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環(huán)境實(shí)驗(yàn)室樣品流轉(zhuǎn)智能化自助交樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2023-08-19瀏覽次數(shù)：1686
科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)室樣品管理智能化、信息化、自動(dòng)化建設(shè)。部分環(huán)境實(shí)驗(yàn)室已逐步開發(fā)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室樣品智能化管理系統(tǒng)，以提高樣品流轉(zhuǎn)效率，實(shí)現(xiàn)樣品信息透明化追溯和數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室樣品管理智能化建設(shè)更多注重于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)樣品流轉(zhuǎn)過程中的智能化設(shè)計(jì)，忽略了前端樣品分樣流程繁瑣、樣品堆積等問題，影響交接效率及質(zhì)量。為解決這一問題，本工作改進(jìn)了整個(gè)樣品交接流程，設(shè)計(jì)開發(fā)了環(huán)境實(shí)驗(yàn)室高通量樣品流轉(zhuǎn)的智能化自助交樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)且充分考慮不同環(huán)境監(jiān)測樣品特點(diǎn)，并配合現(xiàn)有智慧運(yùn)營管控平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室樣品智能流轉(zhuǎn)處置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了樣品的自助交接，縮短了樣品交接清點(diǎn)時(shí)間，在一定程度上提高了整個(gè)檢測流程的效率。基于此，本工作主要梳理了環(huán)境監(jiān)測樣品的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了智能化自助交樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其存在的問題進(jìn)行了分析，以期對(duì)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室高通量樣品交接的智能化管理提供思路與參考。
1、 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室樣品交接管理現(xiàn)狀
樣品交接是樣品管理工作的起點(diǎn)，決定了后續(xù)流程的有效性。目前，現(xiàn)有的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室樣品交接工作模式一般由樣品管理人員與采樣人員進(jìn)行交接驗(yàn)收，樣品管理人員通過掃描二維碼或條形碼進(jìn)行信息登記、清點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)檢查樣品狀態(tài)(涵蓋外觀、包裝、型號(hào)、標(biāo)簽、規(guī)格等)，并負(fù)責(zé)根據(jù)樣品類型、檢測任務(wù)等完成分類分箱入庫。整個(gè)樣品交接流程分化性和秩序性弱，不僅工作量巨大、樣品分類分箱耗時(shí)久、清點(diǎn)效率慢，而且由于環(huán)境監(jiān)測樣品具有樣品輸送時(shí)段集中、輸送批量大、需要留存的特點(diǎn)，高峰期時(shí)段存在因交接不清晰造成樣品丟失混淆及交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。在保證樣品質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，探索新型的智能、高效化樣品交接模式以適應(yīng)環(huán)境檢測行業(yè)發(fā)展需要，具有十分重要的意義。
2、 智能化自助交樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)原則
智能化自助交樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以環(huán)境監(jiān)測樣品自身特點(diǎn)為基礎(chǔ)。在環(huán)境監(jiān)測中，樣品來源主要分為現(xiàn)場采集與客戶送檢兩種，其中以現(xiàn)場采集樣品為主。環(huán)境監(jiān)測涉及的樣品類型復(fù)雜多樣，從樣品狀態(tài)上分為氣態(tài)(環(huán)境空氣、廢氣等)、液態(tài)(水、廢液等)和固態(tài)(土壤、固體廢物、污泥等)，針對(duì)不同的樣品形態(tài)及其所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測項(xiàng)目需采用不同規(guī)格、材質(zhì)的容器來采集盛裝,如空氣樣品一般用吸收瓶、熱脫附管、氣袋；水環(huán)境樣品一般采用聚乙烯瓶或玻璃瓶；土壤樣品一般采用聚乙烯瓶(桶)、玻璃瓶、塑封袋、鋁箔袋；固體廢物樣品一般采用聚乙烯瓶(桶)、塑封袋、棕色玻璃瓶。
