智慧化高等级生物安全实验室建设目标与主要研究方向

陆兵，研究员、博士研究生导师。现任军事科学院军事医学研究院研究员，生物安全专业博士生导师。参与完成研究课题30余项，获国家科技进步二等奖1项，军队及省部级科技一等奖3项，中国标准创新贡献奖二等奖1项，编译专著30余部，国家和军队多个生物安全专委会委员，长期参与国家、军队实验室生物安全相关的政策咨询、法规标准制订以及检查、评审、培训等工作，国标“实验室生物安全通用要求”、“移动实验室生物安全要求”等文件的起草人。

李佳明，军事科学院军事医学研究院博士研究生在读，研究方向为实验室生物安全，师从军事科学院军事医学研究院陆兵研究员。

进入21世纪以来，全球生物安全形势严峻，特别是在2003年SARS疫情、2014年西非埃博拉疫情以及2019年底全球新冠肺炎疫情暴发等事件发生之后，人们更加意识到灾难性的生物事件有可能造成大量的生命损失和全球持续性破坏，各大科研机构均开始重视对烈性病原体的研究，高等级生物安全实验室也逐渐受到广泛的关注。2001年炭疽事件后，美国大部分地区BSL-3和BSL-4实验室数量均有所增加[1]。我国自20世纪80年代开始引进和建设BSL-3级实验室以来，高等级生物安全实验室数量也呈现飞速增长的趋势。随着高等级生物安全设施的增加，生物活动的综合风险也可能增加，特别是对于经验较少和管理体系不成熟的实验室。因此，如何合理利用智能化技术提升高等级生物安全实验室的风险管控能力是未来智慧化高等级生物安全实验室建设中亟待解决的问题。

一、智慧化高等级生物安全实验室的概念

近半个世纪以来，科学技术发展迅速，从最初的追求信息化时代发展至今已经逐步实现智能化乃至智慧化。智慧化是指通过技术手段使物体具备认知、辨别、判断、处理和发明能力的过程[2]。时至今日，信息化与数字化技术在各个领域已经非常成熟，而智能化技术还并未成熟，同时由于人类对智慧运维能力的需求，智能化与智慧化正处于并行发展的阶段。目前，病原微生物实验室通常采用传统的实验室信息管理系统（laboratory information management system，LIMS）进行管理[3-4]。这些实验室在病原微生物实验室的整个生命周期中经常遇到诸如工作的可追溯性不足、数据保护能力欠缺以及管理效率低下等问题。智慧化高等级生物安全实验室的终极目标是结合BIM和人工智能等时下最热门、最成熟的科学技术，构建一个类似人脑功能的中央管理系统，以控制实验室内所有行为的模式。在高清摄像头、传感器、自动控制原件、机器人等硬件设备的支持下，最终实现生物安全实验室全过程、全要素、全生命周期的智能化运营管理。

依照我国卫生和计划生育委员会发布的“病原微生物实验室生物安全通用准则（WS 233-2017）”中对生物安全实验室以及各防护等级的表述[5]，同时通过归纳整理文献、材料中人们对智慧化的定义，参考“智慧城市”等较为成熟、热门领域的概念[6]，结合智慧化建设的目标，将智慧化高等级生物安全实验室定义为将人工智能技术、计算机网络技术、数据通信技术、机械自动化技术等融为一体，实现自动采集、统筹决策、反馈控制、自主学习、优化修正等智慧功能，从而更加安全、高效地从事高致病性病原微生物的相关研究，并且成为符合生物安全要求的实验室（图1）。

图1. 智慧化高等级生物安全实验室体系建设概念图

二、智慧化高等级生物安全实验室的关键技术

由于高等级生物安全实验室的特殊性，并非所有的先进技术均可运用到智慧化高等级生物安全实验室中。是否成熟、稳定是技术选用时的首要参考因素，因此在建筑设计阶段，推荐经典的CAD与新兴的BIM技术相结合，主导实验室设计、规划的全部流程；在通信技术方面，光纤通信和5G通信分别是目前有线和无线通信领域的领跑者，但鉴于高等级生物安全实验室功能和结构的特殊性，5G技术并不适合作为高等级生物安全实验室的基础通信技术，鉴于光纤通信技术具有稳定性高、抗干扰性高、信息保密性高等特点（表1），更加契合高等级生物安全实验室的使用需求，因此光纤通信技术是目前智慧化高等级生物安全实验室主体建设中通信技术的不二之选；信息集成是实现智慧化的重要基础，物联网技术和系统集成技术的结合应用能够有效实现实验室资源的充分采集与共享，实现集中、高效、便利的管理；另外，还有主要服务于门禁系统的生物识别技术及在医疗卫生领域已经广泛应用的虚拟现实技术等，都将在智慧化建设过程中发挥重要作用。

