基于CNAS 體系標準的LIMS 創新實踐

李日平 劉曉明 馬少維 陳 省 鄭永祥 周宇棟

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦,廣東 韶關 512325;2.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083;3.倫圖科技(長沙)有限公司,湖南 長沙 410083)

受經濟、社會、技術、觀念等多種因素的影響,國內礦山企業在化驗檢測方面普遍存在資金投入不足、管理方式落后等現象。 許多企業依然沿用傳統的工作方式,如紙記人算、手抄匯總、重復謄錄、復寫報告、人工傳遞,檢測過程中存在數據抄算易出錯、原始記錄追溯難、報告編制效率低、結果查詢麻煩、數據統計不便、質量管理不規范等突出問題。

LIMS(Laboratory Information Management System)是一種專門為實驗室設計的信息管理系統,它以實驗室分析數據的采集、錄入、處理、檢查、判定、存儲、共享、報告發布及業務流程管理為核心,通過應用計算機信息技術對實驗室人員、材料、設備、技術、方法等資源進行綜合管理。 自20 世紀90 年代起,LIMS 系統在西方發達國家開始逐步普及和推廣,同期也開始引入國內。 經過二十多年的發展,LIMS 在國內醫藥、石油、化工、環保等行業逐漸得到應用。 隨著國內礦山企業化驗檢測業務的不斷發展,許多企業開始重視并引入LIMS 系統。

近年來,眾多學者對LIMS 在實驗室認證、地礦、環境檢測等領域的應用進行了深入研究。 他們主要涉及LIMS 在“雙認證”實驗室中的應用[1]、LIMS 在地礦行業開發應用現狀及應用前景[2]、LIMS 在西藏甲瑪銅多金屬礦的開發與應用[3]、LIMS 在海洋環境監測中的應用[4]、LIMS 在生態環境監測數據整合中的應用[5]、LIMS 如何實現化學制造實驗室與外部行業服務實驗室進行業務靈活適配[6]等方面,這些研究為LIMS 在相關領域的應用提供了有益參考。 然而,金屬礦山具有鮮明的行業特性,國內LIMS 針對該行業的開發和應用研究相對缺乏。 雖然國產LIMS軟件數量不斷增加,但市面上通用型LIMS 軟件普遍存在與CNAS 結合不緊密、流程管理不嚴謹、行業適用性不強、應用推廣困難等不足,無法有效滿足礦山行業實驗室的特殊需求。

隨著智能礦山[7-12]建設的快速推進,礦山企業如何開發適合本行業特點的LIMS 系統[13-14],充分發揮LIMS 的管理優勢,已經成為迫切需要解決的問題。本研究以國內某大型鉛鋅礦企業LIMS 的研發和應用為例,從CNAS 體系要求、LIMS 架構設計和應用創新等方面,對LIMS 在創新礦山企業化驗檢測業務管理模式、提升實驗室管理水平的現實意義和應用前景進行分析闡述。

1 礦山化驗檢測業務特點

礦山企業主要以礦石采選加工為主業,其化驗檢測業務普遍具有以下行業特點:

(1)樣品類型相對固定。 主要包括采礦地質樣、選礦生產樣、選礦試驗樣、選礦藥劑、精礦樣品、環測樣品等。

(2)檢測項目相對固定。 主要包括礦物成分分析、選礦藥劑分析、水質分析等。

(3)檢測方法相對固定。 主要包括容量分析、光譜分析、重量分析、電化學分析等。

2 CNAS 體系對LIMS 的基本要求

CNAS-CL01、CNAS-CL01-A002 準則對LIMS 提出了明確要求,主要涵蓋實驗室通用要求、結構要求、資源要求、過程要求和管理體系要求。 這些要求旨在確保實驗室的檢測和校準能力符合標準,并為質量改進提供數據依據。 為了滿足以上要求,LIMS 應具備以下功能:

