基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的高校專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室信息化管理模式探討

韓君格， 王 超， 張社榮， 崔 溦， 王梟華

（天津大學(xué)a.資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處；b.建筑工程學(xué)院，天津300072）

0 引 言

高校實(shí)驗(yàn)室是凝聚高校人才培養(yǎng)、學(xué)科發(fā)展、學(xué)術(shù)尖端迸發(fā)的重要實(shí)踐場(chǎng)所，信息化管理是當(dāng)前高校對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行信息追蹤、溯源、監(jiān)管的普遍管理模式［1-2］。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室管理的信息化水平也在逐步提高，然而，對(duì)于諸多專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，由于環(huán)境要素要求高、全生命周期信息管控難度大、對(duì)專(zhuān)業(yè)老師依賴程度高等問(wèn)題，一直缺乏有效的信息化監(jiān)控和管理的手段。同時(shí)，高校實(shí)驗(yàn)室管理具有人員流動(dòng)性大，人財(cái)物高度集中等問(wèn)題［3］，傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的儀器管理都由相關(guān)專(zhuān)業(yè)老師負(fù)責(zé)，管理方法落后，效率較低，且會(huì)占用專(zhuān)業(yè)老師大量的科研時(shí)間，同時(shí)資產(chǎn)監(jiān)管部門(mén)的監(jiān)管也不可能及時(shí)，已經(jīng)不能滿足專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的使用和全面開(kāi)放共享的需求，如何最大化發(fā)揮專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的價(jià)值是專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要問(wèn)題［4-5］。

BIM+技術(shù)是指基于建筑信息模型的多種技術(shù)的融合技術(shù)。BIM+技術(shù)的核心是通過(guò)建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，提高信息化集成程度，提供一個(gè)信息交換和共享的平臺(tái)。BIM的核心是信息數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅僅包含建筑結(jié)構(gòu)物的幾何信息、專(zhuān)業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象，如空間、行為運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)信息。因此，這種集成技術(shù)可以應(yīng)用在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室包括專(zhuān)業(yè)儀器管理的全生命周期，進(jìn)行管理溯源的工作，同時(shí)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)是動(dòng)態(tài)變化的，在應(yīng)用過(guò)程中可以不斷更新信息和運(yùn)行狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過(guò)各種現(xiàn)代化信息技術(shù)，比如傳感設(shè)備、射頻識(shí)別等實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的全方位信息感知和信息采集，實(shí)現(xiàn)物與物、人與物、人與人之間的全面互聯(lián)通信，提升對(duì)物質(zhì)世界的感知能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生，將物理設(shè)備與信息數(shù)據(jù)完美地連接起來(lái)，并形成了一套快速有效的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)［6］。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在大型儀器的管理中進(jìn)行過(guò)許多探索和實(shí)踐，然而在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室和專(zhuān)業(yè)儀器管理中的應(yīng)用探索不多，BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將有效提升專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室信息化水平，保障相關(guān)科研教學(xué)工作順利開(kāi)展。

1 現(xiàn)存問(wèn)題

專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室及其大型儀器設(shè)備是高校大型儀器管理的重要組成部分。在當(dāng)今信息化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，高校實(shí)驗(yàn)室管理正在逐步加強(qiáng)現(xiàn)代化管理方法在實(shí)驗(yàn)室管理中的作用［7］。然而高校實(shí)驗(yàn)室管理總體上信息化水平不高、各個(gè)管理平臺(tái)無(wú)法打通、重復(fù)性工作多等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題依然存在［8］。

天津大學(xué)自2014年開(kāi)始逐步提出了借助信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)豐富實(shí)驗(yàn)室安全體系構(gòu)建的手段和理念［9-11］，同時(shí)提出了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理保障體系信息化建設(shè)的概念與目標(biāo)，通過(guò)機(jī)制創(chuàng)新、信息技術(shù)、政策支撐，整合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室資源，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室管理工作體制，全面實(shí)現(xiàn)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室資源的動(dòng)態(tài)化、信息化、系統(tǒng)化管理［12-15］。然而，在對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的管理過(guò)程中，仍然發(fā)現(xiàn)了諸多問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室管理與專(zhuān)業(yè)化要求仍存在一定差距。

