基于智慧實驗室的高校實驗室信息化建設與探究

嚴瑞 莊志洪

南京理工大學 國有資產與實驗室管理處 江蘇 南京 210094

1 高校實驗室信息化現狀

得益于全球信息技術水平飛速提升，國內外高校教學、科研信息化能力取得了長足進步，提高實驗室信息化管理手段、推進建設實驗室信息化管理體系已是大勢所趨。歐美、新加坡等發達國家的高校實驗室信息化建設起步較早，管理技術先進、設施配套齊全、管理效能領先。美國麻省理工學院較早建立了EHS（環保、健康、安全三位一體）實驗室管理體系，并構建了集設備管理、氣體監測、消防報警、危險廢物存放回收等功能于一體的實驗室信息化管理系統[1]；英國利茲大學建立了包括各級安全負責人名單、管轄范圍和聯系方式，各實驗室安全手冊和培訓教材，危險品、危險設備的信息填報和管理系統，實驗室設備和人員登記授權使用系統，重點區域的監控監測，巡查記錄和事故通報等的安全管理系統；新加坡南洋理工大學建立了具備可視化分級培訓考核、危險品全流程閉環管理等功能的實驗室管理系統[2]；日本東京大學設有環境安全本部、保健健康推進本部和實驗委員會，并建設了功能較為先進的實驗室信息化管理系統[3]。

相比之下，國內高校實驗室信息化建設起步較晚，信息化技術利用程度不高，清華大學在實驗室安全教育與考試、危化品全生命周期管理、安全監控與報警等方面建立了信息化系統；北京大學依托信息化技術對儀器設備實行全程監管，建立試劑管理平臺，實現對試劑管理的全面監控；浙江大學建立了覆蓋實驗室人員、物品、房間等數據信息的實驗室安全管理系統；天津大學建立了包括儀器設備全生命周期管理、實驗室全方位管理、實驗室安全無縫管理、實驗材料規范管理的資產與設備綜合管理平臺；國防科技大學開發了包含基礎信息管理、實驗教學管理、開放預約管理、示范中心基礎數據管理、儀器設備管理和財務管理等6個功能模塊集成為一體的實驗室綜合管理系統，我國信息化實驗室建設仍處于發展階段。

2 智慧實驗室概述

2.1 傳統實驗室的現狀

2.1.1 設備重復購置，利用率低。近年來，各高校在實驗室建設方面的經費投入比例較高，據《2020年高等學校科技統計資料匯編》顯示，2020年各類高校固定資產購置費占總撥入科技經費的15.99%。但高校在采購大型儀器設備時缺乏學校維度的統一規劃，采購需求往往由教師個人、課題組或者學院提出，常出現不同學院重復購置同種大型儀器設備的情況，造成財政資金嚴重浪費。又因共享意識不強、共享管理措施不健全等，設備購置后往往僅被一部分師生使用，在完成科研任務后便束之高閣，進一步降低了利用率。

2.1.2 管理制度欠完善，安全隱患多。目前高校實驗室大多沿用傳統管理制度，日常管理及登記方式仍以手工記錄為主，設備信息無法實時同步并記錄。傳統模式對維修、保養等信息反饋的滯后性，除了降低了設備使用體驗外，更易引起實驗室水電氣甚至危化品泄漏等事故。在最為重要的安全方面，實驗室日常安全衛生大多依賴師生自覺，安全防護工作難免出現疏漏，加之實驗室出入人員復雜，極易引發實驗室安全事故。

2.2 智慧實驗室的內涵

智慧實驗室目前沒有統一的定義，國內研究者對于智慧實驗室的內涵有不同的理解，周瑞[4]認為智慧實驗室系統以開放式實驗教學為目標，以基本實驗管理流程為核心，包括實驗課程預約、門禁控制與考勤管理、實驗設備管理、學生上機管理、實驗室綜合監控等功能。系統構建采用服務器瀏覽器模式，突破了時間空間限制，實現了實驗管理員、教師和學生之間互動的網絡化開放管理平臺。張凱[5]認為智慧實驗室是以現代教育思想與理念為指導，以提高學生實踐能力和創新能力為目標，將物聯網、互聯網、云計算、大數據、智能技術等新一代信息技術有機融合于實驗室的管理和教學過程中，建設成具有全面感知物理環境、智能化管理與控制、教學過程可視化記錄與評價、資源和信息互聯共享、師生協作與互動一體化的實驗室學習空間和“一站式”服務平臺，實現實驗室建設的進一步精細化動態化管理、全時空管理、全要素管理、全生命周期管理。顏婉茹[6]認為智慧實驗室是以互聯網+為基礎，采用先進的信息化技術手段，結合實驗室的軟硬件管控設備，實現對實驗教學、科研工作、實驗室安全、學生創新創業活動、校企聯合等全方位、多層次的實驗室管理，從而實現各類信息的收集、傳遞、分享，實驗物資的購買、存儲和調用，廢棄物的處理、監管和運輸，實驗室的安全監控、預警和防護等多方面的功能。

本文旨在依托物聯網、5G、大數據等技術，結合學校現有實驗室架構及信息化管理系統建設情況，建立以“硬件+軟件”有效結合的、集多種智能化功能于一體的智慧實驗室，不斷加強實驗室信息整合與同步共享能力，推進實驗室信息化管理體系建設。

3 智慧實驗室建設方案

3.1 總體結構

基于對學校建立的校級或院級信息化管理系統的梳理，設計并完善業務集成型智慧實驗室，對實驗室房屋、儀器設備、化學品等危險源、實驗人員等重要環節開展智能化、可視化管理。搭建實驗室基礎信息數據庫以實現信息匯總整合、綜合管理、便捷查詢及科學利用等功能。

