物聯網視域下高校實驗室安全智能化管理研究

張衛明

(上海師范大學 旅游學院，上海 200234)

0 引言

隨著高等教育體制改革的持續深化，高校實驗室和實驗設備的數量及規模日益增長，進入實驗室開展實驗活動的人員大幅增加，使得實驗室安全管理的任務和難度顯著增大[1-2]。但實驗室的管理方式和管理效率沒有得到明顯提升，缺乏有效地實時監測管理，存在一定的安全漏洞和隱患[3-4]。當前社會已進入互聯網+時代，物聯網、無線傳感網(WSN)、移動互聯、大數據、云計算等信息技術不斷發展成熟[5]，如何運用此類智能化信息技術設計開發針對高校實驗室開放涉及的用水、用電、用氣安全，以及防火、防盜實時監測和管控，最大限度保障實驗室設備和實驗人員安全的智能化管理系統，提高高校實驗室安全管理水平，杜絕高校實驗室安全災害事故發生，是當前高校實驗室安全管理建設的重點研究方向。

1 高校實驗室安全智能化管理系統構思

高校實驗室承擔著大量的教學科研任務，實驗室安全與否直接關系到實驗室的正常運行。實驗室安全不僅僅是指其自身安全，還包括實驗室管理人員、實驗人員、實驗設備、實驗材料、實驗廢棄物的安全。實驗室安全管理的目標就是要保障構成實驗室的各要素以及開展實驗的各類相關人員的安全。目前來說，不少高校在實驗室安全管理上或多或少還存在著：各類人員安全意識和防范意識淡薄；實驗室缺少完備的安全教育體系；實驗室管理手段落后，管理效率低下等方面的實驗室安全管理薄弱環節[6-7]，迫切需要完善與當前高校教育事業安全穩定發展要求相匹配的實驗室安全管理體系，并需要在此基礎上構建與之相適應的高效的智能化的實驗室安全管理系統。

實驗室安全管理系統可以作為實驗室管理系統的一個組成部分，系統可通過大數據、物聯網等信息化技術挖掘來自高校數字化校園建設過程中建立的統一身份認證、統一通訊平臺、教務管理系統、人事管理系統、學工管理系統、基于RFID的資產設備管理系統、實驗室管理系統等不同管理功能的信息化管理系統[8-9]的有用數據，并和與之配套建立的RFID門禁系統、信息發布系統、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利用物聯網、智能傳感、RFID、移動終端APP[10]等信息化新技術協同工作，形成集成化的安全管理系統平臺，最終實現實驗室安全智能化管理。

2 構建實驗室安全智能化管理系統探索

用傳統方法對高校的實驗室安全進行管理時,主要還是依靠以實驗室管理人員為主體的人工安檢來確保實驗室的安全，實驗室的安全系數高低程度與管理人員的安全管理重視程度與細致程度密切相關。基于物聯網等信息化技術的實驗室管理系統的安全管理系統則完全減除了實驗室管理人員的工作強度，智能化的安全管理系統能夠24小時實時自動監測保障實驗室安全的各安全要素，當監測到異常情況發生時，系統自動啟動應急處置程序，確保實驗室以及實驗室包括實驗設備在內的實驗設施和開展實驗活動的實驗人員的安全。例如，一旦實驗室的環境條件如溫度、濕度、照明度、空氣等的采集值超出限定范圍，出現異常情況,系統便會在第一時間自動發出指令,通過控制安置在實驗室中的各種智能反應裝置,來解除相應的安全隱患。

基于物聯網等信息化技術的實驗室管理系統的安全管理系統以RFID射頻門禁系統為基石，門禁系統的主要任務是用來實時監測事物出入實驗室具體狀況，判斷出入事物的合法性和有效性，并按不同情況進行有序處理[11-12]。而安全管理系統就是利用 RFID、網絡攝像機、溫度、濕度等傳感設備對實驗室信息進行安全監測，利用 GPRS/WiFi無線網絡通信技術，通過統一的監控平臺實現對現場的實時監控。系統可以根據已經設定的事件規則來進行監測，實時監控包括對人員出入實驗室安全管理、儀器設備出入實驗室安全管理、實驗過程安全監控和對所有實驗室的環境要素和設備的工作狀態進行實時監控。

