高校實驗室設備智能化管理模式探析

張衛明，　王紅梅

(上海旅游高等專科學校 設備處,上海 201418)

0　引　言

近年來，隨著高等教育體制改革的不斷深化以及信息化新技術的不斷創新發展，全國高校掀起信息化校園建設[1]的熱潮，高校實驗室在這股熱潮中得以迅速壯大。同時在應用型人才培養模式的思想指導下，諸多高校進一步提升了實驗室建設投資，配置大量實驗室設備，用以滿足開展實驗教學的需要。加強實驗室和實驗設備管理，拓展管理手段，提高管理水平，使實驗室成為科學研究、學科發展、培育合格人才的一個非常重要的基石和搖籃。

伴隨著互聯網+時代的到來，物聯網[2-3]等具有智能化的信息技術不斷發展成熟，如何運用此類智能化信息技術加強實驗室設備的技術管理和經濟管理，提高實驗室設備的利用率與共享率，形成實驗室設備科學化、智能化的管理模式和運行機制，充分發揮實驗室設備在教學與科研工作中的重要作用，以適應當前新時期高等教育的工作任務，是當前高校實驗室設備管理[4]的研究重點。

1　高校實驗室設備管理現狀和存在的問題

高水平實驗室是科技創新的發源地[3], 實驗室設備的裝備數量和配置水平是一所大學開展科技創新能力培養的基礎。當前高校實驗室建設得到快速發展的同時，實驗室設備管理水平卻未能與之獲得相應的提升，還存在著各種各樣的問題。

(1) 管理制度不全，缺少約束機制。不少高校在實驗室設備管理中由于管理制度不健全[3-6]容易造成設備的使用與管理脫節，對設備管理者與使用者缺少必要的制度約束，設備使用者由于操作不當或操作不規范人為造成設備的故障或損壞沒有任何責任壓力，嚴重影響著實驗設備的使用壽命。

(2) 實驗設備配置缺乏科學論證，共享程度低。目前高校實驗室擁有大量的公共機房、多媒體教室、語言語音室、各院系的專業實驗室，實驗室設備的需求量較大，但由于實驗室各自的隸屬關系不同而基本處于獨立運行狀態，各部門在購置實驗設備過程中，主要是考慮本單位甚至課題組的需要，部門之間缺乏相互溝通，設備的購置論證不夠充分，購置的設備大部分在本部門實驗室內部使用，設備利用率低[7]，造成資源的極大浪費，尤其大型儀器設備的重復購置，開放共享程度不夠[3,6-7]，不僅占用實驗室空間，還造成經濟上的浪費。

(3) 管理手段落后，管理效率差。高校的設備管理仍采用較落后的傳統的手工管理方式，沒有應用實驗室設備管理系統，實驗室管理人員采用條碼標簽或者設備卡片等傳統手段進行實驗設備的入庫、保修、調撥[2]等工作，甚至各種數據的統計還需人工計算，效率很低，還易出錯。還有一些高校在數字化校園建設中已建立了實驗室管理系統，但是各高校引入的此類系統側重于各實驗室排課、調度、運行等傳統管理功能，對于實驗室中的實驗設備未能增加相應的智能化管理模塊，未能做到實驗設備在其生命周期[8-9]的使用、保養、維護等方面數字化、精細化、智能化的有效管理。這些管理方法與手段不僅管理效率低下，而且在設備管理的時效性上是滯后的，無法實時反映實驗設備工作狀態。

(4) 管理人員專業技能不夠和管理能力不強。近年來隨著高校實驗室數量劇增，實驗室管理人員需求呈逐年上升趨勢，但各大院校對實驗室管理要求及管理理念比較滯后，對于實驗室管理人員和技術人員的培養不予重視，專業知識及專業技能跟不上實驗設備的快速發展，實驗室管理人員對實驗設備疏于管理和缺乏設備維護保養技能，導致設備故障率高、利用效率低，嚴重影響了實驗教學質量的提高。

