基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的高校實驗室信息化建設(shè)研究

［摘 要］近年來，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，高校實驗室信息化建設(shè)迎來了新的機遇和挑戰(zhàn)。高校實驗室作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才和推動科研進步的重要基地，其信息化建設(shè)水平直接影響教學和科研的質(zhì)量。文章通過分析高校實驗室信息化建設(shè)中存在的問題和需求，以提升實驗室信息化水平、提高實驗室資源的利用率、保障實驗室安全等為目的，提出高校實驗室信息化建設(shè)平臺的架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，為高校構(gòu)建數(shù)字化、智能化的實驗室管理體系提供參考。

［關(guān)鍵詞］大數(shù)據(jù)；高校實驗室；信息化建設(shè)；物聯(lián)網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.20.071

［中圖分類號］G647；TP399 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）20-0-03

0" " "引 言

高校實驗室是科學研究和人才培養(yǎng)的重要基地，優(yōu)化和升級實驗室的建設(shè)與管理對提高科研與教學水平具有重要意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，高校實驗室信息化建設(shè)迎來了新的機遇，將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應用于實驗室建設(shè)和管理，有利于提升實驗室管理、實驗教學和科研工作的效率。當前，如何利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進行實驗室信息化建設(shè)，已成為各高校關(guān)注的重點。為此，文章將基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對高校實驗室信息化建設(shè)的相關(guān)內(nèi)容進行研究。

1" " "高校實驗室信息化建設(shè)存在的問題

近年來，隨著高校對實踐教學愈加重視，實驗室的數(shù)量和智能化水平迅速提升。然而，高校實驗室建設(shè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如資金投入不足、場地空間有限、學科水平參差不齊、技術(shù)更新迭代等，導致高校實驗室難以完全滿足教學、科研和社會需求［1］。目前，高校實驗室信息化建設(shè)主要存在以下問題。

1.1" "智能化管理水平不高

高校實驗室信息化建設(shè)需要較大的資金投入，但許多高校在信息化建設(shè)方面的預算不足。由于資金缺乏，部分高校實驗室僅使用通用的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，未能充分利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進行智能化管理，導致設(shè)備管理效率低下，難以及時發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備故障問題。此外，仍有部分高校實驗室停留在傳統(tǒng)的管理模式上，設(shè)備使用情況主要依賴人工登記和人工管理，增加了管理工作的復雜性。

1.2" "資源配置不合理

近年來，高校對計算機編程相關(guān)課程的排課需求增加，但部分公共實驗室設(shè)備陳舊或技術(shù)落后，難以滿足高水平科研和教學的需求，實驗室資源配置不足［2］，影響了教學和科研活動的正常開展。另外，部分實驗室資源過剩，設(shè)備長期閑置，利用率低，資源浪費現(xiàn)象嚴重。此外，由于高校二級學院資源共享意識不足，相同功能的實驗室在不同的學院重復建設(shè)，導致實驗資源的重復建設(shè)和浪費。

1.3" "安全管理機制不健全

實驗室安全管理是高校整體安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實驗室建設(shè)運行的根本保證［3］。然而，部分高校缺乏定期的實驗室安全檢查和系統(tǒng)化的安全管理與應急預案，導致安全隱患難以被及時發(fā)現(xiàn)和有效處理。部分高校對實驗室人員的安全教育培訓不足，且缺乏人員準入管理機制，進一步增加了安全事故的發(fā)生概率。此外，部分實驗室安全基礎(chǔ)設(shè)施不完善，各項環(huán)境指標未能實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測，火、電、氣、盜等預警系統(tǒng)也不完善，使得實驗室環(huán)境中的潛在危險無法得到及時監(jiān)控和處理。

1.4" "“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象嚴重

高校實驗室信息化建設(shè)中，“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象嚴重阻礙了信息共享和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。初期的信息化系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，導致數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)跨部門、跨業(yè)務的數(shù)據(jù)共享。隨著時間推移，孤立的數(shù)據(jù)不斷累加，形成了業(yè)務數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)難以流轉(zhuǎn)的局面。此外，實驗室存在多頭建設(shè)和重復建設(shè)的問題，多個實驗室管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)標識不一，標準迥異，無法實現(xiàn)互識、互通和共享，這也使得數(shù)據(jù)的綜合利用和分析變得更加困難。

