基于云平臺的高校化工實驗室安全預警系統研究

張 旭，張龍吉

（1.長江大學化學與環境工程學院 湖北 荊州 434023；2.湖北金楚染料中間體產業技術研究院 湖北 荊州 434499；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司 河北 廊坊 065000）

高校實驗室既是大學生開展實驗的必要場所，也是培養學生創新思維與實踐能力的重要基地[1]。高校實驗室內項目覆蓋面廣，使用頻率高，人員密集且流動性大，存在一些安全隱患，其復雜性和危險性都是難以預測的[2]。近年來，高校實驗室安全事故頻發，一次次敲響實驗室安全的警鐘，實驗室安全的重要性也日益凸顯[3]。

長江大學化學與環境工程學院（以下簡稱“我院”）化工實驗中心長期以來牢固樹立“安全第一，預防為主”的理念，始終堅持把安全放在第一位，從制度管理、人員配備、應急救援、安全保障等方面不斷加強實驗室的安全管理建設，有效保障了學校的實驗教學任務和科研工作。目前，化工實驗中心安全管理仍沿用傳統的以人工管理為主的安全管理模式，高科技管理技術和現代化管理手段還未普及，各管理系統間互不兼容，導致了化工實驗中心的監管盲區與漏洞，存在極大的安全隱患。針對我院化工實驗中心目前在安全管理方面的實際狀況，課題組提出了一套基于智慧校園云平臺下的化工實驗中心安全預警系統，這不僅是智慧校園信息化建設的重要組成部分，也有利于實現建設一流實驗室的目標，積極響應了學校“雙一流”建設[4]。

1 化工實驗中心現狀及存在的問題

通過對化工實驗中心的實地調查和數據收集，我院化工實驗中心針對目前在安全管理方面的實際狀況，選擇從“人”“物”“環”“事”四個方面對目前化工實驗中心存在的問題展開分析。

1.1 化工實驗中心在“人”的方面存在的問題

化工實驗中心隨著學科交叉融合的要求提高，進一步提升實驗室資源的開放性及儀器設備的共享性[5]，接待學生人數多、服務專業廣、開設課程種類和項目多，每年要為全校11 個學院27 個專業的3400 名本科生和研究生開設8 門不同層次的實驗課程。實驗中心坐落在長江大學東校區14 教北樓，有東西兩個出入口，每層樓還有與14 教東、西兩樓相連的通道；各學院師生和校內外來訪人員每天進出實驗室都沒有實名登記，學校僅在每層樓的東西兩頭安裝了一個固定位置的視頻監控，既無法有效識別進出人員的身份信息，也無法做好樓層內和出入口處的360 度無死角監控；并且實驗室內未安裝監控系統，無法實時掌握師生在實驗操作過程中的安全狀況。

1.2 化工實驗中心在“物”的方面存在的問題

化工實驗中心依托“中石油HSE重點實驗室長江大學分室”和“石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室”每年承擔了國家、省部級和企業研究項目20 余項；因此在開展科學研究、本科生和研究生實驗教學環節，將經常涉及高精密度或危險性的儀器設備、危險化學品和壓縮氣體等危險源。實驗中心雖在一些重要實驗室的入口安裝了紅外線監控器，但未建立針對重要儀器設備、重大危險源的24 小時無死角監控體系，目前的管理模式仍是以手工登記的臺賬管理和實驗員人工管理為主，安防設備與管理系統之間無法兼容，缺少現代化應急手段。

1.3 化工實驗中心在“環”的方面存在的問題

化工實驗中心的實驗室雖安裝了通風櫥，保證實驗過程中的廢氣或有害氣體能及時排除，但通風櫥的抽風效果目前無法用定量的手段來監測，實驗室沒有安裝有毒有害氣體的自動監測系統，也未安裝空氣中有毒有害氣體含量超標的自動報警與自動排除的裝置。另外，實驗中心為每個實驗室配備了煙霧報警及噴淋裝置，但這套裝置對減輕有毒有害氣體污染環境的效果有限。實驗中心對實驗中產生的廢水、廢渣的處理和排放也未真正做到實時監測和集中安全處理，急需完善環境安全的監測和應急系統。

1.4 化工實驗中心在“事”的方面存在的問題

化工實驗中心每年承擔著繁重的教學和科研任務，經常會用到危險化學品和各種特種設備。目前，還未建立完善的危險源報告和登記制度；實驗任課教師雖然對進入實驗室的本科生和研究生都進行了系統的安全教育培訓及考核，但學生常出現對反應中可能發生的副反應和副反應產物的危害認知參差不齊的情況，這也是高校實驗室安全事故頻發的一個重要原因，歸根結底還是缺乏針對每個危險實驗的個性化、分層次的安全教育體系[6]。

從整體來看，化工實驗中心目前建有的安防監控、危化品管理等系統間彼此不兼容，信息分散，無法統一協調，管理效率低下，無法實現真正意義上的智慧校園。為了完善實驗室安全管理制度，更好地保障實驗室的安全運轉，現急需對其進行升級與改造[7]。

