基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的實驗中心動態(tài)監(jiān)督巡視系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：實驗中心各類物資和人員的聚集增加了安全管理的復(fù)雜性。在分析現(xiàn)有實驗中心信息化水平的情況下，提出使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析實驗中心各類風(fēng)險物資的狀態(tài)轉(zhuǎn)換特征和公共區(qū)域師生員工的行為特征，構(gòu)建對應(yīng)的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方案，通過該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動化識別風(fēng)險物資以及人員行為的各類異常狀況，并產(chǎn)生相應(yīng)的動態(tài)監(jiān)督巡視方案，提高巡視工作的目的性和有效性。

關(guān)鍵詞：實驗室安全；監(jiān)督巡視；數(shù)據(jù)挖掘

實驗室安全是高校建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，與高校事業(yè)發(fā)展同等重要。隨著國家對教育、科研大力投入，高校整合各個實驗室建設(shè)大型實驗中心，同時各類風(fēng)險物資和人員在實驗中心的集中整合也增加了實驗中心安全管理的復(fù)雜性，實驗中心安全事故時有發(fā)生。因此，建立更為科學(xué)的實驗中心安全管理系統(tǒng)十分必要和緊迫。

近些年來，高校實驗中心安全管理工作得到越來越多的重視，雖然很多高校也根據(jù)學(xué)校自身的特征制定了一系列的管理措施，但是實驗室安全事故仍然時有發(fā)生。究其原因，高校實驗室安全管理存在人員信息化管理模式落后、危險品信息化管理主要體現(xiàn)在采購環(huán)節(jié)而缺乏實時狀態(tài)信息、缺乏人員和風(fēng)險物資的痕跡管理信息等問題[1]。當(dāng)然，目前以信息技術(shù)為支撐、以PC和智能手機為工具、以移動后勤或掌上后勤為主要形式的高校實驗中心管理模式正在逐漸興起，數(shù)字化革命正在推動高校實驗中心管理觀念的變革[2]。為了提高高校實驗中心管理水平，前人已經(jīng)做了較多的工作，比如校園網(wǎng)環(huán)境中的實驗室管理體系設(shè)計[3]、實驗室綜合管理平臺的構(gòu)建等[4]。這些成果促進(jìn)了信息化技術(shù)在高校實驗室管理中的應(yīng)用，但是這些應(yīng)用主要側(cè)重于對實驗中心設(shè)備的管理，對基于信息化技術(shù)的實驗中心安全管理缺乏深入研究。

已有學(xué)者通過對當(dāng)前實驗室安全管理工作中存在問題的分析研究，探索構(gòu)建實驗室安全管理常效保障體系，保障師生員工的人生和財產(chǎn)安全[5]；提出使用信息化手段加強實驗室安全的源頭監(jiān)管，監(jiān)督危險物資的狀態(tài)[6]。部分學(xué)者使用信息化技術(shù)設(shè)計實驗室管理系統(tǒng)巡視員監(jiān)督子系統(tǒng)，加強實驗室巡視效率[7]。同時許多新的技術(shù)也逐漸應(yīng)用到實驗室安全管理工作中，比如構(gòu)建一種基于ZigBee技術(shù)的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，從而構(gòu)建了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的監(jiān)測[8]；在物聯(lián)網(wǎng)原理研究基礎(chǔ)上，利用RFID技術(shù)實現(xiàn)線下實驗室設(shè)備的采集與傳輸，從而實現(xiàn)對實驗室設(shè)備的在線管控[9]。這些工作充分體現(xiàn)了信息化技術(shù)在實驗中心安全管理中的有效性，但是這些新技術(shù)的應(yīng)用依然缺乏對于風(fēng)險物資狀態(tài)的智能化分析和對于師生員工行為模式的智能分析。為此，本文提出使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究風(fēng)險物資的狀況和師生員工的行為特征，并自動生成對應(yīng)的安全巡視方案。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在企業(yè)人力資源管理中已經(jīng)取得了部分成功應(yīng)用，比如采用決策樹分類算法，將決策樹模型用于人力資源管理中[10]；采用自相關(guān)組成成分法挖掘人力資源信息，實現(xiàn)人力資源優(yōu)化建模[11]。本文通過使用構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的實驗中心動態(tài)巡視系統(tǒng)，根據(jù)對風(fēng)險物資狀態(tài)和人員行為信息的挖掘分析，提出動態(tài)實驗中心巡視方案，提高巡視效率，降低安全風(fēng)險。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計分析

按照設(shè)計要求，整個系統(tǒng)由多個無線個人卡片傳感器、一個個人行為數(shù)據(jù)庫、一個資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫、一個人員信息數(shù)據(jù)庫、和一個數(shù)據(jù)分析與管理終端組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其中資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫用于同步校內(nèi)資產(chǎn)管理部門數(shù)據(jù)庫，分類記錄化學(xué)風(fēng)險物資、生物風(fēng)險物資、輻射風(fēng)險物資和其他易燃物資的校內(nèi)狀態(tài)，記錄對應(yīng)的進(jìn)出實驗中心時間。人員信息數(shù)據(jù)庫包括實驗中心的教師、學(xué)生和管理人員信息及其對應(yīng)的權(quán)限。通過在實驗中心的各個公共區(qū)域部署人員卡片傳感器采集實驗中心人員的行為信息并通過網(wǎng)絡(luò)存儲在人員行為數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析終端主要用于通過數(shù)據(jù)挖據(jù)方法發(fā)現(xiàn)物資和人員行為的異常，并生成對應(yīng)的安全巡視計劃。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

