理、科學(xué)計算模型等模塊進(jìn)行物理隔離，通過webapi 的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行信息交互，減少耦合性，提高系統(tǒng)平臺的整體維護(hù)性，各個模塊獨立運(yùn)行與維護(hù)。當(dāng)某個模塊出現(xiàn)問題的時候，能夠獨立維護(hù)，不至于影響其他模塊的運(yùn)行。

系統(tǒng)部署在云端，采用容器化部署可以有效屏蔽系統(tǒng)差異問題，結(jié)合K8s 容器化技術(shù)可視化的大規(guī)模集群部署運(yùn)維。在nginx 中部署證書，外網(wǎng)使用http 訪問，并且只開發(fā)443 和80 端口，其他端口一律關(guān)閉（防止黑客戶端口掃描），內(nèi)網(wǎng)使用http，性能和安全都有保障，前端大量的組件代碼得以復(fù)用，提升了開發(fā)效率。

2.3 技術(shù)路線

技術(shù)路線圖如圖3。

圖3 技術(shù)路線圖Fig.3 Technology roadmap

實驗室信息管理系統(tǒng)是基于應(yīng)用服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，基于B/S 架構(gòu)，選用Java編程語言和SQL Sever 數(shù)據(jù)庫來開發(fā)，采用面向?qū)ο髽?gòu)件化設(shè)計。開放性和可擴(kuò)展性影響到系統(tǒng)的生命周期。系統(tǒng)確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯的可擴(kuò)展性，隨著應(yīng)用水平的提高、規(guī)模的擴(kuò)大和需求的增加，無須對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)做較大的改變就可以對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)擴(kuò)展。同時，系統(tǒng)采用MVC 架構(gòu)，以便對其它系統(tǒng)的集成和相互調(diào)用，方便系統(tǒng)之間的橫向擴(kuò)展，同時避免信息孤島的現(xiàn)象。

軟件提供多數(shù)據(jù)源支持，提供多種統(tǒng)計學(xué)方法，為用戶提供統(tǒng)計分析得力方法。最終通過公網(wǎng)IP 映射在Web 上實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽。數(shù)據(jù)庫布設(shè)在云端服務(wù)器，使用SQL 查詢語言進(jìn)行查詢。與其他系統(tǒng)的接口相對容易，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，處理海量數(shù)據(jù)性能有顯著提高。

3 系統(tǒng)功能

實驗室信息管理系統(tǒng)主要是整合實驗數(shù)據(jù)，對實驗人員、送樣用戶、實驗室內(nèi)部的設(shè)備等進(jìn)行管理，并實現(xiàn)基礎(chǔ)功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Functional structure diagram

實驗室信息系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理模塊、實驗過程管理模塊、實驗運(yùn)行管理模塊、遠(yuǎn)程檢測診斷模塊和系統(tǒng)管理模塊、委托管理模塊；數(shù)據(jù)管理模塊對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲、統(tǒng)計分析、審核管理、授權(quán)查詢和定制輸出；實驗過程管理模塊對實驗方案、理論計算和實驗樣品進(jìn)行管理；實驗運(yùn)行管理模塊對工作人員、儀器設(shè)備、材料試劑、文件資料等基礎(chǔ)資源進(jìn)行管理；遠(yuǎn)程檢測診斷模塊具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)傳輸和專家診斷功能；系統(tǒng)管理模塊包括安全登陸、后臺維護(hù)、電子簽名和數(shù)據(jù)庫管理。

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理包括實驗室人員信息管理、用戶信息管理、樣品信息管理、實驗設(shè)備管理。LIMS 面向?qū)嶒炇胰藛T和送樣客戶，不同用戶分配不同的權(quán)限?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫整合了實驗室人員信息、用戶信息、樣品信息、物品信息、實驗數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲。實驗數(shù)據(jù)是實驗室的核心，同一采樣地點的工業(yè)分析水分，灰分，揮發(fā)分、真密度、塊體密度有交叉重疊，歷史數(shù)據(jù)積累，存儲安全性保障，數(shù)據(jù)挖掘。系統(tǒng)提拱了基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)倉庫建設(shè)。

2）委托管理。委托管理主要針對送樣客戶，客戶分為內(nèi)部客戶與外部客戶。委托模塊實現(xiàn)預(yù)約功能，客戶將樣品的相關(guān)信息（送樣日期、礦名、采樣地點、煤層、標(biāo)高、采樣人，送樣組或單位等）輸入系統(tǒng)中，選擇需要做的實驗項目，系統(tǒng)自動的分配給對應(yīng)的實驗人員，并對樣品進(jìn)行排號，實現(xiàn)自動化分配流程，節(jié)省中間環(huán)節(jié)，使后期實驗人員出具報告時減少了復(fù)核量。同時，系統(tǒng)可實現(xiàn)移動端微信小程序委托登記和進(jìn)度查詢操作功能，不限制地址移動下單、查詢，更加方便、快捷。

