多學科交叉學院實驗室設備智慧管理模式探索

摘要：實驗室設備的智慧管理對于教學、科研和學校的整體運行至關重要，基于物聯網與多種技術的綜合應用為改善實驗室設備管理方式提供了新機遇。文章以院級實驗室架構為基礎，通過評估目前實驗室設備管理的瓶頸和挑戰，探索采用智慧管理技術優化設備安全、開放共享管理機制和降低設備運維成本的實現方式，為實驗室管理部門改革管理模式，提升教學、科研質量提供必要的信息和決策指導。

關鍵詞：實驗室設備；物聯網；智慧管理；安全；開放共享

中圖分類號：G482 文獻標志碼：A

0 引言

目前，我國的實驗室設備管理存在一些問題，包括：實驗室設備管理缺乏智慧化和信息化，導致資源浪費和管理效率低下；實驗室信息資源的共享和整合仍然面臨挑戰，導致信息孤島的存在；實驗室設備管理不善可能導致安全風險等［1］。物聯網技術是一項基于互聯網、傳感器、識別技術、大數據、移動通信等多種技術的綜合應用，可實現物體之間的連接和信息交換［2］。在實驗室管理領域，物聯網技術的應用具有巨大潛力，如今越來越多的研究機構和高校開始關注如何利用物聯網技術改善實驗室設備的管理。

近年來，我國在實驗室設備智慧化管理方面取得了顯著進展，一些研究聚焦于傳感器技術的應用，通過安裝各種傳感器來監測設備的狀態和環境條件，通過實時監測，管理者可以迅速發現問題并采取措施［3］。另一方面，一些研究側重于實驗室設備的遠程監控和管理。這意味著設備管理者可以通過互聯網遠程訪問設備的狀態信息，執行遠程診斷，甚至進行遠程維護［4-5］。這種方法不僅提高了設備的使用效率，還降低了運維成本。此外，一些研究還探討了如何利用云計算和大數據分析處理實驗室設備生成的大量數據，以提取有價值的信息［6］。

一些研究將云平臺與物聯網控制系統相結合，促使大型儀器設備開放共享和開放式實驗室管理模式發生顯著改變。通過采用集中管理與智能調度的模式，優化資源配置，減少大型儀器設備的空置時間［7］。開放式實驗室通過引入模塊化設計和智能化管理系統，進一步提升了實驗室的綜合利用效率［8］。通過開設開放實驗課程，鼓勵學生進行自主實驗和創新研究，不僅提高了學生的實驗動手能力，還促進了校內實驗資源共享與合作，推動了科學研究和教育的創新。

為了加快推動實驗室設備管理模式變革，本文以學院實驗室架構為基礎，評估目前實驗室設備管理中存在的瓶頸和挑戰，探討智慧管理技術的應用對提升設備開放共享度、優化設備安全管理模式、降低設備運維成本的益處，從而促進教學和科研質量的提升。學院實驗室架構如圖1所示。

1 實驗室設備管理的瓶頸和挑戰

南京醫科大學生物醫學工程與信息學院（以下簡稱“本學院”）學科和專業設置以醫理工交叉為特色，實驗室類別涵蓋電子類、計算機類、生物類、化學類、機電類以及其他類，實驗室30余間，設備3000多臺，總價值2800多萬元，實驗設備具有種類多、分布廣的特點。在多年的管理實踐中，通過不斷優化學院—學系/中心—實驗室三級管理體系，制定適合學院特色的管理制度，使實驗室設備得到一定的有效管理。但不同類型設備管理方式不同，如大型儀器設備更注重使用率、共享率、成果產出率等指標，而小型設備更關注設備位置、使用狀態等信息。著眼于未來發展，智慧化管理將成為趨勢，因此，理清現有管理模式下存在的瓶頸與挑戰，對后續智慧管理方案的制定至關重要。

1.1 設備存在安全隱患

不同類別的實驗室設備存在的安全隱患VMhGXkAH9lBeFI3+NjNXZQ==有所不同，這些差異不僅體現在設備本身的特性和使用條件上，還涉及與設備相關聯的操作環境和安全標準。生物類和化學類實驗室設備除關注設備本身外，因其與化學品的使用息息相關，還需側重對整個實驗室環境安全的監測。化學品的性質多變且具有潛在的危險性，因此，必須嚴格控制其存放位置、數量以及與其他物質的接觸，以防止可能的化學反應或事故發生。

