孫淑強(qiáng), 張 樂(lè), 周 磊, 樊 冰, 林海旦

(杭州電子科技大學(xué) a.學(xué)校辦公室，b.自動(dòng)化學(xué)院，c.電子信息學(xué)院，d.國(guó)有資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，杭州 310018)

0 引 言

高校實(shí)驗(yàn)室是實(shí)施創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)的重要場(chǎng)所，是體現(xiàn)學(xué)校教學(xué)科研水平，展示學(xué)校辦學(xué)實(shí)力的重要標(biāo)志。高校實(shí)驗(yàn)室的安全工作關(guān)系到教學(xué)科研工作的順利進(jìn)行，更與廣大師生員工的身心健康息息相關(guān)，是和諧校園建設(shè)的重要前提之一[1]，因此一直倍受重視。近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)高等教育的投入不斷加大，高校各類教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)室無(wú)論從規(guī)模還是質(zhì)量上都有了大幅提高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室安全管理工作也面臨著更大的挑戰(zhàn)和更高的要求[2]。盡管目前我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室安全管理理念和制度建設(shè)越來(lái)越完善，但安全事故卻仍時(shí)有發(fā)生，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：理工科院校實(shí)驗(yàn)室中的事故統(tǒng)計(jì)中，由火災(zāi)、爆炸、灼傷等引起的事故占43.4%，其中因?qū)嶒?yàn)室照明、電器、精密設(shè)備、大型儀器的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)或隱藏故障而造成的事故占35.2%[3-6]。其原因主要包括違規(guī)操作設(shè)備，供電線路年久失修老化；設(shè)備電弧或火花；亂接電器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及設(shè)備隱藏故障未及時(shí)發(fā)現(xiàn)排除等[7-8]。這些問(wèn)題僅靠制度約束、日常巡查、準(zhǔn)入培訓(xùn)和常規(guī)的信息化手段是很難完全做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并實(shí)時(shí)處理的。因此，借助新的科技手段排除“制度+人防”的漏點(diǎn)，成為除管理理念和制度化建設(shè)之外的重要輔助手段?；诖耍倚ｋ娮有畔W(xué)院實(shí)驗(yàn)室利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息化技術(shù)，針對(duì)前述安防難點(diǎn)，自主研發(fā)了智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以先進(jìn)的機(jī)防手段輔助傳統(tǒng)的人防模式，用于實(shí)驗(yàn)室用電和環(huán)境安全的監(jiān)測(cè)。

1 國(guó)內(nèi)外高校安全管理現(xiàn)狀

由于高校是人員分布密集的場(chǎng)所，同時(shí)也是知識(shí)產(chǎn)出人才培養(yǎng)的重要基地，因此全世界高校均十分重視其安全管理。美國(guó)是一個(gè)教育管理體系相對(duì)完善的國(guó)家，其高校安全工作由專門的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，以麻省理工大學(xué)為例，學(xué)校的安全管理組織為Environmental Health and Safety(EHS),校級(jí)機(jī)構(gòu)從各類安全到員工健康都有細(xì)致的分工，且學(xué)院研究機(jī)構(gòu)等基層單位都配備相應(yīng)聯(lián)絡(luò)人和監(jiān)督人，其系統(tǒng)細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)整體性好，行動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)快[9]。與其類似，澳大利亞維多利亞州的迪肯大學(xué)(Deakin University)，為保證教學(xué)實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行設(shè)立校級(jí)的職業(yè)健康與安全部、設(shè)備管理服務(wù)部、信息技術(shù)部，分別負(fù)責(zé)健康安全管理、設(shè)備消防安全、IT系統(tǒng)安全工作，并由教職員工共同推選安全代表協(xié)助進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室危害和風(fēng)險(xiǎn)管理，開展事故調(diào)查和提交危險(xiǎn)報(bào)告[10]。而英國(guó)的牛津大學(xué)則非常重視實(shí)驗(yàn)室安全檢查工作的可行性，強(qiáng)調(diào)檢查條款的量化依據(jù)，檢查人員的專業(yè)性，以及檢查之后的整改效果復(fù)查和資料歸檔[11]。國(guó)內(nèi)高校的安全管理體系也越來(lái)越完善可行，不少高校設(shè)立一到兩個(gè)專門的管理部門負(fù)責(zé)全校實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行管理，并設(shè)立了嚴(yán)格系統(tǒng)的安全準(zhǔn)入制，由學(xué)校或校院兩級(jí)推行，或校院實(shí)驗(yàn)室三級(jí)推行準(zhǔn)入工作[12]。這些都為實(shí)驗(yàn)室安全管理工作提供了強(qiáng)有力的制度和人員保障。但這些管理模式基本上存在共同的不足：人力成本高，應(yīng)急處理時(shí)溝通及分析判斷效率低，制度可行性的制約，技術(shù)手段以傳統(tǒng)的門禁安防系統(tǒng)為主，缺少針對(duì)性的技術(shù)手段。