2.3 人員出入實驗室安全管理

實驗室是高校實現系統化教學過程不可缺少的一個重要教學場所，物聯網技術已滲透到實驗室的諸多應用和管理過程中。高校的實驗室除了實驗室管理人員和實驗技術人員會進入之外，往往有不少的師生乃至校外科研人員也不時的進入實驗室進行實驗操作。在實驗室開放時間，當有人員進入 RFID門禁系統時，固定安裝在實驗室出入口的RFID 閱讀器自動掃描人員RFID電子標簽身份卡信息，當閱讀器獲取進入人員的信息后，閱讀器會將數據發送到實驗室管理信息系統中,若與預約授權的系統數據信息相一致，那么該人員以合法身份被許可進入實驗室正式展開實驗,同時系統自動記錄實驗情況：使用人員、到達時間、使用的實驗設備等信息，并在實驗室管理人員管理終端上實時顯示此類信息，以便管理人員實時掌握實驗室人員情況并可隨時核對檢查。相反，若與預約授權的系統數據信息有出入，或者門禁系統讀取不到該人員的RFID電子標簽身份信息數據，但憑借輔助紅外感應技術裝置探測到人員進入實驗室時，系統會自動發出報警提示，第一時間發送消息(APP消息、微信、手機短信)通知實驗室管理人員該人員屬于非法進入，由管理人員采取相應的干預措施。整個過程由智能網絡監控系統的攝像機自動聚焦拍攝對象，進行視頻取證[13]。實驗人員結束實驗離開實驗室時，RFID 閱讀器再次自動掃描該人員RFID電子標簽身份卡信息并發送至實驗室管理信息系統，由該系統記錄該實驗人員的離開時間和設備使用時長等信息，同時更新管理人員管理終端上的實時數據信息。當實驗室處于關閉期間且已布防的情況下，若輔助紅外感應技術裝置探測到有人員進入實驗室時，系統會立即發出聲光告警信號，并第一時間啟動安防裝置通知學校保衛部門和公安部門，確保實驗室的安全，防止被盜事件的發生。人員出入實驗室安全管理，如圖1所示。

圖1 人員出入實驗室安全管理

2.2 儀器設備出入實驗室安全管理

在實驗儀器設備的全生命周期內，經常會由于實驗室功能變更，實驗室布局調整、儀器設備損壞維修、外借、外調等各種預知原因儀器設備會發生移入移出實驗室的情況發生，另外還有其它各種未知原因的儀器設備被改動位置，如被盜等。

實驗室RFID門禁系統探測發現攜帶有RFID電子標簽的儀器設備進入實驗室時，門禁系統自動把此RFID信息傳遞給實驗室管理系統，比對儀器設備數據，若不是該實驗室儀器設備，管理系統自動群發告警消息(APP消息、微信、手機短信)給原設備所處部門設備管理人員、資產設備管理系統管理員、當前實驗室管理員，由上述管理人員確認儀器設備準入行為，一旦確認，系統認為設備發生調撥變更，自動修改儀器設備RFID數據，完成設備調撥處理。而實驗室RFID門禁系統探測到有儀器設備搬出實驗室，實驗室管理系統立即發送告警消息給實驗室管理人員進行處置。在實驗室RFID門禁系統持續探測到設備有可能搬出大樓且管理人員未作出干預時，RFID門禁系統自動關閉樓宇大門并啟動聲光報警裝置。不管是儀器設備入還是出，實驗室RFID門禁系統會第一時間觸發啟動智能網絡監控系統的攝像機進行拍攝，以備后期查驗。設備出入實驗室安全管理，如圖2所示。

2.3 實驗過程監控管理

實驗室RFID門禁系統監測到實驗人員合法進入實驗室開展實驗時，借助智能攝像監控系統對實驗操作人員進行空間位置坐標定位，記錄實驗人員的操作過程。同時智能攝像監控系統對全景圖像進行不間斷的圖像記錄和分析，當實驗室內發生高頻次大范圍人員聚集走動等異常情況發生時，系統借助通訊系統自動向實驗室管理人員告警。利用聲音傳感裝置和光線傳感裝置，采集實驗室聲光數據，當有高分貝的連續聲響或光線異常變化超出設定的閾值時，系統即可判斷有異常情況發生，自動向實驗室管理人員發出告警，由管理人員查明事件發生原因，及時進行人工干預。實驗室實時監控數據存入預先構建好的數據庫中，包括實驗室的實驗情況、環境要素、設備工作狀態的數據以及故障處理日志。

圖2 設備出入實驗室安全管理

憑借智能攝像監控系統監控終端，實驗室主管部門可以利用實時方式或回放方式巡檢全校各實驗室運行情況，也可以重新配置監控系統參數，調整監控計劃。

2.4 實驗室環境要素智能管控

實驗室的環境條件是實驗正常展開的最重要的保證之一。實驗室環境要素管控包括用電安全管控、用氣安全管控、溫度濕度管控、消防安全管控等方面[14]。實驗室管理系統的安全管理子系統中需包含環境智能管控系統。

