多元化安全科學與工程創(chuàng)新試驗平臺

陳西江， 章 光， 陳先鋒， 吳 浩

(1. 武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院， 武漢 430079；2. 武漢市測繪研究院 博士后創(chuàng)新實踐基地，武漢 430079； 3. 東華理工大學 江西省數(shù)字國土重點實驗室，南昌 330013)

·儀器設備供應與管理·

多元化安全科學與工程創(chuàng)新試驗平臺

陳西江1,2,3， 章 光1， 陳先鋒1， 吳 浩1

(1. 武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院， 武漢 430079；2. 武漢市測繪研究院 博士后創(chuàng)新實踐基地，武漢 430079； 3. 東華理工大學 江西省數(shù)字國土重點實驗室，南昌 330013)

從信息化條件下安全學科對安全工程方向人才培養(yǎng)需求，結(jié)合安全學科中的巖土安全監(jiān)測技術(shù)、工業(yè)安全監(jiān)測、安全監(jiān)測信息化及公共安全管理與應急技術(shù)，闡述了多元化安全科學與工程創(chuàng)新實驗平臺建設的任務、目標及具體的建設流程。給出了多元創(chuàng)新實驗平臺所包含的信息化礦山安全創(chuàng)新實驗室、信息化的工業(yè)安全監(jiān)測及預警平臺、智能化的公共安全監(jiān)測平臺及湖北省精品課程網(wǎng)站。實現(xiàn)了融合不同方向的多元化安全科學與工程創(chuàng)新試驗平臺的硬件和軟件的建設，給出了具體的構(gòu)建過程，并在實驗平臺建設過程中融合了安全監(jiān)測創(chuàng)新實驗室、精品網(wǎng)上課程及實驗資源網(wǎng)絡平臺的綜合功能。重點對多元化安全監(jiān)測及安全監(jiān)測平臺建設成果進行了詳細的討論。

安全科學； 公共安全； 創(chuàng)新實驗平臺； 安全監(jiān)測; 巖土安全

0 引 言

目前，安全科學與工程是新增的一級學科，標志著安全科學與工程建設步入了一個新的臺階，這將促進安全科學與工程試驗平臺的全面發(fā)展[1]。安全科學與工程主要包括礦山與巖土安全、工業(yè)安全與消防技術(shù)、安全監(jiān)測與信息化及公共安全管理與應急技術(shù)。實驗教學及實驗平臺的構(gòu)建在高校教學工作中非常重要，是衡量培養(yǎng)階段教學及科研質(zhì)量的重要因素[2-3]。雖然近幾年安全科學與工程的改革取得了顯著的成果，并且將該學科作為一級學科進行規(guī)劃，但是安全科學與工程的創(chuàng)新實驗平臺無法跟上學科的發(fā)展目標，實驗平臺仍然沿用以前的設備及儀器，并且沒有進行整體的整合，所以無法滿足現(xiàn)在對本科、碩士及博士階段的培養(yǎng)需求，同時實驗教學改革的步伐卻總是滯后于理論與實驗教學體系改革，特別是安全學科的創(chuàng)新實驗平臺模式?jīng)]有從根本上進行變革，從而阻礙了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[4]。目前能夠完全實現(xiàn)實驗教學研究與改革資源共享平臺的高校寥寥無幾[5-6]。

目前，安全科學與工程已經(jīng)從二級學科發(fā)展成為一級學科，因此，之前的安全工程學科的實驗平臺已經(jīng)不適用了，需要建立適應學科發(fā)展的創(chuàng)新實驗平臺。