(1)標準化管理。 LIMS 應提供樣品管理、人員管理、設備管理、方法管理、標準物質管理等功能。

(2)過程控制。 LIMS 應符合CNAS 關于檢測方法、檢測程序、數據完整性、結果有效性、量值溯源性和不確定度的相關要求,并提供符合CNAS 要求的文件和記錄管理功能。

(3)支持多種檢測類型。 LIMS 應支持化學分析、光譜分析、色譜分析、質譜分析等多種檢測類型,并采用靈活的數據采集和分析模塊以適應不同類型的需求。

(4)數據處理。 LIMS 應具備自動化數據處理功能,包括數據采集、計算、修約和統計等,并具備數據審核和數據溯源功能。

(5)數據存儲和備份。 LIMS 應具備強大的數據存儲和備份功能,以保證數據的安全性和完整性。

3 LIMS 在國內某大型鉛鋅礦的應用實踐

3.1 礦山概況

國內某大型鉛鋅礦是亞洲已探明地質儲量和鉛鋅精礦產量最大的礦山之一,該礦自1958 年建礦以來,經過多次技術改造和擴建,現已具備日處理鉛鋅礦石5 000 t、年產鉛鋅金屬量18 萬t 的綜合生產能力。 該礦質控中心負責為礦山采選生產、科研技改、各類試驗和產品銷售提供化驗檢測服務,為企業生產經營決策提供數據支持。 為緊跟行業信息化發展潮流,該中心制定了“標準化、信息化、自動化”的建設目標。 2018—2020 年,該中心順利完成了CMA 資質認證和CNAS 實驗室認可,建立了全面的質量管理標準體系。 隨后,2020—2022 年,根據礦山企業化驗檢測業務特點和實際需求,該中心成功研發出一款符合CNAS 體系要求、融合行業管理特色的LIMS 系統,開啟了礦山實驗室數字化信息化管理的新篇章。

3.2 LIMS 架構設計

針對傳統化驗檢測模式存在的問題,依據《CNAS-CL01 檢測和校準實驗室能力認可準則(ISO/IEC 17025)》[15-16]設計開發了金屬礦山LIMS 系統。系統的總體架構如圖1 所示。

圖1 LIMS 系統架構示意Fig.1 Schematic of the LIMS system architecture

(1)系統管理。 設計系統管理模塊,用于對模塊、按鈕、數據字典進行設置管理。 設計機構管理模塊,用于對部門和職位進行設置管理。 設計權限管理模塊,對用戶、角色或用戶組進行權限設置管理。

(2)基礎數據管理。 該模塊是LIMS 架構設計的核心。 通過建立樣品類型、樣品名稱與檢測項目之間的對應關系,對委托單位、檢測部門、化驗崗位、檢測方法、計算公式、標定公式、再現性限、雙杯單人分析等進行關聯配置。

(3)檢測流程。 根據CNAS 體系規范,設計LIMS標準檢測流程,主要包括業務委托、受理、加密、收樣、任務分配、任務認領、稱樣、定容、測定和結果匯總,對檢測過程實行流程化管理,以確保檢測程序的嚴謹性和規范性。

(4)報告流程。 設計報告編制、審核、批準、發布、歸檔等標準流程,以確保檢測報告的質量和準確性。 在報告編制環節,系統按照規定的格式和內容要求進行編制,以確保報告的真實性、準確性和完整性。在審核環節,由專業人員對報告的內容、格式、數據分析和結論等進行全面審查和評估,以確保報告的質量和合規性。 在批準環節,由高層管理人員對報告進行審批和決策,以確保報告的權威性。 經過批準的報告將傳達給相關人員,并確保報告的傳達方式和時間符合標準要求。 在歸檔環節,系統將整理并保存報告以備查詢和追溯。

(5)統計查詢。 設計業務流轉、檢測進度、報告進度、工作量統計、報告溯源等查詢功能,提供友好、精準的查詢體驗。 用戶可以通過該模塊輕松查詢業務的實時狀態,跟蹤監控業務流程,以便更好地把握業務進展情況。 同時,該模塊還應具備報告自動生成功能,并自動對人員的工作量進行統計和分析。