2　實現實驗室設備智能化管理方案探索

高校在數字化校園建設過程中都建立起了統一身份認證、統一通信平臺、教務、人事、學工、基于RFID的資產設備、實驗室管理等不同管理功能的信息化管理系統[10-11]，這些系統之間的數據沒有被充分挖掘實現共享和再利用，基本都是信息孤島，無法實現實驗室和實驗設備的精細化、智能化管理。本方案研究的是在以上各類管理系統的基礎上利用大數據、物聯網、智能傳感、RFID、二維碼、移動終端APP[12]等信息化新技術充分挖掘利用各系統的相關數據實現實驗室和實驗室設備的智能化管理。如：實驗室智能化管理系統中的實驗設備數據來源于資產設備管理系統；實驗設備使用者數據來源于人事管理系統和學工系統等。

實現實驗室設備智能化管理系統(包括實驗室設備管理、在線預約、實驗人員管理、實驗原料與耗材等管理子系統)、實驗室信息發布系統、RFID門禁系統、智能電源管理系統、智能網絡監控系統、環境智能管控系統等一系列不同功能的軟硬件系統，這些系統構成了一個有機的整體，通過系統間數據的傳遞與交換，實現實驗設備在日常管理、使用、維護等各方面的智能化管理。數據共享處理示意圖見圖1。

圖1數據共享處理示意圖

2.1　實驗室設備日常管理

實驗室設備管理子系統的基礎設備數據來源于基于RFID和二維碼的資產設備管理系統，在系統運行過程中，兩系統間信息進行實時通信，動態進行實驗設備數據的更新和維護。實驗室設備日常管理涉及實驗設備入庫管理、實驗設備在庫信息管理、實驗設備出庫管理等方面。

(1) 實驗設備入庫管理。實驗設備購置到貨后，首先要辦理設備入庫手續，分配唯一設備編號，制作二維碼標簽，二維碼信息為設備編號，同時分配RFID電子標簽[13]，在該設備醒目位置粘貼以上兩種標簽。通過RFID閱讀器(Reader)采集 RFID電子標簽信息并關聯于此設備，并將該設備條目數據編輯存儲于基于RFID的資產設備管理系統，設備同時分派給相關實驗室，資產設備管理系統向實驗室管理人員發送短信通知并通過移動APP應用，推送該設備入庫信息給實驗室管理人員，在管理人員確認設備入庫操作后，完成設備入庫手續。同時，該設備數據自動傳送至實驗室設備管理子系統。設備入庫管理，如圖2所示。

圖2　實驗室設備入庫管理

(2) 實驗設備在庫信息管理。實驗設備在庫管理包括設備調入、調出、出借、歸還、盤點等其他設備日常運行變更事務處理。

設備盤點是設備在庫管理的重要環節。設備管理部門通過RFID設備管理系統按區塊設置盤點任務及需盤點設備，制定盤點計劃。①盤點人員利用手持式RFID閱讀器按盤點計劃和任務實地進行盤點，并通過無線網絡將盤點數據傳送到資產設備管理系統；②實驗室管理人員(設備管理人員)利用移動終端APP或微信公眾平臺掃描設備二維碼標簽，校對設備信息，設備保管人和安置地點等與實際不符，可及時予以修改。同時，對實驗室設備管理子系統中該實驗設備數據同時更新。資產設備管理系統自動進行設備盤點數據分析處理，生成設備盤點情況表，對異常設備情況按不同類型給予標注，便于設備管理部門和管理人員后期進行處置。設備盤點管理，如圖3所示。

(3) 實驗設備出庫管理。設備管理部門在實驗室設備需要調出時，通過資產設備管理系統生成設備電子調撥單，該調撥信息由資產設備管理系統推送至實驗室管理員，在實驗室管理員對調撥信息予以確認后即完成設備調撥處理并更改資產設備管理系統和實驗室設備管理子系統中設備信息。

圖3實驗室設備在庫管理

在上述3個業務管理過程中，通過RFID資產設備管理系統、RFID設備標簽、二維碼標簽和標簽識別與采集裝置、以及移動應用系統協同處理，來進行實驗室設備的日常管理。RFID電子標簽與二維碼標簽作為設備信息識別與采集的依據，為設備的出入庫與盤點管理提供了數據支持，保證了系統數據處理的實時性和有效性。而手持式RFID閱讀器和手機等移動數據采集器保證了設備數據的有效更新。

基于 RFID 和二維碼的實驗室設備管理子系統的實驗設備基礎數據以RFID設備管理系統數據為基準進行聯動，保證設備數據在各系統內的準確性和有效性。系統可以方便的對設備進行分類、編號、登記；以及可以記錄實驗設備的使用、管理、保管和維護狀況；也可以對實驗設備的出錯、轉讓、調撥和報廢等情況進行跟蹤等。