安全科學與工程學科對人才培養(yǎng)的要求，正從過去的單純技術(shù)型向市場技術(shù)型轉(zhuǎn)變，進入21世紀，安全科學技術(shù)方面的發(fā)展不斷日新月異，適用于市場的安全科學與工程設備不斷更新并且更新的周期也在極大地縮短，原有的安全科學實驗平臺已經(jīng)不能適應安全科學與工程的發(fā)展，也無法滿足對人才培養(yǎng)的需求，因此，需要構(gòu)建多元化安全科學與工程創(chuàng)新實驗平臺。該平臺的建設不僅能夠提高本科生的創(chuàng)新實踐能力和技術(shù)實踐能力，而且能夠使得安全學科的知識儲備得到擴展和豐富，提升學生的就業(yè)層次。該創(chuàng)新平臺建設的思路是在原有實驗設備的基礎上進行更新，并針對不同安全課程體系進行融合和交叉，使得安全科學與工程成為一個整體的學科，并對不同課程體系之間通過實驗平臺進行很好的補充和交叉，從而能夠完善安全科學與工程的學科建設；同時在多元化創(chuàng)新實驗平臺的基礎上，對現(xiàn)有的教學內(nèi)容和實踐模式進行改革和創(chuàng)新，創(chuàng)建研究單一實驗，研究綜合型實驗，并對創(chuàng)新實驗平臺進行不同程度的開放，從而能夠提高學生的實踐能力。

1 創(chuàng)新實驗平臺

近年來，安全科學與工程在儀器設備和質(zhì)量得到了很大程度的提高，并在不同方向上匯集了大量的資源，在很大程度上提高了安全學科的建設水平，但同時也存在著實驗平臺的單一化，單一化實驗體系的建設無法滿足安全整體學科建設需求，而安全科學與工程學科包含了礦山與巖土安全、工業(yè)安全、安全監(jiān)測信息化及公共安全管理。目前，安全科學與工程實驗教學平臺主要單一的針對礦山或工業(yè)安全，從而造成了實驗平臺建設的單一化，浪費了實驗平臺建設費用，為了對安全學科進行綜合化并讓學生加深對安全學科的理解，需要構(gòu)建多元化的創(chuàng)新實驗平臺。

1.1 建設具體目標

多元化創(chuàng)新實驗平臺通過對安全學科不同方向的實驗平臺進行整合，創(chuàng)新實驗教學內(nèi)容和實驗手段及綜合實踐模式，多元化創(chuàng)新實驗平臺不同于常規(guī)的單一實驗平臺也不同于專業(yè)化的實驗平臺，綜合融合性、多元化和創(chuàng)新性是實驗平臺建設的幾個重要特色。綜合融合性主要體現(xiàn)了安全學科實驗平臺中的礦山安全、工業(yè)安全、安全監(jiān)測及公共安全的相互統(tǒng)一，相互補充及相互協(xié)調(diào)，并構(gòu)建能夠納入相近學科實驗的綜合一體化實驗平臺。該實驗平臺能夠使得學生在創(chuàng)新實驗平臺中自主學習、自主觀測、自主處理和分析安全科學綜合數(shù)據(jù)，并能夠?qū)Π踩珜W科涉及到的不同研究方向進行較好理解，使得學生能夠較好地對安全學科進行綜合化理解，包括對礦山巖土安全中涉及到的工業(yè)安全，并使用安全監(jiān)測信息化技術(shù)對礦山安全和公共安全進行準確監(jiān)測和預警，從而形成安全學科不同方向的交叉，能夠?qū)Π踩珜W科進行深入和全面理解。

創(chuàng)新型實驗平臺建設目標是讓學生自主地參與到安全學科不同方向的交叉研究當中，并在研究中出現(xiàn)的各種問題進行自主解決，不同方向的教師只負責提供相關(guān)方向?qū)嶒炠Y料，并解答不同方向的問題，創(chuàng)新型綜合實驗平臺的設計主要為學生在實驗中能夠擴展自己的思路，結(jié)合安全學科不同方向展示自己的創(chuàng)意和創(chuàng)新性，并利用平臺實現(xiàn)自己綜合的實驗想法，并創(chuàng)造性地對各種方向的老師提出各種想法及各種問題并最終提出解決問題的途徑和方法。由于安全學科涉及不同的研究領(lǐng)域，因此，安全學科創(chuàng)新實驗平臺設計的主要目標是在創(chuàng)新實驗平臺建設過程中，體現(xiàn)綜合性，交叉性，自主性及市場導向性幾個主要特色，并按照實驗暫行辦法管理要求，結(jié)合安全學科的發(fā)展方向和趨勢及安全學科實驗特點，建立能夠涵蓋安全學科所有培養(yǎng)方向和面向本科及碩士的綜合化的實驗平臺，研究和實踐與教學體系相適應的教學模式及手段[7]。