(6)質量管理。 設計質量抽查、質控樣管理、質控圖、人員監督及質量監控等功能。 質量抽查模塊通過隨機或按計劃抽取樣品進行檢測,以評估產品或檢測的質量,確保質量控制貫穿于整個質量活動過程。質控圖模塊通過可視化方式展示質量控制數據,提供對質量數據的趨勢分析和預測功能,幫助管理人員快速了解質量狀況,識別異常數據和趨勢,及時采取糾正措施,進行相應決策,避免質量問題擴大化。 人員監督模塊則對參與質量管理過程的人員進行監督和管理,確保工作人員具備必要的資質和技能,并提供對培訓需求和績效評估的管理功能。 通過這些功能確保質量管理過程的嚴謹性和可靠性。

(7)資源管理。 資源管理主要包括對人員、設備、文件、試劑和樣品等資源的管理。 在人員管理方面,要確保相關人員具備必要的專業技能和知識,提供人員資質審查和培訓管理功能。 在設備管理方面,提供設備采購、使用、維護、校準、維修、報廢全生命周期管理功能。 在文件管理方面,提供文件發放、歸檔、存儲管理功能和定期查新功能,確保其與最新標準和相關法規保持一致。

3.3 LIMS 應用創新

3.3.1 業務管理流程化

借助LIMS 系統,檢測過程實現了符合CNAS 體系要求的流程化管理。 從業務委托、樣品接收、任務分配、數據采集、數據審核,到結果匯總、報告編制、報告審批和發布,整個業務流程均受到LIMS 系統的嚴密監控和管理。 業務流程如圖2 所示。

圖2 LIMS 檢測業務流程示意Fig.2 Schematic of the LIMS detection business process

在業務委托過程中,用戶可以通過遠程登錄LIMS 系統,自主選擇樣品類型和檢測項目進行委托,同時可以打印樣品標簽和委托單。 收發室通過掃描樣品標簽的方式受理樣品,并簽訂委托檢測協議。 在樣品移交檢測室之前,可根據需要對樣品進行加密處理。 在檢測室收樣登記后,系統會自動將檢測任務分配至各檢測部門和崗位。 檢測人員需通過個人賬號登錄系統,選擇相應的檢測崗位、檢測項目和檢測方法,主動認領檢測任務并完成檢測。 檢測完成后,結果將自動進行匯總、超差判定、復檢提示和結果平均處理。 當匯總結果提交后,系統將根據委托單自動完成報告編制,管理人員則按照系統授權進行報告的審核、批準和發布。 整個流程各環節緊密銜接、環環相扣,必須按照既定流程進行,任何人無法隨意改變,從而有效杜絕了管理漏洞。

3.3.2 檢測過程自動化

在傳統的化驗檢測過程中,數據抄錄、結果計算、匯總登記以及報告編制等環節均需人工手動操作,這種方式不僅工作量大,過程也較為繁瑣,且極易出現錯誤,從而直接影響化驗檢測的質量。 LIMS 通過數字化技術進行數據采集、處理、傳輸及保存[17-18],確保檢測過程數據處理的準確性和規范性,從而有效避免了人為錯誤發生,提高化驗檢測質量。

(1)數據自動采集。 LIMS 采用多種技術手段來確保數據的準確性和完整性。 一是通過不同的端口通信協議,自動采集天平及溫濕度計的測量數據。 二是通過二維碼技術,自動獲取樣品、標準溶液、儀器設備的相關信息,如名稱、編號、型號、規格、濃度等。 三是通過導入和解析測定數據文件,自動采集分析儀器的檢測數據。 四是借助移動通信技術,自動采集Pad端錄入的數據。 這些技術的應用徹底取代了人工抄寫記錄方式,顯著提高了數據采集效率和準確度。 數據采集平臺如圖3 所示。

圖3 LT-IoT 數據采集平臺Fig.3 LT-IoT data acquisition platform

(2)結果自動計算。 在基礎數據管理模塊中,可以預先設置標定計算公式和結果計算公式(圖4)。在檢測時,系統只需采集稱樣量、體積、濃度等原始檢測數據,分析結果將自動計算,從而避免因人工計算和反復抄寫而產生的錯誤。