而電子類和機電類實驗室設備則重點關注設備帶來的激光、電、機械等安全隱患，這些設備通常需要對電流、電壓和激光輻射進行嚴格控制，以確保實驗人員和設備本身的安全。例如，高功率激光器在操作時可能會產生強烈的激光束，如果未經適當控制和安全防護，可能會對實驗人員的眼睛造成嚴重損傷。

對于這些高精密儀器設備，其正常運行受環境溫度、濕度、振動等因素的影響較大，缺乏實時監控容易導致設備損壞；實驗人員對設備操作不當或不規范，也可能導致設備故障或安全事故，而傳統管理模式難以及時發現和糾正這些問題。

1.2 設備開放共享管理困難

面對當前種類繁多、分布廣泛的大型、小型實驗室設備，其開放共享面臨多重挑戰，非智慧化的管理方式效率低下且容易出現疏漏。大型儀器設備在開放共享中存在諸多問題，首當其沖的是資源分配不均衡的挑戰。由于缺乏實時監控和有效的預約系統，一些熱門設備可能會被少數實驗室長時間占用，而其他實驗室則難以及時獲得所需設備，導致資源利用不足和科研進度受阻的問題。這種不均衡不僅影響科研活動的公平性和效率，也可能導致實驗室設備的閑置和資源的浪費。此外，大型儀器設備由于缺乏對設備使用情況的實時監控，還面臨著設備維護風險增加、使用者技能不匹配、數據隱私保護和有效的管理機制等挑戰。

而小型設備因其在不同實驗室和使用者之間頻繁流動，管理者難以準確追蹤設備的具體位置和當前使用狀態。缺乏有效的定位系統和管理流程，使得設備的使用狀態和使用頻率無法準確掌握，這不僅會導致設備丟失或長時間閑置，還可能造成資源浪費和教學科研工作的延誤，進一步增加了管理難度。

1.3 設備維護成本高

實驗室設備的維護通常依賴于定期的人工檢查和記錄，這不僅耗時費力，還難以保證維護的及時性和全面性。首先，由于設備種類繁多且技術復雜，傳統的人工檢查往往無法覆蓋所有設備的每一個細節，特別是對于隱藏的潛在問題難以提前發現。例如，某些設備內部的機械部件或電子元件可能在使用過程中逐漸老化或磨損，但這些問題往往需要專業的設備和技術才能準確診斷和修復，而人工檢查往往難以做到徹底和及時。其次，傳統的維護模式往往是在設備出現故障后才進行維修，這不僅延誤了設備的正常使用時間，也導致了維修成本的增加。此外，人工記錄設備維護情況也存在諸多問題，包括記錄的不全面、錯誤或遺漏等。這些錯誤和遺漏不僅會增加后續維護工作的難度和成本，還可能對設備的安全性和穩定性構成潛在威脅。最后，傳統的維護方式也難以有效應對設備使用量大、工作環境惡劣等特殊情況下的維護需求。

2 實驗室設備智慧管理技術及應用分析

實驗室設備智慧管理通過整合現有設施，利用物聯網、傳感器、大數據和人工智能等關鍵技術支持實驗室環境感知、設備監測和數據驅動決策，構建全方位、全周期的智能實驗生態圈［9］，推動設備安全性的提高、開放共享度的提升以及運維成本的降低，使得教學、科研質量更高效、更智能地實現。多技術聯用的實驗室設備智慧管理技術如圖2所示。

2.1 提高設備安全性

實驗室整體環境的安全是確保實驗室設備安全的前提，根據實驗室類別及開展的實驗種類，個性化制定消防方案，與門禁和監控攝像頭一同構筑第一道安全屏障。個性化的消防方案應包括滅火器材的配置、逃生通道的設計以及應急演練的安排，以確保在發生火災時，實驗室人員能夠迅速、安全地撤離。

關注實驗設備的用電需求也是實驗室安全管理的重要一環。不同實驗設備對電源的要求各異，進行電力監測有助于確保實驗設備的平穩、安全運行。通過安裝電力監測設備，實時監控電壓、電流和功率等參數，可以及時發現電力異常，避免設備因電力問題而損壞或發生安全事故。此外，電力監測系統還可以提供歷史數據和趨勢分析，幫助管理人員優化電力配置，提高能源利用效率。

對于精密且昂貴的大型設備，為了避免因運行異常而損壞或導致安全事故，必須對其運行狀態和環境參數（如溫度、濕度、震動等）進行實時監測。通過在這些設備上安裝各種傳感器，實時收集運行數據，設置多種報警機制，當參數超出設定的安全范圍時，系統會自動發出報警信號，通知相關人員采取必要措施處理異常情況。實驗室安全物聯管理平臺如圖3所示。