創(chuàng)新實驗平臺通過對原有的實驗平臺進行改進和創(chuàng)新，并改進原有的實驗教學內(nèi)容及實驗方法和手段，該實驗平臺主要體現(xiàn)以下幾個方面的目標。

(1) 在實驗的內(nèi)容上，分析安全學科不同培養(yǎng)方向?qū)嶒灥牟町愋约肮餐?，確定不同方向?qū)嶒瀮?nèi)容所具有的共性和獨立擁有的實驗項目，在原有實驗過程及實驗方法基礎上進行改進，創(chuàng)建新的交叉實驗課程和實驗方法，最終實現(xiàn)綜合化的實驗課程體系建設。

(2) 對原有的實驗課程進行分析、整合，并根據(jù)不同方向的特點，構(gòu)建實踐性和研究性實驗，實踐性實驗主要針對的市場化的需求進行構(gòu)建，主要為了滿足新形式下安全學科在社會上的需求；而研究性實驗主要是針對安全方向的基礎學科開展的具有前瞻性的研究，主要體現(xiàn)了安全專業(yè)的特色，實現(xiàn)科研和教學的一體化，并能夠讓學生在橫向項目中領(lǐng)略縱向項目的魅力，從而開發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。

(3) 實踐性實驗主要分為兩大類，主要針對大四學生即將開展的實習而展開的，分為室內(nèi)實踐和室外實踐實驗，室內(nèi)綜合實踐主要為了使學生能夠?qū)局R應用到實踐平臺上，從而能夠使學生掌握安全學科類的交叉方向，室外實踐實驗主要為了使學生將室內(nèi)實驗進行深入，使其能夠深入理解掌握的知識，并應用自如。

(4) 研究性實驗主要為了學生更好從事科學研究而準備的實驗平臺，該實驗平臺充分利用安全學科的科研項目及相關(guān)的科研資源，充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，發(fā)覺學生的創(chuàng)新能力，并建立集教學和科研于一體的研究型教育模式。

(5) 能夠建立涵蓋安全所有方向的開放實驗平臺，目標就是將安全的各種方向，包括礦山安全、工業(yè)安全、安全信息化及公共安全進行整合和提升，研究和探索面向本科和碩士的綜合實驗教學平臺，同時探索與之相對應的綜合實驗教學模式、方法和手段，提升整個安全學科的實驗結(jié)果。

1.2 建設過程

多元化安全科學與工程創(chuàng)新試驗平臺建設包括不同方向的融合建設及硬件和軟件的建設[8]，包括將礦山安全與安全監(jiān)測信息化的融合，工業(yè)安全與公共安全的融合，及工業(yè)安全與安全監(jiān)測信息化的融合。硬件建設包括實驗室面積，相關(guān)設備、實驗平臺和與之對應的專業(yè)軟件等的建設，軟件建設包括不同安全方向與之對應的實驗教學手段創(chuàng)新、實驗教學內(nèi)容改革及實驗室綜合管理模式改革等[9]。

安全科學與工程學科依托省部級重點實驗基地，以國家與省部級學科為平臺，開展安全生產(chǎn)與防災減災方面的研究，形成了相對穩(wěn)定、特色鮮明的研究方向，主要包括：① 礦山與巖土安全技術(shù)；② 工業(yè)安全與消防技術(shù)；③ 安全監(jiān)測與信息化技術(shù)；④ 公共安全管理與應急技術(shù)。安全科學與工程創(chuàng)新實驗平臺建設主要圍繞安全科學與研究、安全監(jiān)察與管理、安全監(jiān)察及安全管理等方向進行展開，學生通過該創(chuàng)新平臺的實踐能夠具備從事安全工程方面的設計、研究、監(jiān)測、評價及管理于一體的基本能力和素質(zhì)。實現(xiàn)該目標所需要實施的具體方案如下。

(1) 總結(jié)之前單一實驗平臺的不足，綜合現(xiàn)有安全體系的實驗設備，并進行整體構(gòu)建，以適應安全學科綜合體系的發(fā)展。

(2) 將礦山安全、工業(yè)安全及公共安全和安全監(jiān)測信息化，安全監(jiān)測信息化涉及到的設備建立安全科學與工程綜合實驗平臺，可以節(jié)約設備的使用，并增加學生對安全學科建設的理解。