2 我校實(shí)驗(yàn)室安全管理情況

我校一直重視實(shí)驗(yàn)室安全管理工作，學(xué)校設(shè)有校級(jí)安全工作委員會(huì)，國(guó)有資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處(其實(shí)驗(yàn)室安全管理科、儀器管理科專門負(fù)責(zé)全校安全制度的制定和教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的安全管理)，重視實(shí)驗(yàn)室制度和安全文化建設(shè)[13]，學(xué)院由主管院長(zhǎng)作為第一安全責(zé)任人，各教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)室設(shè)立具體安全責(zé)任人，逐層推進(jìn)落實(shí)，每年簽訂安全責(zé)任書。并定期組織專家對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全工作狀況進(jìn)行檢查、反饋和整改。但由于這些落實(shí)過(guò)程存在人防漏點(diǎn)，因此仍然存在下面一些不理想的狀況：

2.1 人員流動(dòng)性大，違章使用及違規(guī)操作難以杜絕

由于設(shè)備種類多，人員流動(dòng)性大，且獨(dú)立研究的時(shí)間隨意性強(qiáng)，對(duì)安全管理形成一定的挑戰(zhàn)。雖然學(xué)校明令禁止在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用違章電器進(jìn)行取暖、燒飯燒水等活動(dòng)；禁止長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用充電電器；禁止違規(guī)操作設(shè)備。但由于學(xué)生安全隱患意識(shí)淡薄以及防范設(shè)施不足，仍然有不少學(xué)生為圖方便，在實(shí)驗(yàn)室私自拉線使用電水壺、電風(fēng)扇甚至其他劣質(zhì)電器；手機(jī)、充電寶、充電電瓶長(zhǎng)時(shí)間充電；更有研究生在獨(dú)立進(jìn)行試驗(yàn)或測(cè)試時(shí)，不認(rèn)真按照操作流程處理實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試人員離開的時(shí)候不按要求暫?；蛑袛鄿y(cè)試流程，任由實(shí)驗(yàn)設(shè)備在無(wú)人值守情況下通宵運(yùn)行等情況，一旦發(fā)生意外，后果不堪設(shè)想。

2.2 線路老化及故障電弧潛在風(fēng)險(xiǎn)

由于建筑內(nèi)鋪設(shè)線路的老化，對(duì)暗線檢查不到位，會(huì)造成偶發(fā)失控事件，同時(shí)電器設(shè)備故障產(chǎn)生的電弧是引起火災(zāi)重大原因之一。這是由于直流供電系統(tǒng)中接線端子由于機(jī)械振動(dòng)等原因容易松動(dòng)，進(jìn)而在回路中產(chǎn)生串聯(lián)直流電弧[14]。由于串聯(lián)直流電弧電流不存在過(guò)零點(diǎn)而無(wú)法被繼電器檢測(cè)到，空氣開關(guān)無(wú)法切斷故障電流，直流電弧持續(xù)燃燒可能引燃周圍易燃物質(zhì)從而引起火災(zāi)、爆炸等事故，而且這種故障電弧引起的電流波動(dòng)相對(duì)較小，隱蔽性高，一般無(wú)法依靠傳統(tǒng)的負(fù)載保護(hù)裝置進(jìn)行偵測(cè)和保護(hù)[15-16]。隨著室內(nèi)用電器的種類和數(shù)量的大幅增加，這種故障電弧出現(xiàn)的概率也大大增加，構(gòu)成重大安全隱患。

