智能監測技術在高校實驗室安全管理中應用

孫淑強, 張 樂, 周 磊, 樊 冰, 林海旦

(杭州電子科技大學 a.學校辦公室，b.自動化學院，c.電子信息學院，d.國有資產與實驗室管理處，杭州 310018)

0 引 言

高校實驗室是實施創新人才培養、科學研究和社會服務的重要場所，是體現學校教學科研水平，展示學校辦學實力的重要標志。高校實驗室的安全工作關系到教學科研工作的順利進行，更與廣大師生員工的身心健康息息相關，是和諧校園建設的重要前提之一[1]，因此一直倍受重視。近年來，隨著我國對高等教育的投入不斷加大，高校各類教學科研實驗室無論從規模還是質量上都有了大幅提高，同時實驗室安全管理工作也面臨著更大的挑戰和更高的要求[2]。盡管目前我國高校實驗室安全管理理念和制度建設越來越完善，但安全事故卻仍時有發生，據相關數據顯示：理工科院校實驗室中的事故統計中，由火災、爆炸、灼傷等引起的事故占43.4%，其中因實驗室照明、電器、精密設備、大型儀器的長期運轉或隱藏故障而造成的事故占35.2%[3-6]。其原因主要包括違規操作設備，供電線路年久失修老化；設備電弧或火花；亂接電器長時間運行以及設備隱藏故障未及時發現排除等[7-8]。這些問題僅靠制度約束、日常巡查、準入培訓和常規的信息化手段是很難完全做到及時發現并實時處理的。因此，借助新的科技手段排除“制度+人防”的漏點，成為除管理理念和制度化建設之外的重要輔助手段。基于此，我校電子信息學院實驗室利用物聯網、大數據等新一代信息化技術，針對前述安防難點，自主研發了智能監測系統，以先進的機防手段輔助傳統的人防模式，用于實驗室用電和環境安全的監測。

1 國內外高校安全管理現狀

由于高校是人員分布密集的場所，同時也是知識產出人才培養的重要基地，因此全世界高校均十分重視其安全管理。美國是一個教育管理體系相對完善的國家，其高校安全工作由專門的機構負責，以麻省理工大學為例，學校的安全管理組織為Environmental Health and Safety(EHS),校級機構從各類安全到員工健康都有細致的分工，且學院研究機構等基層單位都配備相應聯絡人和監督人，其系統細致嚴謹整體性好，行動能力強、響應快[9]。與其類似，澳大利亞維多利亞州的迪肯大學(Deakin University)，為保證教學實驗安全進行設立校級的職業健康與安全部、設備管理服務部、信息技術部，分別負責健康安全管理、設備消防安全、IT系統安全工作，并由教職員工共同推選安全代表協助進行實驗室危害和風險管理，開展事故調查和提交危險報告[10]。而英國的牛津大學則非常重視實驗室安全檢查工作的可行性，強調檢查條款的量化依據，檢查人員的專業性，以及檢查之后的整改效果復查和資料歸檔[11]。國內高校的安全管理體系也越來越完善可行，不少高校設立一到兩個專門的管理部門負責全校實驗室的安全運行管理，并設立了嚴格系統的安全準入制，由學校或校院兩級推行，或校院實驗室三級推行準入工作[12]。這些都為實驗室安全管理工作提供了強有力的制度和人員保障。但這些管理模式基本上存在共同的不足：人力成本高，應急處理時溝通及分析判斷效率低，制度可行性的制約，技術手段以傳統的門禁安防系統為主，缺少針對性的技術手段。

2 我校實驗室安全管理情況

我校一直重視實驗室安全管理工作，學校設有校級安全工作委員會，國有資產與實驗室管理處(其實驗室安全管理科、儀器管理科專門負責全校安全制度的制定和教學實驗設備和場地的安全管理)，重視實驗室制度和安全文化建設[13]，學院由主管院長作為第一安全責任人，各教學科研實驗室設立具體安全責任人，逐層推進落實，每年簽訂安全責任書。并定期組織專家對實驗室安全工作狀況進行檢查、反饋和整改。但由于這些落實過程存在人防漏點，因此仍然存在下面一些不理想的狀況：

