基于區(qū)塊鏈原理的高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)

李江峰 張善鋒 宋國(guó)英 鄭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院

王志武 鄭州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理中心

一、區(qū)塊鏈的內(nèi)涵分析

區(qū)塊鏈?zhǔn)侵高\(yùn)用區(qū)塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析利用數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化技術(shù)系統(tǒng)，用于查看、存儲(chǔ)、計(jì)算和更新所需的數(shù)據(jù)。高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)大多是利用現(xiàn)代技術(shù)，通過(guò)自動(dòng)化腳本解釋和管理。

高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)具有高度的開(kāi)放性、安全性和可擴(kuò)展性。區(qū)塊鏈技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代最常見(jiàn)的應(yīng)用技術(shù)之一，不僅能將數(shù)據(jù)有效分離和融合，還能幫助使用者擴(kuò)展信息處理的深度，具有保護(hù)隱私和低成本的優(yōu)點(diǎn)，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也有著非常大的潛力。

二、高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)現(xiàn)狀

（一）高校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

高等教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展導(dǎo)致大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的變化。從年級(jí)到學(xué)院，實(shí)驗(yàn)室變成了一個(gè)集產(chǎn)、教、研于一體的綜合型試驗(yàn)場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)從簡(jiǎn)單的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榛诮虒W(xué)、實(shí)踐和創(chuàng)造力的多層次教學(xué)。

自然實(shí)驗(yàn)室大多具備產(chǎn)教研方面的特征，包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、科研實(shí)驗(yàn)室、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室及開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)室。高校院系機(jī)構(gòu)的細(xì)分及院系科研教學(xué)工作的多樣化與深入對(duì)實(shí)驗(yàn)室的功能與管理提出了更高的要求。因此，傳統(tǒng)的管理模式已不再能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的正常工作以及學(xué)生和教師的需求[1]。

部分高校擁有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，包括實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、大型公用設(shè)施管理系統(tǒng)及廢物廢液處理系統(tǒng)等，各個(gè)學(xué)校都有其產(chǎn)品分配系統(tǒng)，然而這些系統(tǒng)無(wú)法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與互動(dòng)，導(dǎo)致許多“信息孤島”現(xiàn)象[2]。

一些高校擁有多個(gè)校區(qū)，不同的學(xué)院可以有不同陣營(yíng)的實(shí)驗(yàn)室，但由于缺乏統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃與管理，設(shè)備及其實(shí)驗(yàn)物資被儲(chǔ)存在不同的高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，很難實(shí)施統(tǒng)一管理。

雖然大型儀器設(shè)備的數(shù)量在全校儀器設(shè)備中的占比不大，但對(duì)高校智能實(shí)驗(yàn)室的科研教學(xué)工作具有十分重要的價(jià)值。許多先進(jìn)的工具和設(shè)備分散在不同的實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)有配備專(zhuān)業(yè)的操作技術(shù)人員，使得儀器因操作不熟練而導(dǎo)致使用效率低下。

近年來(lái)，參加實(shí)驗(yàn)室科研的人數(shù)逐年增加，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷豐富，安全事故也隨之增加，使得實(shí)驗(yàn)室安全被納入各高校日常行政工作的重要內(nèi)容。許多學(xué)者也開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)室安全方面的研究。其中，利用高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的日常管理成為熱點(diǎn)。

（二）高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)現(xiàn)狀

目前，高校在智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)方面雖然開(kāi)展了一些探索，但依然存在以下問(wèn)題。

第一，智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的新技術(shù)融入度不夠。高等教育機(jī)構(gòu)主要考慮實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)的基本要求，提供必要的課程，而不是使學(xué)生完全學(xué)習(xí)學(xué)術(shù)建構(gòu)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。傳統(tǒng)的管理模式并不能管理實(shí)驗(yàn)室和分配資源，因而難以有效發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的價(jià)值。