圖4 計算公式管理Fig.4 Calculation formula management

(3)數據網絡化傳輸。 檢測數據通過局域網、Wi-Fi 或者AP 等進行傳輸和共享,委托方可登錄網絡查詢、下載和打印檢測報告。

(4)報告自動歸檔。 LIMS 將檢測記錄表、結果匯總表、檢測報告等原始記錄以數字化形式進行存儲歸檔,解決了紙質記錄保存難、歸檔難、查詢難等問題,確保記錄的準確性和完整性。

3.3.3 結果匯總規范化

LIMS 系統嚴格按照相關國家標準規范要求,對化驗檢測數據進行嚴謹的修約、計算與匯總。

(1)規范數字修約。 在數據采集階段,系統根據分析儀器測量精度來確定有效數字,確保數據具有較高的精確度。

(2)規范結果計算。 在結果計算時,系統會按照標準方法的相關規定進行計算,確保結果的規范性和準確性。

(3)結果自動匯總。 當平行樣分析結果提交后,系統會自動進行匯總,無需人工抄寫謄錄,大大提高了工作效率。

(4)規范超差判定。在處理匯總結果時,系統會依據標準方法的再現性限,對平行樣結果是否超差進行判定。 同時,根據平行樣結果的極差值與再現性限的相差程度,按照試樣分析結果可接受性評價流程[19],系統將自動判定應執行單杯重驗還是雙杯重驗。 其中,再現性限是由系統根據標準方法規定用插入法或者外延法計算得到。

(5)規范平均結果計算。 在計算平均結果時,系統會根據平行結果匯總計算規則,自動計算平行樣結果的算術平均值或者中位數作為平均結果。 整個匯總過程由系統按照標準規范流程自動處理,完全避免了人工干預和計算錯誤,顯著提高了工作效率。

3.3.4 報告管理程序化

匯總結果提交后,系統根據委托檢測協議書自動生成檢測報告。 根據系統分配的報告審批權限,用戶可以編制、審核、批準檢測報告。 在審批過程中,用戶可以查看相關的原始記錄,并允許將可疑報告進行回退處理。 在審批提交時,可以指定下一步審批責任人。 報告發布后,委托方可以通過登錄系統查看、下載、打印本單位的相關檢測報告。 通過這種方式,實現了檢測報告審批的程序化處理和規范化管理。 同時,用戶在審批過程中無法修改或刪除任何數據,從而克服了傳統模式下依賴手寫編制、復印抄寫和人工傳送報告的不足,避免了報告被篡改。

3.3.5 報告溯源數字化

在報告溯源模塊中,用戶可以通過委托編號、報告編號以及樣品類型輕松查找到歷史檢測報告,對報告數據進行溯源(如圖5 所示),極大地提高了報告溯源效率和便利性。

圖5 報告溯源界面Fig.5 Interface of report traceability

3.3.6 體系管控平臺化

根據《檢測和校準實驗室能力認可準則》(CNASCL01),經過確認的實驗室信息管理系統(LIMS)可以用于收集、處理、記錄、報告、存儲或檢索實驗室活動所產生的數據和信息[20],對CNAS 體系要求的全部要素實現平臺化管理。

(1)數據管理。 LIMS 系統可以將檢測活動產生的數據、圖譜、記錄、報告等信息以數字化形式進行存儲和管理。

(2)人員管理。 LIMS 系統以文件形式存儲人員的個人信息、培訓記錄、能力確認記錄、崗位、權限分配、質量監督和監控記錄等。 通過角色、崗位定義,將人員的培訓記錄、能力確認記錄進行相互關聯。 只有經過考核授權的人員才能開展檢測工作、使用相關儀器,有效避免了缺乏資質或未經授權的人員開展檢測工作。