2" " "高校實驗室信息化建設(shè)需求分析

充分利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)對高校實驗室進行信息化建設(shè)，不僅能為師生創(chuàng)造安全、環(huán)保、智能的環(huán)境，還能提供開放、協(xié)同、高效、便捷的個性化服務［4］。因此，在實驗室信息化建設(shè)過程中應重點關(guān)注以下需求：①實現(xiàn)實驗室和儀器設(shè)備的預約功能，允許師生登錄查看可用的實驗室資源并進行預約。②實現(xiàn)實驗室資產(chǎn)的全生命周期管理，包括購置、入庫、領(lǐng)用、借用、調(diào)撥、盤點、報廢和維修，幫助管理部門快速掌握資產(chǎn)狀態(tài)。③實現(xiàn)實驗教學中實驗課程排課、教學考核、實驗報告等任務的信息化管理，為實驗教師提供清晰的實驗教學安排及管理手段。④實現(xiàn)對溫度、濕度、光線強度和總揮發(fā)性有機化合物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）等實驗室環(huán)境信息的實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，可以及時發(fā)出預警，防止安全事故發(fā)生。⑤實現(xiàn)實驗室設(shè)備遠程操控和自動化管理，提高設(shè)備儀器的管理效率。⑥實現(xiàn)多樣化的實驗室安全準入機制。例如，只有完成安全責任書簽訂并且安全教育考試達標的人員才有權(quán)限進入實驗室。⑦實現(xiàn)對危險源的全生命周期管理，包括采購、登記、存儲、處置等，并實時監(jiān)測危險源，達到危險源精準管控的要求。⑧實現(xiàn)實驗室安全檢查的全流程信息化管理，形成安全檢查管理的閉環(huán)，提高實驗室的安全水平。⑨實現(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和分析功能，為海量業(yè)務數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的處理與分析提供技術(shù)手段。⑩實現(xiàn)實驗室大數(shù)據(jù)實時展示，幫助管理部門快速掌握實驗室的各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3" " "高校實驗室信息化建設(shè)平臺架構(gòu)設(shè)計

高校實驗室管理平臺的構(gòu)建以智慧教育理念為指導，遵循“環(huán)境監(jiān)測實時化、設(shè)備管理自動化、資源獲取信息化、實驗管理高效化”的建設(shè)原則［5］。平臺設(shè)計采用分層架構(gòu)理念，整體架構(gòu)分為7層，如圖1所示。

（1）用戶與終端層。利用個人計算機（Personal Computer，PC）端、手機、微信、企業(yè)微信及小程序等多種終端，為學生、教師、管理部門和領(lǐng)導等用戶提供便捷的業(yè)務應用服務接入。例如，用戶可以通過終端實時查看實驗室設(shè)備狀態(tài)、預約實驗室和設(shè)備、獲取實驗數(shù)據(jù)和報告等，使得實驗室管理更加高效和便捷。

（2）業(yè)務應用層。主要負責提供實驗室綜合管理、實驗室安全管理、動力環(huán)境監(jiān)控管理和大數(shù)據(jù)分析4類應用系統(tǒng)，滿足學校實驗室的教學、科研、管理等多方面需求。

（3）平臺層。物聯(lián)中臺作為前端物聯(lián)設(shè)備與后端應用的中間服務，負責物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入和管理，向上提供標準數(shù)據(jù)接口，向下兼容多協(xié)議物聯(lián)設(shè)備，實現(xiàn)高效、快速地解決多種協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入問題。大數(shù)據(jù)平臺負責數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和分析。利用Sqoop、Flume、Kafka等技術(shù)采集業(yè)務應用數(shù)據(jù)、物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)備日志；通過HDFS、Hbase、Kudu和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲；使用MapReduce、Spark、Hive、MLib等組件進行數(shù)據(jù)處理和分析，最終提供實驗室大數(shù)據(jù)、資源利用率分析、預警分析、用戶畫像分析等決策數(shù)據(jù)，支持智能化決策。

（4）傳輸層。負責數(shù)據(jù)的傳輸，運用以太網(wǎng)、5G、Wi-Fi、藍牙、Zigbee和Lora等多種通信技術(shù)，實現(xiàn)實驗室感知控制層和設(shè)備層數(shù)據(jù)的高效傳輸與設(shè)備的互聯(lián)互通。

