鞏澤龍 楊悅 嚴(yán)燁 屠錦娣 彭輝 李丁一 張美龍

摘 要：為提升食品檢測實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化水平，加快信息化建設(shè)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室流程中，在采樣階段、受理階段、檢測階段、報(bào)告階段及實(shí)驗(yàn)室安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過USB、RS 232、LAN、WIFI、GPRS等擴(kuò)展接口將檢測儀器、監(jiān)測設(shè)備和智能終端同LIMS相結(jié)合，基于ADAS、Internet、RTSP、ONVIF、NLP等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和利用，構(gòu)建食品檢測實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)降低了人員參與度，提高了數(shù)據(jù)安全性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范管理流程，提升了管理水平和效率，保障實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行安全，為實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵字：實(shí)驗(yàn)室，數(shù)字化，物聯(lián)網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)化，食品

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.029

0 引 言

傳統(tǒng)的檢驗(yàn)檢測實(shí)驗(yàn)室作為人員密集型行業(yè)，伴隨工業(yè)化的不斷發(fā)展深化，工作效率已難以滿足服務(wù)制造業(yè)快速發(fā)展的需要。食品檢測實(shí)驗(yàn)室作為其中的典型代表，有著實(shí)驗(yàn)室環(huán)境布局復(fù)雜、設(shè)施種類繁多、設(shè)備類型多樣、人員參與環(huán)節(jié)眾多、難以集約化生產(chǎn)的弊端，造成實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)效率低下、溝通成本提升、數(shù)據(jù)退修率高、管理成本不斷增加的問題。

近些年，隨著信息化技術(shù)水平的不斷成熟和智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測行業(yè)中[1]：建立實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)、通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、大數(shù)據(jù)技術(shù)匯集數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)清洗分析數(shù)據(jù)、人工智能識別、安全遠(yuǎn)程監(jiān)控等。從而規(guī)范實(shí)驗(yàn)室流程、減少人員參與度、提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、提高實(shí)驗(yàn)室管理效率、降低運(yùn)行成本。

國家十四五發(fā)展規(guī)劃中，多次提到對物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求和重點(diǎn)，推動(dòng)傳感器、網(wǎng)絡(luò)切片、高精度定位等技術(shù)創(chuàng)新。檢測行業(yè)依托信息化技術(shù)的發(fā)展，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試劑耗材、環(huán)境監(jiān)測、門禁控制、消防控制、安防報(bào)警、視頻監(jiān)控等智能硬件，同先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)（LaboratoryInformation Management System， LIMS）相結(jié)合[2]，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室智能控制，使實(shí)驗(yàn)室管理更加科學(xué)規(guī)范，有效保障實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)運(yùn)行。

1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

隨著信息化技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)（Internetof Things， IOT）相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用在眾多實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域，在一定程度上加快了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化進(jìn)程。程序等[3]論述了運(yùn)用電磁傳動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物料的智能收納與儲(chǔ)存；董雷等[4]論述了依托云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和安全管理等多方面的智能管理；蔡永華等[5]論述了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有條件數(shù)字化的檢測設(shè)備同信息化系統(tǒng)的互聯(lián)；齊倩倩等[6]論述了利用基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)測、異常報(bào)警和智能巡檢等功能；周守宇等[7] 論述了利用SNMP協(xié)議技術(shù)對儀器設(shè)備不同工作狀態(tài)下的電流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的績效考核；麻小娟等[8-9] 論述了運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過前后端分離的形式開發(fā)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)，結(jié)合溫濕度傳感和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)控；蘇世雄等[10]論述了利用RFID、無線WiFi技術(shù)和電磁鎖模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室門禁的智能化管理；楊定中[11]論述了基于“區(qū)塊鏈+可視化”技術(shù)構(gòu)建可視化追溯體系，實(shí)現(xiàn)追溯實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)的主體責(zé)任、物品使用路徑和識別風(fēng)險(xiǎn)隱患等目的。