(3) 整理本科及研究生學科教學科研情況，并對其進行整合分析，對原有的實驗體系進行修改，創(chuàng)建新的實驗課程和實驗項目，并對新的實驗項目進行分析，研究新的實驗方案，建立安全科學與工程的一級學科實驗綜合平臺。并建立實驗考核機制和管理辦法。

2 構(gòu)建多元化安全監(jiān)測實驗平臺

由于安全學科包括礦山安全、工業(yè)安全及公共安全，而每種方向安全領(lǐng)域又不相同，涉及的安全監(jiān)測平臺和安全監(jiān)測方式及方案也不相同，因此，需要構(gòu)建不同安全方向多元化的安全監(jiān)測平臺，主要包括：信息化的礦山安全創(chuàng)新實驗室[10]、信息化的工業(yè)安全監(jiān)測及預警平臺[11-13]、智能化的公共安全監(jiān)測平臺[14]。

(1) 信息化礦山安全創(chuàng)新實驗室。安置了GPS衛(wèi)星接收裝置、三維激光掃描系統(tǒng)、礦山巷內(nèi)及礦山邊坡地形三維場景模型和精密的三維全景控制場等，可以在根據(jù)需要的情況下，仿真礦山內(nèi)部和外部場景的各種實驗，并能夠?qū)崿F(xiàn)模擬掃描場景的數(shù)字化、礦山現(xiàn)場的模型化、并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理的可視化等手段，實現(xiàn)了GPS對礦山邊坡的精密單點測量，礦山場景的地面數(shù)字化測圖，傳感器遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)接收的全天候的實驗，提升學生對礦山安全的方案設計能力。同時該平臺是依托安全科學與技術(shù)一級學科博士點，以“礦山資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室”和“爆破工程”湖北省精品課程作為支撐，信息化礦山安全創(chuàng)新實驗室包括監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)及緊急避險系統(tǒng)，該實驗平臺集成了GPS、GIS及室內(nèi)定位集成技術(shù)，可實現(xiàn)對礦山內(nèi)部人員的實時跟蹤。同時還增設數(shù)據(jù)傳輸設備和數(shù)據(jù)處理設備，并有CAD軟件、3Dmine和SURPAC軟件進行輔助。

(2) 信息化的工業(yè)安全監(jiān)測及預警平臺。構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)安全監(jiān)測平臺，利用無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)安全監(jiān)測中的優(yōu)點，對無線傳感器網(wǎng)絡進行分層，收集工業(yè)安全中涉及到的安全信息，并將這些信息通過廣域網(wǎng)傳輸?shù)胶蠖吮O(jiān)測平臺，由監(jiān)測平臺進行分析和預警，并同時建立基于GPS和GIS相集成的監(jiān)測預警系統(tǒng)，該集成的構(gòu)建可以幫助學生更好的理解GPS和GIS的具體應用。

(3) 智能化的公共安全監(jiān)測平臺。針對公共安全領(lǐng)域涉及到的范圍比較廣泛且監(jiān)測指標多的原因，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、應用層和網(wǎng)絡層的信息系統(tǒng)處理平臺；同時，借助于GIS空間分析功能，建立一種基于GPS/GIS的公共安全監(jiān)測系統(tǒng)，GIS實現(xiàn)的是對安全監(jiān)測信息進行整合和有效的管理，同時可以實現(xiàn)對不同空間和時間尺度上進行分析，確定所發(fā)生的安全信息與周圍環(huán)境因素之間的關(guān)系，并確定其發(fā)生安全事故的內(nèi)在原因。

3 創(chuàng)新實驗平臺建設成效

豐富了實驗課程的設計，其中包括炸藥爆炸應力場測試、工業(yè)爆炸參數(shù)測定、井下通風系統(tǒng)模型實驗、礦井通風網(wǎng)絡解算實驗、礦山三維數(shù)字化模型、礦內(nèi)空氣參數(shù)測定實驗、可燃液體燃點測定裝置、礦井安全監(jiān)測模擬系統(tǒng)、粉塵潤濕性實驗、礦山地表無人機監(jiān)測檢測實驗、高精度工程變形監(jiān)測實驗、衛(wèi)星導航定位安全監(jiān)測應急實驗系統(tǒng)、礦區(qū)人員安全定位等實驗，這些實驗不是在單一的實驗平臺上展開的，而是在多元化創(chuàng)新實驗平臺上進行，同時創(chuàng)新實驗平臺提供了交叉實驗融合體制，并對相似實驗進行了整合，從而提高了學生對多元化實驗的理解能力，也加深了學生對書本知識的掌握。

