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环境实验室样品流转智能化自助交样系统的设计与应用
发布时间：2023-08-19浏览次数：1397
科学技术的创新发展推动了实验室样品管理智能化、信息化、自动化建设。部分环境实验室已逐步开发应用实验室样品智能化管理系统，以提高样品流转效率，实现样品信息透明化追溯和数据质量保证。然而，现有的实验室样品管理智能化建设更多注重于实验室内样品流转过程中的智能化设计，忽略了前端样品分样流程繁琐、样品堆积等问题，影响交接效率及质量。为解决这一问题，本工作改进了整个样品交接流程，设计开发了环境实验室高通量样品流转的智能化自助交样系统，该系统引入物联网技术且充分考虑不同环境监测样品特点，并配合现有智慧运营管控平台和实验室样品智能流转处置系统，实现了样品的自助交接，缩短了样品交接清点时间，在一定程度上提高了整个检测流程的效率。基于此，本工作主要梳理了环境监测样品的特点，详细介绍了智能化自助交样系统的设计，并对其存在的问题进行了分析，以期对环境实验室高通量样品交接的智能化管理提供思路与参考。
1、 环境实验室样品交接管理现状
样品交接是样品管理工作的起点，决定了后续流程的有效性。目前，现有的环境实验室样品交接工作模式一般由样品管理人员与采样人员进行交接验收，样品管理人员通过扫描二维码或条形码进行信息登记、清点数量，同时检查样品状态(涵盖外观、包装、型号、标签、规格等)，并负责根据样品类型、检测任务等完成分类分箱入库。整个样品交接流程分化性和秩序性弱，不仅工作量巨大、样品分类分箱耗时久、清点效率慢，而且由于环境监测样品具有样品输送时段集中、输送批量大、需要留存的特点，高峰期时段存在因交接不清晰造成样品丢失混淆及交叉污染的风险。在保证样品质量控制的基础上，探索新型的智能、高效化样品交接模式以适应环境检测行业发展需要，具有十分重要的意义。
2、 智能化自助交样系统的设计
2.1设计原则
智能化自助交样系统的设计是以环境监测样品自身特点为基础。在环境监测中，样品来源主要分为现场采集与客户送检两种，其中以现场采集样品为主。环境监测涉及的样品类型复杂多样，从样品状态上分为气态(环境空气、废气等)、液态(水、废液等)和固态(土壤、固体废物、污泥等)，针对不同的样品形态及其所对应的监测项目需采用不同规格、材质的容器来采集盛装,如空气样品一般用吸收瓶、热脱附管、气袋；水环境样品一般采用聚乙烯瓶或玻璃瓶；土壤样品一般采用聚乙烯瓶(桶)、玻璃瓶、塑封袋、铝箔袋；固体废物样品一般采用聚乙烯瓶(桶)、塑封袋、棕色玻璃瓶。
根据环境监测样品的规格，样品大致可被分为3类：①小规格，如气体采样管；②中规格，如土壤、液体、固体废物样品；③大规格，外形尺寸较大，如不同规格的气袋。设计智能化自助交样系统时需充分考虑到不同样品的盛放容器和规格大小，才能更好实现样品的下步流转。
2.2设计思路
2.2.1 环境实验室职能规划
根据实际需求，科学合理规划实验室、创造和提供工作流程顺畅的工作环境有利于提高整体工作效率。环境实验室职能规划的目的是在采样人员于前端按需分装样品的前提下，通过确认每个前处理室所包含的检测指标来明确不同检测项目的环境样品流转去向，实现在自助交样的同时完成环境样品实验任务的分类，避免同一单号样品多次流转。目前主要针对水环境样品进行职能规划。由于水环境样品检测因子众多，涉及的标准分析方法多样，若按常规样品交接方式，在业务量较大的情况下样品清点耗时较久，且针对同一单号样品检测因子量多时，常需要根据各项目标准中规定的保存期限，分清轻重缓急，优先安排送样，同时需时刻跟进样品流转情况，稍有疏漏便可能造成滞流而导致其他项目无法按时分析。整体将实验室分成15个房间，确定了每个房间号所对应的检测指标，并在样品[敏感词]识别标志二维码设计中加入房间号和实验任务信息。在采样人员自助清点样品后，经由样品分箱记录工作台完成实验任务分类，然后将其传输至样品室，经确认样品状态后入库或分配实验任务。
2.2.2 自助交样流程优化
自助交样系统设计共包含两条自助交样流程线，每条自助交样流程线上配备两台电 脑、15个分箱记录仪和1条传输带，具体交样流程如图1所示。采样人员首先根据监测项目按需分装并赋予样品二维码，后借助实验室智慧运营平台进行扫描清点，完成清点的样品根据样品类型选择下步流转，如土壤、固体废物、污泥等固态样品可直接放置于对应颜色周转箱内；大规格样品，如气袋放入袋中人工转运；水环境样品放置于样品分箱线经分拣入箱。周转箱满后传输至样品室交样窗口，由样品管理员检查确认样品状态。在此过程中采用二维码识别不仅能提高样品清点效率和识别率，还能降低数据采集误码率，并且样品管理员的部分职责由系统承担，使工作人员从繁琐的手工操作中脱离出来，工作量大大降低，样品交接效率得到有效提升。
2.3总体设计方案
智能化自助交样系统的设计依托于前期开发的实验室智慧运营平台、实验室AGV流转系统、实验室样品管理系统，并在此基础上引入物联网技术进行系统功能化设计布局，开发出样品分箱记录工作台，将三者相互对接，以实现高通量样品流转的自助交接，提高样品交接入库的效率、总体设计方案主要包括三大模块：样品清点、样品分拣和样品传送，详细框架如图2所示。
