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实验室智能化：数字化实验室的建设标准、仪器设备与IT系统的联网

2020-11-07
山东康德莱净化工程有限公司
数字化实验室主要通过实验室数据的数字化、仪器设备与IT系统的联网来实现。实现实验室数据的数字化是实验室日常工作中一个严峻挑战。目前已经有许多不同类型的电子实验室记录(ELNs)和实验室信息管理系统(LIMS)可供使用，但不是所有的实验室都使用统一的系统管理数字化文件。某些移动输入设备，例如，平板电脑和智能手机的发展都有利于数字化系统的应用和推广。许多实验室都会使用数据格式完全不同的数据，例如，Word、Excel、PDF和图像格式的通用数据格式，也常常要用到一些特殊格式的数据。
 
一、实验室数据的数字化
为了能够在更大范围内使用这些数据，根据数据产生的过程来管理组织数据很有必要。图像数据和其他格式的数据相互比较，无需把所有的图谱并排进行对比，只把具有可比性的谱图文件相互比较就可以了，要利用大数据首先要解决小数据的问题，但大多数实验室都存在的难题是小数据太多却难以关联。
在利用大数据的过程中，首先要制定标准，利用制定的标准可以把实验过程中的数据轻松的汇总到一起，进行整理分类，实现相互比较。但迄今为止还没有能够将跨学科实验室数据进行格式的统一。
二、仪器设备与IT系统的联网
实验设备和检测仪器都算是实验室的数据采集设备，它们可以记录、生成大量数据。这些数据常常都被保存在联网的计算机中，没有联网接口的话，可以保存在网络驱动器中。因不同工作组之间面临分散式的设备配置带来的问题，因此限制了数据畅通无阻的传输，即使使用U盘也很难自动把仪器的结果数据与实验室报告文档数据建立起一一对应的联系。
为了填补实验室仪器设备与IT系统间的空白，仪器设备制造商、实验室用品生产厂、科研机构和制药企业合作成立了一个名为“SiLA快速集成”的国际性组织，制定了实验室仪器设备控制的统一标准。这一标准的目的是不同生产厂家生产的设备有着统一的接口，即所谓的PMS过程管理系统接口。这一PMS过程管理系统接口可以通过网络服务器或者经互联网的安全连接来登录、访问。
这样一来，同一实验室的工作者就可以在不同的计算机上通过登录访问网络，登录的计算机可以是在同一大楼内的不同计算机，也可以是另一个地区的任一计算机，登录后可以任意访问一台仪器设备，进行过程参数的输入，同时接收设备数据。在自动化控制环境中，还可以对整个检测过程或文件录入过程进行远程遥控或监控。

SiLA实验室的自动化标准中有用以集成各仪器设备的不同途径。例如，通过与SiLA实验室自动化兼容的驱动器，它能把不符合标准规定的设备通讯纳入到网络服务器的管理之中。SiLA接口转换器能够为仪器操作提供一个兼容的平台，经网络服务器与过程管理系统建立通讯。在方案里，SILA兼容平台通过网络服务器把第三方与过程管理系统连接起来，有助于各种设备的兼容，并能把实验室中已经安装的仪器设备与实验室中的IT网系统连接起来。


三、数据设备连接标准的建立
很多成功的案例都表明可以实现实验室各仪器设备间的连接，然而，数字化试验记录、实验室管理系统LIMS之间的连接，但这种连接常常是复杂的，且成本高。在未来，或许实验室仪器设备可以实现即开即用的连接。把数字化实验记录集成到与实验室自动化标准SiLA兼容的过程管理系统中，正如弗劳恩霍夫研究所协会与Labfolder公司合作开发的方案那样，可以极大地简化大量实验室仪器设备的常规连接。
下一个必要的方案就是制定统一的连接协议标准，有了标准才能将在仪器设备上检测的数据和填写的数字化实验记录之间建立起相互关联。这一标准的目的是建立一个基础平台，并能够最大限度地看清基础平台中保存的数据。当过去的数据自动地应用在新过程优化中时，集成、灵活的实验室在使用过程中变得易如反掌了，这才可以说是真正实现了大数据应用。
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