“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大型儀器平臺的智慧化管理

姚青倩，盧 媛，強(qiáng)彥雯，展思輝，孫紅文

（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”是指借用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行融合，利用互聯(lián)網(wǎng)具備的優(yōu)勢優(yōu)點(diǎn)加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，對傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化升級轉(zhuǎn)型，最終實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的目的［1］。十九大以來，科技創(chuàng)新發(fā)展和核心技術(shù)攻關(guān)已成為國內(nèi)各大高校工作重點(diǎn)之一，人工智能、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的出現(xiàn)和校園應(yīng)用為發(fā)展實驗室信息化管理帶來了新的契機(jī)［2］。“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的高校實驗室信息化發(fā)展為建設(shè)更安全、舒適、高效、節(jié)能的實驗室提供了更好的技術(shù)保障［3-4］。大型儀器平臺是國內(nèi)高校為更好提供公共服務(wù)和開展高水平科學(xué)研究，通過集中投資建設(shè)或有效的資源整合建立大型科學(xué)儀器群［5］。隨著基礎(chǔ)資源整合初見成效，公共資源開放服務(wù)逐漸社會化，大型儀器服務(wù)平臺對國家自主創(chuàng)新的支撐作用日益明顯［6］。但同時由于高等教育學(xué)生人數(shù)增多以及儀器設(shè)備數(shù)量的逐年增長，使得大型儀器實驗室面臨管理難度加大、設(shè)備利用率不高等問題［7］。因此，立足于“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的高校實驗室發(fā)展，將先進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入高校大型儀器平臺管理，實現(xiàn)大型儀器實驗室更開放、更智能化管理，推動高?？蒲兴皆鲩L成為當(dāng)下發(fā)展的必然趨勢。

1 大型儀器平臺管理現(xiàn)有問題

“雙一流”建設(shè)以來，全國各大高校購置的大型儀器設(shè)備種類和數(shù)量持續(xù)增多，儀器類型更加精密，對環(huán)境的要求也越來越高，大型儀器平臺的管理機(jī)制、儀器運(yùn)行效率、開放共享程度以及技術(shù)人員的服務(wù)水平都受到了前所未有的挑戰(zhàn)［8］。除此之外，作為大型專業(yè)檢測實驗室，由于涉及人員、設(shè)備、耗材、環(huán)境等眾多要素，實驗室安全管理也變得日益復(fù)雜，?；繁ㄈ紵?、廢氣廢液泄漏、用電過載等問題都可能嚴(yán)重影響實驗人員人身健康和大型儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)［9］。因此既要確保大型儀器平臺的高效運(yùn)轉(zhuǎn)又要保障實驗全過程的安全成為亟待解決的問題?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展給實驗室科學(xué)管理提供了技術(shù)上的可能，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)提高大型儀器平臺管理效率、提升大型儀器實驗室安全成為當(dāng)下發(fā)展新趨勢。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在大型儀器實驗室管理中應(yīng)用

2.1 云技術(shù)

