智慧校園背景下高校實驗室安全監管平臺研究

摘 要 針對智慧校園背景下高校實驗室數字化建設需求，建立實驗室安全監管平臺。通過對平臺進行需求分析，構建實驗室化學品采、存、用、銷全生命周期監管流程體系，提出化學品線上共享虛擬數據倉庫，使實驗室化學品資源得到信息共享和交換，降低化學品的閑置率。設計具有一物一碼規則的全流程追溯二維碼，實現對實驗室化學品的全程監控。平臺為化學品的全生命周期監管提供切實可行的技術路徑，提高實驗室安全監管的智能化和信息化。

關鍵詞 智慧校園；高校實驗室；安全監管平臺；全生命周期；化學品

中圖分類號：G647.6 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.024

0 引言

實驗室作為高校科研和實驗教學的重要場所，其信息化平臺在智慧校園建設過程中發揮出越來越重要的作用，成為新時代探索高校教育信息化2.0工作的重點研究內容[1]。隨著高校實驗室信息化平臺建設的快速發展，各類實驗室綜合管理平臺、實驗教學平臺在高校逐漸得到推廣和應用，但實驗室化學品安全監管的短板日益突出。近年來，由于化學試劑使用過程監管機制不健全、實驗室師生缺乏化學品使用和處置的基本安全常識而造成的實驗室失火、爆炸等重大安全事故頻發，嚴重威脅師生的生命安全。2019年發布的《教育部辦公廳關于進一步加強高校教學實驗室安全檢查工作的通知》中明確指出，要建設全校統一的教學實驗室安全管理信息化系統，充分利用信息化手段提升安全工作水平[2]。因此，高校建立實驗室安全監管平臺，對實驗室化學品的采、存、用、銷全生命周期實施管控，已經成為高校實驗室信息化建設和實驗室安全管理部門的重要工作。

1 高校實驗室安全監管現狀

高校實驗室是師生進行實驗教學和科研工作的重要場所，而化學品是化學類實驗室開展實驗活動的必備耗材。高校實驗室涉及的化學品由于種類多、理化性質復雜、規格不一、具有不同程度的毒性和危險性、存放和處置要求具有特殊性等特點，成為實驗室安全管理工作的重點和難點[3]。隨著實驗教學和科研工作開展得越來越頻繁，化學試劑采購的種類和數量遞增，對化學品的安全管理提出更高的要求。

目前，高校在實驗室建設過程中非常重視化學品尤其是危險化學品的安全管理工作，已建立危險化學品規范化采購流程[4]。具體流程為：由使用者向院系管理員申請，院系管理員再報校級管理員審批，待審批通過后由校級管理員統一購置和驗收入庫，危險化學品由校級危險化學品倉庫專管，使用者需登記領取所申報的危險化學品。該流程運行以來，高校的危險化學品購置規范化水平大幅提高，杜絕了危險化學品隨意采購的現象，安全風險有所降低。但從運行實際反饋的結果來看，管理依然存在較大的漏洞，沒有實現智能化和信息化，無法滿足智慧校園背景下實驗室信息化的要求。

1.1 化學品使用缺乏全生命周期管理

高校化學品的采購與管理涉及多個部門、學院和實驗室，因環節眾多且流程煩瑣，采購部門、監管部門、使用學院與處置部門存在信息孤島現象，缺乏全生命周期管理。

1.2 化學品采購流程多為傳統模式

大多數實驗室仍沿用傳統的線下運營模式，處理方式多為手工填寫Excel或Word表格進行申請，占用人力成本，涉及簽字審批較多，導致采購環節多、審批時間長，影響實驗進度。此外，申請材料的整理歸檔工作繁復，查找不便。

1.3 對危險化學品監管不足

高校實驗室化學品種類繁多，并且部分危險化學品具有易燃易爆、劇毒、腐蝕性強等特點，雖然對危險化學品采購的數量、種類和供應渠道進行監管，但是對危險化學品存取和使用過程的監管不足，仍存在較大安全隱患[5]。

1.4 實驗室安全管理意識薄弱

高校實驗室人員流動較大，且大多為大學生，缺乏危險化學品使用和處置的常識。面對實驗室的多種化學品，他們甚至缺乏對普通化學品和危險化學品的基本辨別意識。

2 高校實驗室安全監管平臺總體設計

2.1 需求分析

目前，各高校的實驗室安全監管平臺基本上能根據實驗室特點進行化學品安全管理。隨著實驗室信息化的深入發展，高校實驗室安全監管平臺需要適用更多的實驗環境，但大多數實驗室安全監管平臺缺乏廣泛性，也不夠智能化和信息化，需要針對高校智慧校園建設需求進一步對實驗室安全監管平臺進行升級[6]。

