数字改革背景下海关智慧实验室LIMS建设

 数字改革背景下海关智慧实验室LIMS建设

张 凯，林志恩，胡海娅

(温州海关综合技术服务中心，温州 325000)

摘要：海关实验室是海关严把国门和口岸执法不可或缺的组成部分，是推进智慧海关实验室建设是推进智关强国行动、建设智慧海关的重要组成部分,也为保障国家传统和非传统安全、筑牢国门安全防线发挥极其重要的作用。目前海关实验室存在不少短板，体现在实验室外部服务不尽完善、内部管理信息化智能水平不高等方面，本文提出海关实验室的LIMS升级换版的必要性，详细阐述智慧实验室管理系统架构设计、关键技术、实现路径、项目建设内容及功能实现，为构建世界一流的“智慧实验室”、为海关履行好“守国门、促发展”的职责使命筑牢技术支撑。

关键词：实验室信息管理系统（LIMS）；智慧实验室；区块链；物联网；人工智能

0  引言

近年来，全国海关大力推进科技改革创新，推进科技兴关是海关深化改革、强化监管、优化服务的重要举措，作为海关科技创新的重要基地、前沿探索的重要平台，海关实验室的建设发展离不开先进技术的支撑。就国内外关于实验室建设的研究而言，目前仍然主要集中于实验室管理运行模式、实验室大型设施建设、实验室技术转移模式等方面[1]。对于实验室如何有效地将先进技术应用在具体场景中，还有待挖掘更多的案例和经验。

1  LIMS升级换版的必要性

实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System 英文缩写LIMS）是用现代信息技术手段，以数据库为核心的信息化技术与实验室管理需求相结合的信息化管理系统，是海关信息化建设战略的组成。

近年来，随着中国对外贸易的快速增长，海关在贸易领域的作用也变得越来越重要，面对日新月异的贸易增长和监管要求，实验室的检测数量不断增加，使得产生的数据处理量呈几何级数增长，对检测数据的准确性和测试周期的要求越来越严格，使得实验室数据的管理难度大增。

与传统管理模式相比，综合运用人工智能、物联网、区块链等新兴技术、将其与检测技术完美结合，更有利于实现实验室的标准化、规范化、自动化、无纸化、智能化，减少人员的随意性，使各项工作具有可追溯性；使实验室检测管理水平得到提高，实现对各个工作环节的控制；对检测数据的自动化采集，提升自动化程度和效率，减少人工操作带来的差错，同时也促进了实验室工作高质量发展。

2  海关实验室现状和面临的挑战

     目前，海关系统共有各类实验1400余个，为海关把关服务、守护国门安全提供了有力支撑， 以温州海关综合技术服务中心（简称：综合中心）为例，综合中心现有瑞安总部、乐清分部和机场分部三个区域，下设1个国家级低压电器检测重点实验室，4个区域性中心实验室（食品农产品安全实验室、轻工产品检测是实验室和动植物产品检疫实验室、危险品实验室），1个常规综合实验室，实验面积20000多平方米，拥有大量“高、精、尖”大型分析、检测仪器设备，随着中心的快速发展，实验室检验项目和服务范围不断扩展,工作流程和效率管理压力剧增，主要表现以下两方面：

2.1  外部服务方面

（1）信息资源共享不足。各实验室信息资源独立，不同层级、不同地域信息独立与海关通作业系统、政府监管等系统无法互联互通的问题并没有得到彻底解决，“实验室信息孤岛”的情况仍然存在，无法体现实验室检验检测数据的价值。

（2）部分检验检测机构弄虚作假。一些检测机构为顺利获得检测业务，低价竞争，在检测过程中出现偷工减料、弄虚作假的现象，扰乱市场，严重影响了检测数据的准确性，出现了优汰劣胜、劣币驱逐良币的现象，阻碍了检验检测行业的发展。

2.2  内部管理方面

（1）现有LIMS系统功能不全。 一方面，原始记录、试剂耗材出入库、样品管理、标准库管理等仍需进行手工登记，无法自动采集或抓取数据，易引发数据造假、篡改报告等问题。另一方面，实验室检测数据没有得到有效利用。

（2）数据交换接口规范不统一。目前实验室系统还未制定仪器设备的通用接口标准，无法直接上传相关作业系统和外部系统，实验室只能逐字逐句录入报告信息，造成重复劳动，且质量得不到保障。

（3）智能化应用程度不高。对物理环境、使用过程、环境异常等情况缺少有效的跟踪、处置，区块链、物联网、人工智能等新技术在实验室检测领域基本没有成熟的落地应用，在助力口岸实施精准布控、高效布控方面的潜能未能充分发挥。

3  人工智能、物联网、区块链技术与 LIMS 的融合

3.1  人工智能的运用

LIMS利用人工智能技术读取各类仪器设备、识别装置和传感器，采集人员身份、设备工作状态、仪器测量数据、样品标识和状态、耗材消耗与库存以及环境状态参数等实时数据，通过物联网传输，在信息平台内建立一个可以反映物理世界的虚拟实体，以数据和数字化模型驱动实验室的业务运行和发展优化，最终实现为实验室高效运转和智慧管理提供可靠的底层信息基础[2]。如图1所示。