云技術(shù)集合了計算機(jī)領(lǐng)域中分布式、并行處理、虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)存儲和計算等多種技術(shù)，具有移動性、便捷性等諸多優(yōu)點(diǎn)［10-11］。近些年，隨著大型儀器實驗室的不斷建設(shè)，積累了大量的文檔、音視頻數(shù)據(jù)，針對數(shù)據(jù)存儲和共享問題，CVM（cloud vitual machine，云服務(wù)器）部署方案可以有效解決數(shù)據(jù)存儲的時效性、存儲容量可擴(kuò)展性以及數(shù)據(jù)共享和安全性。此外，云端VDI（virtual desktop infrastructure，虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）也可以輔助在線教學(xué)、儀器培訓(xùn)、虛擬仿真實驗室建設(shè)等［12］。通過實現(xiàn)計算資源的動態(tài)分配和平衡，云技術(shù)大大提高了數(shù)據(jù)的計算性能和效率。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化等大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，對系統(tǒng)平臺的設(shè)備和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理起到很好的輔助作用［13］。在長期運(yùn)行過程中，大型儀器平臺積累了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘和模型分析，不僅可以快速獲取大型儀器實驗室運(yùn)行的各方面信息，也可以在數(shù)據(jù)驅(qū)動下對儀器設(shè)備和人員管理做出合理決策［14］。通過ETL（Extract Transform Load）技術(shù)對數(shù)據(jù)的快速整合存儲和Hadoop 分布式系統(tǒng)架構(gòu)的快速處理和分析計算，可科學(xué)快速地根據(jù)大型儀器的預(yù)約使用情況、用戶數(shù)據(jù)以及不同設(shè)備間的對比等制定樣品價格、確定用戶等級、考核管理人員工作量，以數(shù)據(jù)為支撐的全平臺管理起到客觀公平的協(xié)助作用。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過各種現(xiàn)代化信息技術(shù)，如信息傳感設(shè)備、射頻技術(shù)等實現(xiàn)對需要監(jiān)控的物體或過程的全方位信息采集，實現(xiàn)物與物、人與物、人與人之間的全面互聯(lián)，從而進(jìn)行智能化管理和控制［15］。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對大型儀器實驗室人員、設(shè)備、耗材、安全進(jìn)行全方位監(jiān)管。基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的大型儀器實驗室一般由用戶層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層組成［16］。儀器管理和使用人員可以通過無線網(wǎng)絡(luò)、光纖環(huán)網(wǎng)、移動端等網(wǎng)絡(luò)實時收集實驗室內(nèi)門禁、水電、監(jiān)控、電力、氣體的環(huán)境信息，保障實驗室安全。近年來由于交叉學(xué)科的不斷發(fā)展，科研實驗類型逐漸增多，儀器平臺實驗試劑耗材管理問題日漸凸顯，針對某些?；返墓芾砀呛臅r費(fèi)力，條碼技術(shù)和RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別技術(shù)）技術(shù)的出現(xiàn)使實驗室耗材管理變得更智能。

2.4 人工智能技術(shù)

隨著人工智能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，人工智能和傳統(tǒng)工程相結(jié)合輔助實驗管理規(guī)劃和決策已成為智能化管理趨勢［17］。人工智能技術(shù)的應(yīng)用一般包含計算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理等。其中人臉識別、虹膜識別、掌紋識別是對人體特征信息進(jìn)行生物識別的智能化技術(shù)，可以與實驗室管理系統(tǒng)對接，加強(qiáng)實驗室安全高效管理。此外，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)在儀器表征數(shù)據(jù)分析中也有著不俗的表現(xiàn)。其中利用CNN（Convolutional Neural Network，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）對測試譜圖進(jìn)行背景識別以及提升顯微分析圖像分辨率已成為當(dāng)下科研熱點(diǎn)，科研人員在嘗試?yán)脵C(jī)器學(xué)習(xí)輔助儀器數(shù)據(jù)自動化處理和自處理軟件的開發(fā)［18］。

3 大型儀器平臺智慧化管理實施方案

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在大型儀器實驗室管理中的應(yīng)用，在原有基礎(chǔ)上中設(shè)計了大型儀器平臺特色智慧化管理系統(tǒng)，旨在提高大型儀器使用效率，加強(qiáng)實驗室安全，輔助儀器平臺日常維護(hù)和業(yè)務(wù)開展，全面提升大型儀器平臺服務(wù)水平。大型儀器平臺智慧化管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的大型儀器平臺智慧化管理系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 大型儀器設(shè)備使用管理

大型儀器設(shè)備預(yù)約系統(tǒng)主要用于采集用戶使用數(shù)據(jù)以及平臺大型儀器設(shè)備的管理和控制，通過TCP／IP協(xié)議將儀器設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)間的傳輸。系統(tǒng)從學(xué)校設(shè)備處、教務(wù)處、人事處等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器中供客戶端使用。設(shè)備管理人員可以通過儀器預(yù)約系統(tǒng)實時快速查看儀器設(shè)備預(yù)約和使用情況、了解儀器的運(yùn)行狀態(tài)、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、設(shè)置用戶權(quán)限、進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、實現(xiàn)人機(jī)之間的交互。除此之外，大型儀器平臺還配置了儀器使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，可以對儀器使用時間、人員、社會服務(wù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和科學(xué)分析，生成用戶畫像、統(tǒng)計儀器工作量。平臺同時配置了GIS（Geographic Information Science）地理監(jiān)控模塊和基于DSP（Digital Signal Processor）處理器的視頻采集系統(tǒng)，可以對儀器的使用進(jìn)行地理分布式的直觀瀏覽并對儀器操作界面進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控。為了增加設(shè)備開放性，系統(tǒng)還加裝了RFID識別模塊，為設(shè)備粘貼電子標(biāo)簽，通過讀卡器讀取用戶一卡通信息進(jìn)行無線識別和管理。