表1. 光纤通信与5G通信属性的比较

注：a表示更优参数

三、智慧化高等级生物安全实验室建设目标

1. 自主性：自主性是实现智慧化的标志，通过人工智能技术使高等级生物安全实验室获得信息分类、数据分析、自主学习、自我优化的能力是实现高等级生物安全实验室智慧化的重要体现。

2. 系统性：系统化是智慧化高等级生物安全实验室最显著的特征之一。通过系统性建设使实验室各个分区之间相互协同，数据互通，融合成为一个有机的整体，通过数据的积累形成实验室运行数据库，是高等级生物安全实验室实现智慧化转型的重要基础（图2）。

图2. 智慧实验室系统的架构

3. 安全性：安全性始终是高等级生物安全实验室建设所追求的核心宗旨。智慧化高等级生物安全实验室中央控制系统通过遍布实验室内部的传感器、检测芯片和视频监控设备实时获取和分析实验室内部信息，结合机械自动化、人工智能、AI识别、风险管理等技术，实现对安全隐患的提前预警和对已发生安全事件的及时处置，使实验室事件的响应速度、故障点定位精度、辅助决策准确性均远强于传统的实验室管理体系，最大限度防止工作人员暴露于危险环境，规避实验室设施设备的重大损失，避免出现危险病原体的泄露事件。

4. 便捷性：提升便捷性是所有智慧化建设的共同目标，高等级生物安全实验人员审批、信息记录通常会经过繁琐的流程，实验活动开展时也存在很多简单重复的工作内容，因此利用智能化技术优化实验室管理流程、降低人工工作量及提升工作效率也是智慧化高等级生物安全实验室建设的重要目标之一。

5. 溯源性：数据溯源是科研成果的保证，智慧化高等级生物安全实验室通过传感器和视频监控设备采集的数据，可以准确记录操作人的信息、进出时间信息、设备使用信息、耗材取用信息和工作状态信息，有效提升实验活动的可溯源性。

6. 节能性：节能环保是各个行业都在遵循的未来发展方向。能源管理功能可以实现对实验室整体能耗数据和单个系统或设备能耗数据的记录，通过智能化运算与分析，实现资源的合理调配，降低实验室能源的过量损耗。

7. 拓展性：拓展性是智慧建筑的重要特色。基于BIM技术和数字孪生技术设计与建造的实验室可以在模型中还原实验室的实际状态，在后期改造中，无论是建筑拓展性、设备拓展性还是功能拓展性都将获得巨大提升。

四、面临的挑战与研究方向

智慧化高等级生物安全实验室建设是一项复杂的系统工程。首先要实现从建设到运营全过程各个专业和功能模块之间的信息采集与交换。通过对聚合数据的分析和合理决策，智慧化高等级生物安全实验室将具有更高的安全性、更大的便捷性、更好的可追溯性、绿色运营和强大的可扩展性，无疑会为员工带来卓越的工作经验。

目前，智慧化的理念已经渗透到生活的各个领域，如目前已经取得较大进展的智慧交通、智慧医疗等。高等级生物安全实验室作为国家公共卫生体系建设中重要的环节之一，同时在国家“智慧城市”建设的号召下，智慧化高等级生物安全实验室必将成为未来实验室建设的主流趋势。

全球生物安全形势复杂多变，新的病原体亦是层出不穷。智慧化高等级生物安全实验室可以更有效地控制未知病原体乃至外太空样本研究所带来的安全风险[7]。随着智慧化高等级生物安全实验室的兴起，新的矛盾和问题也会出现，如：（1）如何平衡智慧化系统构建后，工作人员与系统自动控制之间的信任问题；（2）能否通过建设国家级高等级生物安全实验室信息共享体系，丰富实验室运行数据，优化风险管理体系的问题；（3）如何确保实验室建设、运行符合全球“碳中和”趋势的问题；（4）如何确保高度互通化的智慧化高等级生物安全实验室的网络安全问题等，这些均将成为未来智慧化实验室建设中的主要研究方向。

参考文献

Observations P. Preliminary observations on the oversight of the proliferation of BSL-3 and BSL-4 laboratories in the united states highlights[J]. 2007.

KirsiTirri & PetriNokelainen. Measuring Multiple Intelligences and Moral Sensitivities in Education. (Measuring Multiple Intelligences and Moral Sensitivities in Education, 2011).

Stephan C, Kohl M, Turewicz M, et al. Using laboratory information management systems as central part of a proteomics data workflow[J]. Proteomics, 2010, 10: 1230-1249 .

Heinle CE, Gaultier N, Miller D, et al. metaLIMS, A simple open-source laboratory information management system for small metagenomic labs[J]. Giga Science, 2017.

中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会. 病原微生物实验室生物安全通用准则(WS 233-2017). 2017.

王家耀. 智慧让城市更美好[J]. 自然杂志, 2012, 34: 139-142.

Calaway MJ, Mccubbin FM, Allton JH, et al. Mobile/Modular BSL-4 facilities for meeting restricted earth return containment requirements[J]. 42nd: COSPAR Scientific Assembly 201742, B4-2.