基于智慧實(shí)驗(yàn)室的高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)與探究

嚴(yán)瑞 莊志洪

南京理工大學(xué) 國(guó)有資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處 江蘇 南京 210094

1 高校實(shí)驗(yàn)室信息化現(xiàn)狀

得益于全球信息技術(shù)水平飛速提升，國(guó)內(nèi)外高校教學(xué)、科研信息化能力取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，提高實(shí)驗(yàn)室信息化管理手段、推進(jìn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室信息化管理體系已是大勢(shì)所趨。歐美、新加坡等發(fā)達(dá)國(guó)家的高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)起步較早，管理技術(shù)先進(jìn)、設(shè)施配套齊全、管理效能領(lǐng)先。美國(guó)麻省理工學(xué)院較早建立了EHS（環(huán)保、健康、安全三位一體）實(shí)驗(yàn)室管理體系，并構(gòu)建了集設(shè)備管理、氣體監(jiān)測(cè)、消防報(bào)警、危險(xiǎn)廢物存放回收等功能于一體的實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)[1]；英國(guó)利茲大學(xué)建立了包括各級(jí)安全負(fù)責(zé)人名單、管轄范圍和聯(lián)系方式，各實(shí)驗(yàn)室安全手冊(cè)和培訓(xùn)教材，危險(xiǎn)品、危險(xiǎn)設(shè)備的信息填報(bào)和管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和人員登記授權(quán)使用系統(tǒng)，重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)控監(jiān)測(cè)，巡查記錄和事故通報(bào)等的安全管理系統(tǒng)；新加坡南洋理工大學(xué)建立了具備可視化分級(jí)培訓(xùn)考核、危險(xiǎn)品全流程閉環(huán)管理等功能的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)[2]；日本東京大學(xué)設(shè)有環(huán)境安全本部、保健健康推進(jìn)本部和實(shí)驗(yàn)委員會(huì)，并建設(shè)了功能較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)[3]。

相比之下，國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)起步較晚，信息化技術(shù)利用程度不高，清華大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室安全教育與考試、?；啡芷诠芾怼踩O(jiān)控與報(bào)警等方面建立了信息化系統(tǒng)；北京大學(xué)依托信息化技術(shù)對(duì)儀器設(shè)備實(shí)行全程監(jiān)管，建立試劑管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試劑管理的全面監(jiān)控；浙江大學(xué)建立了覆蓋實(shí)驗(yàn)室人員、物品、房間等數(shù)據(jù)信息的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)；天津大學(xué)建立了包括儀器設(shè)備全生命周期管理、實(shí)驗(yàn)室全方位管理、實(shí)驗(yàn)室安全無(wú)縫管理、實(shí)驗(yàn)材料規(guī)范管理的資產(chǎn)與設(shè)備綜合管理平臺(tái)；國(guó)防科技大學(xué)開(kāi)發(fā)了包含基礎(chǔ)信息管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、開(kāi)放預(yù)約管理、示范中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、儀器設(shè)備管理和財(cái)務(wù)管理等6個(gè)功能模塊集成為一體的實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)，我國(guó)信息化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)仍處于發(fā)展階段。

2 智慧實(shí)驗(yàn)室概述

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀

2.1.1 設(shè)備重復(fù)購(gòu)置，利用率低。近年來(lái)，各高校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的經(jīng)費(fèi)投入比例較高，據(jù)《2020年高等學(xué)校科技統(tǒng)計(jì)資料匯編》顯示，2020年各類高校固定資產(chǎn)購(gòu)置費(fèi)占總撥入科技經(jīng)費(fèi)的15.99%。但高校在采購(gòu)大型儀器設(shè)備時(shí)缺乏學(xué)校維度的統(tǒng)一規(guī)劃，采購(gòu)需求往往由教師個(gè)人、課題組或者學(xué)院提出，常出現(xiàn)不同學(xué)院重復(fù)購(gòu)置同種大型儀器設(shè)備的情況，造成財(cái)政資金嚴(yán)重浪費(fèi)。又因共享意識(shí)不強(qiáng)、共享管理措施不健全等，設(shè)備購(gòu)置后往往僅被一部分師生使用，在完成科研任務(wù)后便束之高閣，進(jìn)一步降低了利用率。

