水环境监测实验室信息管理系统应用分析

陈峰，周浩然，王文静，钱宝

摘要：为满足水文信息化建设的需要，长江水利委员会水文局引进了实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System，LIMS）。介紹了LIMS的基本情况，并总结出LIMS具有规范性、高效性、安全性3个特性。该系统可以提高水环境监测实验室的运行效率，降低由人工导致的信息录入错误，实现失误溯源和痕迹获取，从而提高实验室质量控制水平，同时能够改变目前存在的“信息孤岛”局面，有效汇总各方数据，高效发挥信息资源作用。此外，并入式部署的方式以及“集中授权，分级管理”的工作模式能够有效保证监测数据的信息安全。LIMS具有在全流域水环境监测实验室推广的价值，对构建智慧水文系统、水文数字化转型具有积极的推动作用。

关键词：水质监测； 水环境监测； 实验室信息管理系统； 水文信息化； 智慧水文

中图法分类号：X832                              文献标志码：A                            DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.020

文章编号：1006-0081（2024）03-0124-06

0引言

实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System，LIMS）是将科学的实验室管理思想与先进的信息化技术有机结合而形成的集成式管理系统，是提高实验室质量控制水平与资源管理能力的重要方式，目前在国内外得到了广泛应用。长江水利委员会水文局于2017年开始定制化研发并试运行LIMS，系统运行获得阶段性成功，并将在全流域水环境监测实验室推广。通过LIMS系统能够有效保证水环境监测数据的准确性、可溯源性，提高对数据的整合能力和自动分析能力，为加快水文信息化建设提供有力支撑。

1应用背景

实验室信息管理系统（LIMS）是为了使实验室快速、高效开展研究工作而设计的信息管理平台，通过整合物联网、大数据、移动互联等信息化技术，分析检验技术以及实验室管理思想，建立以实验室为中心的分布式管理体系。20世纪60年代末，国外关于LIMS的构想和理论开始出现。20世纪80年代早期，由国外制药行业联合软件公司开发最初的LIMS，作为质量保证/质量控制（QA/QC）的工具，此时的LIMS属于特别定制产品，由开发商集成在分析仪器上，以本机所携专有数据库为基础运行。1982年，第一代商用LIMS问世，其系统集成在单台集中式微型计算机上，可以自动进行数据质量检测，并提供相应报告。随着产品的不断更新换代，LIMS构建出分散客户机-服务器的体系结构，个人用户可以使用易于操作的PC端访问系统，LIMS数据库部署在中央服务器中，以保证其稳定性和安全性，并通过优化资源共享保证客户机和服务器数据加载。基于万维网（World Wide Web）的LIMS于1996年推出，这种全球广域网的引入使LIMS具备电子签名功能，有效保证了数据的可靠性；同时集成的卫星定位技术使采样人员可以准确定位采样位置。在近20 a中，LIMS有效整合新兴信息化技术，如PHP（超文本处理语言）、SQL（结构化查询语言）、XML（可扩展标记语言）、虚拟实验室等，并提供更加友好的用户界面，致力于为实验室提供有效管理，并提供人性化、安全化的综合数据管理解决方案。目前，新一代LIMS从样品检测和结果管理转向为实验室提供一个先进的信息学管理架构，用于对实验室产生的大量数据进行有效的信息化管理，并优化组织人员工作架构以提高数据产出效率。

20世纪70年代末期，中国开始出现有关LIMS的构想和实践，但受限于国内计算机软硬件水平，LIMS仅可以在单机上完成简单的数据处理任务。20世纪80年代后期，中国石化、制药等领域引入国外的LIMS，但其本土化工作不够，对中文处理能力低下，导致LIMS使用效率较低；且LIMS购入价格高昂，国内配套设施稀缺，导致LIMS难以在全国推广。随着全球信息技术的快速发展以及国内对信息化的重视，国内诸多科研院所在开发、改进国产LIMS方面做出了重大贡献，例如石油化工科学研究院在2000年开发出商业版LIMS网络系统（RIP-LIMS），并在实际工作中投入使用［1］；国家地质测试中心研发的Org-LIMS具有完全自主知识产权，能够实现对有机分析实验室的全过程信息化管理［2］；华东理工大学结合上海化工研究院监测中心的实际需求，设计了基于Browser/Server （B/S）架构的LIMS，很好地满足了对方在化工数据监测方面的个性化需求［3］。目前，国内专业的LIMS公司也大量出现，研发的商用LIMS符合中国实验室实际需要，具备中国特色，在各大高校、事业单位、企业的实验室中有着较为广泛的应用。