2.1 人員流動性大，違章使用及違規操作難以杜絕

由于設備種類多，人員流動性大，且獨立研究的時間隨意性強，對安全管理形成一定的挑戰。雖然學校明令禁止在實驗室內使用違章電器進行取暖、燒飯燒水等活動；禁止長時間連續使用充電電器；禁止違規操作設備。但由于學生安全隱患意識淡薄以及防范設施不足，仍然有不少學生為圖方便，在實驗室私自拉線使用電水壺、電風扇甚至其他劣質電器；手機、充電寶、充電電瓶長時間充電；更有研究生在獨立進行試驗或測試時，不認真按照操作流程處理實驗，在測試人員離開的時候不按要求暫停或中斷測試流程，任由實驗設備在無人值守情況下通宵運行等情況，一旦發生意外，后果不堪設想。

2.2 線路老化及故障電弧潛在風險

由于建筑內鋪設線路的老化，對暗線檢查不到位，會造成偶發失控事件，同時電器設備故障產生的電弧是引起火災重大原因之一。這是由于直流供電系統中接線端子由于機械振動等原因容易松動，進而在回路中產生串聯直流電弧[14]。由于串聯直流電弧電流不存在過零點而無法被繼電器檢測到，空氣開關無法切斷故障電流，直流電弧持續燃燒可能引燃周圍易燃物質從而引起火災、爆炸等事故，而且這種故障電弧引起的電流波動相對較小，隱蔽性高，一般無法依靠傳統的負載保護裝置進行偵測和保護[15-16]。隨著室內用電器的種類和數量的大幅增加，這種故障電弧出現的概率也大大增加，構成重大安全隱患。

2.3 室內環境安全隱患

室內長期存在環境隱患將對人體產生不可逆的損害，如：空氣污染、有毒有害氣體、噪聲污染等，都會嚴重影響工作人員的健康。學校實驗室內既有大量電子設備、機械裝備，也可能有實驗試劑、實驗材料，以及實驗過程中產生的電磁波或化學輻射等，造成室內環境不如人意，因此除了把好源頭關，嚴格規范操作流程外，對于室內環境的日常監測也變得越來越重要，目前對于室內環境的監測通常集成于如空氣凈化機等某種電器設備上，無法進行長期數據監控分析和網絡化管理，特別是對于實驗殘留、噪音源等現象，存在著監控難、取證難、排除難等諸多困難。就無法對環境情況有清楚地了解，更加無法進一步有的放矢地改進。

3 智能監測系統介紹

針對上述不理想狀況，為更好地實現實驗室用電和環境安全的精細化管理，利用學校電子信息特色優勢，自主研發了智能監控系統，簡述如下。

3.1 系統結構

系統集成了用電器識別、故障電弧檢測、環境監測多種功能，實現電氣安全和環境監控，其基本架構如圖1。該系統能夠準確識別接入的電器，并偵測故障電弧的發生，同時提供了室內溫度、濕度、PM2.5、噪聲等主要環境參數的監測功能。監測區域的用電和室內環境數據都通過互聯網實時傳輸至服務器，用戶可以通過電腦瀏覽器或手機APP隨時遠程查看這些數據。

圖1 智能監控系統架構

3.2 監控系統功能

(1) 用電安全監控。系統能夠對已經存貯的用電器通過特征匹配，進行智能識別，并用控制電路對識別出的違規電器、以及長時間持續使用的電器進行監控和提醒。能夠對電路中的電弧進行實時監測，如果產生故障電弧，會自動切斷電源，防止因電弧而引起的火災隱患。針對實驗室新進電器設備或者特殊用電器，提供新電器注冊功能，如果未進行注冊，強行使用該電器，系統將發出警告并斷電處理。

