李千慧

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113000）

随着科研和生产技术的不断发展，人们对分析测试的要求无论在样品数量、分析周期、分析项目和数据准确性等方面都提出了更高的标准，原有的人工管理模式在这种形式下已经落后。因此国际上相关实验室均已朝着先进的网络化管理方向发展，LIMS（实验室信息管理系统，Laboratory Information Management System）[1]从20 世纪60 年代发展至今，借助计算机网络技术的应用，已经实现了数据采集、处理、分析以及相关实验室管理信息的网络化。通过LIMS，实验室可以达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高工作效率、降低运行成本起到至关重要的作用。

在发达国家，LIMS 被普遍应用在制药、石油、化工、环保、供水、医疗、采矿、商检、电力及教育和科研单位等行业，诸如百事可乐公司、美孚石油、杜邦化学、通用电气等公司都采用了LIMS 系统，并取得了可观的收益。目前，国内实验室目前也正在逐步开始采用这样的管理方式[2-6]。

随着计算机技术普及网络云共享技术的发展，以及“互联网+”技术的不断推进，建设数字化、智慧化的实验室信息管理系统成为了必然趋势。目前针对煤炭行业的实验室信息管理研究较少[7-10]。基于此，研发了基于B/S 架构的煤矿瓦斯灾害防治实验室信息管理系统，系统设计综合考虑了RB/T 214—2017行业实验室准则，可帮助瓦斯实验中心建立一套既适应实验室信息化发展需要又能够规范运作的体制机制；严格规范管理，切实将信息化作为规范检验工作的重要手段和措施。

1 需求分析

煤矿瓦斯灾害防治实验室主要包括煤层瓦斯涌出预测、瓦斯抽采技术和煤与瓦斯突出防治等研究单元，涵盖孔隙率测定、吸附解吸测定、工业分析、煤的瓦斯残存量测定等一系列实验项目，未来还可能继续增项，实验数据已有一定量的积累。实验室依据RB/T 214—2017《检验检测机构资质认定能力评价检验检测机构通用要求》[11]，结合实际情况，制定针对机构、人员、场所环境、设备设施、管理体系等方面的详细管理办法及细则，保障RB/T 214—2017 的各项标准细化至具体的管理要求中。

实验室传统的人工管理模式存在诸多问题。各种台账、人员信息、物品信息、仪器信息和样品信息等主要为纸质归档，管理、查询和存储困难，管理流程上也存在混乱的问题。客户快递或其他方式将样品送至实验室后，实验室人员根据送样人提供的标签进行纸质登记、分配任务，实验数据分散的存储于仪器连接的电脑上和实验人员的手中，出具报告是抄录的方式输入数据，原始记录和电子版报告分别保存于各个实验人员电脑上。由此可见，实验室的管理远远不够数字化、规范化，管理模式比较落后，工作中产生了一些资源浪费、反复复核信息造成工作效率迟缓、且原始数据和报告存储的安全性较低，有丢失的风险，针对当前出现的种种问题，急需开发一套适用于实验室的信息管理系统。系统业务流程如图1。

图1 系统业务流程图Fig.1 Flow chart

2 系统设计

2.1 总体架构

总体架构设计是对需求分析中产生的各种功能规模性、数据模型和行为模型等分析模型进行转化，主要分为交互层、应用层、中间层和数据层几个部分，系统结构图如图2。

图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram

数据支持层为最底层，包含异构数据库以及以数据挖掘工作流为基础的数据仓库，系统封装在最底层，由操作系统、服务器、网络对其进行底层支持。中间层提供了事务处理、索引服务、安全机制等服务机制。交互层通过访问Web 网站，用户可登陆进入系统，进行操作。

2.2 技术架构

实验室管理系统开发框架是基于SpringCloud、SpringBoot、MyBatis 及周边的生态技术开发，是一款稳定，高效，采用前后端分离的企业级微服务架构，更是致力于面向大中型企业提供的一套全面微服务架构的解决方案。架构封装了SpringCloud 提供的负载、降级、监控和统一配置等服务，可实现对应用、服务、链路、性能、响应率、成功率、可用率等基础监控与预警，并且集成了一些优秀的开源监控组件，对系统进行多维度监控。

整个架构将业务展示、业务处理、权限管理、结构化数据存储与处理、非结构化数据存储与处理、科学计算模型等模块进行物理隔离，通过webapi 的数据接口进行信息交互，减少耦合性，提高系统平台的整体维护性，各个模块独立运行与维护。当某个模块出现问题的时候，能够独立维护，不至于影响其他模块的运行。

系统部署在云端，采用容器化部署可以有效屏蔽系统差异问题，结合K8s 容器化技术可视化的大规模集群部署运维。在nginx 中部署证书，外网使用http 访问，并且只开发443 和80 端口，其他端口一律关闭（防止黑客户端口扫描），内网使用http，性能和安全都有保障，前端大量的组件代码得以复用，提升了开发效率。

2.3 技术路线

技术路线图如图3。

图3 技术路线图Fig.3 Technology roadmap

实验室信息管理系统是基于应用服务器和关系数据库开发的应用系统，基于B/S 架构，选用Java编程语言和SQL Sever 数据库来开发，采用面向对象构件化设计。开放性和可扩展性影响到系统的生命周期。系统确保业务数据和业务逻辑的可扩展性，随着应用水平的提高、规模的扩大和需求的增加，无须对系统的体系结构做较大的改变就可以对系统的功能实现扩展。同时，系统采用MVC 架构，以便对其它系统的集成和相互调用，方便系统之间的横向扩展，同时避免信息孤岛的现象。