（1）環(huán)境要素要求高。例如，新型材料養(yǎng)護(hù)室，需要根據(jù)材料成型的不同要求，滿足不同室溫條件和不同濕度條件；精密力學(xué)加載設(shè)備又對(duì)實(shí)驗(yàn)室中防塵、室溫的要求相對(duì)較高。同一空間內(nèi)，不同的實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境條件的要求各不相同，人工控制很難達(dá)到不同功能實(shí)驗(yàn)室的具體要求。如何將室溫、室內(nèi)濕度、空氣含塵量等具體的環(huán)境因素進(jìn)行智慧化感知，并根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)區(qū)的環(huán)境需求進(jìn)行調(diào)節(jié)反饋是一個(gè)難題。

（2）全生命周期信息管控難度大。專(zhuān)業(yè)儀器設(shè)備參數(shù)多，操作細(xì)節(jié)多難度大，在常規(guī)設(shè)備硬件信息化管理的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)備使用和操作方法進(jìn)行虛擬化仿真管理問(wèn)題。

（3）對(duì)專(zhuān)業(yè)老師依賴程度高。由于專(zhuān)業(yè)儀器的參數(shù)多，操作步驟多，給專(zhuān)業(yè)儀器的共享開(kāi)放帶來(lái)了難度，很多情況下，專(zhuān)業(yè)儀器的使用都要占用某一專(zhuān)業(yè)老師大量的時(shí)間和精力去投入指導(dǎo)操作，帶來(lái)了專(zhuān)業(yè)儀器使用效率低下等問(wèn)題。

2 基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的管理模式

基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的管理模式主要表現(xiàn)在兩個(gè)部分。①對(duì)實(shí)驗(yàn)室及其硬件的管理，②對(duì)專(zhuān)業(yè)儀器專(zhuān)業(yè)性和虛擬操作的管理。如圖1所示。

圖1 基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室管理模式構(gòu)建

（1）實(shí)驗(yàn)室水、電、油、設(shè)備等進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的感知改造和數(shù)據(jù)采集。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室管理的要求，主要包括用電量、用水量、用油量、用氣量、視頻、門(mén)禁等信息，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街醒敕?wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控。具體來(lái)說(shuō)：①

用電、用水、用氣儀表進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造，例如，考慮通過(guò)電表自帶的RS-485串口協(xié)議傳送至ZigBee模塊，ZigBee模塊傳輸距離不足的情況下，考慮串聯(lián)接續(xù)的方式。在數(shù)據(jù)終端，將數(shù)據(jù)編碼以符合電能表通信所需的波特率、校驗(yàn)碼、奇偶校驗(yàn)和數(shù)據(jù)位等。ZigBee協(xié)調(diào)器利用協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，將通信轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP協(xié)議格式，通過(guò)路由器進(jìn)入光纖環(huán)網(wǎng)。②對(duì)實(shí)驗(yàn)室安裝多方位視頻監(jiān)控，為管理人員提供視頻回放、動(dòng)態(tài)追蹤功能，對(duì)異常情況和安全事故進(jìn)行追查，同時(shí)基于圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別火警、煙霧警情等風(fēng)險(xiǎn)源報(bào)警功能，保障實(shí)驗(yàn)室安全。③門(mén)禁系統(tǒng)用于管理進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室人員的權(quán)限控制，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)源較大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所可以進(jìn)行人臉識(shí)別試點(diǎn)。

（2）采用先進(jìn)的BIM技術(shù)，重構(gòu)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室不同功能的資產(chǎn)。①采用BIM技術(shù)將專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息化，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的虛擬巡檢，同時(shí)在BIM信息模型上，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室水、電、油路的信息模型，將專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較為隱蔽的水電油氣管路通過(guò)信息模型表達(dá)顯示出來(lái)，用于應(yīng)急事故情況下緊急排查風(fēng)險(xiǎn)源；②采用BIM技術(shù)中的虛擬巡檢漫游技術(shù)，將運(yùn)行期內(nèi)重點(diǎn)管理部位進(jìn)行信息標(biāo)簽電子標(biāo)注，方便日常管理和資產(chǎn)處管理人員，在巡檢過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及處理意見(jiàn)，實(shí)時(shí)上傳問(wèn)題并將問(wèn)題顯示到信息模型上，同時(shí)結(jié)合不同程度的警情劃定，采用微信或者郵件的形式，將必要的警情信息第一時(shí)間發(fā)布傳遞給相關(guān)的管理人員，提高管理的實(shí)時(shí)化水平。③將專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中容易誤操作的關(guān)鍵操作步驟和風(fēng)險(xiǎn)較大的操作步驟采用4D虛擬仿真形式，結(jié)合進(jìn)入信息模型BIM中，開(kāi)放使用人員可以在進(jìn)行申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)之前先利用虛擬培訓(xùn)功能進(jìn)行學(xué)習(xí)，辨識(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)源，掌握實(shí)驗(yàn)操作和運(yùn)行注意事項(xiàng)，從而有效地利用BIM技術(shù)解決專(zhuān)業(yè)儀器的參數(shù)多、操作步驟多、占用專(zhuān)業(yè)教師精力的問(wèn)題。