2.1.2 管理制度欠完善，安全隱患多。目前高校實(shí)驗(yàn)室大多沿用傳統(tǒng)管理制度，日常管理及登記方式仍以手工記錄為主，設(shè)備信息無(wú)法實(shí)時(shí)同步并記錄。傳統(tǒng)模式對(duì)維修、保養(yǎng)等信息反饋的滯后性，除了降低了設(shè)備使用體驗(yàn)外，更易引起實(shí)驗(yàn)室水電氣甚至?；沸孤┑仁鹿?。在最為重要的安全方面，實(shí)驗(yàn)室日常安全衛(wèi)生大多依賴師生自覺(jué)，安全防護(hù)工作難免出現(xiàn)疏漏，加之實(shí)驗(yàn)室出入人員復(fù)雜，極易引發(fā)實(shí)驗(yàn)室安全事故。

2.2 智慧實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵

智慧實(shí)驗(yàn)室目前沒(méi)有統(tǒng)一的定義，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)于智慧實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵有不同的理解，周瑞[4]認(rèn)為智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)以開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目標(biāo)，以基本實(shí)驗(yàn)管理流程為核心，包括實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約、門禁控制與考勤管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、學(xué)生上機(jī)管理、實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)控等功能。系統(tǒng)構(gòu)建采用服務(wù)器瀏覽器模式，突破了時(shí)間空間限制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)管理員、教師和學(xué)生之間互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)放管理平臺(tái)。張凱[5]認(rèn)為智慧實(shí)驗(yàn)室是以現(xiàn)代教育思想與理念為指導(dǎo)，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能技術(shù)等新一代信息技術(shù)有機(jī)融合于實(shí)驗(yàn)室的管理和教學(xué)過(guò)程中，建設(shè)成具有全面感知物理環(huán)境、智能化管理與控制、教學(xué)過(guò)程可視化記錄與評(píng)價(jià)、資源和信息互聯(lián)共享、師生協(xié)作與互動(dòng)一體化的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)空間和“一站式”服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的進(jìn)一步精細(xì)化動(dòng)態(tài)化管理、全時(shí)空管理、全要素管理、全生命周期管理。顏婉茹[6]認(rèn)為智慧實(shí)驗(yàn)室是以互聯(lián)網(wǎng)+為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的軟硬件管控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研工作、實(shí)驗(yàn)室安全、學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)、校企聯(lián)合等全方位、多層次的實(shí)驗(yàn)室管理，從而實(shí)現(xiàn)各類信息的收集、傳遞、分享，實(shí)驗(yàn)物資的購(gòu)買、存儲(chǔ)和調(diào)用，廢棄物的處理、監(jiān)管和運(yùn)輸，實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控、預(yù)警和防護(hù)等多方面的功能。

本文旨在依托物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)及信息化管理系統(tǒng)建設(shè)情況，建立以“硬件+軟件”有效結(jié)合的、集多種智能化功能于一體的智慧實(shí)驗(yàn)室，不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室信息整合與同步共享能力，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室信息化管理體系建設(shè)。

3 智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

3.1 總體結(jié)構(gòu)

基于對(duì)學(xué)校建立的校級(jí)或院級(jí)信息化管理系統(tǒng)的梳理，設(shè)計(jì)并完善業(yè)務(wù)集成型智慧實(shí)驗(yàn)室，對(duì)實(shí)驗(yàn)室房屋、儀器設(shè)備、化學(xué)品等危險(xiǎn)源、實(shí)驗(yàn)人員等重要環(huán)節(jié)開(kāi)展智能化、可視化管理。搭建實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)信息匯總整合、綜合管理、便捷查詢及科學(xué)利用等功能。

