现代智慧实验室的设计和应用

林燕奎， 熊贝贝， 王丙涛， 王楼明， 候乐锡， 王光辉

(深圳出入境检验检疫局 深圳市食品安全技术研发重点实验室, 广东 深圳 518045)

0 引 言

从IBM提出了“智慧地球”[1-2]的概念后，国内相继提出了建设智慧城市和智慧社区的规划，相信不久智能化将会推广到生活的方方面面。一般谈到智慧实验室往往就会想到电子信息、计算机、自动化等实验室，但随着我国经济实力的不断增强以及科学技术的进步，不断有新的技术和新的理念应用到物理、化学、生物等常规实验室建设和管理[3-6]，如物联网技术[7]、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术[8-10]、云技术[11]等，以及常见的实验室信息管理系统(Laboratory Information Management System，LIMS)[12]，还有用于高校和研究所等科研工作的Everlab[13]、Evernote[14]等，这一系列以安全性、人性化、自动化、信息化、远程控制等高科技为特征的现代化智慧型实验室新概念正逐步形成[15-16]。目前，我国还没有国家标准或其他技术标准对实验室硬件建设和软件管理进行规范和要求，现代化实验室建设在理论和实践中还存在诸多空白，通过查阅资料和大型开放性实验室建设规划、体系运行管理实践，对现代新型的智慧实验室建设有一定的经验和较为深入的研究，对今后实验室的规划和建设提供一些借鉴意义。

作为理化、生物等实验室，特别是大型专业检测实验室，涉及到人员、设备、耗材、方法、环境、风险管理甚至危机预警等多个要素，随着社会的快速发展，设备和耗材越来越多，使用方法越来越精密高效，对环境的要求也越来越高，这就可能造成实验室管理混乱、样品丢失、数据出错等质量事故发生，如果没有智能化的通风处理系统还可能造成废气倒灌、实验室内部空气浑浊，严重影响实验人员人身健康和实验仪器的正常运转，甚至还会危及到实验室周边的生态环境安全，因此如何将这些核心要素相互衔接和有机协作，是实验室建设和管理过程中的头等大事。现代信息技术的发展，给实验室科学管理，提供了技术上的可能，如何利用物联网、云计算等新一代信息技术建立一个智慧实验室，让实验室更加智能、实验室管理更加规范高效、减少人为因素影响，成为了未来的重要任务和发展趋势。

1 智慧实验室的规划与设计

在现代新型实验室，特别是大规模实验室的规划和设计时，不仅要考虑传统的平面布局、通风、空调、供气、供电和供水以及废气处理等，还要注重科学设计、合理布局以及前瞻性，为实验室智能化的布局留下足够的空间和容量，软硬件的可扩展性要强。

新型的现代化智慧实验室的平面布局应规划出专门的数据处理区域，用于集中或者分类摆放数据的采集传输和集中处理的硬件实施，便于工作人员技术处理和报告数据，以及可能涉及到的人机分离、远程控制等。同时由于实验室涉及到多个网络系统(见图1)，一般智慧实验室的网络系统至少包括因特网、单位内部网络以及大型设备网络等智能系统的网络布线，有的还涉及到智能通风系统以及供电系统的网络等等，在实验室一定要规划设计3个以上的网络子系统，留足备用网络端口，以便相关系统的升级换代和新系统的使用。

图1 实验室网络布线规划设计

供电和供气是大中型实验室的重点配置，如现在常见的是一台质谱仪配几个气体钢瓶，不仅管路连接复杂，更换麻烦，而且很容易出现断气，影响仪器的正常运转，从而造成大型实验室样品积压，严重影响检测效率。为了使实验区域更加规范，方便使用，一般在规划设计时会采用集中供电和集中供气模式，特别是大型实验室，有液相色谱串联质谱仪、电感耦合等离子质谱仪等较多的质谱类精密仪器，这些设备不能断电和断气，所以需要在建设时采用UPS集中供电，多气瓶串联自动切换集中供气。实验室在设计时应专门规划，并在楼板承重和排水通风方面进行专门设计，方便使用，确保安全。

实验室通风系统的设计是实验室建设的核心和关键，特别是对拥有大型精密检测仪器的实验室，通风系统要能实现不同实验区域的通风风速和流量自动调节，节能减排，室内空气无毒无异味，特别是化学和生物实验室，实验产生的有机、高热、酸碱等废气能够分类集中处理排放，有毒生物能够得到有效控制，不能对周边的大气环境产生影响。全自动控制、变频、远程控制、人机对话等尖端技术在通风废气处理系统上的应用能够实现通风废气处理的自动化和智能化。

2 基于现代网络技术的交互系统的建立

传统的实验室服务，报检样品需要亲自送样到实验室，填写委托申请单，交接样品，付款签订委托合同后才开始检测。而今智能互联网的发展，所有这些流程都可以在互联网上完成。只需登录实验室网站，客户可以足不出户就能完成检测项目查询、询价、检测委托流程，物流寄送样品，网上支付，检测结束后能在网上获得检测报告(见图2)。智能网络报检功能节点化，使得客户能在千里之外的远程便知悉其委托检测的样品在实验室的检测状态，使检测客户与实验室自动无障碍互动交流。客户还可在委托检测时登记手机号码，实验室收到样品后，系统自动发手机短信提醒，实验室检测人员开始检测后，手机短信自动提醒：“样品开始检测”；报告出具后自动提醒：“报告书已出”。现代通信和网络技术的应用使委托客户可以很方便的知悉实验室的活动，短信或者网上随时查询进展状态，也可电话语音查询相关信息。