第二，尚未全面實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)及教學(xué)評(píng)價(jià)等功能。目前，教師對(duì)高等教育機(jī)構(gòu)知識(shí)管理系統(tǒng)建設(shè)的了解有限，學(xué)校沒(méi)有提供相關(guān)的核查系統(tǒng)，沒(méi)有系統(tǒng)的管理方法和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)，沒(méi)有對(duì)學(xué)生參加考試進(jìn)行評(píng)價(jià)等。

三、基于區(qū)塊鏈原理的實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)

（一）功能架構(gòu)

為滿足實(shí)驗(yàn)室的日常管理需求，實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、設(shè)備采購(gòu)、大型儀器共享、設(shè)備資產(chǎn)管理及實(shí)驗(yàn)室安全五大功能模塊。

第一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，實(shí)驗(yàn)管理員可以查詢?nèi)?shí)驗(yàn)課程的所有數(shù)據(jù)，避開(kāi)節(jié)假日調(diào)休或突發(fā)事件等因素，做好實(shí)驗(yàn)課的準(zhǔn)備工作。

第二，設(shè)備采購(gòu)模塊。設(shè)備采購(gòu)模塊包括業(yè)務(wù)流程、設(shè)備項(xiàng)目、投標(biāo)、合同、補(bǔ)償和會(huì)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)定義，不同業(yè)務(wù)功能之間的數(shù)據(jù)鏈接只能通過(guò)項(xiàng)目演示工具進(jìn)入申請(qǐng)區(qū)域；在提交申請(qǐng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向有關(guān)人員發(fā)出有關(guān)訂立設(shè)備合同的通知，最后通知管理人員；在確認(rèn)合同后，設(shè)備供應(yīng)商可以得到相應(yīng)的金額。

第三，大型儀器共享模塊。為了提高高校實(shí)驗(yàn)室儀器的運(yùn)行效率，可建設(shè)大型高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)管理儀器。在此基礎(chǔ)上，整合學(xué)校的儀器資源，例如將價(jià)值50 萬(wàn)以上的儀器設(shè)備納入該平臺(tái)，實(shí)施統(tǒng)一管理。通過(guò)大型儀器共享模塊，網(wǎng)上預(yù)約，網(wǎng)上接單，實(shí)時(shí)更新儀器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合學(xué)校的財(cái)務(wù)系統(tǒng)，完成自動(dòng)繳費(fèi)和內(nèi)部轉(zhuǎn)賬的測(cè)試流程。此模塊實(shí)現(xiàn)了儀器快捷共享的功能，促進(jìn)儀器使用效益最大化。

第四，設(shè)備資產(chǎn)管理模塊。該模塊主要用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的日常管理工作，包括設(shè)備采購(gòu)、使用、維護(hù)保養(yǎng)和費(fèi)用管理等。將設(shè)備納入平臺(tái)后，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的使用數(shù)據(jù)分析，可有效杜絕重復(fù)采購(gòu)、超額預(yù)算等情況，利于審計(jì)工作的開(kāi)展，也為后期采購(gòu)工作的開(kāi)展提供重要的參考價(jià)值。該模塊整合日常測(cè)試費(fèi)和日常維護(hù)費(fèi)，結(jié)合學(xué)校的相關(guān)政策，實(shí)現(xiàn)結(jié)余費(fèi)用的合理分配。

第五，實(shí)驗(yàn)室安全模塊。該模塊包括安全知識(shí)管理、危險(xiǎn)資產(chǎn)管理和實(shí)驗(yàn)室日常管理三個(gè)組成部分?；诎踩逃芾淼膶W(xué)生訪問(wèn)系統(tǒng)，學(xué)員一旦注冊(cè)，實(shí)驗(yàn)室將為每個(gè)學(xué)員提供安全指示，定期組織課程和培訓(xùn)。儀器設(shè)備的日常管理需要管理人員開(kāi)展定期審查、記錄及操作等，對(duì)存在安全威脅的實(shí)驗(yàn)室實(shí)施安全檢查并在系統(tǒng)中生成數(shù)據(jù)，對(duì)在檢查中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備，要通過(guò)系統(tǒng)告知老師及學(xué)生，保證老師和學(xué)生的人身安全。

