射频识别技术结合人脸识别技术用于试剂“细化”“动态”管理

翁玉华，潘蕊，许振玲，颜长明，欧阳小清，董志强，张春艳，阮婵姿，吕银云，任艳平

厦门大学化学化工学院，化学国家级实验教学示范中心，福建 厦门 361005

高校实验室使用的试剂尤其危险试剂种类多，存放点多且分散，目前大部分高校都存在试剂管理模式粗放、管理信息不全面的现象。为了有效防止易制毒、易制爆及其他各种危险化学品被用于危害社会，国家相关部门制定了一系列严格的法律法规加强对危险化学品(包括高校实验室试剂)的安全管理[1–4]。当前国际形势复杂，需要对一些特殊区域或特殊部门的化学品实行全面严格管控。由此可见，对化学品进行科学规范管理极其重要，除了严格的环境管理，还要求精准的数据管理。

厦门大学化学国家级实验教学示范中心经过多年的细化建设和细化管理，真正建成了安全、规范、高效、实用的现代化教学实验室，积极发挥着国家级实验教学示范中心的“示范”与“辐射”作用[5,6]。在试剂管理方面已经摸索出一套“细化”“动态”管理模式，既满足了实验教学需要，又保证了实验试剂的安全性。

1 试剂“细化”“动态”管理现状

厦门大学化学国家级实验教学示范中心已经按照国家标准[7]设立专用试剂仓库，所有试剂根据种类和危险特性分柜存放：常规试剂存放在普通试剂柜中，强腐蚀性试剂存放在耐腐蚀的PP (聚丙烯)试剂柜中，易制毒试剂存放在钢制的蓝色毒品柜中，易制爆试剂存放在钢制的黄色防爆柜中，强挥发性试剂存放在通风试剂柜中(图1)。考虑到有些化学品混合存放可能产生危险，特别定制了试剂组合柜，将存在配伍禁忌的试剂分开存放。毒品柜、防爆柜和危险试剂柜采用双人双锁管理办法。对所有试剂进行登记、造册并录入计算机，定期对库存试剂进行盘点，及时补充库存量不足的试剂。但是人工清点、手工记录的管理方式费时费力，难以对每次试剂使用情况进行准确记录，存在一定的管理漏洞，离真正的信息化、智能化和自动化管理还有一定距离，这也是目前全国高校普遍存在的问题，为此我们率先引入国际上流行的射频识别技术和人脸识别技术，开发出一套试剂“细化”“动态”管理系统。

图1 PP试剂柜(白色)、防爆柜(黄色)、毒品柜(蓝色)和通风PP试剂柜(白色)

2 射频识别技术结合人脸识别技术用于试剂“细化”“动态”管理系统的构成

射频识别和人脸识别这两种技术都已发展得相当成熟，也得到了广泛应用，但二者的结合应用目前多见于门禁系统管理[8,9]，未见有关其他方面应用的报道。

2.1 射频识别技术

射频识别技术(Radio frequency identification，RFID)通过无线电波进行不接触快速信息交换和存储，将无线通信技术结合数据访问技术，并连接数据库，串联起一个复杂的系统，包括电子标签、阅读器和应用软件三部分。商品化的电子标签种类丰富，如不干胶标签、卡片标签、钮扣标签、钉子标签、钥匙扣标签、手环标签等，适合各种场所使用，甚至可以嵌入物体内部使用，其单价从几角到几十元不等。电子标签可以通过阅读器存储数据，可容纳的信息量大，也可以通过阅读器直接修改或删除电子标签所存数据，电子标签可反复使用。电子标签所存信息通过阅读器阅读，阅读标签时没有方向性，可同时阅读多个标签，阅读范围可根据实际需要通过改变阅读器的发射功率来调节。

相比于大家熟悉的条形码和二维码，RFID电子标签价格虽然较高，但是RFID技术的自动化识别和数据采集能力远高于条形码和二维码技术，RFID技术被认为是物联网最有前景的信息技术之一，已广泛用于食品、服装、医疗、零售、物流、图书馆等多个行业[10–12]。

2.2 人脸识别技术

人脸识别是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术，是人工智能技术的应用之一。人脸与生俱来，其唯一性和不易被复制的良好特性为身份鉴别提供了必要的前提。人脸识别技术具有非强制性、非接触性、操作简单、结果直观、隐蔽性好等特点，在金融、公安、司法、通行、安保、考勤及自助服务等多个领域得到应用[13–15]。

2.3 射频识别技术结合人脸识别技术用于试剂“细化”“动态”管理系统的构成

厦门大学化学国家级实验教学示范中心自主开发的融合了射频识别技术与人脸识别技术的试剂“细化”“动态”管理系统，由硬件、应用软件和电子标签三部分组成。硬件包括电脑、摄像头、RFID阅读器、电子天平、报警器等。应用软件根据化学实验室试剂使用规范和管理要求自主开发，具备数据采集、汇总、统计等功能。电子标签直接从市场购买，综合考虑了使用成本、使用便利性以及耐腐蚀性等多方面因素，我们选用以塑料膜为载体的不干胶标签。

每个试剂仓库配备一台带摄像头和触摸显示屏的电脑作为管理终端，试剂管理过程中的很多操作可以直接在触摸屏上完成。人脸识别通过摄像头实现，贯穿于试剂管理全过程，完成包括应用软件登录、管理系统使用过程中使用人身份确认、软件空闲锁定后的激活以及进出试剂仓库人员的身份确认等各项功能。