图1 海关智慧实验室人工智能应用场景

3.2  物联网的运用

在检验检测行业，通过物联网的运用，可建立开放、创新、协作、智慧的综合实验室信息服务平台，实现资源的有效采集、分析、应用和服务，从而打造智慧实验室。通过网络技术，LIMS与各种分析仪器之间互联互通，将色谱、质谱、光谱等连接工作站的数据，通过网络自动传输到 LIMS系统中，数据传输将代替测试和检测结果的键盘输入，减少人工环节，从而避免了手工模式下录入错误，提高工作质量和效率。

3.3  区块链的运用

 LIMS 建设中，区块链技术自身特性有助于提高实验室数据质量、保障实验室数据安全、实现实验室数据共享，可实时监控和管理链上数据。无论是试图篡改还是删除相关数据，都会留下痕迹，区块链技术可以确保检测方法的真实可靠，确保仪器设备或者软件程序不被篡改，增加报告的公信度。消费者可以利用区块链的防伪功能，对报告的真假进行鉴别，并对报告进行评价。

4  海关智慧实验室LIMS的实现路径

4.1  总体架构设计

海关智慧实验室LIMS采用分布式架构设计，主要由五层组成，分别为前端展示层、网关控制层、应用服务层、基础服务层和基础组件、数据存储层。如图2所示。

图2  智慧实验室管理系统分布式架构图

4.2  海关智慧实验室LIMS创新思路

（1）业务系统技术设计思路。本系统采用微服务设计思路，系统架构物理图如图2 所示。所有前端请求全部发送到一台Nginx 负载均衡服务器，服务根据关键字转发到对应的服务上，各个服务之间相互隔离，互不干扰。区块链采用Hyperledger Fabric 框架搭建联盟链，Hyperledger Fabric是第一个运行以标准通用编程语言编写的分布式应用程序的区块链系统,无须系统性地依赖加密货币，与现有的区块链平台形成了鲜明对比，部署一个Order节点、两个Peer节点，其中两个Peer节点分别属于不同组织。为了解决检测报告过大造成的存储问题，存储采用IPFS 集群模式。随着IPFS[3]的兴起，与区块链技术相结合已逐步成为拓展区块链存储的重要技术手段[4]，通常情况下查询数据库或区块链是一个比较耗时的操作，会消耗大量服务器的IO 资源，故采用Redis缓存经常访问的数据来提高响应速度。如图3所示：

图3 业务系统技术设计

（2）物联网设计思路

仪器数据的自动采集，是LIMS系统中十分重要的模块，也是用户衡量 LIMS 实施成功与否的一个重要指标，将仪器连接到LIMS的好处是显而易见的。将仪器集成到LIMS后，由分析仪器到LIMS的自动数据传输将代替测试和质量控制结果数据的键盘输入，从而避免了手工模式下的撰抄错误,并实现了检验结果信息在各种类型仪器上显示以及报告自动生成[5]。如图4所示：

图4 分析仪器采集的实现

4.3 海关智慧实验室LIMS项目建设内容

系统从检测业务和能力保障做为系统设计的出发点,检测业务主要分为办公平台、业务平台、实验室管理、参数设置和查询统计五个模块（如图5所示）；

能力保障主要分为设备管理、易耗品管理、标准品管理、体系文件管理和质量控制五个模块。

图5 检测业务功能模块

5  总结

在数字化改革背景下，运用新兴技术建设海关智慧实验室，全方位重塑与再造传统实验室业务与机制，既是实验室高效管理的内在需求，也是海关事业发展的关键环节。加强智慧实验室建设，使其更科学化、制度化、规范化，从而提高海关技术把关能力，为海关业务改革创新，提升国门把关的精准性、有效性提供了有力支撑，也为服务地方产业发展、促进质量提升提供了充分保障。针对上述趋势，提出海关关智慧实验室的关键技术、人工智能、物联网、区块链技术与 LIMS 的融合和实现路径，实现海关实验室人、机、料、法、环全要素协同，持续提高实验室开展工作的效率和质量，为海关严把国门和口岸执法提供技术保障。

参考文献(References)：

[1] 尹高磊．基于法治视角的国家实验室设立和管理运行分析[J]．科学管理研究，2020, 38(2): 55-58．

[2] 杜进，徐进，万旺军．基海关智慧实验室建设及关键技术探索[J]．科实验室研究与探索，2022，41(10)：262.

[3] PRÜNSTER B, MARSALEK A, ZEFFERER T. Total eclipse of the heart - disrupting the InterPlanetary file system[J]. arXiv: 2011. 00874, 2020.

[4] 孙知信，张鑫，相峰等．区块链存储可扩展性研究进展[J]．软件学报, 2021，32(1)：1-20

[5] 王红. 某石化公司基于LIMS的质量管理研究[D]. 天津：天津大学，2009.