例如，生物類實驗室中的恒溫箱如果溫度異常，可能導致實驗樣品損壞，通過溫度監控和報警功能，可以及時發現溫度異常并進行調整，確保實驗順利進行。化學類實驗室中，空氣中的有害氣體濃度超標可能威脅實驗人員的安全，通過物聯網系統的環境監測功能，可以實時監測空氣質量，一旦有害氣體濃度超標，系統會自動報警，確保實驗室安全。

對于頻繁在不同實驗室和使用者之間流動的小型設備，傳統管理方式難以有效跟蹤。通過在每臺設備上安裝傳感器和RFID標簽，這些傳感器可以收集設備的各種狀態信息，如使用時間、環境條件和設備健康狀況，RFID標簽則能夠定位設備所在位置。當設備被移動到新的位置或實驗室時，Wi-Fi網絡可以即時上傳這些信息到中央管理平臺。管理員可以通過物聯網平臺實時查看設備的具體位置和狀態信息，不僅方便設備的查找和調度，還能對設備的使用情況進行監控，及時發現和解決潛在的問題，避免設備丟失或閑置。

通過使用先進的物聯網技術協助建立完善的安全管理體系，可以大幅提升實驗室的安全水平，確保設備的平穩運行和科研工作的順利進行。這不僅能有效減少安全事故的發生，還能提高實驗室資源的利用效率，為科研人員提供一個安全、高效的工作環境。

2.2 優化設備開放共享管理模式

設備的開放共享管理，可根據設備的價值和要達到的要求分為大型儀器設備和小型設備兩類，利用物聯網技術，這兩類設備的管理目標和實現方式有所不同。對于大型儀器設備，開放共享的主要目標是優化科研資源利用和管理效率。首先，科研人員可以通過在線平臺提交預約申請，系統會根據設備的實時可用性自動安排最佳使用時間，避免資源浪費和沖突。這樣不僅提高了設備的利用率，也確保了不同科研團隊在使用設備時不發生沖突。此外，設備配備實時監控系統可以隨時監測設備狀態，及時發現和解決潛在問題，確保設備長期穩定運行。

在數據安全方面，高級加密和權限控制機制可以保障科研數據的安全，防止未經授權的訪問和數據泄露。同時，系統還應支持科研成果的共享和合作，促進不同團隊之間的交流和協作。此外，還應有精確的計費管理系統，根據實際使用情況進行計費，確保資源的公平分配和合理使用。操作指南和技術支持也至關重要，從而確保用戶能夠正確使用設備，提高使用效率和設備壽命。

另一方面，小型設備共享管理旨在優化實驗室設備的使用效率和資源配置，為鼓勵科研人員使用，可以免去計費管理環節，但仍需保留預約申請、審核、設備使用管理。由于小型設備會存在實驗室間流動，可利用RFID和傳感器技術實現設備的實時監控與位置追蹤，管理員隨時掌握設備狀態和位置，確保安全和有效利用。通過這些技術，設備的使用情況可以被實時記錄，方便管理人員進行管理和調度。

通過對設備使用數據的分析，管理員可以了解實驗室設備需求和使用趨勢，判斷哪些設備的需求高，哪些設備的需求低。對于高需求設備，考慮增加設備數量或延長使用時間，以滿足教學科研的需要。而對于需求較低的設備，可以減少采購或進行設備共享，提高資源的利用效率。利用設備使用數據分析的結果進行合理的資源調配，實現實驗室資源配置的更加優化和科學，為管理策略的調整提供決策依據。

此外，數據分析還可以揭示設備的使用頻率、使用時間和使用者等信息，這些數據對于制訂維護計劃、優化設備配置具有重要參考價值。通過分析設備的使用頻率，可以確定哪些設備需要更加頻繁地維護和保養，哪些設備可以適當延長維護周期，從而節約維護成本，提高設備的使用壽命。

利用智慧管理模式和技術手段進行設備的開放共享管理，不僅可以提高大型儀器設備和小型設備的利用率，還可以實現實驗室資源的優化配置，提升實驗室的整體管理水平，促進科研和教學工作的順利進行。

2.3 降低運維成本

建立運維知識庫，將所有運維日志、設備故障案例、解決方案和維護指南等信息進行系統化整理和存儲。運維知識庫的關鍵功能包括信息存儲與檢索，通過系統化存儲各類運維相關信息，管理員可以通過關鍵詞快速檢索相關案例和解決方案，從而極大地提高問題處理效率。知識庫根據新錄入的日志和案例不斷更新和優化，形成一個不斷完善的知識體系，確保知識庫始終保持最新和最實用的狀態。這種動態更新機制不僅能確保管理員掌握最新的維護技術和解決方案，還能積累寶貴的運維經驗，提升整體管理水平。

