高校計算機實驗室智能開放管理中的探索與應用

劉 潔，陳暢頻

（廣州大學實驗中心 廣東 廣州 510006)

0 引言

實驗室承擔著高校實踐教學、人才培養、創新活動和科學研究等重要任務[1-3]。在“新工科”“雙一流”和“高水平”大學的建設的背景下，學校對實驗室投入不斷增加，服務的實驗室的師生人數顯著增加，創新開放要求也在迅速提高，但政策導向下實驗技術新進人員卻越來越少，人員萎縮結構不合理，對傳統的實驗室開放管理提出了巨大挑戰。大數據的廣泛應用給提升實驗室開放管理提供了新的方向，探索以數據驅動的基于物聯網、云計算等新興技術為基礎的精準化開放管理模式勢必成為一種必然[4]。

1 傳統計算機實驗室開放管理現狀

傳統的計算機實驗室開放管理主要存在以下問題：

（1）實驗開放管理手段落后，實驗室專職人員日益減少。學校在基礎實驗室的經費投入少，基本都在更新計算機、云桌面節點等設備和購買正版軟件上，實驗室管理的智能化手段投入較少，很多工作仍然是人工完成，經驗為主。政策導向下，新進實驗專職技術人員數量少，甚至停止招聘專職人員，雖然原有人員陸續退休，實驗室人員結構日趨不合理[1]。

（2）工作任務繁重，開放需求日益增多。計算機實驗室除了承擔大量實驗教學和實訓任務，還要承擔各種無紙化考試、各類培訓、上機開放、會議、教學評估、檢查參觀等活動，人員流動大[2]。除此之外，還有各種表格核對、計算和統計工作。同時，越來越多的學科競賽、創新及創業等科技活動需要場地支持和教師提供現場指導，實驗室受到廣大老師和學生的青睞，但實驗室開放需求時間長，除工作日外，周末、節假日和寒暑假也有大量開放需求。總體工作量大幅度增大.

（3）課后實驗室安全得不到保障。實驗室安全管理上基礎設施差、經費投入少，雖然有門禁系統但缺乏智能管理。而實驗室開放需求主要集中在課后，管理人員過少且大部分開放需求都在下班后，存在很長時間的無人值守問題，而學生缺乏組織性紀律性給實驗室安全帶來很大威脅。因此，對學生創新活動及教師科研活動的支持雖然抱有強烈的意愿，但客觀條件卻只能使少數學生和教師受益。

總之，目前實驗室開放的需求過多，而實驗技術專職人員較少，管理的技術手段相對落后[3]，安全難以得到保障，這是開放過程中遇到的最為棘手的幾個問題。探索新技術解決開放中的問題是實驗室開放的必由之路。

2 建設以數據為驅動的實驗室開放智能管理平臺

傳統的以人工為主的實驗室管理理念和管理手段已無法適應現階段實驗室開放的需求。利用傳感器、無線傳輸、云計算等將現代信息技術與物聯網技術結合起來的實驗室智能管控方案可改變實驗室技術人員的管理方式，實現遠程可視化與遠程可控化，提升實驗室開放管理效率。

為此，結合物聯網建設實驗室開放智能管理平臺，采用瀏覽器－移動端-Web 服務器架構，三者通過Http 協議進行通信。根據用戶需求，實驗室智能開放管理平臺應包含實驗室信息維護、設備巡檢、門禁預約、智能考勤、智能監控、能耗管理等功能模塊。平臺整體框架分為感知層、網絡構建層、數據訪問層、業務邏輯層、表現層。

2.1 感知層

感知層是整個平臺的硬件基礎，是信息采集的關鍵部分，是物理世界和信息世界融合的重要一環。我校在高水平建設實驗室改造項目中已對實驗室的基礎設施進行了改造，包括綜合布線系統、智能空調、智能監控、智能門禁系統、智能電氣控制、各類傳感器，并為開放實驗室加裝了開關及閉門器。這為建設實驗室開放智能管理平臺提供了良好的基礎環境。隨后，利用傳感器技術、二維碼技術、藍牙技術以及ZigBee 技術等對設備的開關狀態、功率數據、運行溫度、電壓、電流、視頻、人臉特征等信息進行采集[4]。

2.2 網絡構建層

網絡構建層相當于平臺的神經系統，完成信息的傳遞，在整個開放平臺中負責向上層感知信息并向下層傳輸命令，實現物與物、人與物之間的通信。該層綜合應用各種網絡技術如有線網絡、無線網、4G、藍牙、紅外等將實驗室內的各種儀器、設備、傳感器、人進行互聯，利用感知層收集到的信息安全可靠地傳輸到數據層，實現信息資源的快速共享，然后根據不同的應用需求進行處理，實現對實驗室各種信息的有效感知及有效控制[5]。

