1、引言

2020年4月30日，工业和信息化部办公厅推出关于深入推进移动物联网全面发展的通知，鼓励各行业加速传统产业数字化转型，快速推进和发展物联网技术。2021年3月15日，国家卫健委办公厅印发了《医院智慧管理分级评估标准体系（试行）》2，其中指出医院智慧管理是“三位一体”智慧医院建设的重要组成部分，应充分利用智慧管理工具，提升医院管理的精细化和智能化水平。其中，实验室管理对应医院运营管理和运行保障管理的范畴，快速推进应用物联网和信息数字技术助力智慧实验室管理能力提升，将成为未来的重要发展趋势。

2 、系统架构设计 

智慧实验室管理系统用分层结构进行搭建，包括：UI层、业务层、数据层和运行环境 层等，具体如图1所示。UI层由前端显示层和UI框架组成，前端提供PC端Web页面；业务层由业务逻辑层、业务服务层组成；数据层由数据接口层、实体仓储层组成；系统日志权限控制的中间件模块贯穿UI层、业务层和数据层，提供统一的日志记录服务及鉴权服务。数据资源层主要使用MySQL关系型数据库。系统采用B/S架构，部署在Windows Server的IIS中，运行环境使用微软最新的。Net Core框架，在Web应用外部附带监控审计、检查更新。

图1智慧实验室管理系统架构图

3 、系统功能实现

智慧实验室管理系统的核心业务包括四部分：实验室仪器管理、实验室危化品管理、实验环境监测和实验动物管理。此外，还包括信息发布、场地预约、文档管理和考核管理 等基础功能。系统建设在保障安全的同时，提升实验室资源利用效率和共享水平，并通过物联网技术实现点对点的仪器管控。

3.1 实验室仪器管理

针对实验室使用的仪器和设备，能够实时监测其总运行时长、运行状态、实时开关机 情况、设备故障率和被预约次数等信息。通过智慧实验室管理系统、仪器控制器和物联网技术三者的组合应用，实现预约人员的仪器使用权限分配和使用周期设定，管理员能够实时远程开启、关闭仪器，实时设置故障、取消故障，并且一键同步仪器权限。另外，仪器设备可设置定期维护及校准提醒功能，可根据不同时段设置不同预约策略。在数据统计方面，能够统计人员的使用记录、费用明细、预约记录，以及仪器的使用时间、使用次数、 使用时间与空闲时间占比。

3.2 实验室危化品管理

选用防爆储存专柜储存危化品，通过安装智能锁和应用物联网技术，以软硬件结合的模式进行管理。一方面系统监控防止危化品被盗等问题的发生，另一方面在柜子底部配置漏液槽，防止液体意外流出等风险。在管理方面，包括：数据录入、物品领取、归还和盘点四个阶段。管理人员在智慧实验室管理系统录入危化品的信息，包括试剂名称、规格、存量、每次最大取用量、保质期等。科研人员取用试剂并关柜门时，柜中读卡器自动读取并进行危化品盘点，同时记录取用的试剂名称、时间和取用人。当科研人员对危化品用后称重、放回防爆储存专柜后，系统同样会自动记录此次操作的各项信息。当放入试剂到柜子，并关上柜门即视为归还成功。最后，系统进行盘点，配合门禁、视频监控等管控手段，实现了危化品的闭环安全管理。

3.3 实验环境监测

实验室环境要求不同于一般的公共场所，环境监测的目的是保障实验的正常运行，预防突发事件的发生，使管理人员能及时掌握和了解实验室的情况，以减少损失。环境监测模块由三部分组成，包括温度智能控制器、环境监测智能控制器和断电监测系统，其中环境监测智能控制器可通过智能感知探头，对有特定温湿度、气体浓度要求的实验室进行采集并进行数字化转换，再经由网络上传至服务中心。整个流程智能、高效，无需人工干预，为实验环境提供可靠依据。管理流程如图2所示。

图2实验环境监测管理流程图

4  、物联网技术创新应用 

近年来，物联网（Internet of Things, IOT）已被定位为我国新基建和战略性新兴产业，物联网的实质是泛在网络融合协同的一种网络工作模式。它是由智能感应设备、传输网络和应用控制网络系统构成。本研究中的设备依赖无线、有线和移动网络，通过TCP/IP协议与专用监听软件进行长连接通讯，监听软件再使用SignalR技术与核心服务器通讯。在物联网智能管理方面，以软件和硬件结合为基础，通过医用冷链智能管控模块、物联网仪器电源控制器、温度智能控制器、冰箱智能控制锁等IOT物联网控制器，对实验人员使用情况、冰箱开关情况和温度进行监测，实现实验室设备的智能管控。本研究中采用的物联网仪器电源控制器是通过仪器智能控制器的开关来管控仪器的电源，超强抗干扰能力，具有计量、控制、限制、管理等功能，可以实现控制仪器使用权限的目的。该控制器可以支持包括刷卡识别、指纹识别和二维码控制三类模式，在系统设计时综合以上三种控 制方式进行智能控制器设计，如图3所示，三种模式互不干扰、互相补充。

图3物联网电源控制器应用模式示意图

5、 系统运行情况

2021年3月4日开始进行智慧实验室管理系统项目建设，从需求调研到系统设计，再到研发实施、用户培训等，历经了5个月顺利完成系统项目建设。在系统建设中，从人员、环境、安全、仪器、数据五个部分充分进行需求评估，从多个纬度为科研实验室提出新的管理理念与管理方式，为实验室仪器管理、实验室危化品管理、实验环境监测和实验动物管理的四方面核心业务提供可靠的能力支撑和技术保障。自2021年8月12日启动智慧实验室管理系统试运行以来，已注册用户279位、共享仪器163台、累计实验设备使用机时达3503小时，系统整体运行平稳。部署该系统前，实验室仪器预约采用手工登记和电话联系方式，部署系统之后则采用线上预约模式。统计部署系统前后所需的预约工作时长并汇总，Tm代表预约所需最可能时间，To代表最快完成预 约的乐观时间，Tp代表最慢完成预约的悲观时间，通过三点估算法9,10进行评估，估计预约所需时间 T=(To+4*Tm+Tp)/6 ，计算结果如表1所示。对比部署该系统前后的仪器预约所需 时长，部署系统前约为8.17h，部署系统后则仅需要1.08 小时，工作效率显著提升。通过智慧实验室系统的搭建，不仅支撑转化医学业务和实验室资源共享，而且将实验室管理的信息化水平提升到新高度。 表1调查数据表（单位：小时）

6、  结论与展望

本研究梳理了智慧实验室管理系统的设计方案和管理模式，总结了物联网技术在实验室仪器管理、实验室危化品管理、实验室环境监测和实验动物管理等方面的实践经验。研究中仍有不足之处，目前数据积累情况尚不足以进行决策支持，智慧实验室管理系统在整合数据资源的同时，下一步工作中将实现对运行数据的自动收集和统计分析，为实验室的未来建设规划提供可靠的数据支持和决策支撑。智慧实验室管理系统的成功建设，进一步反应了其在设备共享、便捷管理、流程优化和节约资源方面具有较好的推广意义和应用价值。