天然气实验室信息管理系统的开发与应用

王雁冰，张奎，孙丽敏，林敏，刘永超，严烨，姜琛 ，田艳辉

(1.中国石化天然气榆济管道分公司，济南 250101； 2.西安悟空检测科技有限公司，西安 710075)

实验室信息管理系统(LIMS)是将以数据库为核心的信息化技术与实验室管理需求相结合的一种信息化管理工具。该系统以计算机网络、数据存储、数据处理等技术为手段，以ISO/IEC 17025 《检测和校准实验室能力的通用要求》等规范体系为基础，将实验室的业务流程与质量管理、资源管理以及其它业务工作以合理的方式进行整合［1-3］，从而起到强化实验室的质量管理，提高实验室的工作效率，保证实验室数据安全的目的。随着实验室信息管理系统的快速发展，传统的纸质办公及数据传递工作的模式和效率已经难以满足当今实验室的发展需求，如何高效地促进实验室的良好运行，已经成为各行各业实验室共同探讨的主题［4-6］。

近些年，互联网技术被逐渐应用到计量检测行业中来，使得该领域实验室管理做到了自动化管理、无纸化办公，从而促进了计量检测实验室的快速发展。目前，实验室信息管理系统在食品、疾控、医疗、环境、生物等领域的实验室中应用较多［7-12］，但在天然气领域计量检测实验室的应用尚未见报道。在进行项目论证时，笔者对同行业实验室的LIMS 系统使用情况进行了调研，结果表明，目前本行业内的LIMS 系统均只实现了计量检测业务流程的线上管理，对其它管理模块的开发融合尚未开展。基于此，笔者建立了集计量检测业务开展、质量管理体系运行为一体的专业化、智能化天然气实验室信息管理系统。该系统以天然气计量检测业务为核心，融合CNAS-CL01 《检测和校准实验室能力认可准则》、JJF 1069 《法定计量检定机构考核规范》等考核规范要求，将检测管理、校准管理、质量控制、仪器设备、数据分析、客户资源等因素有机结合起来，采用计算机网络技术、数据库技术和标准化的实验室管理思想，构建全面、规范的管理体系，为实现分析数据自动采集、快速解析、信息共享，以及质量管理体系顺利实施、实验室管理水平整体提高等方面提供技术支持。

1 天然气实验室信息管理系统架构设计

1.1 总体架构及数据架构

天然气实验室信息管理系统建设采用Browser/Server（浏览器/服务器）架构设计，选择开放、业内主流的JAVA 语言作为开发核心技术，基于MVC（M为业务模型，V 为用户界面，C 为控制器）的设计架构，采用N 层的体系结构，同时以标准的数据库连接池接口规范自适应各种数据库（Oracle、MySQL、SQL Server 等）的适配，保证系统未来良好的可维护性及可扩展性。

在天然气实验室信息管理系统架构设计中，引入基于组件的设计理念，将系统的每一个子模块都进行组件化，组件之间相互独立，可分布式部署运行，并且通过MQ（消息队列）技术实现36 个子模块的数据交互。传统的IOE数据库面临数据库连接、数据库IO、数据库变更等技术瓶颈，系统采用分布式的数据架构设计，结合结构化与非结构化相结合的方式实现数据的存储方式，使数据库支持高、可用切换，应用服务器和数据库服务器可水平扩容、性能高，数据库变更和维护风险分散等优势。天然气实验室信息管理系统架构设计图如图1 所示。

图1 天然气实验室信息管理系统架构设计图

天然气实验室信息管理系统采用分层结构开发和设计，将界面、业务流程、服务、数据分离，实现系统内部松耦合，以灵活、快速地响应业务变化对系统的需求。系统层次结构划分为信息资源层、信息存取层、业务服务层、业务流程层、展现层，各层次间通过直接调用或者通过ESB(即企业服务总线)进行调用，实现系统功能。原则上信息资源层不允许信息存取层之外的层次对其进行调用，信息存取层不允许业务服务层之外的层次对其进行调用。各层的应用组件利用系统支撑服务框架所提供的基础服务实现系统公共设计、运行与管理机制。天然气实验室信息管理系统分层架构图如图2 所示。

图2 天然气实验室信息管理系统分层架构图

1.2 软件功能及目标

按照CNAS-CL01 《检测和校准实验室能力认可准则》、JJF1069 《法定计量检定机构考核规范》等考核规范的规定和要求，结合天然气计量检测实验室实际情况，以样品检测过程为主线（图3），通过顶层设计公司分布式实验室信息管理系统，实现公司下辖实验室的集中管理和标准化管理；通过分析仪器网络连接及数据的自动采集、二维码设置、移动APP 开发等功能，实现样品流转、数据采集与处理、检定检测延伸性服务等项目的智能化管理；通过整合质量控制及管理体系等项目，实现实验室业务管理的信息一体化。

图3 样品检测流程图

天然气实验室信息管理系统可划分为检测管理、校准管理、水质监测、润滑油检测、样品管理、资质管理、客户管理、系统管理、资源管理、费用管理、文档管理、质量控制、数据上报、移动APP 及统计分析15 个子模块（图4），每个模块之间可独立管理且存在依赖关系。

图4 天然气实验室信息管理系统子模块功能概览

2 天然气实验室信息管理系统开发及应用

天然气实验室信息管理系统使用J2EE(企业级分布式应用程序开发)平台作为核心开发技术。JAVA 平台具有强大的功能和非常高的综合程度，定义了整个标准的应用开发体系结构和一个部署环境。在J2EE(企业级分布式应用程序开发)平台上开发企业级应用，充分利用了J2EE(企业级分布式应用程序开发)技术规范在事务处理、远程访问、安全保护的优势，保证了系统的效率、灵活性、扩展性。项目中采用的核心技术主要有：SpringBoot(软件开发框架)、Spring Mvc(软件开发框架)、Jwt(身份认证)、Redis(远程字典服务)、ActiveMQ(消息队列)、Quartz(定时任务)、MyBatis(持久层框架)、Alibaba Druid(阿里巴巴数据源)、Velocity(模板引擎)、PageOffice(在线编辑办公软件)等。