2LIMS与水文信息化

水文信息化转型是水文现代化的重要进程。推进水文信息采集自动化、数据分析智能化、模型构建精细化、信息服务现代化是构建智慧水文的重要组成部分，有助于强化流域治理管理，推动水利高质量发展。2008年长江委水文局提出“数据资源一个中心，信息共享一张图，应用服务一个平台”的水文信息化建设工程；2016年确定了“社会水文、绿色水文、智慧水文、和谐水文”的“四个水文”发展目标［4］。不断提升水文信息化水平，加快智慧水文建设，推动智慧平台设计落地［5］。

水环境监测是水文监测的重要组成部分，是流域水资源保护工作的重要手段。水环境监测面临着断面增加、项目增多、频率提升等诸多挑战，传统的人工数据抄录、报告编写、资源协调的模式已经难以胜任；在统分结合、整体联动的工作机制要求下，各水环境监测中心之间的“信息壁垒”也亟待打破。为改变监测能力不足、信息整合不畅的局面，长江水利委员会水文局水环境监测中心引入武汉三正科技有限公司研发的LIMS，该系统Web端基于B/S架构、.net语言构建，服务器操作系统采用Windows Server 2008 R2 Enterprice X64，数据库选用SqlServer2008R2，客户端操作系统为Windows 7/10，以信息管理系统实现“人（人员）、机（仪器）、料（材料）、法（方法）、环（环境）”的全面资源管理（图1）。LIMS是现代分析实验室综合管理的整体解决方案，通过LIMS可以达到无纸化办公、智能协调实验室资源、自动数据分析、高效整合各中心数据资源的目的，对于构建智慧水文系统具有积极的推动作用。

3LIMS在水环境监测领域的应用

2022年12月，长江委水文局所屬多个水环境监测实验室开始试运行LIMS。针对水环境监测工作，LIMS系统可以对检测任务整体流程进行有效覆盖，覆盖流程见图2。同时通过对LIMS系统进行创新改造，使其系统更加适用于实际生产工作。

（1） 任务计划编制。LIMS系统提供了模板编制法和手工编制法2种手段。通常情况下，管理人员只需选择任务模板，再针对本次任务的具体情况进行简单修改即可生成计划（包括采样路线组合和监测内容），简化了任务编制流程。面向水环境监测工作，通过同LIMS系统设计公司订制监测模板（如地表水109项指标、地下水93项指标等），方便管理人员一键下达任务。对于特殊任务，管理人员还可以手工编制任务，自由创建采样断面、采样时间、评价项目、人员指派、质控要求等，可有效适应各种非常规监测任务。

（2） 采样流程。传统采样过程中，采样人员需要手工记录现场环境数据和现场检测数据，采样完成后还需再次录入为电子数据；手工记录的纸质数据易污损或丢失，造成现场环境数据缺失。此外，管理人员也不能对采样过程进行有效控制，实际采样点位与任务点位有较大偏移的情况时有发生。

LIMS系统可以有效解决以上问题，通过将LIMS系统部署在APP端，采样人员到达采样位置后需要通过手机进行GPS签到，签到位置与任务位置不能超过100 m（否则将作为异常情况上报）。现场数据可以通过LIMS手机端进行实时录入，同时可以拍摄照片或者视频一并上传到LIMS系统，有效支撑误差溯源工作。由于实际采样过程中部分点位非常偏僻，网络环境差，进一步设计了离线签到上传功能，保证现场信息最终可以录入LIMS系统，其现场采样流程见图3。

（3） 分析录入。分析人员通过LIMS系统可以看到采样和接样进度，可对样品进行拆分和合并批次。对于仪器分析结果，可以将EXCEL或PDF格式的文件直接录入LIMS，避免手动输入导致的错误。数据录入过程中，LIMS系统会对数据进行实时水质评价，对于非数值类型和低于检出限值数据会做提醒。同时质控模块会记录添加质控样的数量以及是否存在不合格样品，未达到相应的质控比例时，无法提交数据。面向水质数据特点，系统会根据填报数据进行综合性审查判断，例如：总氮>无机氮，总氮>有机氮，无机氮>硝酸盐氮>亚硝酸盐氮等。