經(jīng)過該多元化創(chuàng)新實驗平臺的構(gòu)建，本科生利用該創(chuàng)新實驗平臺，獲得了安全實踐大賽一等獎，參賽名稱為氣體與粉塵爆炸可視化系統(tǒng)開發(fā)，并在邊坡可靠度分析及巖體強度參數(shù)的模糊評估項目中獲得了中國科學院院長獎學金優(yōu)秀獎、及武漢理工大學大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽一等獎和武漢理工大學教學研究成果特等獎。

4 結(jié) 語

建設多元化的創(chuàng)新實驗平臺，培養(yǎng)安全領(lǐng)域創(chuàng)新人才是一項系統(tǒng)工程，在教育改革不斷深入的過程中，多元化創(chuàng)新實驗平臺的構(gòu)建將會面臨諸多學科交叉及融合問題[15-16]。這些問題的解決需要不同方向相似實驗之間的融合，多元化創(chuàng)新實驗平臺的完成將以學術(shù)創(chuàng)新及與市場接軌的實踐能力為出發(fā)點，為本科生及碩士生提供安全領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢資源，并在此基礎上提供適合不同學生的個性化實驗設計方案，從安全學科的軟件、硬件及環(huán)境等多方面考慮，圍繞安全領(lǐng)域不同方向的專業(yè)人才和創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，改革以往的實驗手段和方案，通過對已有的實驗內(nèi)容進行整合或更新，自主研發(fā)適合多元化安全的硬件和軟件。在實踐項目的基礎上，加強學生的創(chuàng)造性及自主設計能力，并最終建立科學研究和實驗項目結(jié)合的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，實現(xiàn)安全不同學科的資源共享，推動理論與實踐結(jié)合，最終在各種大學生創(chuàng)新基金的支持下，借助該多元創(chuàng)新實驗平臺，使本科教育培養(yǎng)出更多適應國家發(fā)展需要的創(chuàng)新人才。

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Diversified Safety Science and Engineering Innovation Experiment Platform

CHENXijiang1,2,3,ZHANGGuang1,CHENXianfeng1,WUHao1

(1. School of Resource and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430079, China; 2. Postdoctors Innovation and Practice Base, Wuhan Geomatics Institute, Wuhan 430079, China; 3. Key Laboratory for Digital Land and Resources of Jiangxi Province，East China University of Technology，Nanchang 330013, China)

Aiming at the requirements of talent training of security engineering, combining the geotechnical safety monitoring technology, industrial safety monitoring, safety monitoring information, public safety management and emergency response technology, the mission, target and specific construction procedure of diversification of safety science and engineering innovation experiment platform was provided. The multivariate innovation experiment platform included the informationized mine safety innovation laboratory, the informationized industrial safety monitoring and warning platform, intelligentialized public safety monitoring platform and the network platform of high quality courses of Wubei province. The hardware and software of diversification of safety science and engineering innovation experiment platforms with different research direction were constructed, and the process of construction was given. The experiment platform mixed with the innovation laboratory of safety monitoring, high quality courses and the experiment resources network platform. The key point of this paper was the discussion of the diversification safe monitoring and safe monitoring platform.

safety science; public safety; innovation experiment platform; safe monitoring; geotechnical security

2016-09-21

國家自然基金青年科學基金(41501502)；長江科學院開放研究基金資助項目(CKWV2015230/KY)；東華理工大學江西省數(shù)字國土重點實驗室開放研究基金資助項目(DLLJ201601)；武漢市測繪研究院博士后創(chuàng)新實踐基地科研項目資助(WGF2016002)

陳西江(1985-)，男，安徽六合人，博士，講師，主要從事三維激光變形研究工作。

Tel.：13343402420；E-mail：cxj_0421@163.com

X 931； G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0260-04