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環境實驗室樣品流轉智能化自助交樣系統的設計與應用
發布時間：2023-08-19瀏覽次數：2003
科學技術的創新發展推動了實驗室樣品管理智能化、信息化、自動化建設。部分環境實驗室已逐步開發應用實驗室樣品智能化管理系統，以提高樣品流轉效率，實現樣品信息透明化追溯和數據質量保證。然而，現有的實驗室樣品管理智能化建設更多注重于實驗室內樣品流轉過程中的智能化設計，忽略了前端樣品分樣流程繁瑣、樣品堆積等問題，影響交接效率及質量。為解決這一問題，本工作改進了整個樣品交接流程，設計開發了環境實驗室高通量樣品流轉的智能化自助交樣系統，該系統引入物聯網技術且充分考慮不同環境監測樣品特點，并配合現有智慧運營管控平臺和實驗室樣品智能流轉處置系統，實現了樣品的自助交接，縮短了樣品交接清點時間，在一定程度上提高了整個檢測流程的效率。基于此，本工作主要梳理了環境監測樣品的特點，詳細介紹了智能化自助交樣系統的設計，并對其存在的問題進行了分析，以期對環境實驗室高通量樣品交接的智能化管理提供思路與參考。
1、 環境實驗室樣品交接管理現狀
樣品交接是樣品管理工作的起點，決定了后續流程的有效性。目前，現有的環境實驗室樣品交接工作模式一般由樣品管理人員與采樣人員進行交接驗收，樣品管理人員通過掃描二維碼或條形碼進行信息登記、清點數量，同時檢查樣品狀態(涵蓋外觀、包裝、型號、標簽、規格等)，并負責根據樣品類型、檢測任務等完成分類分箱入庫。整個樣品交接流程分化性和秩序性弱，不僅工作量巨大、樣品分類分箱耗時久、清點效率慢，而且由于環境監測樣品具有樣品輸送時段集中、輸送批量大、需要留存的特點，高峰期時段存在因交接不清晰造成樣品丟失混淆及交叉污染的風險。在保證樣品質量控制的基礎上，探索新型的智能、高效化樣品交接模式以適應環境檢測行業發展需要，具有十分重要的意義。
2、 智能化自助交樣系統的設計
2.1設計原則
智能化自助交樣系統的設計是以環境監測樣品自身特點為基礎。在環境監測中，樣品來源主要分為現場采集與客戶送檢兩種，其中以現場采集樣品為主。環境監測涉及的樣品類型復雜多樣，從樣品狀態上分為氣態(環境空氣、廢氣等)、液態(水、廢液等)和固態(土壤、固體廢物、污泥等)，針對不同的樣品形態及其所對應的監測項目需采用不同規格、材質的容器來采集盛裝,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。
根據環境監測樣品的規格，樣品大致可被分為3類：①小規格，如氣體采樣管；②中規格，如土壤、液體、固體廢物樣品；③大規格，外形尺寸較大，如不同規格的氣袋。設計智能化自助交樣系統時需充分考慮到不同樣品的盛放容器和規格大小，才能更好實現樣品的下步流轉。
2.2設計思路
2.2.1 環境實驗室職能規劃
根據實際需求，科學合理規劃實驗室、創造和提供工作流程順暢的工作環境有利于提高整體工作效率。環境實驗室職能規劃的目的是在采樣人員于前端按需分裝樣品的前提下，通過確認每個前處理室所包含的檢測指標來明確不同檢測項目的環境樣品流轉去向，實現在自助交樣的同時完成環境樣品實驗任務的分類，避免同一單號樣品多次流轉。目前主要針對水環境樣品進行職能規劃。由于水環境樣品檢測因子眾多，涉及的標準分析方法多樣，若按常規樣品交接方式，在業務量較大的情況下樣品清點耗時較久，且針對同一單號樣品檢測因子量多時，常需要根據各項目標準中規定的保存期限，分清輕重緩急，優先安排送樣，同時需時刻跟進樣品流轉情況，稍有疏漏便可能造成滯流而導致其他項目無法按時分析。整體將實驗室分成15個房間，確定了每個房間號所對應的檢測指標，并在樣品[敏感詞]識別標志二維碼設計中加入房間號和實驗任務信息。在采樣人員自助清點樣品后，經由樣品分箱記錄工作臺完成實驗任務分類，然后將其傳輸至樣品室，經確認樣品狀態后入庫或分配實驗任務。
2.2.2 自助交樣流程優化
自助交樣系統設計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電 腦、15個分箱記錄儀和1條傳輸帶，具體交樣流程如圖1所示。采樣人員首先根據監測項目按需分裝并賦予樣品二維碼，后借助實驗室智慧運營平臺進行掃描清點，完成清點的樣品根據樣品類型選擇下步流轉，如土壤、固體廢物、污泥等固態樣品可直接放置于對應顏色周轉箱內；大規格樣品，如氣袋放入袋中人工轉運；水環境樣品放置于樣品分箱線經分揀入箱。周轉箱滿后傳輸至樣品室交樣窗口，由樣品管理員檢查確認樣品狀態。在此過程中采用二維碼識別不僅能提高樣品清點效率和識別率，還能降低數據采集誤碼率，并且樣品管理員的部分職責由系統承擔，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總體設計方案
智能化自助交樣系統的設計依托于前期開發的實驗室智慧運營平臺、實驗室AGV流轉系統、實驗室樣品管理系統，并在此基礎上引入物聯網技術進行系統功能化設計布局，開發出樣品分箱記錄工作臺，將三者相互對接，以實現高通量樣品流轉的自助交接，提高樣品交接入庫的效率、總體設計方案主要包括三大模塊：樣品清點、樣品分揀和樣品傳送，詳細框架如圖2所示。