2.3 室內(nèi)環(huán)境安全隱患

室內(nèi)長(zhǎng)期存在環(huán)境隱患將對(duì)人體產(chǎn)生不可逆的損害，如：空氣污染、有毒有害氣體、噪聲污染等，都會(huì)嚴(yán)重影響工作人員的健康。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)既有大量電子設(shè)備、機(jī)械裝備，也可能有實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)材料，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁波或化學(xué)輻射等，造成室內(nèi)環(huán)境不如人意，因此除了把好源頭關(guān)，嚴(yán)格規(guī)范操作流程外，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的日常監(jiān)測(cè)也變得越來(lái)越重要，目前對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)通常集成于如空氣凈化機(jī)等某種電器設(shè)備上，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)監(jiān)控分析和網(wǎng)絡(luò)化管理，特別是對(duì)于實(shí)驗(yàn)殘留、噪音源等現(xiàn)象，存在著監(jiān)控難、取證難、排除難等諸多困難。就無(wú)法對(duì)環(huán)境情況有清楚地了解，更加無(wú)法進(jìn)一步有的放矢地改進(jìn)。

3 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

針對(duì)上述不理想狀況，為更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室用電和環(huán)境安全的精細(xì)化管理，利用學(xué)校電子信息特色優(yōu)勢(shì)，自主研發(fā)了智能監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)述如下。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)集成了用電器識(shí)別、故障電弧檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)多種功能，實(shí)現(xiàn)電氣安全和環(huán)境監(jiān)控，其基本架構(gòu)如圖1。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別接入的電器，并偵測(cè)故障電弧的發(fā)生，同時(shí)提供了室內(nèi)溫度、濕度、PM2.5、噪聲等主要環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)區(qū)域的用電和室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)都通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，用戶可以通過(guò)電腦瀏覽器或手機(jī)APP隨時(shí)遠(yuǎn)程查看這些數(shù)據(jù)。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能

(1) 用電安全監(jiān)控。系統(tǒng)能夠?qū)σ呀?jīng)存貯的用電器通過(guò)特征匹配，進(jìn)行智能識(shí)別，并用控制電路對(duì)識(shí)別出的違規(guī)電器、以及長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)使用的電器進(jìn)行監(jiān)控和提醒。能夠?qū)﹄娐分械碾娀∵M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果產(chǎn)生故障電弧，會(huì)自動(dòng)切斷電源，防止因電弧而引起的火災(zāi)隱患。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室新進(jìn)電器設(shè)備或者特殊用電器，提供新電器注冊(cè)功能，如果未進(jìn)行注冊(cè)，強(qiáng)行使用該電器，系統(tǒng)將發(fā)出警告并斷電處理。

(2) 環(huán)境監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用高靈敏度溫濕度傳感器，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。有助于用戶隨時(shí)關(guān)注室內(nèi)溫濕度，防止室內(nèi)溫濕度異常影響身心健康。PM2.5指數(shù)近年來(lái)備受關(guān)注，系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、可靠的PM2.5指數(shù)參數(shù)。對(duì)預(yù)防室內(nèi)粉塵污染、保持人體呼吸道健康有重要的量化警示作用。除此之外，系統(tǒng)提供了區(qū)域環(huán)境噪聲檢測(cè)功能，能夠在不泄露用戶隱私的前提下對(duì)室內(nèi)噪聲強(qiáng)度、噪聲持續(xù)時(shí)間等噪聲污染進(jìn)行智能分析。

(3) 節(jié)能管理。能夠監(jiān)控室內(nèi)用電器接入使用情況，通過(guò)對(duì)用電行為的精細(xì)化監(jiān)控，達(dá)到節(jié)能管理的目的。不但可以隨時(shí)查看每個(gè)用電器的用電量；還可對(duì)用電量超限的情況進(jìn)行提醒以及進(jìn)行無(wú)人斷電提醒。