根據(jù)環(huán)境監(jiān)測樣品的規(guī)格，樣品大致可被分為3類：①小規(guī)格，如氣體采樣管；②中規(guī)格，如土壤、液體、固體廢物樣品；③大規(guī)格，外形尺寸較大，如不同規(guī)格的氣袋。設(shè)計(jì)智能化自助交樣系統(tǒng)時(shí)需充分考慮到不同樣品的盛放容器和規(guī)格大小，才能更好實(shí)現(xiàn)樣品的下步流轉(zhuǎn)。
2.2設(shè)計(jì)思路
2.2.1 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室職能規(guī)劃
根據(jù)實(shí)際需求，科學(xué)合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)造和提供工作流程順暢的工作環(huán)境有利于提高整體工作效率。環(huán)境實(shí)驗(yàn)室職能規(guī)劃的目的是在采樣人員于前端按需分裝樣品的前提下，通過確認(rèn)每個(gè)前處理室所包含的檢測指標(biāo)來明確不同檢測項(xiàng)目的環(huán)境樣品流轉(zhuǎn)去向，實(shí)現(xiàn)在自助交樣的同時(shí)完成環(huán)境樣品實(shí)驗(yàn)任務(wù)的分類，避免同一單號(hào)樣品多次流轉(zhuǎn)。目前主要針對(duì)水環(huán)境樣品進(jìn)行職能規(guī)劃。由于水環(huán)境樣品檢測因子眾多，涉及的標(biāo)準(zhǔn)分析方法多樣，若按常規(guī)樣品交接方式，在業(yè)務(wù)量較大的情況下樣品清點(diǎn)耗時(shí)較久，且針對(duì)同一單號(hào)樣品檢測因子量多時(shí)，常需要根據(jù)各項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的保存期限，分清輕重緩急，優(yōu)先安排送樣，同時(shí)需時(shí)刻跟進(jìn)樣品流轉(zhuǎn)情況，稍有疏漏便可能造成滯流而導(dǎo)致其他項(xiàng)目無法按時(shí)分析。整體將實(shí)驗(yàn)室分成15個(gè)房間，確定了每個(gè)房間號(hào)所對(duì)應(yīng)的檢測指標(biāo)，并在樣品[敏感詞]識(shí)別標(biāo)志二維碼設(shè)計(jì)中加入房間號(hào)和實(shí)驗(yàn)任務(wù)信息。在采樣人員自助清點(diǎn)樣品后，經(jīng)由樣品分箱記錄工作臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)分類，然后將其傳輸至樣品室，經(jīng)確認(rèn)樣品狀態(tài)后入庫或分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
2.2.2 自助交樣流程優(yōu)化
自助交樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包含兩條自助交樣流程線，每條自助交樣流程線上配備兩臺(tái)電 腦、15個(gè)分箱記錄儀和1條傳輸帶，具體交樣流程如圖1所示。采樣人員首先根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目按需分裝并賦予樣品二維碼，后借助實(shí)驗(yàn)室智慧運(yùn)營平臺(tái)進(jìn)行掃描清點(diǎn)，完成清點(diǎn)的樣品根據(jù)樣品類型選擇下步流轉(zhuǎn)，如土壤、固體廢物、污泥等固態(tài)樣品可直接放置于對(duì)應(yīng)顏色周轉(zhuǎn)箱內(nèi)；大規(guī)格樣品，如氣袋放入袋中人工轉(zhuǎn)運(yùn)；水環(huán)境樣品放置于樣品分箱線經(jīng)分揀入箱。周轉(zhuǎn)箱滿后傳輸至樣品室交樣窗口，由樣品管理員檢查確認(rèn)樣品狀態(tài)。在此過程中采用二維碼識(shí)別不僅能提高樣品清點(diǎn)效率和識(shí)別率，還能降低數(shù)據(jù)采集誤碼率，并且樣品管理員的部分職責(zé)由系統(tǒng)承擔(dān)，使工作人員從繁瑣的手工操作中脫離出來，工作量大大降低，樣品交接效率得到有效提升。
2.3總體設(shè)計(jì)方案