2.3 數據層

數據層主要實現對數據的增加、刪除、修改、查詢。開放管理平臺的數據來源主要有兩個，一個來自刷卡器、各種監控、傳感器、教學過程等來自感知層采集的數據，這些數據類型不一，對于這些非關系型數據還要進行轉換、整合、分析和儲存，才能為業務邏輯層各種應用提供數據支撐。另一部分數據如教務、學生、設備信息等關系型數據采用與校內系統對接獲得，少部分需要手工錄入或者導入。如教學信息需要與學校教務系統對接，一旦課表變動就會觸發平臺的課表信息改變，學生信息需要與學生管理信息系統對接，門禁刷卡需要與校園網一卡通系統對接，在系統中為一卡通進行門禁授權。

2.4 業務邏輯層

業務邏輯層是整個平臺的核心，在接收到用戶在表現層發出的指令后，對具體問題進行邏輯判斷與執行操作。在這個過程中，會連接數據層提取數據。在感知層、網絡構建層和數據層利用物聯網技術實現對人和物的行為數據和管理信息的采集和存儲后，業務邏輯層會根據用戶指令和既定策略實現各種智能終端對實驗室內設備傳感器的遠程控制，為人和物建立直接聯系。

2.5 表現層

表現層是學生、教師及實驗室專職人員直接基礎的平臺界面，主要采用Web 瀏覽器或者移動APP 為媒介。該層主要實現系統數據的輸入和輸出，包含對實驗室內各種可控設備的控制。

3 以數據為驅動實現資源整合，推動實驗室智能化開放管理

3.1 以技術為保障，健全實驗室開放管理辦法

實驗室開放是實驗室發展的大方向，是實驗教學改革的必然趨勢，但阻礙實驗室開放的最大問題就是實驗室安全。在推行現代化管理手段的同時，也要量化實驗室安全的準入制度，建立實驗室安全教育培訓。進入實驗室學習實踐必須實行登記制，學生需要簽訂安全承諾書，提升學生的責任意識，構建實驗專職人員與教師相結合的指導老師隊伍，以彌補開放過程中缺乏管理的問題。

另外，開放管理辦法也需要依靠開放管理平臺來輔助執行。學生通過人臉或者一卡通自行開門，方便學生自由進出，而平臺保存每次實驗室的開合記錄，可以對實驗室的使用做到有據可查。實驗室內部安裝了智能視頻監控，為學生個人安全、個人資產和實驗室資產的安全保駕護航。實驗室專職管理人員可以通過手機、PC、平板進行實時動態查看和回放。平臺對抓拍到的人員行為會進行智能分析，并對異常行為預警。實驗室內安裝了溫度、濕度、二氧化碳等多種傳感器，可以對實驗室內的環境進行監測，若發生異常，會自動向實驗專職技術人員預警。

3.2 采用智能化技術加持實驗室開放管理

實驗室開放預約為學生自主學習提供了廣闊的平臺，提高了學生實踐的主動性和創造性。開放管理平臺的設計要基于數據的視角開展頂層設計，收集整合實驗開放產生的各種數據，從中提取出有價值的信息，從而進一步推動實驗教學改革、科研活動及學生創新。平臺包含實驗室信息維護、設備巡檢、門禁預約、智能考勤、智能監控、能耗管理等功能模塊。

實驗室信息維護是智能化管理平臺的信息基礎。其包含了實驗室基本信息、設備信息、人員信息、教務信息，實現這些信息的錄入、同步、編輯和刪除。實驗室信息包含單個實驗室的具體信息，如實驗室名稱、地理位置、負責人、基本描述及該實驗室的設備。在實驗室基本信息子模塊，管理員可以添加、編輯、刪除實驗室的信息，還可以設置實驗室布局，將設備綁定到該實驗室。設備信息子模塊則用于設備的導入、錄入、編輯、遷移和刪除。系統為每個錄入的設備分配一個唯一的設備編號和二維碼，方便手機查詢信息，對于可控制的設備可以通過手機掃描二維碼控制設備開合、取電、報修。管理員可以在線查看設備的在線情況，了解設備運行問題，根據設置條件統計設備使用情況，為實驗室管理提供數據，有效提升設備管理效率，更好預測設備生命周期。人員信息根據用戶權限分為超級管理員、樓棟管理員、樓層管理員、實驗室管理員、教師、學生等角色。學生的基本信息與學生管理信息系統同步。每個角色都不同的權限，每個用戶可以賦予不同的一個或多個角色。用戶可以通過網頁和移動端訪問管理系統。用戶的信息是某級別管理員后臺導入或錄入的，然后管理員根據需要賦予新用戶對應角色的權限。教務信息是實驗室開放的重要信息，實驗室預約開放安排在課后，不能與上課沖突，所以教務信息的正確性尤為重要。教務信息包含每間實驗室的課表信息、學生信息、教師信息。教務信息由教務系統的數據直接同步，課程調整后自動觸發教務信息更新，教學信息更新會同步反映到電子班牌上。

