基于智能穿戴設(shè)備的高校實驗室人員安全管理創(chuàng)新

張聰瑞，李 寧，王其洲，任高峰*

（1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070；2.武漢理工大學礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，武漢 430070；3.武漢理工大學關(guān)鍵非金屬礦產(chǎn)資源綠色利用教育部重點實驗室，武漢 430070）

近年來，我國高等教育事業(yè)蓬勃發(fā)展，高校實驗室建設(shè)也迅速推進，與此同時，隨著學校辦學規(guī)模和科研任務(wù)的增長，實驗室內(nèi)人員和設(shè)備數(shù)量明顯增加，人員流動性加劇，隨之帶來的實驗室安全隱患也同步增加[1-2]，這也給實驗室安全管理人員帶來了更高的要求和更大的挑戰(zhàn)。

實驗室安全工作一直以來都以“安全管理”為主體[3]，例如：清華大學提出了包含人、法、防、保、育、查六要素組成的實驗室安全管理模式[4]；南開大學[5]以大型儀器實驗室為對象，構(gòu)建了制度完善、人員有序、隊伍專業(yè)、宣傳到位、環(huán)境安全的大型儀器實驗室安全管理體系。浙江大學[6]、天津大學[7]、北京科技大學[8]利用信息化手段建成了“實驗室安全管理系統(tǒng)”，完善了實驗室安全信息數(shù)據(jù)庫，推進落實學校-學院（系）-課題組-實驗室四級實驗室安全責任體系。

由此可見，各高校都從頂層設(shè)計、規(guī)章制度等方面建設(shè)了相關(guān)機制，也正逐步提高實驗室安全管理的信息化水平。但是，2019 年全國高校實驗室安全電視電話會議中通報：近年來我國共發(fā)生各類實驗室安全事故14 543 起，死亡29 人[9]。由此可見，高校安全事故仍層出不窮，實驗室安全管理工作仍有尚未解決的痛點。

人員流動性大，實驗室準入制難以動態(tài)落實。從以往的實驗室準入管理可以發(fā)現(xiàn)，實驗室安全準入制度的核心就是個人安全習慣的養(yǎng)成[10]，主要通過“培訓(xùn)-考試-認證”的準入體系完成，但在人員準入管控的“最后一公里”難題尚未解決?，F(xiàn)有實驗室安全準入管理無法掌握人員實時位置、無法統(tǒng)計人員出入實驗室精確時間、無法有效獲取人員使用設(shè)備情況，準入管理存在盲點。

實驗場景復(fù)雜，人員身體機能狀態(tài)無法及時獲取。武漢理工大學礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室開展實驗項目涉及礦業(yè)工程、環(huán)境工程、安全科學與工程3 個學科，包括高溫/高壓實驗、化學類、機電類實驗等高危實驗場景。據(jù)研究，高溫、噪聲環(huán)境會導(dǎo)致人員的心率、呼吸率和出錯次數(shù)增加、反應(yīng)時間延長，降低人體安全行為能力，大大增加了不安全行為發(fā)生概率[11-12]。因此，實時監(jiān)測實驗人員的心率、血壓等身體機能指標，能有效反映人員安全狀態(tài)，保障實驗過程中的人員安全。

事故發(fā)生后，應(yīng)急救援工作開展不及時。應(yīng)急救援工作是實驗室安全事故發(fā)生后減少人員傷亡、降低事故損失的最后屏障。然而，各高校雖已制定了實驗室管理規(guī)定，但所制定的應(yīng)急預(yù)案多以電話告知、逐級上報為主[13]，且?guī)熒诿媾R安全事故時仍舊不知如何采取救援措施，往往錯失救援時機，不能有效減少事故危害。

