水質監測實驗室信息管理系統技術構架及應用

盧 衛，何曉珉,曹櫻櫻

(浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009)

《中華人民共和國水文條例》要求，“水文機構應當加強水資源的動態監測工作,發現被監測水體的水量、水質等情況發生變化可能危及用水安全的,應當加強跟蹤監測和調查,及時將監測、調查情況和處理建議報所在地人民政府及其水行政主管部門?！碑斍?因為新一輪機構改革,水利部門的水質監測工作重點已由水功能區監測轉向國家重點水質站、水源地等水質監測。水利部門開展的江河湖庫水質監測，將為保障供水安全、水利工程管理和河湖長制管理等工作提供有力保障，為中央和地方政府管理水資源提供決策依據。

實驗室信息管理系統(以下稱LIMS)隨著信息技術的發展與完善，已經應用到各行各業的實驗室管理當中[1]。在水質監測任務日益繁重，水質監測指標逐年增加，檢測人員數量緊缺的情況下，應用信息管理系統替代傳統的人工管理模式，是水質監測管理的發展趨勢[2]。2018年12月，水利部水文司提出在水質分析處理過程中，“要推進實驗室信息管理系統應用，提高實驗室信息化管理水平”的要求。2017年,浙江省水資源監測中心開始研發實驗室信息管理系統，2019年11月完成試運行。

1 設計目標

浙江省水資源監測中心水質監測實驗室信息管理系統是用信息系統代替人工管理方式。該系統重新梳理和優化原有業務流程，實現水質監測的現代化管理。系統通過先進的計算機網絡技術、數據庫數據，將實驗室的采樣、檢測、評價業務流程和各要素有機結合，組成一個科學、規范、高效、不斷循環優化的綜合管理體系。在強化實驗室質量控制能力的基礎上，使水質監測各項業務流程更加符合資質認定要求，監測能力現代化和信息化水平也得到顯著提升。

2 技術架構

表1所示信息管理系統架構層級設計為四層，分別為表現層、應用層、應用支撐層、數據庫層。

表1 信息管理系統架構層級設計

2.1 表現層

表現層是為了滿足面向水質監測管理的信息系統需要而構建的符合操作邏輯，人機交互，界面美觀的整體平臺設計。頁面緊扣LIMS要求的水質監測業務邏輯。表現層的界面設計以操作簡易和界面友好為宗旨，管理人員和檢測人員可以方便地以web瀏覽器的方式訪問相關管理系統的信息資源，通過鼠標就可以完成大多數實驗室工作。

2.2 應用層

應用系統是系統的完整性和實用性主要表現形式和系統建設的主要內容,與水質監測實際業務流程緊密貼合。根據水質監測管理需求，應用系統分為主流程模塊、質量控制模塊、數據統計、資源管理模塊、用戶管理模塊、系統設置管理模塊。每個模塊對其基本功能、輸入及輸出均設置了統一的要求和規則限制，包含了各種涉及水質監測業務的規則和邏輯。通過統籌規劃應用層的建設，提高管理人員和檢測人員的水質監測綜合管理能力和服務水平。

2.3 應用支撐層

應用支撐層處于應用層和數據庫層之間，在整個總體架構中承擔著承上啟下的關鍵作用。應用支撐層提供一些公共的功能以方便應用功能的實現，主要包括數據交換、工作流、內容管理、報表管理、數據同步等。在應用支撐層中，根據需求分析結果,每個業務需求將模型化物理數據庫中的特定信息，并選擇適當的方式建立不同應用支撐組件。簡單地說,一個業務支撐組件可以模擬為數據庫表中的一個或多個邏輯表，其內容可能來自于一個或者多個物理表中的字段，即一個業務實體的屬性和一個物理表字段一一對應。利用業務支撐層解決業務數據表現形式的問題，將系統處理的數據進行有效規劃和組織，便于層間傳遞。這樣既可充分利用已有軟件，同時還可以更好滿足其他業務需求。

