周建國(guó)， 黃 云， 孟繁星

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) a.動(dòng)物科技學(xué)院;b.科學(xué)研究院，江蘇南京210095)

0 引言

隨著高等教育從規(guī)模擴(kuò)張階段迅速進(jìn)入內(nèi)涵提升階段，尤其是經(jīng)過“211工程”和“985工程”建設(shè)，高校教學(xué)科研條件大大改善，大型儀器數(shù)量和種類有了跨越式發(fā)展［1］。與此同時(shí)，高校大型儀器管理中存在的問題也日益突顯。如何加強(qiáng)大型儀器共享管理，充分發(fā)揮其優(yōu)質(zhì)資源作用，不僅是投資效益問題，而且更是關(guān)系到如何有效支撐高校科技創(chuàng)新的關(guān)鍵。大型儀器設(shè)備的管理與運(yùn)行、開放共享、使用效益等問題也引起國(guó)家和高校高度關(guān)注［2］。如何利用最新的技術(shù)解決大型儀器開放共享，如何提高儀器使用效率等相關(guān)問題引起廣大實(shí)驗(yàn)室管理者的普遍關(guān)注，各高校在尋求新的管理模式和管理方法實(shí)踐中做了許多有益的探索。目前國(guó)內(nèi)已有高校開展這方面的應(yīng)用研究工作，但應(yīng)用還不普及。本文主要研究運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建包含設(shè)備信息、網(wǎng)絡(luò)預(yù)約、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控等管理要素的現(xiàn)代大型儀器設(shè)備共享平臺(tái)管理系統(tǒng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵及其技術(shù)架構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵

1991年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的 Kevin Ashton教授首次提出物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)［3-6］的概念。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義為:物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物到物(Thing to Thing:T2T)、人到物(Human to Thing:H2T)和人到人(Human to Human)互連［3］。國(guó)內(nèi)比較一致的物聯(lián)網(wǎng)概念指通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［7-8］。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)包含感知延伸、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和應(yīng)用三層。第一層負(fù)責(zé)采集物和物相關(guān)信息;第二層是異構(gòu)融合在通信網(wǎng)絡(luò)，包括現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)以及各種接入網(wǎng)和專用網(wǎng)，通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的物體信息進(jìn)行傳輸和處理;第三層是應(yīng)用和業(yè)務(wù)，為手機(jī)、PC等各種終端設(shè)備提供感知信息的應(yīng)用服務(wù)［9-10］。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在很多領(lǐng)域:①物流管理。將物件進(jìn)行統(tǒng)一編碼，嵌入EPC(產(chǎn)品電子代碼)標(biāo)簽，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)輸物件的運(yùn)行狀態(tài)。②智能交通 。它主要包括公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺(tái)、智能公交站臺(tái)、電子票務(wù)、車管專家和公交手機(jī)一卡通5種業(yè)務(wù)。③信息農(nóng)業(yè)。主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)采集兩方面，智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)品可以通過無線信號(hào)收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù)。④設(shè)備管理及維護(hù)。在歐美一些先進(jìn)國(guó)家，這類系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，已形成相對(duì)成熟的應(yīng)用軟件如:WIMS、COMPASS、TEREMA、MAXIMO軟件系統(tǒng)等［11］，國(guó)外高校的校園網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理，目前大多采用在嚴(yán)格的管理制度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行人工的管理或者使用簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)輔助管理，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全部設(shè)備的綜合管理的實(shí)用軟件產(chǎn)品和相關(guān)研究較為少見［12］。目前國(guó)內(nèi)已有高校開展這方面的應(yīng)用研究，但應(yīng)用還不普及。此外，物聯(lián)網(wǎng)還在工業(yè)監(jiān)控、公共安全、司法管理、醫(yī)療服務(wù)、環(huán)境保護(hù)和個(gè)人家庭等領(lǐng)域應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)了人與物、物與物的交流，加快了物品與網(wǎng)絡(luò)的融合［13-14］。

2 大型儀器共享平臺(tái)的管理現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)高校系統(tǒng)大型儀器共享平臺(tái)管理現(xiàn)狀調(diào)查分析，大多都存在以下共性問題。

2.1 數(shù)字化管理水平低

傳統(tǒng)的設(shè)備管理是靜態(tài)、信息滯后，并依靠使用人員自律來實(shí)現(xiàn)的管理方式，主要通過制定“儀器設(shè)備使用安排表”來實(shí)現(xiàn)儀器預(yù)約、監(jiān)管執(zhí)行、機(jī)時(shí)記錄等日常事務(wù)，事后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，因此，無法實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢，而實(shí)驗(yàn)過程往往需要連續(xù)的、不間斷的使用儀器(尤其是晚上和節(jié)假日)，傳統(tǒng)管理模式對(duì)實(shí)驗(yàn)室全天候開放缺乏有效的技術(shù)保障，結(jié)果加大管理人員工作強(qiáng)度與管理難度，同時(shí)無法滿足大型儀器設(shè)備數(shù)量的迅速增加對(duì)儀器管理者提出的新要求［15-16］。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)真實(shí)性差