（5）感知控制層。負責實驗室各感知設(shè)備數(shù)據(jù)的實時采集，通過控制器和各類傳感器對實驗設(shè)備、實驗室環(huán)境等數(shù)據(jù)進行采集。

（6）設(shè)備層。負責設(shè)備的智能化控制，包括門禁、門鎖、實驗設(shè)備和照明設(shè)備等。實驗室各類設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入平臺，實現(xiàn)智能化管理和控制。

（7）基礎(chǔ)設(shè)施層。負責為實驗室建設(shè)、運營、管控提供基礎(chǔ)保障。校園網(wǎng)絡(luò)為實驗室管理平臺提供了高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備保障了整個平臺和數(shù)據(jù)的安全，數(shù)據(jù)中心將各業(yè)務應用的核心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源同步到中心，通過數(shù)據(jù)中心來共享業(yè)務、實驗等核心數(shù)據(jù)，有效消除了“數(shù)據(jù)孤島”，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

4" " "高校實驗室信息化建設(shè)平臺主要功能設(shè)計

根據(jù)需求分析，高校實驗室信息化建設(shè)平臺主要功能可以分為實驗室綜合管理、動力環(huán)境監(jiān)控管理、實驗室安全管理和大數(shù)據(jù)分析4類，其功能設(shè)計如下。

4.1" "實驗室綜合管理功能

通過對人員、儀器、試劑、危險源、環(huán)境等進行全方位管理，實現(xiàn)開放預約管理、儀器預約共享管理、資產(chǎn)設(shè)備管理、實驗教學管理和耗材管理。其中，實驗室開放預約管理提供在線預約和智能門禁授權(quán)功能；資產(chǎn)設(shè)備管理利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的智能化管理；實驗教學管理提供排課、教學考核和實驗報告管理功能。

4.2" "動力環(huán)境監(jiān)控管理功能

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全天候監(jiān)控和管理實驗室的溫濕度、總揮發(fā)性有機物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）、氧氣等環(huán)境參數(shù)以及關(guān)鍵設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)實驗室內(nèi)異常情況。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過閾值，將通過自動化控制設(shè)備調(diào)整環(huán)境參數(shù)，優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境，實現(xiàn)分級預警，最大限度減少異常情況帶來的損失。

4.3" "實驗室安全管理功能

通過完善制度、管理及基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)安全規(guī)范管理、安全分類分級管理和安全檢查管理。其中，安全規(guī)范管理提供線上簽訂安全責任書和設(shè)置實驗室準入機制等功能；安全分類分級管理依據(jù)教育部要求自動計算分類分級，并管理危險源的全生命周期，實現(xiàn)精準管控；安全檢查管理根據(jù)教育部指標生成檢查依據(jù)，通過定期和不定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患，記錄檢查結(jié)果和整改措施，形成管理閉環(huán)，提高安全水平。

4.4" "大數(shù)據(jù)分析功能

通過對海量數(shù)據(jù)的分析，生成智能化決策建議，實現(xiàn)實驗室大數(shù)據(jù)分析和展示。例如，通過設(shè)備使用情況的數(shù)據(jù)分析，生成優(yōu)化資源配置的建議，預測設(shè)備故障和安全隱患等。同時，通過可視化界面展示實驗室統(tǒng)計、設(shè)備資源統(tǒng)計、資源利用率統(tǒng)計、用戶畫像和安全管控等數(shù)據(jù)，便于管理部門快速掌握各項信息。

5" " "結(jié)束語

高校實驗室信息化建設(shè)是一項復雜的系統(tǒng)工程，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用為高校實驗室信息化建設(shè)提供了新的思路和手段。基于此背景，文章提出了高校實驗室信息化建設(shè)平臺的架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，以提升實驗室信息化水平、提高實驗室資源利用率、保障實驗室安全，實現(xiàn)實驗室管理的智能化、科學化和高效化。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)將在高校實驗室信息化建設(shè)中得到更加廣泛的應用，推動其向更智能的方向發(fā)展。

主要參考文獻

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［5］張丹，崔光佐.“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下高校智慧實驗室的構(gòu)建［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2019（6）：122-126.