石油地质类实验室管理系统开发

江日念，许 锟，窦文思，林 霞

（中国石油勘探开发研究院计算机应用技术研究所，北京100083）

0 引 言

中国石油勘探开发研究院（RIPED）是中国石油天然气集团公司（CNPC）面向全球石油天然气勘探开发的综合性研究机构，包括北京院区、廊坊院区、西北分院和杭州地质研究院，业务领域涵盖油气勘探、油气田开发、油气井工程、信息化与标准化、新能源勘探开发、技术培训与研究生教育等。研究院拥有提高采收率国家重点实验室、页岩气国家能源页岩气研发（实验）中心和国家能源CO2驱油与埋存技术研发（实验）中心等3个国家级重点实验室，以及16个公司级重点实验室和众多仪器设备。重点实验室已由建设阶段转为运行阶段，日常的管理人员不足，管理工作量大，需要研发一套能够满足研究院实验室业务需求的实验室信息管理系统（LIMS［1-3］）。系统能够以实验室为中心，将实验室业务流程、环境、人员、仪器设备、标物标液、化学试剂、标准方法、图书资料、文件记录结合起来，采用先进的计算机技术和标准化的实验室管理思想，组成一个全面、规范的管理体系，以支撑实验室的日常运行，减轻管理压力，提升管理水平，实现资源共享。

在LIMS的建设上，许多高校都成功研发适合自身的实验室综合管理系统，提升了实验室的管理效率和水平［4-7］。在企业实验室管理领域，LIMS系统已经得到了普遍应用，通过采购商业软件或者自主研发满足了企业日常管理需求。在石油行业，早期研究者意识到了LIMS在石油地质类实验室管理的重要性，探讨了系统的建设的必要性和可能面临问题的应对策略，但并未给出详细系统实现［8-9］。李松等［10］提出了有机分析实验室LIMS系统开发与应用，其文中提到的流程与石油地质的实验流程类似，但一方面只能涵盖石油地质实验室部分业务，另一方面系统采用C/S架构，在系统安装、使用、可维护性上存在不便。陈灵泉等［11］针对石油学科实验室的特殊性，探讨了其安全管理存在问题及对策，如依托LIMS系统将其安全管理理念落地，则会取得更好的效果。

1 需求分析

LIMS系统要满足3个国家重点实验室和16个公司重点实验室业务需求，通过调研，管理部门、重点实验室、相关研究所期望通过LIMS系统的建设满足以下需求：

（1）对公司重点实验室建设特别是运行管理过程中形成的相关信息（实验设备、人员、实验分析项目、实验信息以及日常上报文档）实施信息化管理，可强化并细化重点实验室管理工作，提高各层面管理人员的工作效率，进一步提升管理水平。

（2）促进公司重点实验室进一步规范对实验设备、实验信息（包括接收样品、原始数据以及实验/检测报告签发管理等）对外开放相关信息的管理工作。

（3）通过按照统一、规范的标准建立相关信息的数据库及相关材料的电子版本备份，逐步实现重点实验室的信息化管理及资源共享，为深化重点实验室的对外开放工作奠定基础。

（4）3个国家重点实验室由管理办公室统一管理，并关联到相关业务研究所。管理部门要对人员、设备以及日常资料进行信息化管理；能够上报和查询国家重点实验室年度总结报告、实验室调整报告、会议纪要和其他文档；能够上报和查询国家重点实验室学术交流情况。

（5）16个公司重点实验室设立在各研究所，由重点实验室管理办公室全局统筹，日常运行由研究所管理。研究所要对各实验室的人员、仪器设备、材料、样品、上岗培训、实验项目等进行管理，管理办公室要对实验室人员、仪器设备、学术交流、报告文档等进行查询、统计汇总。

2 系统设计

为满足以上系统需求，对各实验室的通用管理业务进行抽象提炼，如实验室各类资源的上报、统计、查询。此次针对部分重点实验室中业务量大，信息化预期成效明显的石油地质实验中心的重点实验室管理需求进行重点设计。