(2) 環境監測。系統采用高靈敏度溫濕度傳感器，提供實時、準確的室內溫濕度監測數據。有助于用戶隨時關注室內溫濕度，防止室內溫濕度異常影響身心健康。PM2.5指數近年來備受關注，系統提供準確、可靠的PM2.5指數參數。對預防室內粉塵污染、保持人體呼吸道健康有重要的量化警示作用。除此之外，系統提供了區域環境噪聲檢測功能，能夠在不泄露用戶隱私的前提下對室內噪聲強度、噪聲持續時間等噪聲污染進行智能分析。

(3) 節能管理。能夠監控室內用電器接入使用情況，通過對用電行為的精細化監控，達到節能管理的目的。不但可以隨時查看每個用電器的用電量；還可對用電量超限的情況進行提醒以及進行無人斷電提醒。

(4) 集成智能終端、遠程監控及數據分析。以智能路由器作為數據采集的多功能接入網關，實現監測區域復雜信息的實時采集終端。整合大數據分析、云計算等技術，綜合分析用電安全、環境安全等信息。通過網絡將監測數據實時傳輸至服務器，用戶通過電腦瀏覽器或手機APP即可查看室內實時監控數據及其歷史數據。

4 核心技術與創新點

系統創新點在于將神經網絡和模式識別技術與用電器網絡結合，對不同設備電流和功率特征信息進行分類檢測，達到準確識別的目的，進而實現網絡集成，完成對各類數據的融合分析，給管理者提供量化直觀的分析數據，涉及的核心技術如下：①用電器智能識別算法——設計基于子空間模式識別和神經網絡的智能算法，通過對電流波形及功率的分析，實現用電器類型的準確識別。 ②故障電弧智能識別算法——設計基于AR模型、模糊邏輯的多信息融合算法，實現多種故障電弧的偵測識別。③智能終端設計——設計智能數據采集終端，可同時采集電氣信息和環境傳感信息，并進行預處理和數據上傳，接受上位機指令，進行電氣保護裝置控制和藍牙控制。

面向大數據應用的監控平臺——設計網絡數據監控平臺，能夠對多用戶進行長期數據跟蹤分析、用電行為分析、節能管理、環境監測等功能。

5 系統實施情況及成效

該系統研發測試成功后，即在杭州電子科技大學電子信息學院布點試行。系統安裝現場見圖2；系統管理監控界面見圖3。

圖2 系統安裝現場

圖3 系統管理監控界面

系統至今已運行大約2年，具有較強的穩定性和魯棒性。能夠對監測區域的用戶使用電器情況有效識別，對主要環境指標進行量化反饋。管理員可通過本系統，清晰地掌握監控區域內所用電器的類別、能耗、運行時間等情況，一旦有異常使用情況，系統能準確鎖定危險用電行為的具體電器，并向管理員發出警示信息，還能夠對區域環境指標進行分析。

運行期內，監控區域未發生過一例用電安全事故，系統提示充電器長期持續工作及不符合注冊電器類別的危險電器使用等違例事件十幾次，管理員依據系統提示及時排除隱患，對違規使用者依照管理制度進行懲戒處理。為區域內用電和環境安全提供了有效保障，成為協助人防推進安全管理制度落地的一大利器，真正做到了防患于未然。

本系統已申請發明專利，并擁有軟件著作權，獲得了第二屆中電科“熠星”創新創意大賽特等獎。根據目前試用運行情況，產品性能穩定，運行效果較好，特別適用于學校實驗室等人員密集且流動頻繁的場所。

6 結 語

高校是一個人員分布密集，科研成果和人才培養成果輸出密度大的特殊場所，高校實驗室更是知識驗證、探索創新的平臺，實驗室安全智能監控系統將神經網絡和模式識別等技術應用于實驗室用電器識別和環境安全監測，有效彌補了原有管理制度體系的不足，是實驗室安全管理的有效輔助，值得在更廣范圍內推廣。