3 射频识别技术结合人脸识别技术用于试剂“细化”“动态”管理系统使用流程

整套管理系统由专业人员帮助安装，使用人员只需了解系统的基本构成，即可按照该系统的使用流程(如图2)进行“傻瓜式”操作。使用流程包括试剂入库、试剂领用、空瓶出库三个部分。

图2 射频识别技术结合人脸识别技术用于试剂“细化”“动态”管理系统使用流程

3.1 试剂入库

系统投入使用之前，先建立数据库并将已有的试剂管理数据导入数据库。试剂仓库所有现存试剂以及新购试剂都需要入库，从数据库中调取欲入库试剂档案(若数据库中无该试剂档案可补充建档)，将信息补充完整，每一瓶试剂贴一张电子标签，将试剂放在电子天平上称重，入库人只需按一下触摸屏上的“发卡键”并将桌面发卡器(阅读距离约为5 cm的RFID阅读器)靠近电子标签，听到“嘀”的提示音，说明电脑已记录了试剂入库毛重即最新库存毛重、入库时间、入库人等信息并通过桌面发卡器将试剂信息写入电子标签，这个过程称为发卡。再将成功发卡的试剂分类存放在试剂柜里。

3.2 试剂领用

试剂的领用方式有两种：整瓶领用和部分领用。

1) 整瓶领用。将一瓶或多瓶试剂放在RFID阅读器阅读范围内(阅读距离2 m内可调)，阅读器自动阅读试剂信息，电脑显示欲领用试剂清单，领用人核对无误后按一下触摸屏上的“领用键”，电脑记录下试剂领用信息如领用人、领用时间等。若未进行领用操作就试图将整瓶试剂带出试剂仓库，安装在仓库门边的RFID阅读器(阅读距离5 m内可调)读到未领用试剂信息，发送信号给电脑，电脑记录下该试剂异常出门时间、仓库门编号(如有多个仓库门)等，报警器同时发出警报。已经领用的整瓶试剂送回仓库上架前要进行归还操作，须逐瓶称量试剂归还时毛重，称量过程中，安装在电子天平旁边的RFID阅读器(阅读距离约为50 cm)自动阅读试剂信息，归还人只需选择试剂用途(如用在哪个实验项目)并按一下触摸屏上的“归还键”，电脑记录下该试剂的归还信息如归还时毛重即最新库存毛重、归还人、归还时间以及本次领用试剂的用途等，同时自动计算出本次试剂领用量。

2) 部分领用。也可利用系统配备的电子天平在试剂仓库称取所需量试剂，在试剂称量过程中，RFID阅读器自动阅读试剂信息，领用人选择试剂用途后按一下触摸屏上的“称量键”，电脑记录下所称试剂的质量、领用人、领用时间和本次领用试剂的用途等信息，同时自动计算出试剂的最新库存毛重。也可先将部分试剂从库存试剂瓶转移到其他容器，再通过电子天平称量剩余试剂毛重即最新库存毛重，电脑自动计算出本次试剂领用量，这种操作方法也适合液体试剂。部分领用全过程都在试剂仓库完成，更加直接方便。

3.3 空瓶出库

当试剂用完只剩空瓶时，应及时将该瓶试剂从试剂库存中移除，我们专门设计了空瓶出库操作环节，空瓶出库的时候电脑记录下空瓶的处理方法。

将射频识别技术和人脸识别技术结合应用，可以将每次试剂使用细节记录下来(图3)，这些详细数据可用于后期对试剂管理链条中的任何节点进行倒查。对数据的统计分析可以帮助我们了解试剂库存情况，某一时间段或某个实验项目的试剂消耗情况等，有计划、有依据地进行试剂订购，有效提高了试剂的利用率，避免了试剂因长期存放造成的过期变质情况。将本系统结合人脸识别门禁系统和监控系统使用，最大程度地保证了试剂管理和使用的安全性。

图3 试剂领用明细查询界面

4 系统成本

一个试剂仓库配备一套管理系统，每套管理系统所需投入的硬件和软件总费用为7–8万元。系统运行过程中的主要消耗品为电子标签，市售电子标签单价从几角到几十元不等，我们选用便宜又可重复使用的以塑料膜为载体的不干胶标签，可以方便牢固地贴在试剂瓶及其他包装物上，不易损坏丢失，标签单价为0.35元/张，即使作为一次性标签使用，每年消耗2000张标签，总费用为700元。所以，厦大自主开发的结合了射频识别技术和人脸识别技术的试剂“细化”“动态”管理系统无论是前期投入还是运行成本都是比较低的，适合大范围推广使用。

5 结语

我们率先将RFID技术和人脸识别技术结合用于试剂的“细化”“动态”管理，有效提高了试剂管理和使用的安全性以及工作人员的工作效率。该系统目前用于教学实验室的试剂管理，也可应用于科研实验室的试剂管理。如能进一步将这种管理模式扩展到上游的试剂生产企业、经销商和下游的化学废物处理企业、环境卫生管理部门，则有望真正实现试剂从生产、贮存、运输、利用到化学废物处置全生命周期的安全管理。

系统投入使用半年来，总体运行稳定。针对系统运行过程中出现的问题和使用人提出的意见建议，我们随时对系统进行调整使其不断完善，以满足更多用户需求。2019年12月中旬，在厦门大学举办的第二届全国高校化学实验技术交流会上，我们向与会者介绍了厦大自主开发的应用了射频识别技术和人脸识别技术的试剂“细化”“动态”管理系统，并现场进行了操作演示，大家对该系统给予了高度评价，认为有很高的推广价值。