（4） 数据管理与输出。管理人员在拿到实验数据后，需要进行数据校审。通过LIMS系统，管理人员可以查看所有样品数据、实验室过程数据、原始记录表质控评价结果、上传附件信息等。当数据存在问题时，可将数据退回给分析人员，并注明原因。数据确认无误后可完成任务上报，并可在LIMS系统内导出检测报告、野外采样原始记录、野外采样检测记录、实验室原始记录、上报数据报表、质控统计报表、现场任务通知单、样品交接单、样品流转及留样单等报表。导出后的文档存在服务器内，供下载和预览。

（5） 全局管理。面向上级管理部门，LIMS系统可以提供全局监测任务完成情况透视图（图4），包含采样进度、接样进度、领样进度、分析进度、校核进度与审核进度，帮助管理部门全面掌握各水质实验室任务完成情况，提高管理效率。

4应用成效

4.1规范性

LIMS通过对水环境监测工作中的任务登记下发、样品采集、样品交接、检测分析、质控管理、数据录入、多级审核、报告生成进行信息化赋能，实现全流程的标准化管理（图5）。项目负责人根据任务信息制定合适的监测方案和质控方案，并线上提交部门负责人进行审核。对每个采集样品，LIMS系统会给出具有唯一性的样品标识（条形码或二维码），搭配扫码枪则可以确保样品在流转和检测过程中不发生混淆，实现样品出入库跟踪、样品有效期提醒、留样状态管控等，从而完成样品整体生命周期管理。

传统模式中，不同实验室分析人员对同一指标可能采用不同的检测和评价方法，导致不同分析人员、分析单位得到的检测结果不一致，即存在较大的系统误差。通过LIMS可以统一管理各类指标的评价和检测的标准方法，分析人员依此开展样品分析工作，可有效降低系统误差。由于LIMS可以实现样品检测全过程的实时监控，管理人员可以追溯任何环节出现的失误，及时对工作流程作出调整［6］。

4.2高效性

通过LIMS对数据自动或半自动的加工处理、统计分析、实时共享等功能，实验室的工作效率得以大幅提高。项目负责人可通过LIMS已制定的分配规则以及人员检测资质进行自动任务分配，有效减少项目负责人工作量。采样人员通过LIMS系统的APP端对采样地点进行GPS定位，并通过APP进行现场数据填报以及图片信息采集等，从而减少对传统纸笔记录的依赖，简化采样流程；数据会实时同步至PC端，并由系统进行初步的数据分析与可视化，使负责人更为高效地掌握第一手资料。接样人员以及分析人员可以通过APP了解样品采集状况，并通过扫描样品二维码的方式快速清点核对样品信息。分析人员完成样品分析后，可将csv、dat、excel、pdf格式的仪器原始数据上传让系统自动解析，还可通过COM、USB网口等以TCP/IP协议将检测仪器与LIMS系统串联，从而达成实时数据采集上传。检测设备和LIMS的整合串联可以避免人工易犯的抄写转录错误，同时将实验员从繁琐工作中解放出来，有效减少人员工作量。数据上传后，系统可以自动对异常值进行检测提醒，自动带入标准曲线、公式进行数据计算，并可以自动评价质控结果，确保数据准确。对于已经确认无误的数据，系统会根据预设模板生成标准报告，有效减少报告编制时间。整个任务进行过程中，负责人可以通过系统实时跟进任务进度，及时对突发情况作出有效调整。

目前，也尝试将LIMS系统同其他信息化系统进行异构集成，改变存在的“信息孤岛”局面，解决各业务系统不共享、难共享的问题，使各系统能够各司其职，但又紧密相连，高效发挥信息资源作用［7］。

4.3安全性

LIMS采用先進的计算机网络技术，通过多层次、数据储存分层的分离技术，有效防范恶意病毒攻击，确保数据完整。系统登录采取身份认证方式，对用户实行实名制，系统管理员能够对用户设置访问权限，同时设置二级系统管理员进一步细分认证与访问权限，实现“集中授权，分级管理”的工作模式，实现对用户整体的有效管理，保护系统资源不被非法或越权访问。当用户对系统内资源进行访问时，系统可以通过认证日志、权限检测日志、操作日志等记录访问过程，系统管理员通过日志可以发现安全隐患，比如同一账户短时间内多次企图认证可能是账号攻击，多次权限检测失败可能是企图访问非授权资源。此外，系统管理员也可以通过日志系统恢复数据、撤销操作，从而避免误操作带来的损失。