智能化自助交樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依托于前期開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室智慧運(yùn)營平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室AGV流轉(zhuǎn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室樣品管理系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)功能化設(shè)計(jì)布局，開發(fā)出樣品分箱記錄工作臺(tái)，將三者相互對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)高通量樣品流轉(zhuǎn)的自助交接，提高樣品交接入庫的效率、總體設(shè)計(jì)方案主要包括三大模塊：樣品清點(diǎn)、樣品分揀和樣品傳送，詳細(xì)框架如圖2所示。
2.3.1 樣品清點(diǎn)模塊
樣品清點(diǎn)模塊為采樣人員提供樣品自助清點(diǎn)功能，借助于實(shí)驗(yàn)室智慧運(yùn)營平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室智慧運(yùn)營平臺(tái)采用新科技，包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同搭建而成，該平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)由九大模塊構(gòu)成，分別是系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)信息設(shè)置、客戶信息管理、銷售管理、化驗(yàn)室管理、現(xiàn)場管理、報(bào)告室管理、評(píng)價(jià)室管理以及財(cái)務(wù)管理。各模塊之間經(jīng)過跨模塊整合和數(shù)據(jù)集成可進(jìn)行資源共享。樣品自助清點(diǎn)便是利用其中的現(xiàn)場管理模塊，通過系統(tǒng)采樣界面中開發(fā)增添的樣品清點(diǎn)功能，包括清點(diǎn)個(gè)數(shù)及檢測因子對(duì)應(yīng)房間號(hào)，經(jīng)掃描樣品[敏感詞]識(shí)別標(biāo)志二維碼后于系統(tǒng)中直接顯示、確認(rèn)，完成樣品的自助清點(diǎn),同時(shí)再次核對(duì)樣單信息、客戶委托單信息等以確保無誤。整個(gè)過程簡單、快速且有利于樣品下步流轉(zhuǎn)。
2.3.2 樣品分揀模塊
樣品分揀模塊提供樣品分箱、分類功能。將樣品分揀工作由原來的采樣人員自行分揀，更改為專人分揀，通過樣品分箱記錄工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。樣品分箱記錄工作臺(tái)主要包括傳送帶配送裝置和分箱記錄儀兩部分，傳送帶配送裝置用于清點(diǎn)后樣品的傳輸，分箱記錄儀則通過掃描樣品信息而生成樣品清單，實(shí)現(xiàn)樣品分箱、分類功能。樣品分箱記錄工作臺(tái)配置了15個(gè)分箱記錄儀以對(duì)應(yīng)15個(gè)房間號(hào)，且前面均放置樣品周轉(zhuǎn)箱，其具體分箱過程如下：通過人工使用分箱記錄儀掃描周轉(zhuǎn)箱號(hào)，并將傳送帶上相應(yīng)房間號(hào)的樣品瓶掃描入箱，待箱滿后由分箱記錄儀自動(dòng)生成樣品清單，打印貼至箱面注明日期并放于傳送帶上入庫。整個(gè)過程清晰明了，同時(shí)樣品分箱記錄工作臺(tái)的數(shù)據(jù)可與實(shí)驗(yàn)室樣品管理系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，樣品管理員通過掃描周轉(zhuǎn)箱二維碼便可從實(shí)驗(yàn)室樣品管理系統(tǒng)中獲取樣品清單信息。
原來的樣品分揀模式由采樣人員自行分揀，并清點(diǎn)入庫和分揀運(yùn)送，占用了采樣人員的大部分時(shí)間，且容易出現(xiàn)混放錯(cuò)放。新的分揀系統(tǒng)將清點(diǎn)和分揀分開，并由傳送帶進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，減少了工作人員的走動(dòng)距離，又將瓶頸工位拆分，提高了工作效率。
2.3.3 樣品傳送模塊