設備巡檢依據學校《儀器設備管理辦法》有關規定，利用各種傳感器及網絡對實驗室的使用情況和設備的運行情況等進行周期監管和檢查，實現自動化巡檢。目前只有少部分儀器設備能完成自動巡檢，大部分還需要人工檢查設備狀態是否正常、是否存在故障隱患、標志是否正確。

門禁預約是開放管理平臺中一個重要的功能。學生或教師根據空閑時間選擇需要預約的空閑實驗室，錄入個人信息、預約項目名稱、預約起止時間提交申請，并填寫開放承諾書，等待管理員審核。管理員在接到系統推送的預約審核，可以同意審核或者駁回審核，在同意審核后觸發門禁權限，默認門禁權限是長期有效，管理員根據需要靈活調整門禁權限。管理者可在指定時間段內針對特定實驗室設置不同門禁的開閉規則，保障空間、資產的安全。門禁預約使用動態授權方式，即在既定的時間內，學生可以刷卡進入，并且取電使用實驗室，在其他非預約時間無法進入實驗室，就算是通過其他途徑進入了實驗室，由于電源控制技術，也無法使用實驗室的設備和環境。管理員也可通過PC、平板、手機對系統進行訪問，了解門禁的開/閉、運行狀態或對門禁進行遠程控制[6]。

智能考勤和智能監控功能主要是為了實現實驗技術管理人員下班后對學生開放進行全過程和全方位的監控。智能考勤根據學生和教師的預約、實驗室分配及與門禁系統聯動、數據采集、自主考勤，通過人臉識別攝像頭，通過AI 人臉識別算法，實現對開放學生的抓拍和分析，形成考勤記錄，提升開放管理效率和信息化水平。智能監控依賴于網絡技術、視頻傳輸、人工智能等技術對實驗室內安裝的監控設備進行集中化、規范化的管理和控制，對攝像頭抓拍到的可疑行為進行智能分析，有各種傳感器采集的煙霧、濕度、溫度、光感等環境信息進行分析預警，突破空間的限制。

能耗管理根據開放預約申請及門禁刷卡信息同步設置空調、燈光開啟/關閉時間，通過定時控制，避免實驗室人走、不關燈、不關電、不關空調等不安全及浪費情況，減少安全隱患提高能源效率。同時，能耗管理中的數據統計可實時分析設備利用情況，為實驗技術人員在設備購置的各項決策中提供數據支持。

3.3 調整優化實驗室布局

對實驗室格局進行區域性劃分，營造智慧化及特色鮮明的開放環境。順應信息技術發展，依據學生開放預約所需要的設備配置除計算機外的大量其他設備如焊槍、示波器、智能家居套件、無人機、機器人、3D 打印機、亞克力切割機、比賽賽道等，建設物聯網、智能家居、移動互聯、人工智能等多個開放實驗室。每個實驗室分別建立實踐及討論區域，形成形式多元化的具有創造性的開放場景，為學生教師提供創新實訓科研集一體的開放場所。

3.4 依托平臺，助力實驗室開放管理

我校計算機實驗室分布在兩個校區，通過實驗室智能化開放管理平臺可以實現集中管理，分開控制。開放實驗室中部署了物聯網智能網關和電器控制系統，可對實驗室電源插座、空調、燈光、煙霧進行開閉的智能控制，具有火災和盜竊的檢測和報警系統，為實驗室安全開放提供技術保障。實驗室智能化開放管理平臺將部分簡單且無技術含量的工作自動化，讓實驗技術管理人員有更多的時間和精力放在管理及創新實驗上。通過平臺的數據統計功能，減少由手工統計帶來的誤差。利用數據可以實時分析設備利用情況，減少人員壓力，為實驗技術人員在設備購置的各項決策中提供數據支持，避免浪費。平臺可以對實驗室開放管理可視化分析，并對問題進行預警（如圖1所示），展示實驗室實時數據、能耗分析，并對有問題的設備預警。

圖1 實驗室智能開放管理平臺能耗分析預警界面

4 結語

建設以數據為驅動，結合物聯網、云計算等新興技術的實驗室開放智能管理平臺為實驗室安全提供了一定的開放保障，為實驗室信息化、智慧化開放管理提供了新的途徑，為學生實踐創新活動和科研活動助力。