2.2　實驗室設備使用管理

高校實驗室既是實驗教學的主要基地，也是學校科研和技術服務的主要場所。其中實驗設備是實驗室的主要支柱，是實驗室的核心組成部分，實驗設備使用效率的發揮是實驗室建設成敗的關鍵，并且實驗設備使用也是實驗任務的組成部分。因此，實驗設備使用的信息化是實驗教學與管理信息化的核心之一，實驗室建設的重點應是實驗室設備管理和使用的信息化。

(1) 實驗設備技術文檔資料信息化。實驗設備是保證師生和實驗人員開展實驗活動的先決條件，關系到實驗能否正常進行，甚至關系到實驗的成敗。

實驗人員未經學習實驗設備操作方法和步驟等知識而直接使用，勢必會提升設備發生故障率。為了能夠保持實驗室設備較高的完好率，實驗人員應當了解設備的操作方法、操作步驟、使用要求等信息。傳統獲得設備使用知識的方法通常通過書面材料或者教師口授，效率低下，學生不能主動自主地學習設備使用知識。為此，可以引入實驗設備使用的信息化學習平臺。

對實驗設備的使用說明書、操作方法、使用步驟等文獻資料進行數字信息化處理，建立統一的實驗設備使用知識資料數據庫[14]。對于精密實驗設備專門制作設備使用的數字視頻資料，建立視頻資料庫，并在虛擬實驗設備上進行模擬練習。開發基于Windows、ios、安卓等系統移動手機終端APP應用或微信公眾平臺，實驗人員可通過這些應用，掃描實驗設備二維碼標簽，即時獲取相關設備使用的電子文獻資料或視頻教程，進行自助學習，使實驗人員在未操作設備前先掌握實驗設備基本操作方法，即有助于實驗人員正常開展實驗，又可保證實驗設備的完好率。

(2) 實驗室設備運行智能化管理。建立實驗室管理系統在線預約子系統[15]。對于課表內實驗室實踐課程，由預約系統自動從教務管理系統課表子系統中抽取挖掘實驗室排課信息，完成相關實驗室和實驗設備預約。預約系統自動分配相應權限給授課老師，授課老師可通過網上或APP應用修改預約信息。其他臨時編排實驗課程或調換課，授課老師可通過網上或APP應用或微信公眾平臺實現預約。為進一步滿足師生和科研人員使用實驗室設備開展實驗實踐活動以及學生自主學習的需求，提高實驗設備的使用效率，需要建立開放共享的實驗室。開放共享實驗室和實驗設備在滿足計劃內的實驗教學任務外，空余時間學生和其他教學科研人員可通過網絡和移動客戶端實現在線預約。預約對象除了實驗室外，也可預約實驗室中某一實驗設備，預約成功方可獲得實驗設備使用資格權限。實驗室和實驗室設備預約管理，如圖4所示。

圖4　實驗室和實驗室設備預約管理

實驗室和實驗設備預約信息可通過系統間的數據傳遞和轉換可被其他信息化系統加以利用。在學校門戶相關網頁滾動發布學校各實驗室實驗設備的預約信息，便于教師和學生查閱。預約信息也可通過電子廣告屏系統，在各實驗室廣告屏顯示該實驗室預約信息。

教師和學生等實驗人員必須攜帶RFID電子標簽身份卡片，無需刷卡，由基于RFID物聯網技術的門禁系統(RFID出入場管理系統)校對身份信息，只有事先預約成功的人員，方可準許進入實驗室，使用預定的實驗設備開展實驗活動。對于大型、精密實驗設備引入智能電源管理系統，并與實驗室管理系統聯動，由智能識別終端和電源控制器接通所預約的實驗設備的電源。整個過程無需人工干預，由系統自動完成業務流程。實驗設備的使用信息此時被存儲起來，用于后期實驗設備使用情況的統計分析和管理決策。入場管理流程圖，如圖5所示。

圖5入場管理流程圖

實驗人員完成實驗任務，離開實驗室，當RFID門禁系統在監測到已無人員在實驗室內，RFID門禁系統把此消息數據傳遞給實驗室管理系統，實驗室管理系統查詢實驗室預約情況，若后續一段基準時間內無預約，實驗室管理系統自動協調智能電源管理系統按照預先設計配置方案，切斷空調、實驗設備、部分照明等電源，系統同時請求統一通信平臺發送消息給實驗室管理人員，提醒管理人員做好后續工作。實驗室和實驗設備運行管理，如圖6所示。