圖1 智慧實(shí)驗(yàn)室總體架構(gòu)

3.2 智慧實(shí)驗(yàn)室子模塊

3.2.1 智慧房屋管理模塊。智慧房屋管理模塊依托學(xué)校3D地圖，可準(zhǔn)確顯示實(shí)驗(yàn)室分布狀況及地理信息，實(shí)現(xiàn)房屋定位精準(zhǔn)化管理。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)接學(xué)校實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放預(yù)約與綜合管理系統(tǒng)，同步實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放共享信息，師生可在此模塊填寫實(shí)驗(yàn)所需儀器，預(yù)約專用實(shí)驗(yàn)室，最大程度優(yōu)化資源配置。同時(shí)，以“樓宇-房間”為單位，可以為指定樓宇和房間設(shè)置負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人信息以及相應(yīng)地理位置信息。此外，基于分級(jí)管理措施，還可從模塊一級(jí)界面向下逐級(jí)訪問(wèn)，進(jìn)入房間層級(jí)，查看該房間內(nèi)各模塊采集的末端數(shù)據(jù)，如氣體監(jiān)測(cè)數(shù)值、化學(xué)品存量、儀器運(yùn)行狀態(tài)及房間內(nèi)人流量情況。

3.2.2 智慧資產(chǎn)管理模塊。智慧資產(chǎn)管理模塊對(duì)接資產(chǎn)系統(tǒng)與大型儀器設(shè)備共享管理平臺(tái)，可快速整合并及時(shí)同步實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各類資產(chǎn)設(shè)備的相關(guān)信息及狀態(tài)，對(duì)大型儀器設(shè)備進(jìn)行定位、終端管控及預(yù)約使用管理。在滿足資產(chǎn)設(shè)備智能化管理的同時(shí)，顯著提升了資產(chǎn)設(shè)備開(kāi)放共享、在線盤點(diǎn)、更換維修等管理動(dòng)作的效率。

資產(chǎn)管理分區(qū)具備查看資產(chǎn)類別、廠家、型號(hào)等信息的功能，實(shí)現(xiàn)了資產(chǎn)信息從入庫(kù)、領(lǐng)用、調(diào)撥到報(bào)廢的全生命周期管理。儀器共享分區(qū)通過(guò)與資產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接，提升了大型儀器設(shè)備錄入的便捷性，再將分區(qū)與智能終端并軌，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)機(jī)時(shí)，替代手動(dòng)錄入功能，確保錄入信息的準(zhǔn)確性、及時(shí)性。另外，基于LBS、GPS、藍(lán)牙室內(nèi)定位等技術(shù)，賦予了儀器設(shè)備的定位功能，可實(shí)時(shí)掌握位置信息。在報(bào)銷端打通財(cái)務(wù)系統(tǒng)，需將擬共享設(shè)備信息錄入大型儀器設(shè)備共享管理平臺(tái)后方可進(jìn)行財(cái)務(wù)報(bào)銷，從財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)維度分析共享比例，抓實(shí)共享舉措。儀器共享分區(qū)可為校內(nèi)外用戶提供儀器設(shè)備預(yù)約、使用記錄查詢及測(cè)試費(fèi)核銷等操作；滿足設(shè)備管理員實(shí)時(shí)監(jiān)察設(shè)備狀態(tài)、瀏覽使用記錄、結(jié)算測(cè)試費(fèi)用等需求；便于院級(jí)管理單位盤點(diǎn)其所轄設(shè)備的共享及使用情況等；協(xié)助校級(jí)管理單位以績(jī)效考核單元為抓手，落實(shí)對(duì)儀器設(shè)備或二級(jí)單位的考核。

3.2.3 智慧人員管理模塊。智慧人員管理模塊具備建立實(shí)驗(yàn)室人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)功能，基于人臉識(shí)別、電子門票等設(shè)備，授予實(shí)驗(yàn)室人員準(zhǔn)入及使用權(quán)限，實(shí)現(xiàn)人員準(zhǔn)入智能化管理，避免因非實(shí)驗(yàn)室人員的進(jìn)入造成安全隱患及事故。