2.4 數據庫層

數據庫層主要負責數據的增、刪、改、查，這是對數據進行底層和原始數據的操作，即執行從水質監測數據庫(或其他數據服務)獲取數據或向數據庫發送數據的功能，將不同模塊和不同規則層的數據進行有效分類并存儲到對應的位置。

3 系統功能

本系統主要功能為水質監測涉及的采樣、檢測、評價流程及對流程中各要素質量控制管理，同時通過應用軟件與計算機等硬件結合，將水質監測的業務流程、質量控制、環境設施、人員、儀器設備、標物標液、化學試劑、標準方法、文件記錄等因素有機結合，組成一個科學、規范、高效、循環優化的綜合管理體系。建成后的系統主要包括檢測流程管理、質量控制管理、資源管理等功能。

3.1 檢測流程管理

檢測流程實現從水質站設置、采樣任務下達、現場采樣和檢測、樣品驗收和流轉、實驗室檢測、檢測數據校審核、檢測報告出具的流程化、規范化、標準化管理。

3.2 質量控制管理

質量控制主要包含采樣現場質控、實驗室質控及統計分析三個部分。采樣現場質控主要是對采樣到位、現場平行樣和全程序空白樣的管理；實驗室質控主要是對空白樣、標準曲線、室內平行樣、加標回收樣和標樣考核等的管理；統計分析主要包含檢測數據全流程溯源及對有關檢測結果的相對偏差和回收率的評定，質控數量和合格率的統計等[3]。

3.3 資源管理

資源管理主要功能是實現對各類環境設施、人員、儀器設備、標物標液、化學試劑、文件記錄等資源的有效與清晰的管理[4]。

3.4 統計分析管理

該功能實現對所有歷史檢測數據的綜合查詢，可以采用趨勢圖或其它圖形展示檢測數據變化規律，并在地圖上顯示監測站點位置及相應的檢測數據。

3.5 儀器數據接口管理

對于原子吸收分光光度計、原子熒光光度儀、流動分析儀、離子色譜儀等各類檢測儀器實現數據自動采集功能，即儀器產生的原始數據文件自動關聯到每張原始記錄表單，以PDF格式展示，方便工作人員隨時查看，同時確保了檢測數據的可溯源。

3.6 系統管理

實驗室系統管理的基礎功能模塊包括檢測項目管理、檢測方法管理、檢測標準管理、人員權限管理等功能[5]。

4 應用優勢

4.1 提高水質監測管理能力

《檢驗檢測機構資質認定能力評價檢驗檢測機構通用要求》于2018年5月正式實施，這是檢驗檢測機構資質認定對檢驗檢測能力評價的通用要求[6]。浙江省水資源監測中心水質監測實驗室管理系統結合最新軟件技術及與該通用要求和水利部有關水質監測管理制度，建立水質監測標準化工作流程，以增強水質監測技術管理效能。該系統的建成不僅對浙江省各市今后建設水質監測信息管理系統起到規范作用，也將在提高浙江省水利行業水質監測管理能力上起到引領作用[7]。

4.2 提升監測成果一體化水平

水質監測系統擁有數據管理平臺的功能，可及時保存實驗室儀器設備產生的所有檢測結果及產生結果的過程中一系列的中間數據，在保障數據完整性的同時也避免了二次錄入可能產生的差錯。并且，本系統新開發的野外便攜式水質監測儀器設備實時傳輸功能作為數據來源上游模塊之一，其產生的檢測結果和中間數據也全部與系統對接，這將進一步提升浙江省水質監測成果的一體化水平。

4.3 提供動態模型基礎性資料

隨著大數據技術和云計算技術的不斷發展，對水利行業大數據建模的研究會越來越受到重視，系統為建模研究提供基礎性資料，這也是大數據時代的必然要求[8]。也是為水質監測成果的深加工利用服務是系統未來發展的重點和趨勢。該系統為水質監測成果的深加工利用的發展趨勢提供了保障。比如通過對水質數據進行統計和分析，并結合多因子回歸方法等數學模型，建立動態模型，研究水體的水質水量的變化以及與水質水量關聯因素之間的關系，探索水量動態變化時，水質及水生態的變化情況等[9]。