(4) 集成智能終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析。以智能路由器作為數(shù)據(jù)采集的多功能接入網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域復(fù)雜信息的實(shí)時(shí)采集終端。整合大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等技術(shù)，綜合分析用電安全、環(huán)境安全等信息。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，用戶通過(guò)電腦瀏覽器或手機(jī)APP即可查看室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及其歷史數(shù)據(jù)。

4 核心技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識(shí)別技術(shù)與用電器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，對(duì)不同設(shè)備電流和功率特征信息進(jìn)行分類檢測(cè)，達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成，完成對(duì)各類數(shù)據(jù)的融合分析，給管理者提供量化直觀的分析數(shù)據(jù)，涉及的核心技術(shù)如下：①用電器智能識(shí)別算法——設(shè)計(jì)基于子空間模式識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能算法，通過(guò)對(duì)電流波形及功率的分析，實(shí)現(xiàn)用電器類型的準(zhǔn)確識(shí)別。 ②故障電弧智能識(shí)別算法——設(shè)計(jì)基于AR模型、模糊邏輯的多信息融合算法，實(shí)現(xiàn)多種故障電弧的偵測(cè)識(shí)別。③智能終端設(shè)計(jì)——設(shè)計(jì)智能數(shù)據(jù)采集終端，可同時(shí)采集電氣信息和環(huán)境傳感信息，并進(jìn)行預(yù)處理和數(shù)據(jù)上傳，接受上位機(jī)指令，進(jìn)行電氣保護(hù)裝置控制和藍(lán)牙控制。

面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的監(jiān)控平臺(tái)——設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，能夠?qū)Χ嘤脩暨M(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)跟蹤分析、用電行為分析、節(jié)能管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。

5 系統(tǒng)實(shí)施情況及成效

該系統(tǒng)研發(fā)測(cè)試成功后，即在杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院布點(diǎn)試行。系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)見圖2；系統(tǒng)管理監(jiān)控界面見圖3。

圖2 系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖3 系統(tǒng)管理監(jiān)控界面

系統(tǒng)至今已運(yùn)行大約2年，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性。能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)區(qū)域的用戶使用電器情況有效識(shí)別，對(duì)主要環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行量化反饋。管理員可通過(guò)本系統(tǒng)，清晰地掌握監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所用電器的類別、能耗、運(yùn)行時(shí)間等情況，一旦有異常使用情況，系統(tǒng)能準(zhǔn)確鎖定危險(xiǎn)用電行為的具體電器，并向管理員發(fā)出警示信息，還能夠?qū)^(qū)域環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析。

運(yùn)行期內(nèi)，監(jiān)控區(qū)域未發(fā)生過(guò)一例用電安全事故，系統(tǒng)提示充電器長(zhǎng)期持續(xù)工作及不符合注冊(cè)電器類別的危險(xiǎn)電器使用等違例事件十幾次，管理員依據(jù)系統(tǒng)提示及時(shí)排除隱患，對(duì)違規(guī)使用者依照管理制度進(jìn)行懲戒處理。為區(qū)域內(nèi)用電和環(huán)境安全提供了有效保障，成為協(xié)助人防推進(jìn)安全管理制度落地的一大利器，真正做到了防患于未然。

本系統(tǒng)已申請(qǐng)發(fā)明專利，并擁有軟件著作權(quán)，獲得了第二屆中電科“熠星”創(chuàng)新創(chuàng)意大賽特等獎(jiǎng)。根據(jù)目前試用運(yùn)行情況，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，運(yùn)行效果較好，特別適用于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室等人員密集且流動(dòng)頻繁的場(chǎng)所。

6 結(jié) 語(yǔ)

高校是一個(gè)人員分布密集，科研成果和人才培養(yǎng)成果輸出密度大的特殊場(chǎng)所，高校實(shí)驗(yàn)室更是知識(shí)驗(yàn)證、探索創(chuàng)新的平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室安全智能監(jiān)控系統(tǒng)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識(shí)別等技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室用電器識(shí)別和環(huán)境安全監(jiān)測(cè)，有效彌補(bǔ)了原有管理制度體系的不足，是實(shí)驗(yàn)室安全管理的有效輔助，值得在更廣范圍內(nèi)推廣。