3 主要特點(diǎn)及效果

基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的管理模式，研發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)業(yè)化設(shè)備管理平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)業(yè)化設(shè)備管理平臺(tái)

區(qū)別于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)管理模式，表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（1）先進(jìn)的BIM技術(shù)的應(yīng)用，能將專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室不同功能的實(shí)驗(yàn)裝置和水電氣等設(shè)施進(jìn)行重構(gòu)，形成虛擬信息模型。將專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較為隱蔽的水電油氣管路通過(guò)信息模型表達(dá)顯示出來(lái)，如圖3所示，用于應(yīng)急事故情況下緊急排查風(fēng)險(xiǎn)源。再在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的BIM模型上的顯示，有助于對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的維護(hù)檢修，也有利于設(shè)備升級(jí)改造時(shí)及時(shí)掌握各個(gè)管路的功能。

圖3 隱藏設(shè)備BIM可視化

（2）基于虛擬信息模型可以實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行期的虛擬巡檢，如圖4所示，通過(guò)虛擬巡檢確定日常巡檢潛在風(fēng)險(xiǎn)最大的位置及巡檢內(nèi)容，借助二維碼，數(shù)字標(biāo)簽，實(shí)時(shí)上傳問(wèn)題并將問(wèn)題顯示到虛擬巡檢平臺(tái)的信息模型上，同時(shí)結(jié)合不同程度的警情劃定，采用微信或者郵件的形式，將必要的警情信息第一時(shí)間發(fā)布傳遞給相關(guān)的管理人員。

圖4 虛擬巡檢功能

（3）圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)合智能安防的概念，將實(shí)驗(yàn)室全方位的視頻監(jiān)控信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)解析，識(shí)別對(duì)專(zhuān)業(yè)儀器影響較大的火警、煙霧等風(fēng)險(xiǎn)源報(bào)警功能，并在第一時(shí)間觸發(fā)緊急響應(yīng)機(jī)制，保障實(shí)驗(yàn)室安全。

（4）BIM+物聯(lián)網(wǎng)的虛實(shí)結(jié)合的特點(diǎn)。最終將與試驗(yàn)息息相關(guān)的環(huán)境變量（溫度、濕度等）、用電量、用水量、用油量、用氣量、視頻、門(mén)禁等物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知的信息，如圖5所示，視頻圖像識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)源信息與警情，與虛擬的實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備全生命周期信息聯(lián)動(dòng)耦合。達(dá)到基于虛擬設(shè)備信息模型進(jìn)行專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室和專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備全生命周期監(jiān)管的目的。

圖5 環(huán)境要素監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)顯示功能

4 結(jié) 語(yǔ)

基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的信息化管理模式，充分發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室硬件安全管理和BIM+技術(shù)對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室潛在專(zhuān)業(yè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的管理，通過(guò)搭建水電氣泄漏預(yù)警平臺(tái)、煙霧火情圖像識(shí)別警情預(yù)警平臺(tái)、人員進(jìn)出預(yù)警平臺(tái)、專(zhuān)業(yè)儀器開(kāi)關(guān)預(yù)警平臺(tái)、線路老化潛在風(fēng)險(xiǎn)平臺(tái)、智能巡檢警情預(yù)警平臺(tái)和專(zhuān)業(yè)儀器操作虛擬仿真平臺(tái)，一定程度上克服了傳統(tǒng)大型專(zhuān)業(yè)儀器實(shí)驗(yàn)室因?qū)I(yè)限制造成的精細(xì)化管理的困難，規(guī)范了高校專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理水平，提高了大型儀器實(shí)驗(yàn)室的安全性；降低了專(zhuān)業(yè)儀器室管理對(duì)專(zhuān)業(yè)老師的依賴性，提高了專(zhuān)業(yè)儀器開(kāi)放的效率；各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集為大型儀器平臺(tái)整體規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)為構(gòu)建高水平的高校專(zhuān)業(yè)大型實(shí)驗(yàn)儀器共享平臺(tái)的管理模式和管理機(jī)制提供了新的思路。