2.1 标准化管理

天然气实验室信息管理系统上线前， 公司下属的三个实验室均独立开展天然气计量检测业务，尚未实现集中管理，不利于公司统一调配及资源共享。结合公司实际，系统设计为分布式架构方式（图5），顶层定义系统通用模块，将基础模块建设及统计模块独立于主流程之外部署，将检测主流程针对各自实验室分布式部署，确保数据的隔离及业务的可拓展性，从而实现公司下辖实验室的集中管理和标准化管理。

图5 分布式架构方式

2.2 智能化管理

2.2.1 数据自动采集

随着智慧实验室在计量检测领域的普遍应用，仪器数据自动采集势在必行。未实现仪器数据自动采集时，是通过人为誊写原始数据到原始记录上，较容易出现誊写错误，通过LIMS 系统的数据自动采集功能，可减少人为原因导致的数据错误，提高实验室仪器设备的自动化程度和规范化管理水平，进一步提升实验室的工作效率和工作质量［13-15］。该系统通过在仪器工作站安装自主开发的数据采集软件，可将仪器生成的图谱文件实时传送到服务器进行自动解析，获取样本编号、检测项目及检测数值等信息，并将数据还原到原始记录进行自动计算获取检测结果（图6）。

图6 数据自动采集流程

（1）仪器连接。将仪器生成的原始记录（pdf、excel 文件）上传到系统解析，实现检测项目结果的自动抓取功能。

（2）原始记录填写。原始记录填写分为两部分，一部分为所有原始记录共有信息（样品名称、样品编号、项目名称、检测依据、检测日期、样品状态、完成日期、环境温度、环境湿度、仪器及编号、标准物质信息），可在页面填写，然后选择原始记录模板生成原始记录之后回填到原始记录，且以后同一项目及方法可以再次调用；另一部分为特有信息(检测数值部分)，需在原始记录单中完成，保存原始记录单之后系统自动提取最终结果至检测报告。

（3）图谱上传。图谱上传分两种情况，即系统自动抓取和检测员选择上传。针对单样品和单检测方法可根据图谱命名(样品编号_方法编号)来自动识别；针对多样品情况，检测员可手动选择相应的项目上传图谱。

2.2.2 移动APP 功能

对于公司下达的取样检测任务，该天然气实验室信息管理系统配备移动手持终端进行现场样品信息的采集工作。外出采样之前可为样品打印二维码标签，贴至取样气瓶合适位置。通过移动手持终端APP 扫描二维码填写取样方案，并上传至系统。到达天然气场站完成取样后，通过移动手持终端APP扫码识别样品填写取样记录，记录样品基本信息（取样地点、取样部位、气源温度、气源压力、环境温度、环境湿度等），提交之后将数据进行处理并回传到服务器完成数据的采集工作。

对于现场开展的天然气水露点、烃露点、硫化氢等项目的检测，通过移动APP 也可完成原始记录的填写、上传工作。通过移动手持终端APP 登录后，选择相应的检测项目，按提示填写检测地点、检测部位、检测日期、检测人员、环境条件、气源条件，以及检测原始数据，提交之后可将数据进行处理并回传至服务器。移动APP 截图如图7 所示。

图7 移动APP 截图

2.3 质控一体化管理

实验室质量控制是保证实验室正常运行和保证检测结果正确的活动，目的是在于控制样品检测的各环节和产生、形成或实现过程中的各程序，并使它们达到规定的要求，把不符合要求的环节控制在其形成早期并加以消除［16］。天然气实验室信息管理系统通过天然气计量检测业务和质量控制体系的全流程一体化管理，大幅提高业务工作质量和工作效率，保证数据流转的完整性、安全性和可靠性。

系统质控管理模块支持质量控制负责人在线编制质控计划（内部：人员比对、仪器比对、留样复测、加标回收；外部：实验室间比对、测量审核、能力验证），系统自动将质量控制计划通知到相应的执行人，并在预期执行时间前进行提醒。控制计划完成后，将执行结果在线反馈至计划编制人，并提醒计划编制人跟进并进行评价。如质控结果满意，将质控记录进行归档，如不满意则启动原因分析流程。质量控制结构图如图8 所示。

图8 质量控制结构图

3 结论

建立的天然气实验室信息管理系统覆盖了人、机、料、法、环、测等关键点的把控，将各个实验室进行集中管理，探索了实验室的分布式管理模式，优化了实验室的业务流程，使实验室达到规范化运转、无纸化办公、高效化生产，促进了实验室的进一步发展与提升。

（1）分布式天然气实验室信息管理系统的建立，实现了公司下辖三家实验室的资源共享、集中管理和标准化管理。通过开展实验室间比对、分析系统性能评价等活动，不断提高实验室计量检测能力，进一步提升公司计量管理水平。

（2）采用特定的仪器联结与仪器控制功能，完成实验数据的智能化采集，确保数据准确的同时实现数据的自动上传，减少因人为因素造成的分析误差，保证实验数据的完整性、安全性和可靠性；通过设置样品二维码，系统可以对每个样品进行精确的全周期追溯，通过审核追溯链可以复现数据生成的全过程和要素，保证检定检测的服务质量。

（3）系统严格按照CNAS-CL01 及JJF 1069 等标准规范的要求管理实验室的各项工作，以程序化方式优化计量检测工作流程，建立完备的质量控制手段，有效提高实验室工作质量和工作效率。