大型儀器的使用情況只能根據(jù)記錄本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，有的用戶認(rèn)真如實(shí)登記，但漏記少記的情況頻繁發(fā)生，特別是收費(fèi)儀器在管理人員不在情況下，使用時(shí)間數(shù)據(jù)更是無法保證真實(shí)，數(shù)據(jù)真實(shí)性差，有關(guān)管理部門無法獲得真實(shí)的大型儀器的使用數(shù)據(jù)信息。

2.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)控時(shí)效缺乏

目前登記模式，只能對(duì)儀器使用情況一般信息進(jìn)行記載，而無法對(duì)儀器使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，經(jīng)常造成預(yù)約后不使用，使用中空機(jī)運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，無法提高儀器使用效率，給其他使用者帶來種種不便［17］。

2.4 系統(tǒng)管理無法構(gòu)建

①現(xiàn)有大型儀器設(shè)備多為一機(jī)帶電腦配置，不同儀器使用不同的專用操作軟件系統(tǒng)，且多數(shù)軟件與殺毒軟件不兼容，在電腦病毒無時(shí)不在的情況下，經(jīng)常造成電腦中毒，甚至造成應(yīng)用軟件損壞;②對(duì)于獨(dú)立儀器(無電腦控制)以及需要野外使用的大型儀器，如光合作用測(cè)定儀、細(xì)胞融合儀、離心機(jī)、氣體測(cè)定儀等，在管理上就出現(xiàn)真空狀態(tài)，同時(shí)給儀器設(shè)備的維護(hù)帶來困難，影響儀器正常使用。

3 現(xiàn)代大型儀器共享平臺(tái)管理系統(tǒng)

針對(duì)上述存在的問題，本研究運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，旨在構(gòu)建包含設(shè)備基本信息、設(shè)備預(yù)約、設(shè)備使用、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理等要素的現(xiàn)代大型儀器設(shè)備共享平臺(tái)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各種管理要素進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期的高效管理。

目前動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已將57臺(tái)10萬元以上總價(jià)值2 000萬元的儀器設(shè)備納入本系統(tǒng)中進(jìn)行管理，從運(yùn)行情況看，系統(tǒng)具有安全、可靠、穩(wěn)定、實(shí)用等特點(diǎn)。有效解決了過去大型儀器設(shè)備管理中的許多弊端，滿足了使用者的實(shí)驗(yàn)需求，提高了大型儀器設(shè)備的管理效率和使用效率，使大型儀器設(shè)備的管理日趨科學(xué)化、數(shù)字化，同時(shí)，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作效率。

3.1 總體思路

依據(jù)軟件工程學(xué)的原理，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，應(yīng)用基于MVC模式的設(shè)計(jì)思想對(duì)共享平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)［18-19］，采用基于角色的訪問控制來確保系統(tǒng)的安全性，該平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)思路分為三層(見圖1)［20］，第一層為應(yīng)用層，是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，通過采用即時(shí)的異地備份技術(shù)確保數(shù)據(jù)的安全性。第二層為網(wǎng)絡(luò)層，該層承擔(dān)管理事務(wù)處理的中間環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)操作、接受處理客戶端的請(qǐng)求，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理以及提供各類應(yīng)用服務(wù);第三層為感知層，位于系統(tǒng)的最前端，是客戶端訪問層即系統(tǒng)的入口，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地將需計(jì)算機(jī)控制和不需計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用程序處理層的服務(wù)器。

圖1 中心儀器設(shè)備共享系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 分布式架構(gòu)

根據(jù)大型儀器實(shí)際分布狀況和實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用分層次管理、分布式架構(gòu)的方法建立實(shí)時(shí)在線大型儀器設(shè)備共享與智能化管理平臺(tái)，架設(shè)方法與結(jié)構(gòu)層次見圖2。

圖2 分布式架構(gòu)圖

3.2.1 儀器設(shè)備統(tǒng)一共享訪問層

實(shí)現(xiàn)中心儀器設(shè)備共享共建、跨實(shí)驗(yàn)室跨學(xué)科預(yù)約使用，建立實(shí)時(shí)、直觀的大型儀器設(shè)備共享Web平臺(tái)。研究并實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)儀器預(yù)約管理。系統(tǒng)實(shí)時(shí)定制儀器預(yù)約安排表，用戶通過瀏覽器可查看儀器設(shè)備使用狀況與安排表，提交自己的預(yù)約申請(qǐng)，并根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)要求安排合理的儀器使用時(shí)間。

(2)使用記錄查詢。儀器名稱及用戶都設(shè)置下拉菜單，可快捷查詢、統(tǒng)計(jì)某儀器和用戶在一定時(shí)間段內(nèi)的使用情況。方便管理者在儀器出現(xiàn)異常情況時(shí)快速查找異常原因，同時(shí)方便用戶和有關(guān)機(jī)構(gòu)快速查找實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。

(3)在線監(jiān)控。通過將儀器設(shè)備分布情況與基本信息、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)(包括使用者姓名、開機(jī)時(shí)間與結(jié)束時(shí)間)等信息實(shí)時(shí)顯示在用戶登錄的頁(yè)面上，以便用戶形象直觀地查看與查詢，見圖3。