實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個(gè)長期的過程，對于實(shí)驗(yàn)室這個(gè)管理方向繁多的服務(wù)業(yè)組織，需要從不同的切入點(diǎn)進(jìn)行分析，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能終端相結(jié)合并實(shí)際運(yùn)用，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化物聯(lián)和標(biāo)準(zhǔn)化管理的目的。

2 食品檢測實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)系

食品實(shí)驗(yàn)室整體流程可按照階段劃分為采樣階段、受理階段、檢驗(yàn)檢測階段、報(bào)告階段以及安全管理部分。采樣階段配備智能填報(bào)終端和打印設(shè)備；受理階段利用掃碼設(shè)備、標(biāo)簽打印設(shè)備和智能樣品架/柜同系統(tǒng)進(jìn)行對接；檢驗(yàn)階段配備具有和系統(tǒng)對接功能的檢測儀器、智能樣品存儲(chǔ)框、掃碼設(shè)備和智能填報(bào)終端；報(bào)告階段配置智能打印機(jī)、智能報(bào)告柜和滿足對接的客戶終端。食品檢驗(yàn)檢測實(shí)驗(yàn)室智慧物聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

該系統(tǒng)按照五層邏輯構(gòu)架開發(fā)建設(shè)，包含數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、原始數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)層及信息展示層。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖2。數(shù)據(jù)采集層也稱為感應(yīng)層，通過不同的方法采集不同檢測/監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于不同的數(shù)據(jù)庫。傳輸層通過RS232、RS484、USB、RJ45等有線通信技術(shù)接口獲取數(shù)據(jù)，或通過WIFI、GPRS、藍(lán)牙等無線傳輸方式獲取數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)層對不同類型的數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)和備份，包括但不限于原始檢測圖譜數(shù)據(jù)圖、報(bào)告庫、實(shí)驗(yàn)室因子庫、預(yù)警庫、樣品庫、儀器設(shè)備庫、試劑耗材庫、檢測方法庫等。應(yīng)用服務(wù)層依照通過不同技術(shù)對原始獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、比對和應(yīng)用，包括但不限于根據(jù)原始檢測圖譜數(shù)據(jù)生成報(bào)告、實(shí)驗(yàn)室溫濕度記錄、實(shí)驗(yàn)室高溫預(yù)警、實(shí)驗(yàn)室水位預(yù)警、智能門禁警報(bào)、氣路壓力預(yù)警、實(shí)驗(yàn)室危害因子預(yù)警、實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)控等。信息展示層將不同類型數(shù)據(jù)應(yīng)用結(jié)果分類展示，如大屏展示、系統(tǒng)賬號提醒、終端應(yīng)用程序提醒、聲音提醒、顏色提醒等。

2.3 實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，既有保密性要求高的數(shù)據(jù)，又有開放性的數(shù)據(jù)。對于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部數(shù)據(jù)安全性的防護(hù)，系統(tǒng)設(shè)置了防火墻，由于防火墻技術(shù)僅能滿足網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離策略下的數(shù)據(jù)交換需求，并不能規(guī)定物理隔離條件下的信息共享需求[12]。因此需要引入隔離區(qū)（Demilitarized Zone， DMZ）技術(shù)，DMZ可以認(rèn)為是一個(gè)放置在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間的特殊網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，通常存儲(chǔ)一些非敏感性或公開數(shù)據(jù)的服務(wù)器[13]，作為互聯(lián)網(wǎng)訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)的容災(zāi)緩存區(qū)。外網(wǎng)不能直接訪問內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)，僅能訪問DMZ區(qū)域的數(shù)據(jù)，保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全性。同時(shí)縮短了訪問路徑，提高了訪問數(shù)據(jù)的響應(yīng)率。食品實(shí)驗(yàn)室智慧物聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖3。

2.4 系統(tǒng)對接

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)基于L I M S和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Automatic Data Acquisition System， ADAS），通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（I n t e r n e t）、實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議（Real Time Streaming Protocol， RT SP）、開放式網(wǎng)絡(luò)視頻接口（Open Network Video Inter faceForum， ONVIF）、自然語言識別（Neuro LiguisticProgramming， NLP）等多種方式將不同硬件設(shè)備和智能終端接入，按照不同接口規(guī)范將設(shè)備和終端分類，執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)采集策略，獲取回傳數(shù)據(jù)、圖譜和圖像等信息，供系統(tǒng)分析和利用。