2.3.1 樣品清點模塊
樣品清點模塊為采樣人員提供樣品自助清點功能，借助于實驗室智慧運營平臺來實現。實驗室智慧運營平臺采用新科技，包括云計算、大數據和現代高速網絡技術共同搭建而成，該平臺主體結構由九大模塊構成，分別是系統管理、基礎信息設置、客戶信息管理、銷售管理、化驗室管理、現場管理、報告室管理、評價室管理以及財務管理。各模塊之間經過跨模塊整合和數據集成可進行資源共享。樣品自助清點便是利用其中的現場管理模塊，通過系統采樣界面中開發增添的樣品清點功能，包括清點個數及檢測因子對應房間號，經掃描樣品[敏感詞]識別標志二維碼后于系統中直接顯示、確認，完成樣品的自助清點,同時再次核對樣單信息、客戶委托單信息等以確保無誤。整個過程簡單、快速且有利于樣品下步流轉。
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實現。樣品分箱記錄工作臺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，實現樣品分箱、分類功能。樣品分箱記錄工作臺配置了15個分箱記錄儀以對應15個房間號，且前面均放置樣品周轉箱，其具體分箱過程如下：通過人工使用分箱記錄儀掃描周轉箱號，并將傳送帶上相應房間號的樣品瓶掃描入箱，待箱滿后由分箱記錄儀自動生成樣品清單，打印貼至箱面注明日期并放于傳送帶上入庫。整個過程清晰明了，同時樣品分箱記錄工作臺的數據可與實驗室樣品管理系統相互關聯，樣品管理員通過掃描周轉箱二維碼便可從實驗室樣品管理系統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，并清點入庫和分揀運送，占用了采樣人員的大部分時間，且容易出現混放錯放。新的分揀系統將清點和分揀分開，并由傳送帶進行轉運，減少了工作人員的走動距離，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、流轉功能。借鑒半導體行業、醫療行業等其他先進行業的物流自動化傳輸模式，目前已開發的環境樣品智能傳輸系統主要包括氣動物流傳輸系統和實驗室AGV流轉系統。由于氣動物流傳輸系統僅適用于小規格且密封包裝可任意翻轉的樣品，故在樣品傳送模塊中選擇實驗室 AGV流轉系統。實驗室AGV流轉系統包含倉庫AGV流轉系統和貨運AGV流轉系統，目前初步配備了６臺倉庫AGV、12臺貨運AGV和1個專用AGV充電室，其中倉庫AGV使用全向背負升高叉車式機器人，可按指令自動完成樣品入庫、出庫和庫間轉移等操作；貨運AGV使用背負式運輸機器人，可按指令完成樣品在不同實驗室功能區的運送流轉工作。經樣品分箱記錄工作臺完成分揀的周轉箱經傳送帶運送至倉庫，樣品管理人員按箱檢查樣品狀態后于樣品管理系統中確認，同時根據樣品規格及時效性選擇合適的流轉方式，如樣品保存期限較短的小規格樣品(如氣體采樣管)可直接發布指令由貨運AGV運轉至實驗室分析；大規格樣品(如氣袋)可定時由人工運送；其他規格的樣品由倉庫AGV入庫或運轉至實驗室分析。
3、 應用與問題分析
由于現有的樣品管理系統存在樣品流轉單一問題，即已被借用的樣品需歸還至樣品倉庫后方能再次借出，這會影響其他檢測項目的分析，造成檢測報告不能及時出具。高通量樣品流轉的智能化自助交樣系統從根源上解決了這一問題，通過完善分樣流程管理制度，前期按監測項目分樣，自助清點、分揀后運輸至相應實驗室，不僅提高了樣品交接清點效率，縮減了樣品流轉以及找樣時間，而且整個檢測流程效率也隨之提高。
在應用過程中，智能化自助交樣系統的部分環節仍需人工完成，其設計仍需進一步的優化和完善，主要包括以下兩點：
1)大規格樣品人工輸送。由于大規格樣品體積較大，自助清點完成入箱/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，寬度依據大規格樣品箱/袋尺寸設計，使之實現大規格樣品的自動輸送。
2)樣品分揀人工入箱。系統中樣品分揀由人工掃描樣品后入箱，導致每條自助流程線上需安排兩名人員，人工成本增加。隨著標準化工作的進一步推進，分揀工作可以由自動掃描設備和機械臂來完成，進一步提高樣品分揀的自動化和信息化水平。
4、 結論
智能化自助交樣系統的核心目的是解決環境實驗室高通量樣品流轉過程中接收效率慢的問題，通過合理的功能布局和設計，該系統不僅實現了采樣人員自助交接，而且解決了樣品管理系統中存在的同一單號多次流轉易滯流的問題。智能、高效、規范是未來實驗室的發展趨勢，環境實驗室智能化樣品自助交接系統與實驗室智慧運營平臺、實驗室樣品管理系統相結合，可更好地實現對樣品的時間管控和信息溯源，對環境檢測行業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：江蘇康達檢測技術股份有限公司
來源：《理化檢驗-化學分冊》2023年第7期
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