3）報告管理。平臺實現(xiàn)一鍵化出具報告，各項實驗報告模板保存在服務(wù)器中。實驗人員結(jié)束實驗后，選擇樣品編號，輸入對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，調(diào)用對應(yīng)項目的模板，在平臺上出具電子版的報告，并加蓋電子簽字章。電子版的報告統(tǒng)一的保存在系統(tǒng)中。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的報告管理功能：用戶可自行配置報告模板關(guān)聯(lián)檢測類型和檢測項目。經(jīng)過報告編制，根據(jù)不同的檢測項目自行選擇報告模板生成報告，再進(jìn)行報告審核、簽發(fā)。系統(tǒng)支持電子簽名、電子簽章，CMA/CNAS/公章/騎縫章等均可實現(xiàn)在線簽章。報告編制人員可通過系統(tǒng)自動生成檢驗報告，通過維護(hù)不同類別試驗的報告模板，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動獲取報告中涉及的委托信息、實驗結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)。能夠?qū)崿F(xiàn)報告編制人員查看該受理的全部原始記錄信息，支持報告編制人員電子簽名的維護(hù)。部分試驗需出具單項及綜合2 類報告的，系統(tǒng)能夠在相應(yīng)環(huán)節(jié)實現(xiàn)2 類報告的編制，能夠根據(jù)要求分別對2 類報告完成編制-審核-簽發(fā)3 級審核。

4）綜合查詢管理?？蛻敉ㄟ^瀏覽器登錄實驗室信息管理系統(tǒng)，查詢樣品狀態(tài)是否排隊、實驗中或者完結(jié)；查詢電子版報告、下載、打印報告；查詢實時實驗數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，輸出報表，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功能。管理人員可以通過LIMS 平臺，實時了解實驗室內(nèi)各臺設(shè)備和人員的工作狀態(tài)、不同崗位待檢樣品數(shù)量等信息。LIMS 可以提供對整個實驗室各種信息的統(tǒng)計分析，得到諸如設(shè)備使用率、維修率、不同崗位工人工作量、出錯率、委托樣品及測試項目分布特點、實驗室全年各類任務(wù)的時間分布狀態(tài)、試劑或經(jīng)費(fèi)的消耗規(guī)律等信息。該模塊主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，支持?jǐn)?shù)據(jù)展板，依據(jù)業(yè)務(wù)需要生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表、分析圖表、線性圖譜、質(zhì)控曲線等，展現(xiàn)形式支持word、excel、PDF、JPG 等。LIMS 將整個實驗室的各類資源有機(jī)地整合在一起，實現(xiàn)實驗室數(shù)據(jù)完整性、合法性以及可追溯性，工作人員可以方便地對實驗室曾經(jīng)做過的全部分析樣品和結(jié)果進(jìn)行查詢。

4 結(jié) 語

針對煤礦瓦斯災(zāi)害防治實驗室管理的實際需求，結(jié)合RB/T214-2017 標(biāo)準(zhǔn)，引入了先進(jìn)的實驗室管理理念和技術(shù)手段，研發(fā)了基于B/S 架構(gòu)的煤礦瓦斯災(zāi)害防治實驗室信息管理系統(tǒng)。實驗室信息管理系統(tǒng)對實驗室的樣品信息、實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果等進(jìn)行合理有效的科學(xué)管理，從而提高實驗室數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化管理水平，具有高維護(hù)性和第使用成本。

“十四五”期間，應(yīng)充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)與企業(yè)信息化系統(tǒng)建設(shè)的融合發(fā)展，一方面要將大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，加快推動數(shù)據(jù)資源共享開放和開發(fā)應(yīng)用，積極構(gòu)建平臺化、組件化信息化系統(tǒng)，拓展數(shù)據(jù)采集廣度和深度，強(qiáng)化關(guān)鍵數(shù)據(jù)的積累。另一方面要建立健全大數(shù)據(jù)輔助科學(xué)決策和治理的機(jī)制，推進(jìn)管理模式創(chuàng)新。實驗室信息管理系統(tǒng)的開發(fā)為信息化建設(shè)打下基礎(chǔ)，提高實驗室管理效率，作為實驗室建設(shè)的附加應(yīng)用，提升了企業(yè)形象。此外，該系統(tǒng)還需要根據(jù)實際需求進(jìn)一步擴(kuò)展功能模塊，降低模塊之間的耦合度，研究更深入的數(shù)據(jù)挖掘算法，提高實驗室信息化建設(shè)水平，科學(xué)規(guī)范業(yè)務(wù)流程。