在面對復雜問題或未知故障時，知識庫提供類似案例和參考解決方案，輔助管理員做出科學高效的決策，減少故障排除時間和資源浪費。當儀器設備突然出現異常時，通過知識庫檢索到相似故障的處理記錄和專家建議，管理員可以迅速判斷問題所在，采取有效措施進行修復，避免設備長時間停機和影響科研進度。

建立數據分析平臺同樣至關重要，實施預防性維護，將物聯網平臺獲取設備運行狀態、歷史數據和預警信息等數據進行分析，結合運維知識庫制定科學的預防性維護計劃。物聯網設備的狀態監測提供了實時數據，管理員可以根據這些數據制定維護計劃，預測設備故障，及時采取措施，以最小的成本實現最大的設備效益。例如，某些設備在運行過程中可能會出現溫度或振動異常，通過實時監控和數據分析，可以及時發現問題并進行處理，防止設備損壞和停機。

實時數據使管理員能夠動態調整維護策略，通過分析設備的歷史運行數據和當前狀態，可以優化維護時間安排和方法，避免不必要的停機和維護，確保設備始終在最佳狀態下運行。例如，某些設備在某些時段的使用頻率較高，管理員可以根據數據分析結果，安排在使用低谷期進行維護，減少對科研工作的影響。

綜合運維知識庫和數據分析平臺的優勢，管理員可以優化維護時間安排和方法，減少設備停機時間。總之，建立運維知識庫和數據分析平臺是現代實驗室設備管理的關鍵，通過系統化的知識管理和數據分析，可以顯著提升設備管理效率和科研工作的連續性，為實驗室提供可靠的技術支持和保障。

3 結語

實驗室管理是高等教育事業中的關鍵環節，而現有管理方式存在一系列問題。物聯網與多技術聯用的應用為實驗室管理帶來了新的解決方案，提高了設備管理效率、安全性和資源利用率。為了最終實現學院實驗室設備的智慧化管理，可在充分評估當前實驗室設備種類、分布和使用情況的基礎上，確定具體需求，先從關鍵設備和重點實驗室入手，制定技術方案，逐步實施并推廣到整個學院，同時加強對管理人員和使用者的培訓，確保系統的有效運行和維護。

此外，需建立有效的反饋機制，及時收集和處理使用者在系統使用過程中遇到的問題和建議，不斷優化和完善智慧管理系統。通過科學合理的規劃和實施，實驗室設備智慧管理模式將為實驗室帶來顯著的管理效益，為教學科研提供堅實的支持。同時，這種管理模式也有助于學院實驗室整體管理水平的提升，推動高等教育事業的持續發展和創新。

參考文獻

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（編輯 何 琳編輯）

Exploration of intelligent management model for laboratory equipment

in multidisciplinary interdisciplinary academies

LI Xiuhan， ZHU Songsheng， WANG Chao， WANG Wei*

（School of Biomedical Engineering and Informatics， Nanjing Medical University， Nanjing 211166， China）

Abstract： Smart management of laboratory equipment is crucial for the overall operation of teaching， research， and school management. The comprehensive application of Internet of Things （IoT） and various technologies presents new opportunities to improve the management of laboratory equipment. Based on the architecture of departmental-level laboratories， evaluates current bottlenecks and challenges in equipment management， this paper explores the implementation of smart management technologies to optimize equipment safety， facilitate open sharing management mechanisms， and reduce operational costs. These efforts aim to reform management practices within laboratory departments， providing necessary information and decision-making guidance to enhance the quality of teaching and research.

Key words： laboratory equipment; Internet of Things （IoT）; intelligent management; safety; open sharing

基金項目：南京醫科大學2023年度教育研究課題；項目名稱：基于物聯網的醫工交叉實驗室設備智慧管理可行性探索；項目編號：2023LX042。教育部產學合作協同育人項目；項目名稱：生物醫學工程專業數字醫療實踐教育改革探索；項目編號：230902636285205。南京醫科大學2023年度教育研究課題；項目名稱：“三邊實踐”教學方法在醫學成像原理課程自主學習模塊中的應用研究；項目編號：2023ZC022。

作者簡介：李修寒（1994— ），男，實驗師，碩士；研究方向：醫學電子與醫學圖像處理。

通信作者：王偉（1980— ），男，高級實驗師，博士；研究方向：醫療儀器與醫學圖像處理。