软件提供多数据源支持，提供多种统计学方法，为用户提供统计分析得力方法。最终通过公网IP 映射在Web 上实现网页浏览。数据库布设在云端服务器，使用SQL 查询语言进行查询。与其他系统的接口相对容易，使用关系数据库系统，处理海量数据性能有显著提高。

3 系统功能

实验室信息管理系统主要是整合实验数据，对实验人员、送样用户、实验室内部的设备等进行管理，并实现基础功能，系统功能结构图如图4。

图4 系统功能结构图Fig.4 Functional structure diagram

实验室信息系统包括数据管理模块、实验过程管理模块、实验运行管理模块、远程检测诊断模块和系统管理模块、委托管理模块；数据管理模块对实验数据进行采集存储、统计分析、审核管理、授权查询和定制输出；实验过程管理模块对实验方案、理论计算和实验样品进行管理；实验运行管理模块对工作人员、仪器设备、材料试剂、文件资料等基础资源进行管理；远程检测诊断模块具有远程数据查询、数据传输和专家诊断功能；系统管理模块包括安全登陆、后台维护、电子签名和数据库管理。

1）基础数据库管理。基础数据库管理包括实验室人员信息管理、用户信息管理、样品信息管理、实验设备管理。LIMS 面向实验室人员和送样客户，不同用户分配不同的权限。基础数据库整合了实验室人员信息、用户信息、样品信息、物品信息、实验数据，按照数据结构存储。实验数据是实验室的核心，同一采样地点的工业分析水分，灰分，挥发分、真密度、块体密度有交叉重叠，历史数据积累，存储安全性保障，数据挖掘。系统提拱了基于数据挖掘的数据仓库建设。

2）委托管理。委托管理主要针对送样客户，客户分为内部客户与外部客户。委托模块实现预约功能，客户将样品的相关信息（送样日期、矿名、采样地点、煤层、标高、采样人，送样组或单位等）输入系统中，选择需要做的实验项目，系统自动的分配给对应的实验人员，并对样品进行排号，实现自动化分配流程，节省中间环节，使后期实验人员出具报告时减少了复核量。同时，系统可实现移动端微信小程序委托登记和进度查询操作功能，不限制地址移动下单、查询，更加方便、快捷。

3）报告管理。平台实现一键化出具报告，各项实验报告模板保存在服务器中。实验人员结束实验后，选择样品编号，输入对应的实验数据，调用对应项目的模板，在平台上出具电子版的报告，并加盖电子签字章。电子版的报告统一的保存在系统中。系统具有强大的报告管理功能：用户可自行配置报告模板关联检测类型和检测项目。经过报告编制，根据不同的检测项目自行选择报告模板生成报告，再进行报告审核、签发。系统支持电子签名、电子签章，CMA/CNAS/公章/骑缝章等均可实现在线签章。报告编制人员可通过系统自动生成检验报告，通过维护不同类别试验的报告模板，系统能够实现自动获取报告中涉及的委托信息、实验结果及相关数据。能够实现报告编制人员查看该受理的全部原始记录信息，支持报告编制人员电子签名的维护。部分试验需出具单项及综合2 类报告的，系统能够在相应环节实现2 类报告的编制，能够根据要求分别对2 类报告完成编制-审核-签发3 级审核。

4）综合查询管理。客户通过浏览器登录实验室信息管理系统，查询样品状态是否排队、实验中或者完结；查询电子版报告、下载、打印报告；查询实时实验数据与历史数据，输出报表，实现数据的统计功能。管理人员可以通过LIMS 平台，实时了解实验室内各台设备和人员的工作状态、不同岗位待检样品数量等信息。LIMS 可以提供对整个实验室各种信息的统计分析，得到诸如设备使用率、维修率、不同岗位工人工作量、出错率、委托样品及测试项目分布特点、实验室全年各类任务的时间分布状态、试剂或经费的消耗规律等信息。该模块主要是对数据进行挖掘，支持数据展板，依据业务需要生成数据统计图表、分析图表、线性图谱、质控曲线等，展现形式支持word、excel、PDF、JPG 等。LIMS 将整个实验室的各类资源有机地整合在一起，实现实验室数据完整性、合法性以及可追溯性，工作人员可以方便地对实验室曾经做过的全部分析样品和结果进行查询。

4 结 语

针对煤矿瓦斯灾害防治实验室管理的实际需求，结合RB/T214-2017 标准，引入了先进的实验室管理理念和技术手段，研发了基于B/S 架构的煤矿瓦斯灾害防治实验室信息管理系统。实验室信息管理系统对实验室的样品信息、实验数据、实验结果等进行合理有效的科学管理，从而提高实验室数字化、标准化和规范化管理水平，具有高维护性和第使用成本。

“十四五”期间，应充分发挥大数据与企业信息化系统建设的融合发展，一方面要将大数据作为基础性战略资源，加快推动数据资源共享开放和开发应用，积极构建平台化、组件化信息化系统，拓展数据采集广度和深度，强化关键数据的积累。另一方面要建立健全大数据辅助科学决策和治理的机制，推进管理模式创新。实验室信息管理系统的开发为信息化建设打下基础，提高实验室管理效率，作为实验室建设的附加应用，提升了企业形象。此外，该系统还需要根据实际需求进一步扩展功能模块，降低模块之间的耦合度，研究更深入的数据挖掘算法，提高实验室信息化建设水平，科学规范业务流程。