智慧校園背景下高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)研究

摘 要 針對智慧校園背景下高校實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)需求，建立實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)。通過對平臺(tái)進(jìn)行需求分析，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品采、存、用、銷全生命周期監(jiān)管流程體系，提出化學(xué)品線上共享虛擬數(shù)據(jù)倉庫，使實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品資源得到信息共享和交換，降低化學(xué)品的閑置率。設(shè)計(jì)具有一物一碼規(guī)則的全流程追溯二維碼，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的全程監(jiān)控。平臺(tái)為化學(xué)品的全生命周期監(jiān)管提供切實(shí)可行的技術(shù)路徑，提高實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管的智能化和信息化。

關(guān)鍵詞 智慧校園；高校實(shí)驗(yàn)室；安全監(jiān)管平臺(tái)；全生命周期；化學(xué)品

中圖分類號(hào)：G647.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）20-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.024

0 引言

實(shí)驗(yàn)室作為高校科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場所，其信息化平臺(tái)在智慧校園建設(shè)過程中發(fā)揮出越來越重要的作用，成為新時(shí)代探索高校教育信息化2.0工作的重點(diǎn)研究內(nèi)容[1]。隨著高校實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)建設(shè)的快速發(fā)展，各類實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在高校逐漸得到推廣和應(yīng)用，但實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品安全監(jiān)管的短板日益突出。近年來，由于化學(xué)試劑使用過程監(jiān)管機(jī)制不健全、實(shí)驗(yàn)室?guī)熒狈瘜W(xué)品使用和處置的基本安全常識(shí)而造成的實(shí)驗(yàn)室失火、爆炸等重大安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅師生的生命安全。2019年發(fā)布的《教育部辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全檢查工作的通知》中明確指出，要建設(shè)全校統(tǒng)一的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全管理信息化系統(tǒng)，充分利用信息化手段提升安全工作水平[2]。因此，高校建立實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)，對實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的采、存、用、銷全生命周期實(shí)施管控，已經(jīng)成為高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室安全管理部門的重要工作。

1 高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管現(xiàn)狀

高校實(shí)驗(yàn)室是師生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作的重要場所，而化學(xué)品是化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的必備耗材。高校實(shí)驗(yàn)室涉及的化學(xué)品由于種類多、理化性質(zhì)復(fù)雜、規(guī)格不一、具有不同程度的毒性和危險(xiǎn)性、存放和處置要求具有特殊性等特點(diǎn)，成為實(shí)驗(yàn)室安全管理工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作開展得越來越頻繁，化學(xué)試劑采購的種類和數(shù)量遞增，對化學(xué)品的安全管理提出更高的要求。

目前，高校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中非常重視化學(xué)品尤其是危險(xiǎn)化學(xué)品的安全管理工作，已建立危險(xiǎn)化學(xué)品規(guī)范化采購流程[4]。具體流程為：由使用者向院系管理員申請，院系管理員再報(bào)校級管理員審批，待審批通過后由校級管理員統(tǒng)一購置和驗(yàn)收入庫，危險(xiǎn)化學(xué)品由校級危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫專管，使用者需登記領(lǐng)取所申報(bào)的危險(xiǎn)化學(xué)品。該流程運(yùn)行以來，高校的危險(xiǎn)化學(xué)品購置規(guī)范化水平大幅提高，杜絕了危險(xiǎn)化學(xué)品隨意采購的現(xiàn)象，安全風(fēng)險(xiǎn)有所降低。但從運(yùn)行實(shí)際反饋的結(jié)果來看，管理依然存在較大的漏洞，沒有實(shí)現(xiàn)智能化和信息化，無法滿足智慧校園背景下實(shí)驗(yàn)室信息化的要求。

1.1 化學(xué)品使用缺乏全生命周期管理

高?；瘜W(xué)品的采購與管理涉及多個(gè)部門、學(xué)院和實(shí)驗(yàn)室，因環(huán)節(jié)眾多且流程煩瑣，采購部門、監(jiān)管部門、使用學(xué)院與處置部門存在信息孤島現(xiàn)象，缺乏全生命周期管理。

1.2 化學(xué)品采購流程多為傳統(tǒng)模式

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室仍沿用傳統(tǒng)的線下運(yùn)營模式，處理方式多為手工填寫Excel或Word表格進(jìn)行申請，占用人力成本，涉及簽字審批較多，導(dǎo)致采購環(huán)節(jié)多、審批時(shí)間長，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。此外，申請材料的整理歸檔工作繁復(fù)，查找不便。