軟件設(shè)計遵守三層架構(gòu)體系，通過業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)系統(tǒng)的高內(nèi)聚低耦合特性，從而為系統(tǒng)未來的功能擴充和維護(hù)創(chuàng)造便利條件。結(jié)合實踐管理體會，本文對各層次的內(nèi)部進(jìn)一步細(xì)化，形成如圖2所示軟件的三層架構(gòu)體系圖。

表示層位于最外層（最上層），最接近實驗中心管理人員。用于為管理人員顯示系統(tǒng)處理后的有效數(shù)據(jù)和接收輸入的數(shù)據(jù)，為管理人員提供一種交互式操作的界面。表示層可以劃分為系統(tǒng)界面外觀層和系統(tǒng)界面規(guī)則層，外觀層用于實現(xiàn)系統(tǒng)界面功能，而規(guī)則層主要用于接收外觀層信息并調(diào)用對應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)。

業(yè)務(wù)邏輯層的功能主要集中在巡視方案相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)、行為數(shù)據(jù)挖掘等與動態(tài)巡視業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計，也承擔(dān)人員與資產(chǎn)關(guān)系信息相關(guān)流程的實現(xiàn)。作為本系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，業(yè)務(wù)邏輯層分為兩大功能模塊，其中人員與資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)邏輯包括接口層和業(yè)務(wù)層，并且和動態(tài)巡視方案業(yè)務(wù)邏輯公用數(shù)據(jù)庫訪問層。數(shù)據(jù)訪問層用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的連接、查詢和各種更新操作。通過訪問數(shù)據(jù)庫中的人員行為信息和物資變動信息，使用數(shù)據(jù)挖掘方法發(fā)現(xiàn)人員的異常行為或是物資的異常變動，在日?；狙惨暬A(chǔ)上增加動態(tài)巡視，并將巡視方案通過方案制訂接口層提交表示層。

數(shù)據(jù)層用于存儲本系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫、人員信息數(shù)據(jù)庫和人員行為數(shù)據(jù)庫，同時數(shù)據(jù)層需要同步學(xué)校資產(chǎn)管理部門、人事部門和學(xué)工部門的數(shù)據(jù)庫，實時更新物資、教工和學(xué)生的相關(guān)狀態(tài)信息。

3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合我校工學(xué)院實驗中心對實驗室日常管理要求，通過分析現(xiàn)有常見實驗室風(fēng)險隱患，設(shè)計風(fēng)險物資日常監(jiān)督與異常挖掘系統(tǒng)、師生行為異常數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)和巡視人員管理系統(tǒng)等三個子系統(tǒng)，共九個主要功能模塊，詳細(xì)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

巡視人員管理系統(tǒng)主要用于管理實驗中心相關(guān)工作人員，包括基本信息和相關(guān)巡視日志，用于對實驗中心巡視人員績效考核。動態(tài)巡視方案管理系統(tǒng)包括風(fēng)險物資日常監(jiān)督與異常挖掘子系統(tǒng)和師生行為異常數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)。風(fēng)險物資日常監(jiān)督與異常挖掘子系統(tǒng)主要用于對存在化學(xué)風(fēng)險、生物風(fēng)險、輻射風(fēng)險和其他易燃風(fēng)險物資的狀態(tài)監(jiān)督，包括進(jìn)入實驗中心時間、滅失時間、轉(zhuǎn)出時間、存儲地點、責(zé)任人等相關(guān)信息；挖掘風(fēng)險物資的時空轉(zhuǎn)換特征，識別異常狀態(tài)并產(chǎn)生對應(yīng)的巡視方案。師生行為異常數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)除了師生基本信息管理功能之外，主要用于挖掘師生出入實驗室的時間特征、分析人員在實驗中心各個公共區(qū)域出現(xiàn)特征，對系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的人員異常行為生產(chǎn)對應(yīng)的巡視方案，預(yù)防風(fēng)險發(fā)生。

4 總結(jié)

隨著高校的快速發(fā)展，實驗中心各類物資與人員愈發(fā)集中，安全風(fēng)險快速增加。本文提出使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析各類風(fēng)險物資的狀態(tài)轉(zhuǎn)換特征，自動識別安全隱患，加強巡視目的性，能夠有效加強風(fēng)險物資的管控；同時本文提出使用分析實驗中心公共區(qū)域師生員工的行為特征，分析中心不同實驗室成員的行為規(guī)律，自動識別存在安全隱患的異常行為，并快速生成巡視方案，提高巡視效率。本文提出的實驗中心動態(tài)監(jiān)督巡視系統(tǒng)能夠降低大型實驗中心的巡視人員班次，并提高巡視效率，降低實驗中心安全風(fēng)險。

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基金項目：

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)“卓越教學(xué)”課堂教學(xué)改革實踐項目（JF17080286）；2017南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目（2017G13）。

作者簡介：

李中華（1967—），男，江蘇鹽城，碩士，院總務(wù)處處長，研究方向為實驗室安全管理等。