2 化工實驗中心安全預警系統的研究

通過對化工實驗中心實地調查和數據收集，筆者全面客觀地分析了化工實驗中心現存的問題，并赴國內實驗室安全管理先進高校和機構調研學習，積極與相關設備廠商、軟件公司聯系，了解最新技術和手段，并結合實際情況和現有條件，研究并設計了基于云平臺下的化工實驗中心安全預警系統。該系統由六個分系統組成，如圖1 所示，門禁系統、監控系統、用電監測系統、煙霧監測系統、圖像識別系統這五個系統通過對實驗室的危險因素按照體系標準進行科學分析、分級處理[8]，對師生進出實驗室以及在實驗室中的各項操作實施全方位、全流程的監管，對實驗室環境進行自動化的檢測與管理，對實驗室的不安全行為和狀態進行智能預警。最后通過信息反饋系統將各個系統與學校的實驗中心和現有智慧校園系統進行對接，形成功能強大的化工實驗中心安全管理網絡。

圖1 基于云平臺下的化工實驗中心安全預警系統功能框圖

2.1 出入口建立非接觸式門禁系統

化工實驗中心出入口建立人臉虹膜、指紋識別、紅外測溫的非接觸式門禁系統的主要功能是實現實驗中心出入口大門的自動開關，學生通過人臉識別并測量體溫后實名制進入實驗中心；當有學生進入實驗室時，通過智慧校園管理系統向實驗室安全管理人員推送信息；同時，實驗室安全管理人員可隨時通過手機在微校園APP 上查看實驗室門禁的開關狀態及使用人，把好出入口的安全關。

2.2 內部視頻監控系統

此系統的主要作用是輔助實驗室的實時管理和增強實驗室安全保障，該系統在實驗中心內部有人活動時會對實驗中心內部走道和實驗室內部的情況進行實時監控并錄像，自動分析并識別非正常情況，及時發出警報。實驗過程中，當管理者通過視頻監控系統發現實驗者操作不規范或者出現意外狀況時，可通過語音通信系統與實驗者進行對話，給予指導或及時制止；也可通過實驗中心平臺發出指令，控制設備供電，實現遠程電源控制。

2.3 設備用電監測管理系統

該系統是對實驗室內的部分貴重儀器設備、危險性儀器設備的用電進行實時監管。對設備的狀態自動進行檢測，包括開機、故障預警、關機等；有學生開啟設備時，通過智慧校園管理系統向實驗室安全管理人員推送信息；同時，實驗室安全管理人員可以隨時通過手機智慧校園APP 查看設備的開關狀態以及當前設備使用者。可有效保障實驗室內貴重儀器設備、危險性儀器設備的使用安全。

2.4 有毒有害氣體與煙霧監測系統

此模塊的主要功能是自動化監測實驗過程中產生的煙霧濃度，如：一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、二氧化氮、氯氣等類型的有害氣體濃度，當有害氣體濃度超標時，可自動聯動開啟排氣扇進行排氣，同時采用聲光報警。該系統不僅能及時提醒實驗人員并保障他們的安全，同時也將通過智慧校園管理系統向實驗室安全管理人員推送報警信息。

2.5 危險源的圖像識別系統

依據《危險化學品重大危險源辨識》標準(GB 18218-2018)，在危險化學品生產和儲存單元針對不同類別進行辨識[9]，分別安裝相應的傳感器；然后由傳感器將捕獲的危險源信息實時傳回實驗中心預警系統，經過系統內的專業軟件處理后，就能及時了解到危險源的真實狀況并自動記錄、建立檔案，不僅保障了化工實驗中心的安全，也為安全評價機構對危險源進行風險分析和確定危險源等級提供數據支持。

2.6 信息反饋系統

該系統巧妙地將化工實驗中心安全預警系統中的各分系統連接在一起，形成了一張高效協調的化工實驗中心安全管理網絡。可及時高效地將門禁系統、監控系統、用電監測系統、煙霧監測系統、圖像識別系統這五個分系統的數據和信息進行收集、整合與處理，并且通過智慧校園平臺、實驗中心平臺、微校園APP 將這些情況反饋給實驗中心管理人員，同時管理人員也可通過此系統給予學生信息提醒，并對實驗中心各部分進行控制。

3 結語

高校實驗室建設與管理是一項長期而復雜的工程[10]，研究并設計了基于云平臺下的化工實驗中心安全預警系統，通過將該系統與學校現有的智慧校園系統進行對接，形成一張功能強大的校園安全管理網絡，能有效避免實驗室安全事故的發生，實現對實驗室安全、科學、智能、有效的管理，提高實驗室安全管理水平和效率。該系統不僅可為學校建設一流實驗室提供可靠保障，也可為學校爭創“雙一流”提供堅實的基礎。