1.3 對危險(xiǎn)化學(xué)品監(jiān)管不足

高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品種類繁多，并且部分危險(xiǎn)化學(xué)品具有易燃易爆、劇毒、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，雖然對危險(xiǎn)化學(xué)品采購的數(shù)量、種類和供應(yīng)渠道進(jìn)行監(jiān)管，但是對危險(xiǎn)化學(xué)品存取和使用過程的監(jiān)管不足，仍存在較大安全隱患[5]。

1.4 實(shí)驗(yàn)室安全管理意識(shí)薄弱

高校實(shí)驗(yàn)室人員流動(dòng)較大，且大多為大學(xué)生，缺乏危險(xiǎn)化學(xué)品使用和處置的常識(shí)。面對實(shí)驗(yàn)室的多種化學(xué)品，他們甚至缺乏對普通化學(xué)品和危險(xiǎn)化學(xué)品的基本辨別意識(shí)。

2 高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

目前，各高校的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)基本上能根據(jù)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)品安全管理。隨著實(shí)驗(yàn)室信息化的深入發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)需要適用更多的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)缺乏廣泛性，也不夠智能化和信息化，需要針對高校智慧校園建設(shè)需求進(jìn)一步對實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行升級[6]。

2.1.1 確保數(shù)據(jù)的一致性和全局共享性

由于化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室分布在化學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院、藥學(xué)院等學(xué)院，高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)需要接入校園統(tǒng)一信息門戶，建立全校統(tǒng)一的云數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)員在任何地方都能通過平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的使用，實(shí)時(shí)確認(rèn)已完成和未完成的操作，避免出現(xiàn)人口相傳、完成操作但是未更新信息等現(xiàn)象?；瘜W(xué)品數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一和共享，可以提高監(jiān)管的時(shí)效性，使實(shí)驗(yàn)員對實(shí)驗(yàn)室的掌控便捷且嚴(yán)謹(jǐn)。

2.1.2 生成唯一追溯碼，實(shí)現(xiàn)試劑瓶精確管理

高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品倉庫中存放多種化學(xué)品，需要對化學(xué)品設(shè)計(jì)全生命周期的追溯碼。根據(jù)入庫日期、數(shù)量等信息自動(dòng)生成唯一追溯碼，精確到每瓶試劑都有唯一追溯碼的認(rèn)證。試劑的所有調(diào)用、處理和注銷都需要通過系統(tǒng)的確認(rèn)。通過唯一追溯碼可以看到每瓶試劑的全部信息，形成清晰的時(shí)間軸。拿到一瓶試劑時(shí)，通過掃描追溯碼，可以了解該試劑入庫、調(diào)用、注意事項(xiàng)等相關(guān)信息，使實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的數(shù)據(jù)清晰且完整。

2.1.3 將理化性質(zhì)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，提高安全意識(shí)

將化學(xué)品安全技術(shù)說明書（Material Safety Data Sheet，MSDS）導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，把相關(guān)的信息導(dǎo)入對應(yīng)化學(xué)品的信息條。在掃描化學(xué)品追溯碼時(shí)，自動(dòng)彈出相關(guān)的MSDS注意事項(xiàng)，提示使用者安全使用化學(xué)品，進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品的安全管理。

2.1.4 智能規(guī)劃化學(xué)品采購

高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)需監(jiān)管實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的入庫、調(diào)用和注銷等流程，智能統(tǒng)計(jì)每個(gè)化學(xué)品的在庫數(shù)量，在耗材使用到預(yù)警值時(shí)，可自動(dòng)提示實(shí)驗(yàn)員。通過后臺(tái)計(jì)算，定時(shí)列出采購清單，自動(dòng)生成采購耗材各階段的電子審批文檔，協(xié)助實(shí)驗(yàn)室耗材的智能管理。