(3)設備管理。 LIMS 系統對儀器設備的名稱、型號、規格、生產廠家、生產日期、出廠編號、管理編號、有效期、檢定周期、二維碼等基本信息進行統一管理,并將設備采購、使用、維護、維修、報廢等記錄信息以附件形式保存在系統中。 系統將儀器設備、標準物質的狀態與檢測流程進行關聯,確保超標、檢定過期、不合格的設備無法進入檢測流程。

(4)資源管理。 通過LIMS 對玻璃儀器、化學試劑、樣品的出入庫及盤點操作進行管理。

(5)標準管理。 通過創建標準檢測方法庫,關聯計算公式、標定公式、記錄表格,對標準方法及相關計算進行管理。

(6)質量管理。 通過人員監督、質量監控、質量抽查、質控圖(圖6)、能力驗證、管理評審等功能模塊,對實驗室檢測活動及質量進行管理。

圖6 質控圖界面Fig.6 Interface of quality control chart

3.4 LIMS 應用成效

經過2 a 左右的開發、測試、優化及試運行,LIMS系統在2022 年9 月順利通過竣工驗收,并正式投入使用。 該系統成功實現了信息技術、儀器技術、分析測試技術與CNAS 質量管理體系的有機結合,為礦山企業開創了一種全新的實驗室管理模式。 其應用效果主要體現在以下幾個方面:

(1)實現了檢測數據的自動化采集、規范化錄入、智能化處理以及電子化保存,顯著提高了工作效率和檢測質量。

(2)實現了檢測過程無紙化辦公、檢測報告網絡化發布、業務流程規范化管理、CNAS 體系平臺化運行,優化了資源配置,促進了信息共享,提升了實驗室管理水平。

(3)有效克服了傳統檢測模式中的諸多弊端,如數據靠紙記、結果靠人算、匯總靠手抄、報告靠復寫、傳遞靠跑腿等,避免了傳統檢測模式中數據謄抄轉錄錯誤以及人為篡改的風險,加強了實驗室規范化管理和質量控制能力。

4 結 論

(1)針對礦山企業化驗檢測管理模式落后、市面上通用型LIMS 軟件無法充分滿足礦山行業實驗室特殊需求的問題,結合CNAS 質量管理體系要求,研發了一款具有礦山行業特色的LIMS 系統。 該系統在基礎數據管理、業務委托流程、檢測流程、報告管理流程等方面進行了系統性創新。 系統引入了樣品類型、設備類型、化驗崗位、再現性限設置和報告權限設置等概念,建立了樣品類型、樣品名稱、檢測項目、檢測方法和設備類型之間的關聯關系。 根據這些關聯關系,系統可以自動將檢測任務分配到特定的檢測班組和化驗崗位,并關聯相應的分析儀器。 通過這些關聯關系,可以批量委托檢測任務,靈活設置用戶的報告審批權限。 在進行結果匯總處理時,系統會首先根據檢測時選擇的檢測方法計算再現性限,然后判斷平行檢測結果是否超出了允許的誤差范圍。 對于超差情況,系統明確了重驗方式以及平均結果的計算方法,并對其作了嚴格的規定。

(2)該系統利用LT-IoT 數據采集平臺,實現了分析儀器、天平、溫濕度計、二維碼等數據的自動采集,確保數據準確性、完整性和可追溯性。 同時,該系統實現了分析結果的自動計算與匯總,建立了規范的委托業務、化驗檢測、報告審批及質量管理等業務流程,有效解決了人工抄寫算記容易導致的數據錯誤、工作效率低下、記錄追溯困難以及管理不規范等問題,提升了實驗室整體質量管理水平與綜合競爭力。 該系統的研發成功,為金屬礦山行業提供了一個高效、嚴謹、規范化的實驗室信息管理系統,為行業的數字化轉型提供了強有力的支持。

(3)由于分析儀器種類繁多,數據接口各不相同,要徹底實現儀器數據全自動采集面臨諸多困難。如果儀器設備生產廠家能統一設備數據接口,提供接口協議規范,將有助于LIMS 實現檢測數據全自動采集。