2.1 石油地质实验室管理功能设计

石油地质实验室主要设立在石油地质实验研究中心，该中心目前拥有3个中国石油天然气股份有限公司重点实验室，分别是油气地球化学重点实验室、油气储层重点实验室和盆地构造与油气成藏重点实验室，同时也是“提高石油采收率”国家企业重点实验室的一部分。

根据业务需求，设计的系统功能架构如图1所示，包括系统功能、业务功能、综合查询统计3层。系统功能包括用户管理、权限管理、字典管理、模板管理、组织机构管理、系统日志管理等。业务功能涵盖以生产实验、科研实验、开放实验、上岗证办理的石油地质核心业务流程；以实验室信息、人员管理、仪器管理、材料管理、样品管理为支撑的资源管理；以质量管理、知识产权管理、学术交流管理、日常上报文档、资料管理为辅助的日常管理。综合查询统计是基于业务功能之上的各类信息的检索、统计。

图1 实验室管理系统功能架构

以上功能架构图业务功能以粗粒度的业务模块组织，业务设计以覆盖普遍需求，突出重点业务为宗旨：

（1）生产实验。面向生产业务的实验，对外部送样样品统一登记并通过调度安排实验产生检测报告的全过程。建立从送样人登记、调度登记、任务下达、样品收发、样品测试、报告审核、报告签发、报告接收、报告归档、档案归档、收费结算到余样处理等全过程的流程化跟踪管理和数据信息的电子化管理过程，对送样的样品列单可进行进度查询、检测报告邮寄登记、缴费单在线打印等。

（2）科研实验。面向本部门科研人员的实验，科研人员通过系统使用实验室的某台仪器设备并预约使用时段，经过保管人和主任审批后，系统审查其资质判断其是否需要培训，未经过培训的人员由仪器保管人负责培训后，实验人员再进行实验、上传实验报告并确定仪器使用时间，仪器保管人进行仪器验收后，结算员根据仪器使用机时进行收费结算，相关人员能够查看实验报告并下载。

（3）开放实验。面向外部人员的开放实验，外部人员通过系统申请预约实验室的某台开放仪器设备，经过审批后，系统自动审查使用者资质判断其是否需要培训，实验结束后上传实验报告并进行仪器验收，可根据仪器使用机时进行计费并结算。

（4）上岗证办理。实验室人员在使用某台仪器时必须有对应的仪器的上岗证，实验人员通过系统提出某台仪器上岗证的办理申请，经过主任审批、负责人培训考核，考核通过后，上岗证办理专员将其信息上报院相关部门审批，审批通过后由科研部门办理制作上岗证。

（5）资源管理。对实验室日常运行的人员、仪器设备、药品材料、样品及实验室基本信息管理。仪器设备管理需要涵盖仪器信息维护、仪器维修登记、仪器运行记录，设定仪器校验/检定计划、仪器校验/检定提醒，定期进行校验/检定，并记进行记录；材料管理要维护药品、标准品信息，建立材料库，进行入库、出库和盘点；样品管理要维护样品信息，样品申请使用及流程，并查看样品使用记录。

（6）资料管理。对各实验室资料文件及上报文档进行管理，能够上传资料并对资料进行授权，以供相应的人员进行查看和下载。

（7）学术交流管理。对学术交流管理，包括邀请报告、参观访问、国际学术和国内学术会议。

（8）日常上报文档管理。对实验室日常运行产生的文档进行管理，如年度工作总结、学术委员会会议、实验室大事记、实验室调整报告等。

（9）知识产权管理。对实验室运行期间产生的知识产权，包括论文、专利、标准、专著、软件著作权等的管理。

（10）质量管理。根据各实验室质量认证管理的要求，各实验室制定各类年度计划，对人员培训记录、比对验证记录、内部评审记录、管理评审记录、质量监督记录、事故报告记录、申诉处理记录、客户回访记录、安全检查记录等质量相关的信息表单的录入、维护、查询，以及计划执行情况的查询。