圖1 智慧實驗室總體架構

3.2 智慧實驗室子模塊

3.2.1 智慧房屋管理模塊。智慧房屋管理模塊依托學校3D地圖，可準確顯示實驗室分布狀況及地理信息，實現房屋定位精準化管理。在此基礎上，通過對接學校實驗室開放預約與綜合管理系統，同步實驗室開放共享信息，師生可在此模塊填寫實驗所需儀器，預約專用實驗室，最大程度優化資源配置。同時，以“樓宇-房間”為單位，可以為指定樓宇和房間設置負責人、負責人信息以及相應地理位置信息。此外，基于分級管理措施，還可從模塊一級界面向下逐級訪問，進入房間層級，查看該房間內各模塊采集的末端數據，如氣體監測數值、化學品存量、儀器運行狀態及房間內人流量情況。

3.2.2 智慧資產管理模塊。智慧資產管理模塊對接資產系統與大型儀器設備共享管理平臺，可快速整合并及時同步實驗室內各類資產設備的相關信息及狀態，對大型儀器設備進行定位、終端管控及預約使用管理。在滿足資產設備智能化管理的同時，顯著提升了資產設備開放共享、在線盤點、更換維修等管理動作的效率。

資產管理分區具備查看資產類別、廠家、型號等信息的功能，實現了資產信息從入庫、領用、調撥到報廢的全生命周期管理。儀器共享分區通過與資產系統對接，提升了大型儀器設備錄入的便捷性，再將分區與智能終端并軌，可自動統計機時，替代手動錄入功能，確保錄入信息的準確性、及時性。另外，基于LBS、GPS、藍牙室內定位等技術，賦予了儀器設備的定位功能，可實時掌握位置信息。在報銷端打通財務系統，需將擬共享設備信息錄入大型儀器設備共享管理平臺后方可進行財務報銷，從財務數據維度分析共享比例，抓實共享舉措。儀器共享分區可為校內外用戶提供儀器設備預約、使用記錄查詢及測試費核銷等操作；滿足設備管理員實時監察設備狀態、瀏覽使用記錄、結算測試費用等需求；便于院級管理單位盤點其所轄設備的共享及使用情況等；協助校級管理單位以績效考核單元為抓手，落實對儀器設備或二級單位的考核。

3.2.3 智慧人員管理模塊。智慧人員管理模塊具備建立實驗室人員基礎數據庫功能，基于人臉識別、電子門票等設備，授予實驗室人員準入及使用權限，實現人員準入智能化管理，避免因非實驗室人員的進入造成安全隱患及事故。

該模塊不僅與學校一卡通兼容，還能拓展人臉識別功能，兩種識別方式均可獲得電子門禁授權。門禁數據采集終端能主動判斷用戶認證信息及門禁權限并予以記錄，系統管理員可遠程監控實驗室門禁狀態，通過手機App等方式管理門禁或查閱出入記錄。另外，該模塊可提供特權卡授權功能，賦予管理員對指定實驗場地的管理權限，便于實驗室日常維護；當網絡發生故障時，特權卡可奪取門禁最高管理權限，保護貴重儀器運行環境，保障實驗室開放式管理安全。

3.2.4 智慧安全管理模塊。通過安裝氣體監測、溫度監測、濕度監測、視頻監控等設備，對實驗室環境及安全狀況進行實時監測，當出現突發事件時，該模塊可在第一時間將消息傳遞至管理人員手機端，提升應急處置效率。

人流監控攝像頭可在視頻監控系統中生成3D立體信息，在計數區域對檢測到的行人進行智能跟蹤，分析行人的行為趨勢，獨立統計進出和路過（未進入）人數，并基于行為模式算法過濾徘徊行為，避免重復計數，確保實驗室人流數量監控的真實性。將化學品采購系統接入安全模塊，可顯示各實驗室化學品存量、用量、采購量等信息。管理員可基于地理位置顯示界面實時各監控實驗室內氣體安全狀況，并于出現險情時，通過手機App和Web平臺第一時間掌握實驗室內危險氣體的種類、濃度、房間視頻監控情況以及實驗室安全責任人的相關信息，便于追蹤處理方案，評估處理效果。同時，安全管理員可依據系統提供的處理意見提示，全局協調安全風險的處理資源、部門和人員，縮短處理時間，降低處理風險。實驗室管理員或課題組負責人可通過手機App和Web管理平臺，查看實驗室安全狀態，歷史報警記錄和報警處理情況。亦可依據氣體濃度設置分級報警、應急處理方案等提示，預留更多的響應提前量，以便及時發現并通知負責人排查安全隱患。

3.2.5 定制化管理模塊。由于各學院的學科特色與教學科研需求不盡相同，除常規管理模塊外，還可增設定制化管理模塊，學院可依據其所轄實驗室的實驗種類與工藝，對實驗室特有環節進行智能化管理。

4 結束語

伴隨全球信息技術水平飛速提升，提高實驗室信息化管理手段、推進建設實驗室信息化管理體系已是大勢所趨。本文通過建立實驗室基礎信息數據庫，考慮房屋、資產、人員、環境等實驗室基本要素，整合現有實驗室相關信息系統，建成業務集成型智慧實驗室。各個模塊底層相互獨立，頂層相互關聯，即可服務于科研，又可為教學助力，未來還可對接教學管理系統，同步實驗課程預約、考勤等信息。