高校實驗室中大部分儀器設備是電氣類設備，若使用不當或用電線路存在缺陷，極易引起用電安全事故，甚至人身傷亡事故。所以安全用電是開展實驗活動的前提條件，絕不能掉以輕心。用電安全主要包括防觸電、防靜電、防電起火3個方面。在基于RFID的實驗室管理系統的安全管理子系統中可以利用電壓傳感器以及電流傳感器可以檢測到設備靜電的情況，如果設備積累的靜電過多，那么傳感器就會把相應的信息傳遞給系統，系統就會采取相應的措施。通過電壓傳感器和電流傳感器還可以檢測到線路中電壓和電流的狀況，如果發生了短路或漏電，那么系統就會關閉電源，并向管理人員報警，保證實驗室的用電安全。

我校多個實驗室配置不少數量的燃氣設備，使用的是管道天然氣，實驗室內鋪設有燃氣管道，用于燃氣設備。任何細微的燃氣泄漏，如不及時處理，極易發生爆燃事故。如何及時發現安全隱患，從而采取有效的措施，防止危險事故的發生，是此類實驗室重點關注的焦點問題。在基于RFID的實驗室管理系統中則可以通過氣體傳感器來監視管道燃氣是否泄漏、通過煙霧傳感器可以監控是否發生了火災。系統通過這些傳感器可以在第一時間發現意外事故，立即切斷電源并進行報警，通知管理人員和實驗人員及早采取應對措施。

電子類實驗室儀器設備對于溫度、濕度都有一定的工作范圍要求，超出限定值，發生設備故障的概率將會大幅提高，對環境溫度、濕度等要素實現智能管控是基于RFID的智能實驗室必備條件。通過實驗室內的溫度、濕度傳感器實時監測實驗室內的環境條件，當環境溫度高于或低于預設的限定值時，系統自動開啟空氣調節器；當濕度大于或小于限定值時，自動開啟除濕機除濕或加濕器加濕。當傳感器監測到一定的時間內溫度、濕度連續超出限定值時，開啟聲光報警，并且系統發送短信告警實驗室管理人員。實驗室環境要素智能管控，如圖3所示。

圖3 實驗室環境要素智能管控

3 實驗室安全教育信息平臺建設

保持實驗室的安全平穩運行，除了需要健全和完善實驗室安全管理措施和安全管理手段，提高實驗室安全管理信息化、智能化水平之外，對廣大開展實驗實踐活動的參與者和實驗室的管理者有必要開展知識全面、內容豐富、手段多樣的實驗室安全教育，使他們能夠全面掌握實驗室安全管理制度、實驗的正確操作流程、實驗設備的安全使用規范以及實驗室的安全逃生知識，提高實驗室安全防范和應變能力，將災害事故發生的概率降至最低，確保實驗室人身和財產安全。

數字化的實驗室安全教育平臺能夠為師生提供在線的、便捷的、交互式的自主學習平臺。該平臺針對實驗室安全制度教育、實驗操作流程教育、實驗設備使用教育以及安全逃生知識教育等方面的學習文獻資料進行數字信息化處理，采用包括文字、聲音、視頻等多種媒體展現形式，根據實驗室安全教育知識內容的不同，建立不同的媒體知識庫。開發基于Windows、ios、安卓等系統移動手機終端APP應用或微信公眾應用平臺，師生借助手機等移動終端可方便地閱讀、瀏覽這些電子文獻資料或視頻教程，自主學習實驗室安全知識，更迅捷地掌握實驗室安全知識。在實驗室安全教育信息平臺中可建設實驗室安全知識在線測試考核系統，在預先建立的實驗室安全知識試題庫中，系統可以隨機生成測試試題，并可自動完成答卷批閱，給出測試結果[15-16]。

4 總結

高校實驗室是培養高素質人才的必備條件，安全的實驗室是師生正常開展實驗活動的重要保證。改變傳統人工方式的實驗室安全管理模式，充分利用物聯網等現代信息技術來構建實驗室安全管理智能化系統，提高實驗室安全管理的自動化、信息化、智能化是高校實驗室安全管理的發展方向和必然趨勢。構建實驗室安全管理智能化系統，實現實驗室安全的智能化管理，不僅能夠提供安全有序的實驗環境，有效提升實驗室安全管理水平，更能夠保障實驗室財產和實驗人員的安全，為實現安全校園發揮積極作用。