（二）系統(tǒng)模塊分析

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，該系統(tǒng)還包括實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、日常辦公、實(shí)驗(yàn)室評(píng)估和系統(tǒng)維護(hù)等功能模塊。系統(tǒng)是相互連接的，客戶機(jī)函數(shù)是由客戶機(jī)在端口上運(yùn)行的用戶函數(shù)，而服務(wù)器上的其他端口是控制系統(tǒng)的“管理員”，不同用戶的界面將根據(jù)安裝的任務(wù)而有所不同。

1.實(shí)驗(yàn)室管理模塊

實(shí)驗(yàn)室管理模塊介紹實(shí)驗(yàn)室的一般信息，如管理機(jī)構(gòu)、基本信息、規(guī)章制度、認(rèn)證信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和學(xué)生管理等。

管理機(jī)構(gòu)子模塊：以列表的方式列出學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的組成，列示實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng)、負(fù)責(zé)人、聯(lián)系電話及管理單位等信息。

基本信息子模塊：在實(shí)驗(yàn)室中建立學(xué)校和辦公室的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及平臺(tái)的數(shù)量、設(shè)施的數(shù)量、設(shè)備的位置及數(shù)量、貨物的數(shù)量。通過(guò)信息小程序，可以看到所有實(shí)驗(yàn)室的細(xì)節(jié)，根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

規(guī)章制度子模塊：分類(lèi)列出學(xué)校及各實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)管理規(guī)章制度，提供標(biāo)題關(guān)鍵詞搜索功能，方便查閱。

學(xué)生管理子模塊：類(lèi)數(shù)據(jù)管理子模塊系統(tǒng)是從知識(shí)管理系統(tǒng)進(jìn)入接口的，系統(tǒng)還提供了簡(jiǎn)單的服務(wù)任務(wù)，如添加或刪除個(gè)別類(lèi)和學(xué)生的數(shù)據(jù)，以及更新類(lèi)的功能。

2.實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍模塊

實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍模塊提供了人員基本信息管理、人員工作量統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室人員結(jié)構(gòu)分析、人員崗位職責(zé)維護(hù)及個(gè)人崗位日志管理等功能。

人員基本信息管理子模塊：提供服務(wù)、觀看和檢索基本人員信息的功能。

人員工作量統(tǒng)計(jì)子模塊：?jiǎn)T工績(jī)效因用戶控件而異，即用戶可以在控件允許的空間內(nèi)簡(jiǎn)單查看員工的績(jī)效統(tǒng)計(jì)。該模塊可計(jì)算員工負(fù)責(zé)的項(xiàng)目數(shù)、測(cè)試科目組數(shù)和總課時(shí)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)室人員結(jié)構(gòu)分析子模塊：按照教育部信息格式，提供實(shí)驗(yàn)室人員構(gòu)成、實(shí)驗(yàn)室設(shè)施數(shù)量、建筑物位置及教學(xué)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)報(bào)告等信息。

人員崗位職責(zé)維護(hù)子模塊：設(shè)置通用崗位及各實(shí)驗(yàn)室各工作崗位的描述信息。

個(gè)人崗位日志管理子模塊：管理員在這里管理（包括查看、填充、編輯和刪除）其待辦事項(xiàng)列表，所有者可以查看其帖子列表，但是無(wú)法查看其他所有者的帖子列表。

3.“智能排課”模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室是開(kāi)展科研工作的主要場(chǎng)所，承擔(dān)著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要任務(wù)，科學(xué)合理地規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作也是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要任務(wù)之一。為合理高效地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，可將實(shí)驗(yàn)教學(xué)排課模塊加入智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容。將科研與教學(xué)工作結(jié)合起來(lái)，不僅可以利用好實(shí)驗(yàn)室資源，而且可以提高教學(xué)效率。