图2 网络智能报检示意图

3 基于RFID技术的样品与耗材管理系统

大型的实验室每年有数万份样品需要检测，检测项目繁多，涉及到的样品单元有近数十万个以上，某些样品甚至多达几十个检测项目，如奶粉，涉及到微生物、理化、常规化学等多个检测实验室50多项检测；此外，样品性状不一、类别各异，如食品实验室，既有饼干、糖等常温保存的样品，又有肉、鱼、冰激淋等需要冷藏的样品，既有酱油、醋、油等瓶装食品，又有大米、面粉等散装食品，混淆甚至丢失一直是困扰实验室样品管理的一个难题。如何科学管理，使样品既容易查找，又不容易出错，需引进了RFID技术用于样品管理，使样品接收、分发以及检测处理等各个流程都实现了自动化管理(见图3)。而且手持式扫描仪可以很轻松的从一堆样品中找到你想要的样品，降低了劳动强度，大大提高了工作效率。RFID防损坏的技术设计，可以有效地防止样品的丢失以及替换的情况，特别适用于法定物证样品的保管。

实验室仪器众多，使用的耗材种类和数量庞大，一些主要耗材直接关系到检测结果的正确与否，RFID技术还可以用在实验室设备和耗材管理上，对试剂耗材的采购、出入库管理和使用有重要的作用。对于价值较高的色谱等耗材采取RFID标签管理，使得相关耗材各种使用信息能够顺利追溯，不仅方便管理，流程规范，提高实验室检测数据的可追溯性和质量管理水平。

4 互联高效数据处理与报告系统

大型实验室每年要对外出具数十万个检测结果数据，这些数据都需要从仪器工作站人工打印或摘抄出仪器检测的原始数据，并将称样量、定容体积、稀释倍数等数据代入相关公式，经手动计算出最终结果，并填写形成原始记录单，再将计算结果、每个项目的检测方法、限量标准、浓度单位等信息手工录入实验室管理系统(LIMS系统)，同时人工进行是否合格的判定，最终向委托客户传送数据，原始记录单需要检测人员和审核人员签字确认后用于存档。这些数据的计算、原始单据的填写、LIMS系统的数据登录等，占用了实验室检测人员的大量时间，成为检测过程中的一个限速步骤，影响到工作效率的提高，同时大量的人工计算和填写还经常出现人为错误，导致结果报错甚至出现严重的质量事故。

新引入的实验室数据自动管理系统，可涵盖除常规理化手动分析之外的绝大部分自动检测的实验仪器，实现从LIMS系统自动选取待测批、自动选择检测方法和仪器、自动图谱智能分析、检测数据自动取数、自动计算结果和添加回收、自动报告结果、根据设定限值自动判定合格与否以及超标智能预警等智能化步骤，大大节省人力物力，使得检测结果实现联网技术下的实时传递、无缝对接，避免人工计算和报告的失误，大大提高了工作效率(见图4)。

图4 数据取数流程示意图

5 全自动自适应实验室通风系统

实验室不可避免的会产生各种废气，作为一个现代化的实验室对室内温度、湿度控制、房间压差、空气洁净度、噪声、排风等都有较高的要求，不仅要考虑实验人员的人身安全、高端仪器设备的安装要求、实验结果的准确性，还要考虑对周边环境的影响。传统的通风系统使用起来很不方便，实验之前要开启通风柜，还要调节抽风量的大小，下班的时候要关掉抽风系统，开启过多的通风柜还会相互影响。

采用物联网新技术，利用网络和自动感应技术设计建立了国内首个闭环负压自适应式实验室通风及废气处理系统。该系统具备自动定时运行功能，可根据实际特殊需要手动临时开启运行；具备集中、现场手动控制运行功能，根据实际情况开启全系统或独立开启部分子系统，适应多任务、多时段的工作要求；具备总控、分级密码控制功能，并根据实验室的行政管理划分实施区域管理、明确管理责任；具备自动报警、自动记录、数据分析功能，可以记录设备的运行状态，实现故障报警，分析运行曲线；具备优化运行功能，根据不同的实验情况，设置最大风量、最大开启度、最小风量、最小开启度以及各设备运行参数，更好地实现节能环保要求；具备远程控制功能，还有良好的可扩展性。废气处理系统将废弃分类集中处理，自动控制系统自动监控系统运行状态，使其智能化运转，系统实时采集压力、风机水泵运行频率及状态、喷淋状态、吸附处理堵塞状态等信号，实现自动反馈、自动控制处理，在淋洗塔中采用pH值自动监测、自动稀释排放工艺，实现废气经处理后环保排放。

6 结 语

实验室的规划、设计以及管理专业技术性很强，建设一个高效规范的智慧实验室想必是未来化学、生物、物理、材料、食品等领域研究和检测实验室的发展趋势。实验室涉及到的因素非常多，现阶段我国智慧实验室建设只是一个起步阶段，作者所在实验室的建设是一个新型现代化大型开放性智慧实验室建设的有益尝试，系统的建成和使用使实验室的工作效率、业务管理和质量管理水平得到了很大的提高。

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