3 食品實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)的功能要求

3.1 樣品采集階段

抽樣人員通過抽樣APP填寫樣品信息和抽樣記錄，在線連接自動(dòng)打印設(shè)備打印委托單等資料，連接自動(dòng)標(biāo)簽打印機(jī)打印樣品標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場抽樣地點(diǎn)定位的記錄、抽樣環(huán)境情況確認(rèn)、樣品基數(shù)確認(rèn)、樣品狀態(tài)確認(rèn)、抽樣過程的信息記錄。

3.2 樣品受理階段

利用掃碼槍掃描二維碼獲取被抽樣品基本信息，調(diào)用產(chǎn)品對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫確定檢驗(yàn)項(xiàng)目和采用方法。根據(jù)項(xiàng)目分隔樣品，打印分樣標(biāo)簽予以標(biāo)識，待檢樣品流入實(shí)驗(yàn)室智能樣品框中，備份樣品流入留樣室智能樣品柜/架留存。

3.3 樣品檢測階段

掃描智能樣品框二維碼查詢目標(biāo)待檢樣品，樣品經(jīng)預(yù)處理（粉碎、切割等）后進(jìn)行分割，打印樣品標(biāo)簽流入檢驗(yàn)室智能樣品框。檢驗(yàn)人員掃碼查詢目標(biāo)樣品，經(jīng)預(yù)處理上機(jī)檢測。檢測設(shè)備通過和系統(tǒng)對接上傳檢測數(shù)據(jù)，或系統(tǒng)通過抓取圖譜獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)解析，同時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件、儀器信息和試劑信息等內(nèi)容生成原始記錄，匯總原始記錄結(jié)果生成檢驗(yàn)報(bào)告并自動(dòng)判定。

3.4 樣品報(bào)告階段

檢驗(yàn)報(bào)告生成后在線進(jìn)行審核和批準(zhǔn)，經(jīng)自動(dòng)打印裝訂機(jī)形成正式報(bào)告，直接線上發(fā)送給客戶，或暫存于智能報(bào)告柜，對不合格樣品在線通知客戶并進(jìn)行預(yù)警提醒。

3.5 實(shí)驗(yàn)室安全環(huán)節(jié)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對溫濕度監(jiān)測設(shè)備、高溫探測器、水位檢測設(shè)備、氣流壓力檢測設(shè)備、智能門禁設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、氣體泄漏監(jiān)測設(shè)備、危害氣體監(jiān)測設(shè)備及顆粒物監(jiān)測設(shè)備等監(jiān)測/檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)連接，接口形式不限于USB、RS 232、RS 485、GPIB及LAN等接口，或通過WIFI、GPRS等擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)針對不同信息的模擬形式進(jìn)行解析，從而達(dá)到監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室安全因子的目的。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)食品實(shí)驗(yàn)室的管理較為復(fù)雜，根據(jù)其運(yùn)行環(huán)節(jié)多樣性的特點(diǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將抽樣環(huán)節(jié)、樣品接收環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、報(bào)告環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)室安全等過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)從線下轉(zhuǎn)為線上，減少了人員參與的人力成本和干擾，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和有效性，規(guī)范了管理流程，提升了實(shí)驗(yàn)室信息化和標(biāo)準(zhǔn)化水平，加快實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化進(jìn)程。展望未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和區(qū)塊鏈等信息化新技術(shù)的發(fā)展和成熟，數(shù)字化將會(huì)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)融合的更加緊密，實(shí)驗(yàn)室的智能化水平將不斷提升，實(shí)驗(yàn)室檢測智慧工廠的目標(biāo)將有實(shí)現(xiàn)的可能。

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作者簡介

鞏澤龍，碩士，工程師，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)室管理與標(biāo)準(zhǔn)化。

嚴(yán)燁，通信作者，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)橘|(zhì)量檢測與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

張美龍，本科，助理工程師，主要從事質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

（責(zé)任編輯：袁文靜）