該模塊不僅與學(xué)校一卡通兼容，還能拓展人臉識(shí)別功能，兩種識(shí)別方式均可獲得電子門禁授權(quán)。門禁數(shù)據(jù)采集終端能主動(dòng)判斷用戶認(rèn)證信息及門禁權(quán)限并予以記錄，系統(tǒng)管理員可遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室門禁狀態(tài)，通過(guò)手機(jī)App等方式管理門禁或查閱出入記錄。另外，該模塊可提供特權(quán)卡授權(quán)功能，賦予管理員對(duì)指定實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的管理權(quán)限，便于實(shí)驗(yàn)室日常維護(hù)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，特權(quán)卡可奪取門禁最高管理權(quán)限，保護(hù)貴重儀器運(yùn)行環(huán)境，保障實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放式管理安全。

3.2.4 智慧安全管理模塊。通過(guò)安裝氣體監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，該模塊可在第一時(shí)間將消息傳遞至管理人員手機(jī)端，提升應(yīng)急處置效率。

人流監(jiān)控?cái)z像頭可在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中生成3D立體信息，在計(jì)數(shù)區(qū)域?qū)z測(cè)到的行人進(jìn)行智能跟蹤，分析行人的行為趨勢(shì)，獨(dú)立統(tǒng)計(jì)進(jìn)出和路過(guò)（未進(jìn)入）人數(shù)，并基于行為模式算法過(guò)濾徘徊行為，避免重復(fù)計(jì)數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)室人流數(shù)量監(jiān)控的真實(shí)性。將化學(xué)品采購(gòu)系統(tǒng)接入安全模塊，可顯示各實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品存量、用量、采購(gòu)量等信息。管理員可基于地理位置顯示界面實(shí)時(shí)各監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣體安全狀況，并于出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，通過(guò)手機(jī)App和Web平臺(tái)第一時(shí)間掌握實(shí)驗(yàn)室內(nèi)危險(xiǎn)氣體的種類、濃度、房間視頻監(jiān)控情況以及實(shí)驗(yàn)室安全責(zé)任人的相關(guān)信息，便于追蹤處理方案，評(píng)估處理效果。同時(shí)，安全管理員可依據(jù)系統(tǒng)提供的處理意見(jiàn)提示，全局協(xié)調(diào)安全風(fēng)險(xiǎn)的處理資源、部門和人員，縮短處理時(shí)間，降低處理風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)室管理員或課題組負(fù)責(zé)人可通過(guò)手機(jī)App和Web管理平臺(tái)，查看實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)，歷史報(bào)警記錄和報(bào)警處理情況。亦可依據(jù)氣體濃度設(shè)置分級(jí)報(bào)警、應(yīng)急處理方案等提示，預(yù)留更多的響應(yīng)提前量，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通知負(fù)責(zé)人排查安全隱患。

3.2.5 定制化管理模塊。由于各學(xué)院的學(xué)科特色與教學(xué)科研需求不盡相同，除常規(guī)管理模塊外，還可增設(shè)定制化管理模塊，學(xué)院可依據(jù)其所轄實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)種類與工藝，對(duì)實(shí)驗(yàn)室特有環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨全球信息技術(shù)水平飛速提升，提高實(shí)驗(yàn)室信息化管理手段、推進(jìn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室信息化管理體系已是大勢(shì)所趨。本文通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，考慮房屋、資產(chǎn)、人員、環(huán)境等實(shí)驗(yàn)室基本要素，整合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息系統(tǒng)，建成業(yè)務(wù)集成型智慧實(shí)驗(yàn)室。各個(gè)模塊底層相互獨(dú)立，頂層相互關(guān)聯(lián)，即可服務(wù)于科研，又可為教學(xué)助力，未來(lái)還可對(duì)接教學(xué)管理系統(tǒng)，同步實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約、考勤等信息。