2.1.5 定量監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品

由于危險(xiǎn)化學(xué)品具有易燃、易制毒的特性，精度為瓶不足以滿足監(jiān)管需求，應(yīng)該把重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品監(jiān)管精度提升為克，在危險(xiǎn)化學(xué)品存放柜中增加稱重傳感器，每次存取危險(xiǎn)化學(xué)品時(shí)自動(dòng)監(jiān)管存取克數(shù)，形成危險(xiǎn)化學(xué)品特殊使用日志。當(dāng)危險(xiǎn)化學(xué)品被取用時(shí)，使用者登錄平臺(tái)就會(huì)彈出警示，提示該化學(xué)品是危險(xiǎn)化學(xué)品，并說明該危險(xiǎn)化學(xué)品的使用注意事項(xiàng)。如果出現(xiàn)過量取用，立即封鎖該用戶賬號(hào)，并且提示平臺(tái)監(jiān)管員，加大高校實(shí)驗(yàn)室對危險(xiǎn)化學(xué)品的安全監(jiān)管力度。

2.2 高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)部署在校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，設(shè)計(jì)采用MVVM（Model-View-View Model）

架構(gòu)模式，即將平臺(tái)前端頁面中的狀態(tài)和行為抽象化，把視圖UI和業(yè)務(wù)邏輯分開，更高效地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的采購、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用和處置等功

能。前端路線采用大前端技術(shù)，客戶端內(nèi)置瀏覽器，兼容各實(shí)驗(yàn)室的各種操作系統(tǒng)。服務(wù)器端采用分布式部署架構(gòu)模式，具有應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和備份服務(wù)器等。其中，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)前端的數(shù)據(jù)訪問和業(yè)務(wù)處理，實(shí)現(xiàn)接口的調(diào)用和返回；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和備份服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存與更新。

采用樹莓派開發(fā)板和稱重傳感器制作可以感應(yīng)質(zhì)量變化的壓力板，構(gòu)建危險(xiǎn)化學(xué)品存放柜，集成樹莓派集群和眾多稱重傳感器連接，對存放柜每個(gè)位置的危險(xiǎn)化學(xué)品進(jìn)行編號(hào)。通過Python腳本監(jiān)控稱重傳感器每個(gè)位置的重量變化，實(shí)時(shí)將危險(xiǎn)化學(xué)品質(zhì)量變化數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)監(jiān)管。同時(shí)，為使高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高性能跨院系處理高并發(fā)的業(yè)務(wù)功能，采用分層模型設(shè)計(jì)，即分為應(yīng)用服務(wù)層（SaaS）、平臺(tái)服務(wù)層（PaaS）、數(shù)據(jù)服務(wù)層（DaaS）和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層（IaaS），如圖1所示。

3 全生命周期監(jiān)管流程構(gòu)建

基于智慧校園的高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)以二維碼技術(shù)為切入點(diǎn)，構(gòu)建化學(xué)品一物一碼從入庫到注銷的全生命周期可追溯流程。高校實(shí)驗(yàn)室管理的重點(diǎn)是對實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品進(jìn)行監(jiān)管，系統(tǒng)引入密碼+人臉識(shí)別雙重認(rèn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫管理的安全升級。通過完善系統(tǒng)各實(shí)驗(yàn)室之間、各院系與管理人員之間的信息共享和交換功能，完善高校化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)員、院系管理員、校級管理員之間的交互關(guān)系，最終達(dá)到對實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的全過程監(jiān)控與管理，總體流程如圖2所示。

平臺(tái)主要使用者為實(shí)驗(yàn)員、院系管理員和校級管理員。高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品數(shù)量大、品種多，實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化的瓶頸是化學(xué)品信息的采集和入庫。利用掃碼槍掃描化學(xué)品上的條碼，只對初次入庫的化學(xué)品進(jìn)行詳細(xì)輸入，已錄入過的自動(dòng)彈出已保存的該化學(xué)品的詳細(xì)信息，提高錄入化學(xué)品的準(zhǔn)確率和效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)入庫管理的全面自動(dòng)化。對于重要危險(xiǎn)化學(xué)品的監(jiān)管，增加雙身份認(rèn)證機(jī)制，保證特殊危險(xiǎn)化學(xué)品由兩位實(shí)驗(yàn)員互相監(jiān)督，進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)管，提升危險(xiǎn)化學(xué)品管理的安全性，使實(shí)驗(yàn)室的管理制度更為嚴(yán)謹(jǐn)和完善。在整個(gè)監(jiān)管流程設(shè)計(jì)中，構(gòu)建一套完善的化學(xué)品采、存、用、銷管理管控辦法，校級管理員負(fù)責(zé)用戶管理、化學(xué)品管理、權(quán)限管理、審批管理等工作流程，如圖3所示。