樣品傳送模塊提供樣品傳輸、流轉(zhuǎn)功能。借鑒半導(dǎo)體行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等其他先進(jìn)行業(yè)的物流自動(dòng)化傳輸模式，目前已開發(fā)的環(huán)境樣品智能傳輸系統(tǒng)主要包括氣動(dòng)物流傳輸系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室AGV流轉(zhuǎn)系統(tǒng)。由于氣動(dòng)物流傳輸系統(tǒng)僅適用于小規(guī)格且密封包裝可任意翻轉(zhuǎn)的樣品，故在樣品傳送模塊中選擇實(shí)驗(yàn)室 AGV流轉(zhuǎn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室AGV流轉(zhuǎn)系統(tǒng)包含倉庫AGV流轉(zhuǎn)系統(tǒng)和貨運(yùn)AGV流轉(zhuǎn)系統(tǒng)，目前初步配備了６臺(tái)倉庫AGV、12臺(tái)貨運(yùn)AGV和1個(gè)專用AGV充電室，其中倉庫AGV使用全向背負(fù)升高叉車式機(jī)器人，可按指令自動(dòng)完成樣品入庫、出庫和庫間轉(zhuǎn)移等操作；貨運(yùn)AGV使用背負(fù)式運(yùn)輸機(jī)器人，可按指令完成樣品在不同實(shí)驗(yàn)室功能區(qū)的運(yùn)送流轉(zhuǎn)工作。經(jīng)樣品分箱記錄工作臺(tái)完成分揀的周轉(zhuǎn)箱經(jīng)傳送帶運(yùn)送至倉庫，樣品管理人員按箱檢查樣品狀態(tài)后于樣品管理系統(tǒng)中確認(rèn)，同時(shí)根據(jù)樣品規(guī)格及時(shí)效性選擇合適的流轉(zhuǎn)方式，如樣品保存期限較短的小規(guī)格樣品(如氣體采樣管)可直接發(fā)布指令由貨運(yùn)AGV運(yùn)轉(zhuǎn)至實(shí)驗(yàn)室分析；大規(guī)格樣品(如氣袋)可定時(shí)由人工運(yùn)送；其他規(guī)格的樣品由倉庫AGV入庫或運(yùn)轉(zhuǎn)至實(shí)驗(yàn)室分析。
3、 應(yīng)用與問題分析
由于現(xiàn)有的樣品管理系統(tǒng)存在樣品流轉(zhuǎn)單一問題，即已被借用的樣品需歸還至樣品倉庫后方能再次借出，這會(huì)影響其他檢測項(xiàng)目的分析，造成檢測報(bào)告不能及時(shí)出具。高通量樣品流轉(zhuǎn)的智能化自助交樣系統(tǒng)從根源上解決了這一問題，通過完善分樣流程管理制度，前期按監(jiān)測項(xiàng)目分樣，自助清點(diǎn)、分揀后運(yùn)輸至相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室，不僅提高了樣品交接清點(diǎn)效率，縮減了樣品流轉(zhuǎn)以及找樣時(shí)間，而且整個(gè)檢測流程效率也隨之提高。
在應(yīng)用過程中，智能化自助交樣系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)仍需人工完成，其設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，主要包括以下兩點(diǎn)：
1)大規(guī)格樣品人工輸送。由于大規(guī)格樣品體積較大，自助清點(diǎn)完成入箱/袋后不易被放置于傳送帶，目前仍采用人工的方式運(yùn)送至樣品室交樣窗口，消耗人力且易混亂，不利于樣品追蹤，為此可增加1條傳送帶，寬度依據(jù)大規(guī)格樣品箱/袋尺寸設(shè)計(jì)，使之實(shí)現(xiàn)大規(guī)格樣品的自動(dòng)輸送。
2)樣品分揀人工入箱。系統(tǒng)中樣品分揀由人工掃描樣品后入箱，導(dǎo)致每條自助流程線上需安排兩名人員，人工成本增加。隨著標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)一步推進(jìn)，分揀工作可以由自動(dòng)掃描設(shè)備和機(jī)械臂來完成，進(jìn)一步提高樣品分揀的自動(dòng)化和信息化水平。
4、 結(jié)論
智能化自助交樣系統(tǒng)的核心目的是解決環(huán)境實(shí)驗(yàn)室高通量樣品流轉(zhuǎn)過程中接收效率慢的問題，通過合理的功能布局和設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了采樣人員自助交接，而且解決了樣品管理系統(tǒng)中存在的同一單號(hào)多次流轉(zhuǎn)易滯流的問題。智能、高效、規(guī)范是未來實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢，環(huán)境實(shí)驗(yàn)室智能化樣品自助交接系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室智慧運(yùn)營平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室樣品管理系統(tǒng)相結(jié)合，可更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的時(shí)間管控和信息溯源，對(duì)環(huán)境檢測行業(yè)具有十分重要的參考和借鑒意義。
作者：陳海秀，朱佩玉，高晨，李東，李志鴻
單位：江蘇康達(dá)檢測技術(shù)股份有限公司
來源：《理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè)》2023年第7期