实验室危险化学品管理的智能化解决方案

郭鹏慧, 刘 亚, 王 璐, 马利静, 沈少华

(西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安 710049)

经济的繁荣带动了科研的快速发展,随着新材料在不同领域的加速应用导致了材料合成等化学实验室在各个科研方向都有不同程度的建设,而实验室是培养人才和科研人员成果产出的重要场所[1-3]。化学实验室中化学品的管理是否到位,直接影响着实验室的人员安全和国家财产安全,目前由于专业的实验室管理人员缺乏,对危险化学品分类及危害性重视不够,各实验室均有不同程度的化学品乱放、滥用等违规的现象[4-5]。国内已经发生了多起由于化学品管理不到位或者对化学品了解不够而造成的人身伤害、公共财产损失事件,造成了不好的社会影响[6]。2016年11月底,国务院办公厅印发了《危险化学品安全综合治理方案》(国办发〔2016〕88 号),部署在全国范围内组织开展为期3年的危险化学品安全综合治理作提出了40条具体任务,对开展危险化学品安全综合治理作出明确要求[7]。教育部每年也会对高校的化学品安全管理进行安全检查,以期能够督促实验室的安全建设。可见,危险化学品有效安全的管理和使用是高等院校急需解决的问题。

一些高校已经实行了化学品的信息化登记管理系统或严格的制度[8-9],也有关于化学试剂网络化管理的相关文献和专利报道[10-11],主要是加强危险化学品的审批采购、常规化学品实现采购登记、定期盘库等功能。而在化学品的具体使用过程中,虽然资产管理部门会不定期地对学校的化学品存放进行检查,也会对化学品的管理人员进行培训,但仍然存在一些盲点和不足,比如化学品使用很难追溯到人、无法实现实时监测、一些闲置化学品直到过期都无人使用、实验废液或过期试剂不能及时安全地进行处理、账目与实物是否相符监督不够等[12]。这些不足,仍然会造成化学品在整个生命周期中的不安全使用、监管不到位等现实问题。

互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合的“互联网+”的模式正在越来越多地走进各个行业。“互联网+”所具备的跨界融合、创新驱动、重塑结构、尊重人性、开放生态、链接一切等特性,极大地改善了用户群体的工作和生活方式。在危险化学品管理方面也急需出现与 “互联网+”相结合的新型管理和使用模式。根据危险化学品的管理和使用过程中对安全、便捷等方面的需求,引入“互联网+”能够在安全预警、优化资源配置、信息共享等方面起到革命性的效果。高等院校和科研院所作为危险化学品重点用户,以及危险化学品使用和管理的教育单位,更应该在先进的危险化学品管理模式上引领社会。

1 解决方案整体概述

本文提出的危险化学品管理的智能化解决方案是一种基于互联网+物联网技术、并配合智能化高端管理平台形成的一体化的危险化学品管理解决方案,主要包括以下几个方面:化学品存取系统、信息管理系统及物联网络支撑系统。该套解决方案具有以下几个明显的优势:

(1) 药品管理员可以通过手机端APP实时了解危险化学品的领用及使用情况,查看各危险化学品的存放环境有无异常,在线审批和设置领用人的危险化学品申请清单及危险化学品使用期限,并通过发送二维码的方式让领用人获得危险化学品的使用权限。同时在获得服务器发出的异常情况提醒时可远程将智能药品柜密封锁定、禁止使用,还可以一键打开所有柜门,方便管理员定期清库检查。

(2) 领用人可以通过在线浏览危险化学品目录,并申请使用。在得到导师授权、管理员批准后,信息管理系统的客户端服务器上会发送打开柜门的带有有效期的二维码、该危险化学品的使用注意事项,当领用人逾期不归还或超出最大领用量时系统会重复发出提醒。

(3) 智能药品柜可以实时监测药品的存放环境及药品余量。二维码扫描系统与服务器和手机APP软件对接,柜子功能模块化,可单独定制,与服务器之间通过以太网通信。

(4) 物联管理网络实现了单个实验室、课题组、研究所和全校的统一化管理,单位的相关管理部门便于检查、监测危险化学品的入库、使用及出库情况,可以对危险化学品进行有效管理和监测,避免危险化学品滥用、盗用等情况的发生。

通过以上特点的描述,这套解决方案一方面实现了危险化学品网上申请采购、智能入库、实时监测化学品的存储环境和使用情况、与高级管理部门接通后也可以实现化学品的紧急调拨和借用,保证了危险化学品整个生命周期的有效管理；另一方面该系统链接多个知识数据库,为使用者提供危险化学品的使用须知和注意事项,保证了化学品在使用中的安全性；最后,该系统的提醒功能覆盖了危险化学品逾期不还、使用超量、环境异常、超出质保期待处理、库存清零待补充等方面,配合大单位的网络系统,提供了一整套全面智能的危险化学品管理的解决方案,极大地保障了危险化学品的使用环境、有利于维护公众的人身财产安全。