为进一步保障信息安全，LIMS总服务器同水文局网络信息中心的服务器统一部署，由网信中心提供安全维护，用户的访问端口需经由水文局内网访问（现场采样APP需先连接水文局内网VPN），具体硬件安全部署见图6。这种并入式部署方式有利于形成完整统一的网络与信息安全体系，改变传统模式下不同系统各自运行的维护模式，切实保障水文信息安全［8-9］。

5结论与建议

LIMS在水环境监测实验室可实现“人机料法环”的全面资源管理。该系统对从监测任务下发至报告生成的全流程进行信息化赋能，使水环境监测工作更加规范、高效、安全。针对LIMS系统的进一步优化，提出以下几个方面建议。

（1） 由于LIMS初期构建工作主要以整体部署为主，使得LIMS对一些分析仪器输出数据的匹配不到位，实验人员仍用传统方式向系统录入或者导入数据。后续实验人员将继续同研发公司沟通协作，针对特殊分析仪器的使用需求进行系统开发，提高LIMS与分析仪器的联用程度，进一步实现分析数据的规范化、智慧化。

（2） 将LIMS与同期开发的整编系统进行有效整合，优化功能架构，发挥各自特点，删减重合业务，实现实验室管理和大数据整编的一站式服务。

（3） 将LIMS延伸至水文局各水质实验室，结合水质全要素监测能力建设，实现水质数据的全设备、全要素、全过程的智能管理，并在LIMS内进一步部署开发水质数据的智能传输、率定、预警系统。

（4） 尝试将LIMS并入水文局水文业务应用集群，协助构建集监控管理、大数据分析、智能应用为一体的水文水资源监测预报预警平台，进一步提升水文业务整体化、智慧化水平。

参考文献：

［1］杨海鹰，沈彤，郑博，等.化验室综合管理系统的开发与应用［C］∥中国分析测试协会.中国分析测试协会科学技术奖发展回顾.北京：北京科学技术出版社，2015.

［2］李松，罗代洪.有机分析实验室LIMS系统的开发与应用［J］.吉林大学学报（信息科学版），2018，36（1）：85-89.

［3］周勇明.上海化工研究院检测中心信息管理系统（LIMS）的设计与实现［D］.上海：华东理工大学，2014.

［4］许弟兵.“智慧水文”构建初探［J］.中国水利，2017（19）：15-18.

［5］饶小康，马瑞，张力，等.数字孪生驱动的智慧流域平台研究与设计［J］.水利水电快报，2022，43（2）：117-123.

［6］聂真真，郝金义，王文静，等.实验室信息管理系统（LIMS）在水环境监测实验室中的应用［J］.通信电源技术，2019，36（3）：245-247.

［7］王向明，伏晴艳，刘红，等.环境监测实验室信息管理系统建设——以上海市环境监测中心为例［J］.环境监测管理与技术，2007（4）：4-8.

［8］詹全忠.水利网络与信息安全资源整合共享探讨［J］.水利信息化，2014（6）：22-26.

［9］程海云.推进新时代长江水文高质量发展体系建设构想［J］.人民长江，2023，54（1）：88-97

（编辑：张爽）

Application analysis of Laboratory Information Management System in water environment monitoring

CHEN Feng，ZHOU Haoran，WANG Wenjing，QIAN Bao

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430011，China）

Abstract： In order to meet the construction needs of hydrological informatization，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission introduced the Laboratory Information Management System （LIMS）.We introduced the basic situation of LIMS，and concluded that LIMS had three characteristics of standardization，high efficiency and security.The system can improve the operating efficiency of water environment monitoring laboratory，reduce the information input errors caused by manual，achieve error tracing and operation trace acquisition，and improve the laboratory quality control level.At the same time，it can change the current situation of information island，effectively summarize the data of all parties，and effectively play the role of information resources.In addition，the mode of integrated deployment and the working mode of centralized authorization and hierarchical management can effectively ensure the information security of monitoring data.LIMS had the value of promotion in water environment monitoring laboratories in the whole basin，played a positive role in building smart hydrological system and assisted the digital transformation of hydrology.

Key words： water quality monitoring； water environment monitoring； Laboratory Information Management System； hydrological informatization； smart hydrology