2.3.1 样品清点模块
样品清点模块为采样人员提供样品自助清点功能，借助于实验室智慧运营平台来实现。实验室智慧运营平台采用新科技，包括云计算、大数据和现代高速网络技术共同搭建而成，该平台主体结构由九大模块构成，分别是系统管理、基础信息设置、客户信息管理、销售管理、化验室管理、现场管理、报告室管理、评价室管理以及财务管理。各模块之间经过跨模块整合和数据集成可进行资源共享。样品自助清点便是利用其中的现场管理模块，通过系统采样界面中开发增添的样品清点功能，包括清点个数及检测因子对应房间号，经扫描样品[敏感词]识别标志二维码后于系统中直接显示、确认，完成样品的自助清点,同时再次核对样单信息、客户委托单信息等以确保无误。整个过程简单、快速且有利于样品下步流转。
2.3.2 样品分拣模块
样品分拣模块提供样品分箱、分类功能。将样品分拣工作由原来的采样人员自行分拣，更改为专人分拣，通过样品分箱记录工作台实现。样品分箱记录工作台主要包括传送带配送装置和分箱记录仪两部分，传送带配送装置用于清点后样品的传输，分箱记录仪则通过扫描样品信息而生成样品清单，实现样品分箱、分类功能。样品分箱记录工作台配置了15个分箱记录仪以对应15个房间号，且前面均放置样品周转箱，其具体分箱过程如下：通过人工使用分箱记录仪扫描周转箱号，并将传送带上相应房间号的样品瓶扫描入箱，待箱满后由分箱记录仪自动生成样品清单，打印贴至箱面注明日期并放于传送带上入库。整个过程清晰明了，同时样品分箱记录工作台的数据可与实验室样品管理系统相互关联，样品管理员通过扫描周转箱二维码便可从实验室样品管理系统中获取样品清单信息。
原来的样品分拣模式由采样人员自行分拣，并清点入库和分拣运送，占用了采样人员的大部分时间，且容易出现混放错放。新的分拣系统将清点和分拣分开，并由传送带进行转运，减少了工作人员的走动距离，又将瓶颈工位拆分，提高了工作效率。
2.3.3 样品传送模块
样品传送模块提供样品传输、流转功能。借鉴半导体行业、医疗行业等其他先进行业的物流自动化传输模式，目前已开发的环境样品智能传输系统主要包括气动物流传输系统和实验室AGV流转系统。由于气动物流传输系统仅适用于小规格且密封包装可任意翻转的样品，故在样品传送模块中选择实验室 AGV流转系统。实验室AGV流转系统包含仓库AGV流转系统和货运AGV流转系统，目前初步配备了６台仓库AGV、12台货运AGV和1个专用AGV充电室，其中仓库AGV使用全向背负升高叉车式机器人，可按指令自动完成样品入库、出库和库间转移等操作；货运AGV使用背负式运输机器人，可按指令完成样品在不同实验室功能区的运送流转工作。经样品分箱记录工作台完成分拣的周转箱经传送带运送至仓库，样品管理人员按箱检查样品状态后于样品管理系统中确认，同时根据样品规格及时效性选择合适的流转方式，如样品保存期限较短的小规格样品(如气体采样管)可直接发布指令由货运AGV运转至实验室分析；大规格样品(如气袋)可定时由人工运送；其他规格的样品由仓库AGV入库或运转至实验室分析。
3、 应用与问题分析
由于现有的样品管理系统存在样品流转单一问题，即已被借用的样品需归还至样品仓库后方能再次借出，这会影响其他检测项目的分析，造成检测报告不能及时出具。高通量样品流转的智能化自助交样系统从根源上解决了这一问题，通过完善分样流程管理制度，前期按监测项目分样，自助清点、分拣后运输至相应实验室，不仅提高了样品交接清点效率，缩减了样品流转以及找样时间，而且整个检测流程效率也随之提高。
在应用过程中，智能化自助交样系统的部分环节仍需人工完成，其设计仍需进一步的优化和完善，主要包括以下两点：
1)大规格样品人工输送。由于大规格样品体积较大，自助清点完成入箱/袋后不易被放置于传送带，目前仍采用人工的方式运送至样品室交样窗口，消耗人力且易混乱，不利于样品追踪，为此可增加1条传送带，宽度依据大规格样品箱/袋尺寸设计，使之实现大规格样品的自动输送。
2)样品分拣人工入箱。系统中样品分拣由人工扫描样品后入箱，导致每条自助流程线上需安排两名人员，人工成本增加。随着标准化工作的进一步推进，分拣工作可以由自动扫描设备和机械臂来完成，进一步提高样品分拣的自动化和信息化水平。
4、 结论
智能化自助交样系统的核心目的是解决环境实验室高通量样品流转过程中接收效率慢的问题，通过合理的功能布局和设计，该系统不仅实现了采样人员自助交接，而且解决了样品管理系统中存在的同一单号多次流转易滞流的问题。智能、高效、规范是未来实验室的发展趋势，环境实验室智能化样品自助交接系统与实验室智慧运营平台、实验室样品管理系统相结合，可更好地实现对样品的时间管控和信息溯源，对环境检测行业具有十分重要的参考和借鉴意义。
作者：陈海秀，朱佩玉，高晨，李东，李志鸿
单位：江苏康达检测技术股份有限公司
来源：《理化检验-化学分册》2023年第7期
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