3.2 大型儀器實驗室安全管理

（1）安全與準(zhǔn)入許可。為了提升實驗室安全管理和服務(wù)水平，對原有線下安全培訓(xùn)模式進(jìn)行了改進(jìn)，采用線上與線下相結(jié)合的方式進(jìn)行實驗室安全準(zhǔn)入考核，建立了在線實驗安全教育培訓(xùn)考試系統(tǒng)。

（2）實驗室門禁管理。利用ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)控制實驗室門禁系統(tǒng)，用戶通過刷卡或特征身份識別（人臉、指紋）進(jìn)出實驗室，管理員可以對實驗室進(jìn)出記錄進(jìn)行追蹤和溯源。

（3）遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。管理員可以通過紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對實驗室內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行實時查看和回放，如出現(xiàn)儀器損壞等問題，也可進(jìn)行相應(yīng)追責(zé)。

（4）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實驗室內(nèi)配置的工業(yè)傳感器可對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫濕度、氣體、電力、煙霧等進(jìn)行實時記錄和監(jiān)測，并通過計算機(jī)終端將數(shù)據(jù)推送給相關(guān)管理者。如數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況，如氣體泄漏、煙感報警等情況將第一時間響應(yīng)并啟動應(yīng)急控制系統(tǒng)。

（5）危化品試劑管理。將二維碼與實驗試劑相結(jié)合進(jìn)行危化品試劑的痕跡管理、實時追蹤、等級分類和存量管控。

3.3 大型儀器平臺維護(hù)管理

大型儀器管理平臺設(shè)立專用基金用以設(shè)備的維修和耗材采購，基金來源于儀器測試費(fèi)用的再分配，用戶可以使用儀器預(yù)約系統(tǒng)選擇所需的項目經(jīng)費(fèi)用于測試費(fèi)用在線充值。由于耗材類型繁多、測試量大，耗材的采購管理使用很難做到精細(xì)化。傳統(tǒng)的耗材管理多使用線下臺賬管理，不能對耗材的價格、數(shù)目、放置地點(diǎn)做到實時查詢和追蹤。通過在線試劑耗材管理系統(tǒng)和條碼技術(shù)相結(jié)合，可完成從耗材選取、議價、采購、付款、入庫到領(lǐng)用全流程管理。

3.4 大型儀器平臺業(yè)務(wù)管理

隨著在線教學(xué)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)授課方式逐漸由線下轉(zhuǎn)到線上，大大節(jié)約了時間和空間成本。同樣，騰訊會議、飛書會議等在線云視頻技術(shù)也對傳統(tǒng)會議形式作出了改變。為配合教學(xué)改革、提升師生間的溝通協(xié)作效率，儀器平臺技術(shù)人員近年來采用在線視頻會議的方式進(jìn)行儀器操作原理講解、儀器使用培訓(xùn)以及技術(shù)交流?？梢宰龅蕉嗳嗽诰€，進(jìn)行桌面和移動端共享，支持人員間多種互動、會議自動錄制、紀(jì)要自動生成的功能，此外視頻會議虛擬背景、沉浸式體驗等智能輔助功能也增加了培訓(xùn)講座的趣味性，提高了學(xué)生的積極性。此外，除了利用儀器平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和備份外，云服務(wù)和虛擬桌面技術(shù)亦協(xié)助儀器操作手冊、實驗課電子教材、教學(xué)培訓(xùn)視頻和虛擬仿真教學(xué)資源的存儲和共享。

4 結(jié)語

大型儀器公共服務(wù)平臺是高?？蒲泄ぷ髦匾幕A(chǔ)條件，其建設(shè)內(nèi)容和管理方式也應(yīng)隨著科研需求和時代發(fā)展進(jìn)行不斷調(diào)整。借助“互聯(lián)網(wǎng)+”智能化技術(shù)管理手段，大型儀器平臺實現(xiàn)了對實驗室的全流程監(jiān)管和溯源，降低了儀器實驗室的安全風(fēng)險，提高了日常工作效率。此外，大型儀器開放時間延長，預(yù)約使用時間更加靈活，也為學(xué)院的科研測試工作提供了更多便捷。隨著智能化的時代發(fā)展，大型儀器平臺將進(jìn)一步利用互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)打造智慧實驗室、開展“產(chǎn)學(xué)研”一體化合作、打造平臺特色師資培訓(xùn)和實踐基地、助力高?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育發(fā)展，為服務(wù)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求做出貢獻(xiàn)。