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      智能化實驗室建設的探索與實踐
      2022/5/23
       

      當前,智能技術不斷進步,已經為社會各行各業帶來了巨大的變革,提升了社會整體運行效率,降低了社會成本。尤為突出的是服務業場景,以電子商務、移動支付、社交網絡等為代表發展迅速,誕生了一批經典案例。在工業場景中,智慧制造、無人工廠也在快速發展。在實驗室專業領域,智能化應用也成為大家關注的話題。


      實驗室智能化的難點主要在于以下幾點:

      01-種類繁多

      涉及到多個專業領域,在不同細分行業差異性較大,即使同一業務類型的實驗室,工藝流程也不一致;

      02-工藝復雜

      實驗室的操作工藝往往比較復雜,工藝流程上涉及的物品等資源種類繁多;

      03-流程易變

      因很多實驗室進行探索性的工作,必然要涉及實驗流程的不斷改變;

      04-個性化特征突出

      實驗室在自行發展過程中,基于自身的資源、環境和業務,逐漸會獨立發展出自身的一些個性化特征。這四個特征,總的來說,就是實驗室的復雜度高,對于智能化實驗室的實現帶來的挑戰較大,邊際成本高。


      針對上述難點,我們采取了兩方面的應對策略:


      01-類型定位

      針對實驗室的種類和工藝類型進行了邊界細分,準確定位,建立相對一致和簡潔的流程類別,以克服實驗室種類不同和工藝流程不同導致的智能化技術路線多樣化的問題,降低智能化的復雜維度;


      02-抽取共性

      將流程易變和個性化內容剝離,抽取其中共性強的內容,進行模塊化開發。流程易變和個性化內容再專門進行定制化開發,如此降低智能化的邊際成本。經過類型定位和共性抽取后,結合智能化“數據流”和“物流”的兩流要素,及實驗室“人機料法環’五要素進行整合,形成兩流五要素架構。


      以兩流為基,我們將智能化實驗室分為兩個代際:


      01-一代智慧化實驗室

      將實驗室人機料法環五大要素進行數據監測,和整合,形成集中化的大腦管理和控制,以實現數據流基礎上的智慧化,并且進行獨立模塊化設計,各模塊間通過總臺進行數據關聯,互相之間去關聯,從而使流程簡約化。

      02-二代無人化”黑燈”實驗室

      在智慧化實驗室基礎上,主要整合機料環法四大要素,整合自動化和人工智能技術,以儀器研發為技術核心,以方法為路線,以樣本和試劑耗材智能化物流為對象,最終實現無人化實驗室。


      以國內某疾控中心智能化項目為案例介紹,其以生物安全實驗室為類型邊界,進行了工藝梳理標化;并抽取共性,劃定模塊,基于兩流五要素,集中精力開發第一代智慧實驗室,并為第二代無人實驗室做儲備。


      01-建設內容

      1.1開發生物安全智慧實驗室管理系統

      通過物聯網技術在生物安全柜上的集成創新應用,并結合智慧管理系統軟件開發,創建了生物安全實驗室智慧管理平臺,實現生物安全實驗室和生物安全柜有機的結合,保證整個實驗室和生物安全柜的高效協同管理,提升實驗室和生物安全柜的整體防護能力;并將實驗室相關設備統一納入到人員安全、樣本安全以及環境安全的整體管理體系,實現生物安全實驗室全流程跟蹤和管理,通過門禁管理、登錄權限、標識信息、設備聯網、使用記錄、實驗操作記錄以及維護保養記錄,提升實驗室的整體生物安全防護水平。


      開發手機APP及電腦軟件,人員可以遠程監控實驗室的運行狀態??赏ㄟ^生物安全實驗室整體安全防控智慧管理平臺查看實驗室的運行情況,顯示并記錄包括生物安全柜在內的各設備的運行狀態和報警值,能夠遙控預約紫外燈、過氧化氫對生物安全柜內部進行消毒處理,并且當實驗室和設備運行狀態偏離正常水平時,能夠及時提醒,提前進行處理,保護操作人員的安全。


      1.2.圍繞生物安全實驗室場景拓展

      生物安全實驗室方案配備物聯低溫冰箱、物聯生物安全柜、物聯二氧化碳培養箱、物聯恒溫恒濕箱,物聯冷凍離心機等物聯網生物安全設備,所有設備運行信息實時監測上傳,設備需要維保時及時進行提醒,并采用大數據、區塊鏈技術,獲取用戶使用習慣,及時對產品進行產品升級。


      02-創新技術分析

      2.1技術先進性和創新性

      智慧實驗室管理創新場景平臺,主要的技術領先性在于創新的將實驗室生物安全場景的人機料法環五個方面做全面的智慧化管理,基于物聯平臺打造的智慧硬件提供實驗室基礎數據的收集,基于SaaS打造的輕量級業務應用提供實驗室的業務高速運轉。


      技術創新性主要包括:

      2.1.1

      針對實驗室儀器的智慧化管理,通過先進的物聯網技術,實時將設備的數據上傳;其次設備數據通過無線形式上傳云平臺,擺脫之前485,232等有線通訊方式;基于NB-IOT開發的物聯網技術平臺,可以同時支持大量設備并發;


      2.1.2

      設備全生命周期的管理,運用云眼智慧實驗室管理軟件+智慧硬件的方案實現設備的全壽命周期管,現在的設備管理大多停留在設備臺賬層面,設備的臺賬多數為紙質記錄,這種管理方式效率低,且極易出現失誤,比如設備在設備報修環節,傳統方式是首先使用者記錄設備狀態,設備可收集整理報修記錄,然后統一通知廠家維修,整過簡單的過程,可能會浪費15個工作日,效率極低;如果出現漏保等情況,導致設備出現重大事故,也是有可能。我們云眼智慧實驗室管理系統可以有效的解決上面的問題,首先設備端的智慧硬件支持一鍵報修,當設備出現問題時,使用者直接一鍵報警,只需5秒云眼智慧實驗室平臺就能收到報警信息,然后根據設置,可以將該條信息及時的推送給設備管理員或者廠家售后;整過過程不超過30秒,由此可見,通過云眼智慧實驗室管理軟件+智慧硬件的方案可以大大提高設備管理水平和管理效率;還可以設置重要事件提醒,做到不遺漏,不失誤;


      2.1.3

      醫療行業領先的大數據平臺,基于SaaS部署的體驗云,可以很好的對檢測的數據進行整合和報表。大數據平臺采用微服務架構,分布式部署方案,與傳統單體架構相比,具有以下優勢:


      ?支持水平擴展,隨著業務需求量增大,可以通過增加集群規模來提高平臺性能,適用更大規模的應用場景;

      ?提高系統容錯性,一個節點出現問題可以有其他節點提供服務支持;

      ?提高了開發和發布速度,因為軟件服務模塊被拆分,開發和發布都可以并行;


      2.1.4

      語音技術通過創新的整合方式,與實驗室業務緊密結合;通過APP可以實時轉錄用戶語音成文字,支持離線喚醒,并且可以語音控制APP進行下一步操作,完全不用紙去記錄實驗數據,這樣的好處是可以避免交叉感染,避免紙質數據丟失;提高記錄效率。


      *文章轉自《未來實驗室學苑》,已進行部分修改

       
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