圖3 在線監(jiān)控界面

(4)充值管理。用戶需要在中心進(jìn)行注冊(cè)，并在自己賬戶內(nèi)預(yù)先充值，非注冊(cè)用戶無法使用中心儀器。

(5)儀器使用機(jī)時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)。實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)所有儀器的機(jī)時(shí)數(shù)，并以柱狀圖的形式顯示。管理部門可隨時(shí)查看大型儀器的真實(shí)使用數(shù)據(jù)，為大型儀器的購(gòu)置決策和高效管理提供依據(jù)。

(6)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一認(rèn)證。對(duì)于所有儀器設(shè)備在本物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)實(shí)行一卡多機(jī)使用，有效保護(hù)注冊(cè)用戶的權(quán)益。

(7)提供標(biāo)準(zhǔn)接口。本中心管理系統(tǒng)能與校園網(wǎng)無縫對(duì)接，并可與其它大型儀器共享網(wǎng)對(duì)接，可進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)約和查詢。

(8)U盤禁用。為了有效防止客戶端病毒侵入，系統(tǒng)能自動(dòng)禁用U盤，當(dāng)用戶刷卡進(jìn)入客戶端，系統(tǒng)自動(dòng)加載該用戶的“網(wǎng)絡(luò)U盤”，用戶可以把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該盤中。該盤的特點(diǎn)是“盤隨人走”。用戶可以在指定的機(jī)器上刷卡將自己的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，我們的殺毒軟件也只需要安裝在這臺(tái)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的計(jì)算機(jī)上。這樣通過封閉計(jì)算機(jī)的外來文件拷貝，就能有效防止病毒入侵系統(tǒng)，有效保證了大型儀器軟件系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

3.2.2 設(shè)備實(shí)時(shí)管理層

該層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的基本信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等綜合信息的管理，位于共享平臺(tái)的中間，具有承上啟下之作用。

(1)設(shè)備基本信息模塊。包括儀器名稱、編號(hào)、規(guī)格、型號(hào)、圖片、存放地、負(fù)責(zé)人等基本信息以及儀器設(shè)備的使用說明書，使用手冊(cè)等。將儀器基本信息全部實(shí)現(xiàn)電子化管理，便于用戶在線可以查閱下載相應(yīng)的儀器設(shè)備的說明書或使用手冊(cè)。

(2)設(shè)備監(jiān)管服務(wù)模塊。負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行情況，本模塊將運(yùn)行過程中用戶的各種動(dòng)作進(jìn)行計(jì)時(shí)、審計(jì)及狀態(tài)記錄，并負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地與服務(wù)器保持同步，以便統(tǒng)計(jì)與顯示設(shè)備使用與運(yùn)行狀況。

(3)綜合管理模塊。主要包括中心人員管理、設(shè)備管理、發(fā)卡管理、設(shè)備預(yù)約、監(jiān)控儀數(shù)據(jù)同步、費(fèi)率設(shè)置、查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)輸出及報(bào)表打印。

3.2.3 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)管層

該層位于系統(tǒng)最低層，也是最基礎(chǔ)、最重要的一層，原始數(shù)據(jù)都從該層析出和傳輸。主要包括兩大部分內(nèi)容:儀器-計(jì)算機(jī)設(shè)備通過安裝客戶終端軟件進(jìn)行監(jiān)管，獨(dú)立設(shè)備則通過配置專用設(shè)備監(jiān)控儀進(jìn)行監(jiān)管。

(1)客戶端。含計(jì)算機(jī)的儀器設(shè)計(jì)客戶端模塊，該模塊是基于C/S模式的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(與計(jì)算機(jī)相聯(lián))無人化監(jiān)控管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)與傳輸，以及分析統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程登錄控制、設(shè)備的使用日志、計(jì)算機(jī)安全病毒防控與安全、網(wǎng)絡(luò)U盤、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全控制等監(jiān)控與管理。

(2)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控儀。每一臺(tái)不含計(jì)算機(jī)的以及需要在野外使用的設(shè)備配置專用儀器監(jiān)控儀，儀器監(jiān)控儀是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(包含RFID、紅外感應(yīng)等技術(shù))自主研發(fā)的專用設(shè)備，儀器一經(jīng)使用即可將儀器運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸至中央服務(wù)器，做到覆蓋中心全部?jī)x器設(shè)備的運(yùn)行和監(jiān)管。

4 結(jié)語

現(xiàn)代大型儀器共享平臺(tái)管理系統(tǒng)，將所有儀器設(shè)備集中在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室中，包括需電腦控制的和不需電腦控制的以及需在野外使用的儀器，實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備的開放共享，用戶根據(jù)不同的權(quán)限查詢到實(shí)時(shí)、統(tǒng)一、全面的信息，并可快速統(tǒng)計(jì)評(píng)估設(shè)備資源的利用情況。大型儀器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理，滿足了用戶對(duì)信息采集實(shí)時(shí)和快捷的需求。

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