面對上述痛點，傳統(tǒng)的管理模式已然不能滿足新形勢下的高校實驗室安全管理需求，因此，針對實驗室人員安全管理中的關(guān)鍵問題，從“人員位置精確感知、身體機能動態(tài)掌握、應(yīng)急救援定向分發(fā)”3 個角度出發(fā)，基于智能穿戴式設(shè)備，圍繞信息化與智能化開展研究，開發(fā)實驗室人員安全管理系統(tǒng)勢在必行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為滿足系統(tǒng)時效性、可靠性等方面的需求，系統(tǒng)采用3 層B/S 架構(gòu)，從邏輯層面分為運行支撐平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和可視化展現(xiàn)層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)在所需軟件和硬件共同構(gòu)成運行支撐平臺；數(shù)據(jù)服務(wù)平臺選用阿里云服務(wù)器，用于為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)訪問等功能；可視化展現(xiàn)層將人員信息管理、人員動態(tài)定位顯示、應(yīng)急呼救與處置、電子圍欄設(shè)置等各類功能模塊化，形成WEB 客戶端，為用戶提供操作界面。

在終端硬件方面，由于智能穿戴設(shè)備具有便攜性好、測量精度高、操作方便等特點，被廣泛用于各種狀態(tài)下的人體生理指標檢測[14-15]。所設(shè)計的智能穿戴終端由PPG 心率測定模塊[16]、血壓測定模塊、運動傳感模塊、BDS/GPS 雙模定位模塊、低功耗藍牙模塊、4G 通信模塊、SOS 緊急呼救模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和供電模塊等組成，配套的室內(nèi)定位基站由單片機、低功耗藍牙模塊、電源模塊等組成。

人員佩戴智能穿戴終端后，首先通過低功耗藍牙模塊與室內(nèi)定位基站進行通信，獲取人員室內(nèi)位置信息，并由數(shù)據(jù)采集模塊將采集的心率信息、血壓信息、運動信息與位置信息整合后，經(jīng)由4G 通信模塊發(fā)送至云端服務(wù)器。

當有事故傾向或發(fā)生事故時，佩戴者可通過智能穿戴終端的SOS 按鍵進行一鍵呼救，系統(tǒng)將顯示呼救信息，并將呼救信息及時發(fā)送至導(dǎo)師、實驗室負責人、學院負責人等相關(guān)責任人，提高救援效率。系統(tǒng)拓撲圖如圖2 所示。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

設(shè)計的實驗室人員安全管理系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、健康信息管理、應(yīng)急救援、平面圖與網(wǎng)關(guān)管理、人員管理、統(tǒng)計分析與設(shè)置7 個模塊。

2.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是直接面向用戶的門戶，通過該模塊，使用者可以實時掌握各實驗室中人員的實時位置，顯示了位于區(qū)域內(nèi)的實驗人數(shù)，SOS 呼救人數(shù)，健康監(jiān)測信息異常人數(shù)。

圖3 監(jiān)控中心模塊

2.2 健康信息管理

健康信息管理通過實時監(jiān)測并判別實驗人員心率、血壓等身體機能指標，從源頭保障實驗室人員生命安全。該模塊主要顯示所選實驗室內(nèi)人員的健康信息，對于健康數(shù)據(jù)異常（超出預(yù)警閾值）人員，系統(tǒng)將自動置頂并標紅，并發(fā)出警報提示該實驗人員，同時短信通知導(dǎo)師。

與此同時，該模塊還設(shè)有“提醒”與“詳情”功能：“提醒”功能可手動給人員發(fā)送短信，提醒其身體異常；“詳情”按鈕則可顯示該人員的心率、血壓監(jiān)測曲線，并能夠通過設(shè)置日期區(qū)間，獲取人員一段時間內(nèi)的心率、血壓數(shù)據(jù)變化趨勢。操作界面如圖4 所示。

圖4 健康信息管理模塊

2.3 應(yīng)急救援

在有事故傾向或發(fā)生事故時，人員按下智能佩戴終端的“SOS”按鍵，系統(tǒng)將及時記錄該呼救信息，并將救援信息通過短信、郵件及時發(fā)送至導(dǎo)師及救援負責人，實現(xiàn)了救援信息的定向分發(fā)，改善了以往逐級上報的弊端。