2 解决方案中存取系统的工作方法

2.1 智能药品柜构造及配置

图1所示为模块化的智能危险化学品存储柜的构造及配置。在柜子内部的底面放置的是电子天平,侧面安装了温度传感器,柜门上安装了智能锁,柜体前面安装了显示屏、安全指示灯、警示扩音器,柜体后面有网络接口。多个方形的单个柜子采用阵列排布的方式组合在一起,所有柜子的通信线缆通过网络交换机与服务器互联。每个柜子对应一个网络地址,与存放进去的化学品一一对应。该存储柜配合物联系统及信号处理能够实现的主要功能是:

图1 模块化智能危险化学品存储柜的构造及配置示意图

(1) 安全监测:包含内部的传感器和警示灯、警示扩音器。根据不同危险化学品的需求,选配合适的探测器,并将探测信号实时传递至控制服务器。

(2) 重量检测:主要为存储柜底部的智能质量探测器,设置每次在柜门关闭时记录重量数据并上传至服务器,并将实时的数据显示在显示屏上。

(3) 信息显示:包括样品名称、重量、存放日期。

(4) 智能锁:根据服务器的指令执行开锁关锁,同时带有自锁功能和全部打开的功能。

(5) 模块化的设计可方便用户自由选配柜子材质、探测器、重量检测器等配件。

2.2 化学品入/出库的操作

在该解决方案中,只有管理员权限登录客户端系统后,才能添加化学品的入库,采用条形码扫描器对化学品的标签进行扫描,在系统中补充规格、纯度、级别、质保期、最大单次使用量、最长领用周期、设置链接到已知数据库的属性部分及使用安全注意事项等基本信息。化学品出库采取的方法是在系统中申请人的使用申请被管理员批准后,申请人获得权限码,通过扫描器扫描权限码即可打开相应的柜门。柜门在使用人未归还化学品时将保持打开状态,归还后重量监测单元记录重量,并同步更新到服务器上。

3 解决方案中信息管理系统的工作方法

3.1 人员信息管理

在该解决方案的软件系统中,人员管理方式见图2。

图2 危险化学品管理系统权限分布图

人员具体类别分为4类,分别是:

(1) 第一类是学生,需要使用学生ID来注册账户,并加入相应的实验室和导师课题组,对应的权限是提出使用申请和采购申请。

(2) 第二类是导师,导师使用ID可直接登录,权限是可查阅本课题组名下学生使用化学品的记录,审批特殊化学品的采购申请。

(3) 第三类是药品管理员,负责本实验室的化学药品的整体管理,权限是采购化学品的入库、一次性打开所有柜门对化学品进行盘库、监测化学品的存储环境信息、批复学生的领用申请、在环境状态异常时可直接强制关闭智能锁、可编辑少量的提示或警示用语、针对过期化学品申请处理回收、特殊化学品的订单处理、闲置化学品登记。

(4) 第四类是单位内的相关部门,负责监测化学品的环境状态信息,批复过期化学品的处理回收,特殊化学品的订单批复,闲置化学品调拨等。

3.2 安全查询信息管理

信息管理系统中的安全、查询信息模块包含:化学品的环境状态查询、质量查询、学生使用清单查询、申购清单查询等。化学品的环境状态查询是通过智能药品柜内安装的探测器传回的信号直接获得；质量查询则是每次关门时将记录化学品的剩余质量Mt,本次的剩余质量减去上次的剩余质量M(t-1)即可获得本次学生的使用量ΔM。系统中设置的每种化学品最大使用量、最长领用周期、闲置时间等也可查询；使用清单及申购清单可按照学生姓名查询,也可按照日期查询。

3.3 提醒警告信息管理

信息管理系统中不可缺失的一部分是提醒警告模块,主要包括:

(1) 与已有的网上信息源或国药网药品性质库联网,在学生领用化学品申请获批和第一次领用时,系统将自动发送一份该化学品的性质特点及管理员添加的安全注意事项。

(2) 在学生单次取用量或领用周期超过系统设定值,系统发出警示语“单次使用量超量”“领用周期已过期,请尽快归还”。

(3) 药品超过保质期时需要向一级管理员发出“#柜药品超出质保期”。

(4) 化学品闲置时间超过1年的,系统会向管理员发出“#柜药品闲置时间过长,请申请调拨处理”。

(5) 有采购申请时会向导师发出提醒；有调拨需求时会向管理部门发出提醒。

4 其他支撑部件及扩展升级

本方案采用单一服务器并行控制多台存储柜网络通信方案。服务器将所有存储柜的信息通过网络共享至每一个具有权限的用户终端(包含手机端APP和PC客户端),实现内部用户间的信息共享 。用户可以根据实验室的需要,选配不同类型不同数量的存储柜。由于不同类型的化学物质的物理化学特性具有非常大的差异,存储柜的主体部分要选用合适的材质。一般的,每种类型的存储柜会有固定颜色(主要是黄色、红色、蓝色以及乳白色)。除此之外,该解决方案不仅可以解决危险化学品,通过对智能存储柜的特殊定制,可以扩展功能实现对于其他化学品的存放管理。比如:贵重样品存储柜(提高防护级别,设定使用人选)、大容量样品存储柜(增加容纳体积和智能质量探测器量程,相同类别不同化学品的存放还可在化学品入库时增加条目)、气氛存储柜(密封设计,通入惰性气体,气压可调)、恒温存储柜(加制冷、制热单元和温控单元),另外,对于更高一级的管理部门,也可在软件系统中添加相应的权限,便于危险化学品的实时监测。

5 使用案例

药品管理线路如下：

5.1 双通道便捷入库

药品入库通过扫描条形码获得药品信息,在药品库中找到相应的药品,补充必不可少的信息,并为药品选择分类智能柜,设置号码和标签,同时可编辑该类药品的领用设置,一次领用的最长期限(可设置为5～20 min)和最大领用量(可设置为0.5～2 g)。见图3。

图3 入库通道及化学品信息补充及领用设置示意图

5.2 独立码安全领用

药品领用出库管理见图4。在领用人获得授权二维码后,软件会提示领用人领用的药品期限和领用量,并会给领用人发送药品安全须知、使用须知和归还提醒等。同时这些信息会记录在服务器上方便管理员随时查询,若领用人发生超时超量使用时,系统会同时提醒管理员和领用人,方便及时处理。

图4 药品出库示意图

5.3 多模式逐级处理

智能药品柜上设计的各种传感器可对药品的存放环境进行实时监测,一旦环境异常,通过内部网络给服务器提醒,服务器会自动将异常信息发送给管理员,管理员根据异常信息的类型可进行远程操控,比如实行自锁或全锁,在极端异常的情况下,管理员可从手机端下达广泛提醒命令,使得柜体上的报警器响起,提醒周围人员尽快疏散。

正常情况下,系统会给管理员发送药品质保期或使用完毕之后清库或订购的提醒,方便管理员及时对药品进行处理或补充,同时管理员账户具有一键清查的功能,可将所有柜门一次性打开,方便管理。

结合大面积的互联网体系,管理部门也可在访问服务器对药品的使用情况和环境进行监测,并可以向处理部门申请处理或回收危险化学品,而处理部门也可将计划时间从系统内发送给管理员和管理部门,提高整个系统的人力效率。

6 方案的特点和优势

该解决方案利用互联网+的技术可以解决在危险化学品管理中的盲点和不足。不仅如此,一次投入,逐渐升级的系统还大量节约了人力物力,便于管理部门对于危险化学品的监督和管理,具有明显的以下4个特点和优势:

6.1 无人值守、实时监控

由于本产品同时使用了互联网和物联网技术,领用人可利用手机端APP随时申请药品使用、管理员、导师可以随时批准,药品管理员和单位相关管理部门则可实现随时监控查看危险化学品的存放环境信息。

6.2 分级管理、数据共享

软件将人员分为四类:领用人、领用人导师、药品管理员、单位相关管理部门,每类人的权限对应的登录界面都不一样,但是通道的合理对接实现了便捷的分级管理,比如领用人申领药品,导师和管理员批准后即可给予领用人的领用期限；领用人在发出订购需求时,单位相关管理部门即可查询各实验室的库存,批准调拨或借用；另一方面,单位的相关管理部门不能直接通过领用人的申领请求,只能由药品管理员核准后发送打开药品柜的带有有效期的二维码,因此各级用户之间既有数据共享,又分工明确,为科研保驾护航的同时最大程度上方便了对危险化学品的管理。

6.3 模块设计、功能定制

按照危险化学品的不同分类,将智能柜也分成了不同的类别,而且是模块化设计,用户可以根据需求增加或减少柜子的数量,同时可以根据成本增加或减少探测器或感应器的类别,比如可增加柜子的可视化功能、甚至是自动销毁功能。

6.4 节能环保、便捷安全

该产品系统实现了从药品的入库、使用、出库、清查全部流程的无纸化管理,去除了繁琐的登记、抄写、打字等事务性工作,极大的方便了科研人员和管理人员。系统连接的危险化学品安全须知会在领用人的申领许可获批准后自动发送到领用人的手机上,提示领用人注意安全；如果领用人没有在期限内归还药品,系统会自动发送提醒短信,杜绝了危险化学品的乱放滥用；药品柜监测过程中出现异常信号会自动发送到服务器,并进一步发送到管理员和相关管理部门的手机上提醒,如果异常问题较为严重,管理员可以远程发送代码,将全部药品柜自动密封上锁,极大的保证了科研人员及实验室资产安全。

参考文献(References)

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