圖6實驗室和實驗設備運行管理

(3) 實驗室實驗設備運行維護信息化管理。實驗室實驗設備在其全生命周期，受到使用環境、頻率、操作方式等因素的影響，不可避免會發生各種無法預知的設備異常情況，乃至嚴重故障發生。設備全生命周期按階段劃分包括3個階段，即前期管理、運行維護、改造更新報廢管理。實驗人員的實驗活動主要在實驗設備運行階段進行，實驗過程追求高質量、零缺陷，因此對實驗設備運行維護管理階段提出了更高的要求，即保證實驗設備高效、高可靠性、穩定運行。從而維持實驗設備運行具有較高的可靠性，保障實驗人員正常開展教學科研實踐活動，實驗設備全生命周期內的運行維護管理階段顯得特別重要。實驗室設備管理子系統中必然需要實驗設備運行維護信息化管理模塊。

實驗設備運行維護管理模塊借助RFID射頻識別系統或二維碼移動終端應用,實現在線或移動終端APP報修，并且可以將實驗設備的每一次維護保養信息作為設備運行檔案記錄在系統數據庫中。管理人員只要通過手持閱讀器便可十分方便獲取該實驗設備的基本信息和維修保養信息,也可隨時通過實驗室設備管理子系統對各信息進行適時更新管理。并且可以建立實驗設備備件、配件信息數據庫，管理備件的使用情況，并且與被維護保養的設備進行關聯，可以隨時方便地統計某一實驗設備的維護保養費用等信息。

規范的維護保養對于實驗設備的可持續運轉至關重要。傳統的維護保養往往由實驗室管理人員自己掌握,常常出現時間的盲目性和維護人員的隨意性。由設備運行維護管理模塊管理后,管理人員可以根據系統管理數據，分析實驗設備的使用頻率以及過去設備的故障率,通過計算預測出可能出故障的時間節點,管理模塊可定期定時提醒和要求相應的實驗室管理人員安排對相關實驗設備進行維護保養,并及時將維護保養信息錄入系統中存儲,這樣,既可以避免維護保養工作的疏漏,又可以使管理人員對相應的實驗設備的維護保養工作負責到底。

設備運行維護信息化管理模塊能夠自動分析實驗設備維護保養數據，判斷實驗設備維護保養價值，用價值來驅動維護維修管理(VDM)，對于維護維修價值過高的實驗設備給出報廢更新建議。

3　智能數據分析與決策

上級主管部門和教育部每年都要求高校上報實驗室和實驗室設備基本信息數據，包括實驗設備詳細數據，實驗設備的更新數據，實驗設備的使用數據以及實驗設備運行維護費用等各類數據。不少高校在上報以上數據時，因沒有功能完善的實驗室信息化管理系統，大多采用人工計算，得到粗略的統計數據，這樣無法保證上報數據的準確性，對上級部門在制定政策、資源配置和各高校自身在實驗室建設和實驗設備配置更新等方面無法提供有效的決策依據[16]。

實驗室管理系統在管理過程中記錄了學生等實驗人員全面的實驗信息，實驗設備的使用信息，以及實驗室環境要素的狀態信息。系統可以通過多維度地分析統計這些數據信息，給出不同維度的統計報表和分析報告，作為實驗室管理中有效的決策依據。

智能化的實驗室管理系統和實驗室設備管理子系統可以通過統計實驗設備的預約和使用情況，統計各實驗設備的需求量和使用量，作為實驗設備配置、更新和維護保養周期設定的依據。自動統計分析設備維修保養數據，比較設備價值和維修保養費用，判斷設備的維修價值，給出設備的處置建議。

4　結　語

實驗室是高校開展教學和科研的重要場所，實驗室設備是實驗室的核心部分，改變原有傳統的實驗室設備管理方式，提高設備管理的自動化、信息化、智能化是現代高校實驗室建設的必然趨勢。實現實驗室設備的智能化管理不僅可有效地提升實驗室管理水平，更能夠確保實驗人員正常開展教學科研實驗活動，充分發揮實驗室設備在教學與科研工作中的重要作用，以滿足當前信息化時代高校培養合格人才的需求。

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