（11）查询统计。对实验室资源、实验过程、实验工作量多维度的查询统计。主要包括：对实验室仪器设备、药品材料、标准品、人员等资源的查询；对仪器设备使用情况，故障维修情况和仪器使用率的查询统计；对生产任务列单、分析样品实时动态、项目进度的跟踪查询；对科研实验、开放实验过程的跟踪查询；对实验室产值的查询统计；对课题实验工作量、实验检测报告的查询。

其中生产实验、科研实验、开放实验是重点需求，通过3个重点实验流程将实验室资源、实验过程、实验成果资料贯穿起来。

2.2 系统安全设计

系统安全方面，按照“事前预防、事中控制、事后追踪”的原则对系统进行设计，安全策略采用如下几种方式：

（1）权限管理。基于RBAC 的权限模型［12-13］，按照用户、角色、功能、数据范围对各业务功能进行细粒度的权限控制，拦截未授权的访问请求。

（2）三员分立。建立系统管理员、安全保密管理员、安全审查员3个角色，由不同的人员承担，三者关系相互独立、互相制约。系统管理员负责系统用户权限的开放工作，具有赋予权；安全保密员负责系统用户权限开放的审批，具有审批权；安全审计员负责开展操作日志审计，特别是针对系统管理员和安全保密员在系统操作过程中的行为进行审计，具有监督权。

（3）资料授权。遵循“谁上传、谁负责”的原则，资料上传人自主决定将资料共享给相关的人员、群组、组织机构。

（4）统一身份认证。系统不存储用户的账号信息，基于统一的身份认证平台做单点登录认证。

（5）系统日志。对用户登录、核心业务使用进行日志埋点和日志收集，以便对涉及安全问题的用户进行行为审计，做到事后追踪。

2.3 技术架构设计

系统采用经典的MVC 3层架构［14］，分为数据层、业务处理层、前端展示层，基于3层架构之上构建系统应用，如图2所示。

图2 实验室管理系统技术架构

系统前端基于Web2.0技术，以dhtmlx作为展示层，后端基于Spring框架编写业务处理层逻辑，底层通过druid连接池可接入多种数据源，本项目采用MySQL数据库。系统以组件方式搭建，包括自主研发组件、第三方开源组件、商业组件。这些组件的使用提高了研发效率和软件质量，也利于系统的扩展。比如使用代码生成器技术［15］研发的代码生成器可以在数分钟内生成学术交流管理、日常上报文档、知识产权管理、质量管理等业务功能。

3 系统实现——以生产实验为例

根据以上的需求分析和设计实现各业务功能，支撑石油地质实验室的日常运行管理。下面以实验室的核心流程生产实验为例说明系统的实现。

3.1 业务实现

生产实验是面向生产业务的实验，送样人提交样品和线上登记后，调度安排实验流程，产生实验结果并反馈给送样人，同时调度对检测报告进行归档并对客户进行结算，其流程如图3所示。

（1）送样人登记。送样人（客户）可以自由选择进行样品测试的实验室，填写样品基本信息，根据模板上传样品信息文件。

（2）调度登记。调度可以新增送样单，也可以审核送样人登记的送样单，对审核通过的送样单进行部分修改形成一个合格的送样单。调度对送样单选择检测项目后，从Excel样品文件中导入并修改信息，自动生成送样通知单。

（3）任务下达。调度安排检测项目后，形成实验任务，设置样品在各检测岗位的流转流程，并能跟踪任务单进度，任务下达后产生结算收费单，由结算员对送样单进行收费结算。

（4）样品收发。调度下达任务后，各岗位的实验人员产生样品接收待办，同一岗位的人员可对样品接收进行“抢办”。岗位下实验人员进行完实验后，如存在下游岗位，可将样品发送到下一个岗位，由下一个岗位实验人员进行样品接收，如有余样可将余样发送给调度，由调度接收并处理，否则该样品收发的分支流程结束，如图3左侧的样品收发子流程所示。

（5）样品测试。检测人接收样品并在线下进行实验，一个岗位接收样品，可同时进行多个检测项目实验，完成实验后下载检测报告模板，填写实验结果，并上传含有实验结果的检测报告，同时对使用的仪器进行记录，包括使用时段、工作内容、设备状况。