當應(yīng)急救援事件發(fā)生后，該模塊可直接顯示對應(yīng)實驗室的SOS 呼救信息，包括“當前SOS 求救待處理人員信息”和“已處理SOS 待處理人員信息”：“當前SOS 求救待處理人員信息”中，可以直接查看人員的最后位置，輔助救援人員搜救與救助；“已處理SOS 待處理人員信息”可記錄并顯示人員求救的歷史地址信息。操作界面如圖5 所示。

圖5 應(yīng)急救援模塊

2.4 平面圖與網(wǎng)關(guān)管理

平面圖與網(wǎng)關(guān)管理是系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)信息模塊，能實現(xiàn)室內(nèi)實驗室地圖導(dǎo)入與藍牙網(wǎng)關(guān)設(shè)置功能。

其中，藍牙網(wǎng)關(guān)一般設(shè)置于實驗室出入口處，通過系統(tǒng)設(shè)置藍牙網(wǎng)關(guān)編號與實驗室的對應(yīng)關(guān)系，即可實現(xiàn)人員出入實驗室的記錄與管理，同時，也可在實驗室內(nèi)根據(jù)需求以多個藍牙網(wǎng)關(guān)形式劃定“禁行區(qū)域”，用于大型精密儀器使用的管理。操作界面如圖6 所示。

圖6 平面圖與網(wǎng)關(guān)管理模塊

2.5 人員管理

為方便人員信息管理，系統(tǒng)設(shè)置有人員管理模塊，主要完成人員各類信息的導(dǎo)入和導(dǎo)出，其預(yù)留信息包括授權(quán)實驗室、姓名、手環(huán)串號、電話號碼、導(dǎo)師與聯(lián)系方式等。

2.6 統(tǒng)計分析

通過各項數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可掌握實驗室人員工作時長以及歷史健康狀況。該模塊包括區(qū)域統(tǒng)計與人員統(tǒng)計功能。區(qū)域統(tǒng)計模塊用于查詢某實驗室內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，包括該區(qū)域在所選時間內(nèi)進入的總?cè)藬?shù)、異常的總?cè)藬?shù)、SOS 的總?cè)藬?shù)；人員統(tǒng)計可查詢個人歷史信息，包括SOS 次數(shù)、數(shù)據(jù)異常次數(shù)、平均工作時間、平均心率和平均血壓等信息。如圖7 所示。

圖7 統(tǒng)計分析模塊

2.7 設(shè)置

對實驗室中的一些特定位置（如?；放c氣瓶存放地）和大型儀器設(shè)備、高溫高壓設(shè)備等重點區(qū)域，需要進行特別監(jiān)管，通過設(shè)置模塊，可定向在實驗室內(nèi)劃定電子圍欄，區(qū)分實驗區(qū)、限定區(qū)和禁止區(qū)，實現(xiàn)了實驗室準入的分人員、分區(qū)域管理。當非授權(quán)人員進入限定區(qū)和禁止區(qū)后，系統(tǒng)會發(fā)出報警，給該人員及相應(yīng)負責人發(fā)送短信提示。

3 結(jié)論

1）針對高校實驗室在安全管理過程中人員準入跟蹤難、實驗過程監(jiān)管難以及應(yīng)急救援不及時等問題，以智能佩戴終端為基礎(chǔ)，創(chuàng)新了高校實驗室安全管控技術(shù)手段與管理理念。

2）通過設(shè)計的智能穿戴終端和室內(nèi)定位終端，實現(xiàn)了實驗室內(nèi)人員位置信息、身體機能信息以及應(yīng)急救援信息的實時采集，推動了對實驗室準入的有效管控與跟蹤管理。

3）開發(fā)的實驗室人員安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)了實驗室內(nèi)人員位置的精確感知、身體機能的動態(tài)掌握與應(yīng)急救援信息的定向分發(fā)，促進了實驗室管理效率的提升，提高了安全管理信息化水平、科學決策能力與應(yīng)急救援能力。