4 高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)功能設(shè)計(jì)要滿足智慧校園的總體要求，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的需求可分為入庫管理、調(diào)配管理、查詢管理和系統(tǒng)管理等功能。實(shí)驗(yàn)員、院系管理員、校級管理員三種角色的使用功能權(quán)限不同。根據(jù)高?；瘜W(xué)類實(shí)驗(yàn)室的特征形成一整套科學(xué)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男滦凸芾砟Ｊ?，建立化學(xué)品開放、共享的高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)。該平臺(tái)總體功能如圖4所示。

4.1 化學(xué)品網(wǎng)上共享數(shù)據(jù)倉庫功能

由于高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品管理大部分沿用傳統(tǒng)的管理模式，沒有信息化、數(shù)字化的共享模式，各個(gè)院系之間存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。有些院系一些購而不用、重復(fù)購置的化學(xué)耗材利用率普遍偏低，并且化學(xué)品存在有效期的要求，購置后不用會(huì)導(dǎo)致過期現(xiàn)象。院系間的信息不對稱會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)信息孤島現(xiàn)象。為解決此問題，提出化學(xué)品網(wǎng)上共享虛擬數(shù)據(jù)倉庫功能，設(shè)計(jì)共享虛擬數(shù)據(jù)倉庫的基本框架和查詢方法?；瘜W(xué)品被初次分配到各院系分庫中，院系管理員可實(shí)時(shí)查看全校實(shí)驗(yàn)耗材的在庫數(shù)量，如發(fā)現(xiàn)急需化學(xué)品在其他分庫閑置時(shí)，可申請異庫調(diào)配至自己分庫使用，這樣可提高化學(xué)品的利用率，實(shí)現(xiàn)化學(xué)品及耗材的共享與利用，避免出現(xiàn)資源閑置與浪費(fèi)的現(xiàn)象。

4.2 化學(xué)品一物一碼全生命周期追溯碼功能

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和二維碼應(yīng)用的日漸普及，可利用二維碼進(jìn)行化學(xué)品管理，實(shí)現(xiàn)化學(xué)品從采購入庫到注銷處置全生命周期的一物一碼可追溯。采用標(biāo)簽打印機(jī)和掃碼槍設(shè)備，將化學(xué)品的追溯碼轉(zhuǎn)換成二維碼的形式，通過標(biāo)簽打印機(jī)打印標(biāo)簽貼在試劑瓶上，實(shí)驗(yàn)員可以利用手機(jī)或掃碼槍掃描試劑瓶上的二維碼對該化學(xué)品的全生命周期進(jìn)行追溯。追溯碼是由數(shù)字和字母組成的長度為21位的字符串，由入庫日期、調(diào)配庫位、隨機(jī)碼、調(diào)配批次四個(gè)部分構(gòu)成，如圖5所示。下面以唯一追溯碼2101270200359e2050007為例進(jìn)行說明。

第一部分：入庫日期碼210127代表該化學(xué)品入庫的日期，格式為YY/MM/DD。

第二部分：調(diào)配庫位碼0200代表當(dāng)前庫位和上一庫位，此例中02為當(dāng)前庫位，00標(biāo)識(shí)總庫（未分配），即可追溯該化學(xué)品是由總庫調(diào)配至02庫。

第三部分：隨機(jī)碼359e2代表26個(gè)英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字0～9隨機(jī)組合，同時(shí)結(jié)合入庫時(shí)間戳加密生成長度為5的SHA-1（安全散列算法1）的唯一隨機(jī)碼。

第四部分：調(diào)配批次碼050007代表該化學(xué)品的總數(shù)量和當(dāng)前批次中的第幾個(gè)，如050代表該批次的總數(shù)量，007代表該批次中的第七個(gè)。

5 結(jié)束語

本文通過分析當(dāng)前智慧校園背景下高校實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的實(shí)際情況，研究化學(xué)品監(jiān)管的必要性和現(xiàn)狀，構(gòu)建高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺(tái)，構(gòu)建一套科學(xué)、規(guī)范的化學(xué)品采、存、用、銷全生命周期管理流程體系。通過提出化學(xué)品網(wǎng)上共享虛擬數(shù)據(jù)倉庫，設(shè)計(jì)一物一碼的全周期追溯二維碼，實(shí)現(xiàn)對高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品，尤其是危險(xiǎn)化學(xué)品使用的全流程監(jiān)控，為實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行提供切實(shí)保障。

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003）。

作者簡介：鄭祿、胡晶晶，實(shí)驗(yàn)師；伍明，高級實(shí)驗(yàn)師。