在排課系統(tǒng)中存在著五個(gè)因素，分別是教師、課程、班級(jí)、地點(diǎn)和上課時(shí)間。在這種情況下，排課的運(yùn)算法可以描述為給定的某個(gè)教師教授課程，要求為課程配置一個(gè)合適的地點(diǎn)和時(shí)間，班級(jí)和授課教師不能在同一個(gè)地點(diǎn)或同一時(shí)間上課。排課問(wèn)題的解空間實(shí)際上就是教師、班級(jí)、課程、時(shí)間和地點(diǎn)五個(gè)基本因素，滿足笛卡爾乘積構(gòu)成，這樣排課問(wèn)題就變成了在五個(gè)基本因素的空間基礎(chǔ)上求一個(gè)解。在排課算法中，通過(guò)均衡化、科學(xué)化策略可以保障一門(mén)課的時(shí)間間隔，杜絕同一門(mén)課程連續(xù)上，以免影響學(xué)生的興趣培養(yǎng)。

根據(jù)蟻群算法的基本思路，選課時(shí)，通過(guò)記錄每只螞蟻（即學(xué)生）在高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的訪問(wèn)情況，比較每次訪問(wèn)的結(jié)果，計(jì)算最佳的學(xué)習(xí)方法。一種特殊的方法是給每只螞蟻一個(gè)臨時(shí)的活動(dòng)清單。當(dāng)你離開(kāi)時(shí)，為每個(gè)列表選擇一個(gè)課程，然后寫(xiě)一個(gè)課程列表。在構(gòu)造結(jié)束時(shí)，比較一下臨時(shí)螞蟻的路徑，看看能不能找到最近的路徑。每次螞蟻開(kāi)始新的旅程，其都會(huì)重新發(fā)布路徑，記錄航向節(jié)點(diǎn)與“”的連接程度。“”中的所有螞蟻都配有一張數(shù)據(jù)表，每只螞蟻都有其信息表。

螞蟻周游的定義為：在已構(gòu)造好的排課問(wèn)題的二部圖模型中，所有的螞蟻都從圖表左邊的兩個(gè)部分開(kāi)始收集其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，螞蟻準(zhǔn)備完成所有的GLC-tin 課程。當(dāng)然，在旅程結(jié)束時(shí)，一些螞蟻必須留在GPR，在所有的螞蟻完成它們的旅程后，比較所有螞蟻的旅行成本，然后計(jì)算并選擇低成本的方法，即最優(yōu)選課方案。

四、基于區(qū)塊鏈視域，加強(qiáng)高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)的建議

為了更好地提升高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)成效，在借助區(qū)塊鏈技術(shù)完成高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)建設(shè)的同時(shí)，可從以下幾個(gè)方面入手。

一是加強(qiáng)區(qū)塊鏈技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)的融合，不斷探索和優(yōu)化其平臺(tái)模塊和功能，完善高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)。

二是結(jié)合實(shí)際需求，加強(qiáng)平臺(tái)功能的個(gè)性化管理。高等教育實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的主要功能是為教師和學(xué)生提供寶貴的資源，用于科學(xué)培訓(xùn)、管理和科學(xué)研究。

三是加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)力量的支持，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈信息化的有效應(yīng)用。

簡(jiǎn)而言之，建設(shè)高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，需要在高等教育機(jī)構(gòu)滿足培訓(xùn)和培養(yǎng)人才的需求以及深入研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行，將創(chuàng)新應(yīng)用程序和安全保障相結(jié)合，進(jìn)而提高高校的建設(shè)水平。

五、結(jié)語(yǔ)

高校智能實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的建設(shè)，不僅促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍的建設(shè)、保障了實(shí)驗(yàn)室的安全、加強(qiáng)了儀器設(shè)備的管理、提高了管理人員的業(yè)務(wù)水平、改變了高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的傳統(tǒng)理念，而且還提高了高校的信息化管理水平。