（6）报告审核。审核人在报告审核待办中下载检测报告，查看实验检测结果，对不合格报告退回到检测人，对合格的报告自动流转到报告签发人。

（7）报告签发。签发人对报告再次审核，不通过则退回到检测人重新测试，通过则发送给检测人进行报告接收。样品测试、报告审核、报告签发的三审机制是生产实验质量控制重要的一环。

（8）报告接收。检测人接收报告并保持，可对报告进行打印并邮寄给送样人。

（9）报告归档。调度对检测报告进行初步归档。

（10）档案归档。对实验报告进行档案归档，并自动进入资料库，可以新增报告更正说明。

图3 石油地质类生产实验流程

生产实验流程有5个角色：送样人、调度、实验人员（包括检测人、审核人、签发人）、收费结算员、档案员。调度和实验人员是生产实验流程流转的纽带，流程以样品为输入，以检测报告为输出，多方共同参与完成生产实验全过程。

3.2 技术实现

在生产实验的技术实现上，有如下实现要点：

（1）可视化实验流程调度。在任务下达时，调度通过可视化流程定义，安排各实验岗位之间样品收发的流程，流程采用工作流插件GooFlow实现。

图4所示为任务下达后的一个样品流转图，每个节点代表一个岗位，每条边代表样品的流向，调度是流程的开始节点，除调度外，其他节点为实验人员岗位，一个实验岗位可做多个检测项目。节点颜色代表不同的状态，绿色表示该岗位已经接受了样品并完成了指定的检测项目，并将样品发送到下一个节点；黄色为样品待接收岗；灰色为尚未开始的岗位节点。

调度通过拖拽方式可视化定义样品流转图。直观掌握样品分发后样品流转动向和各岗位工作进度，且样品流转图具有继承、记忆功能，能够根据调度选择的岗位组合自动获取历史流程，方便调度使用。

图4 任务下达-样品流转图

（2）基于模板的数据导入、导出。在送样登记时，下载送样单模板并填写送样单信息，导入系统自动识别送样人信息、样品信息、每个样品对应的检测项目信息，调度可对信息进行调整，节省了调度填写送样单的工作量；在检测报告下载、送样单通知生成、三联收费结算单生成时，自动在对应的模板中生成，并可导出、下载打印、在线打印，规范了系统中表单、报告格式。

（3）实验报告三审签名自动生成。在样品测试、报告审核、报告签收的三审过程中，通过POI操作Excel读写图片自动在报告模板的位置插入对应角色的签名。

（4）基于XML配置的动态数据查询。后台查询引擎自动识别前端的查询条件、分页信息、排序信息，调用XML配置生成数据，由前端二次开发的表格组件dhtmlxGrid渲染，系统运行时可动态修改查询条件，数据列，而不用重新编码。

技术选型与实现满足了系统随需应变的能力，支撑了生产实验从样品接收、收费结算、实验过程、归档的全流程，满足了系统可视化展示、快速开发、按需扩展的能力。

4 结 语

为了满足勘探院国家重点实验室和公司重点实验室的日常运行管理，设计和实现了实验室信息管理系统。针对实验室管理的普遍需求和重点业务需求，对石油地质类实验室的日常运行业务进行重点分析设计，简要阐述系统安全设计、技术架构设计，最后，以业务核心流程生产实验为例说明了系统的核心业务部分技术实现细节。

石油地质类LIMS已经上线运行，各重点实验室的通用管理业务已在平台实现，如资源管理、日常管理、质量管理、学术交流、知识产权管理。石油地质类实验的核心流程生产实验、科研实验、开放实验、上岗证办理已在平台运行。系统运行平稳，已有用户近2 000人，生产实验累计送样3 000多单，产生实验报告近7 000份。在技术实现上，调度通过可视化流程组件配置实验流程，系统通过模板实现数据导入、导出、签名、在线打印，通过XML配置实现数据动态查询与配置。系统可扩展性强，能够满足石油地质类实验室运行管理需求，具有推广应用的价值。