2.1.1 確保數據的一致性和全局共享性

由于化學類實驗室分布在化學學院、生命科學學院、藥學院等學院，高校實驗室安全監管平臺需要接入校園統一信息門戶，建立全校統一的云數據庫平臺。實驗員在任何地方都能通過平臺進行實驗室化學品的使用，實時確認已完成和未完成的操作，避免出現人口相傳、完成操作但是未更新信息等現象。化學品數據庫的統一和共享，可以提高監管的時效性，使實驗員對實驗室的掌控便捷且嚴謹。

2.1.2 生成唯一追溯碼，實現試劑瓶精確管理

高校實驗室化學品倉庫中存放多種化學品，需要對化學品設計全生命周期的追溯碼。根據入庫日期、數量等信息自動生成唯一追溯碼，精確到每瓶試劑都有唯一追溯碼的認證。試劑的所有調用、處理和注銷都需要通過系統的確認。通過唯一追溯碼可以看到每瓶試劑的全部信息，形成清晰的時間軸。拿到一瓶試劑時，通過掃描追溯碼，可以了解該試劑入庫、調用、注意事項等相關信息，使實驗室化學品的數據清晰且完整。

2.1.3 將理化性質導入數據庫，提高安全意識

將化學品安全技術說明書（Material Safety Data Sheet，MSDS）導入數據庫，把相關的信息導入對應化學品的信息條。在掃描化學品追溯碼時，自動彈出相關的MSDS注意事項，提示使用者安全使用化學品，進一步加強實驗室危險化學品的安全管理。

2.1.4 智能規劃化學品采購

高校實驗室安全監管平臺需監管實驗室化學品的入庫、調用和注銷等流程，智能統計每個化學品的在庫數量，在耗材使用到預警值時，可自動提示實驗員。通過后臺計算，定時列出采購清單，自動生成采購耗材各階段的電子審批文檔，協助實驗室耗材的智能管理。

2.1.5 定量監管危險化學品

由于危險化學品具有易燃、易制毒的特性，精度為瓶不足以滿足監管需求，應該把重點監管的危險化學品監管精度提升為克，在危險化學品存放柜中增加稱重傳感器，每次存取危險化學品時自動監管存取克數，形成危險化學品特殊使用日志。當危險化學品被取用時，使用者登錄平臺就會彈出警示，提示該化學品是危險化學品，并說明該危險化學品的使用注意事項。如果出現過量取用，立即封鎖該用戶賬號，并且提示平臺監管員，加大高校實驗室對危險化學品的安全監管力度。

2.2 高校實驗室安全監管平臺架構設計

高校實驗室安全監管平臺部署在校園網的網絡環境中，設計采用MVVM（Model-View-View Model）

架構模式，即將平臺前端頁面中的狀態和行為抽象化，把視圖UI和業務邏輯分開，更高效地實現實驗室化學品的采購、運輸、存儲、使用和處置等功

能。前端路線采用大前端技術，客戶端內置瀏覽器，兼容各實驗室的各種操作系統。服務器端采用分布式部署架構模式，具有應用服務器、數據庫服務器和備份服務器等。其中，應用服務器負責前端的數據訪問和業務處理，實現接口的調用和返回；數據庫服務器和備份服務器負責數據的實時保存與更新。

采用樹莓派開發板和稱重傳感器制作可以感應質量變化的壓力板，構建危險化學品存放柜，集成樹莓派集群和眾多稱重傳感器連接，對存放柜每個位置的危險化學品進行編號。通過Python腳本監控稱重傳感器每個位置的重量變化，實時將危險化學品質量變化數據傳輸給后臺監管。同時，為使高校實驗室安全監管平臺實現高性能跨院系處理高并發的業務功能，采用分層模型設計，即分為應用服務層（SaaS）、平臺服務層（PaaS）、數據服務層（DaaS）和基礎設施服務層（IaaS），如圖1所示。

3 全生命周期監管流程構建

基于智慧校園的高校實驗室安全監管平臺以二維碼技術為切入點，構建化學品一物一碼從入庫到注銷的全生命周期可追溯流程。高校實驗室管理的重點是對實驗室危險化學品進行監管，系統引入密碼+人臉識別雙重認證機制，實現對危險化學品倉庫管理的安全升級。通過完善系統各實驗室之間、各院系與管理人員之間的信息共享和交換功能，完善高校化學類實驗室的實驗員、院系管理員、校級管理員之間的交互關系，最終達到對實驗室化學品的全過程監控與管理，總體流程如圖2所示。

平臺主要使用者為實驗員、院系管理員和校級管理員。高校實驗室化學品數量大、品種多，實現管理自動化的瓶頸是化學品信息的采集和入庫。利用掃碼槍掃描化學品上的條碼，只對初次入庫的化學品進行詳細輸入，已錄入過的自動彈出已保存的該化學品的詳細信息，提高錄入化學品的準確率和效率，進而實現入庫管理的全面自動化。對于重要危險化學品的監管，增加雙身份認證機制，保證特殊危險化學品由兩位實驗員互相監督，進一步加強監管，提升危險化學品管理的安全性，使實驗室的管理制度更為嚴謹和完善。在整個監管流程設計中，構建一套完善的化學品采、存、用、銷管理管控辦法，校級管理員負責用戶管理、化學品管理、權限管理、審批管理等工作流程，如圖3所示。

4 高校實驗室安全監管平臺功能設計

高校實驗室安全監管平臺功能設計要滿足智慧校園的總體要求，同時根據實際的需求可分為入庫管理、調配管理、查詢管理和系統管理等功能。實驗員、院系管理員、校級管理員三種角色的使用功能權限不同。根據高校化學類實驗室的特征形成一整套科學而嚴謹的新型管理模式，建立化學品開放、共享的高校實驗室安全監管平臺。該平臺總體功能如圖4所示。

4.1 化學品網上共享數據倉庫功能

由于高校實驗室化學品管理大部分沿用傳統的管理模式，沒有信息化、數字化的共享模式，各個院系之間存在嚴重的資源浪費現象。有些院系一些購而不用、重復購置的化學耗材利用率普遍偏低，并且化學品存在有效期的要求，購置后不用會導致過期現象。院系間的信息不對稱會導致出現信息孤島現象。為解決此問題，提出化學品網上共享虛擬數據倉庫功能，設計共享虛擬數據倉庫的基本框架和查詢方法。化學品被初次分配到各院系分庫中，院系管理員可實時查看全校實驗耗材的在庫數量，如發現急需化學品在其他分庫閑置時，可申請異庫調配至自己分庫使用，這樣可提高化學品的利用率，實現化學品及耗材的共享與利用，避免出現資源閑置與浪費的現象。

4.2 化學品一物一碼全生命周期追溯碼功能

隨著信息化技術的不斷發展和二維碼應用的日漸普及，可利用二維碼進行化學品管理，實現化學品從采購入庫到注銷處置全生命周期的一物一碼可追溯。采用標簽打印機和掃碼槍設備，將化學品的追溯碼轉換成二維碼的形式，通過標簽打印機打印標簽貼在試劑瓶上，實驗員可以利用手機或掃碼槍掃描試劑瓶上的二維碼對該化學品的全生命周期進行追溯。追溯碼是由數字和字母組成的長度為21位的字符串，由入庫日期、調配庫位、隨機碼、調配批次四個部分構成，如圖5所示。下面以唯一追溯碼2101270200359e2050007為例進行說明。

第一部分：入庫日期碼210127代表該化學品入庫的日期，格式為YY/MM/DD。

第二部分：調配庫位碼0200代表當前庫位和上一庫位，此例中02為當前庫位，00標識總庫（未分配），即可追溯該化學品是由總庫調配至02庫。

第三部分：隨機碼359e2代表26個英文字母和阿拉伯數字0～9隨機組合，同時結合入庫時間戳加密生成長度為5的SHA-1（安全散列算法1）的唯一隨機碼。

第四部分：調配批次碼050007代表該化學品的總數量和當前批次中的第幾個，如050代表該批次的總數量，007代表該批次中的第七個。

5 結束語

本文通過分析當前智慧校園背景下高校實驗室運行的實際情況，研究化學品監管的必要性和現狀，構建高校實驗室安全監管平臺，構建一套科學、規范的化學品采、存、用、銷全生命周期管理流程體系。通過提出化學品網上共享虛擬數據倉庫，設計一物一碼的全周期追溯二維碼，實現對高校實驗室化學品，尤其是危險化學品使用的全流程監控，為實驗室安全運行提供切實保障。

6 參考文獻

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[6] 周瀛.國內高校實驗室安全管理研究的動態及趨勢[J].

中國高校科技，2021（4）：18-22.

*項目來源：湖北省高等學校實驗室研究項目“數字校園背景下高校實驗室業務協同平臺建設與研究”（基金編號：HBSY

2021-80）；中南民族大學實驗室研究項目“面向開放實驗室的安全監測與控制平臺關鍵技術研究”（基金編號：SYYJ2023

003）。

作者簡介：鄭祿、胡晶晶，實驗師；伍明，高級實驗師。