◆劉永 寧玉富 孟繁兵

校園網(wǎng)絡(luò)安全

高校實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)技術(shù)研究綜述

◆劉永1寧玉富2孟繁兵1

（1.山東青年政治學(xué)院教務(wù)處 山東 250103；2.山東青年政治學(xué)院信息工程學(xué)院 山東 250103）

本文首先針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)這一領(lǐng)域綜述了當(dāng)前平臺(tái)所采用的技術(shù)手段，包含兩個(gè)方面的含義：一方面是依賴物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在平臺(tái)的底層構(gòu)建大規(guī)模智能基礎(chǔ)設(shè)施，包括智能門禁、自動(dòng)電源控制、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子門牌、報(bào)警裝置等；另一方面是依賴軟件開發(fā)技術(shù)，采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)構(gòu)建平臺(tái)上的各種應(yīng)用，包括實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室信息管理、實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入考試、大型儀器設(shè)備共享等。其次闡述了當(dāng)前平臺(tái)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用。最后闡述了平臺(tái)帶來的優(yōu)勢(shì)以及未來發(fā)展方向。

實(shí)驗(yàn)室；智能綜合管理平臺(tái)；技術(shù)

高校實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要基地。當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室面臨著各種問題：一是實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備數(shù)量多，儀器設(shè)備不好維護(hù)。二是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模龐大、實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍人員少[1]。三是實(shí)驗(yàn)室使用頻繁，實(shí)驗(yàn)室正常開放和安全不好管理[2]。隨著軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的相繼出現(xiàn)，很多高校在實(shí)驗(yàn)室管理工作中，將目光漸漸投向?qū)嶒?yàn)室智能管理這一領(lǐng)域，期望利用軟件開發(fā)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能管理[3]。

1 平臺(tái)的概念及其關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)于高校實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)的概念，當(dāng)前并沒有確切的定義，但我們可以參考智能化集成系統(tǒng)的定義：“智能化集成系統(tǒng)是將不同功能的建筑智能化系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集成，以形成具體信息匯集、資源共享及優(yōu)化管理等綜合功能的系統(tǒng)?！盵4]?？梢钥闯鰧?shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)也具有智能化集成系統(tǒng)的特點(diǎn)。

上述定義描述了實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)的兩個(gè)方面：一方面描述了硬件基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)，智能化系統(tǒng)需要安裝在基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中，構(gòu)建智能基礎(chǔ)設(shè)施并為上層信息化平臺(tái)提供服務(wù)；另一方面描述了建立在智能基礎(chǔ)設(shè)施之上的信息化平臺(tái)及能夠?qū)崿F(xiàn)信息管理的各種應(yīng)用。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)相比較，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)只滿足于各種實(shí)驗(yàn)室、設(shè)備、人員的信息化管理[5-8]，不注重基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，而實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)則運(yùn)用了更為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)等，并包含了各種功能強(qiáng)大的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)體現(xiàn)了三個(gè)方面的特征：

（1）硬件基礎(chǔ)設(shè)施需要架構(gòu)在一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)室之上。各個(gè)實(shí)驗(yàn)室智能設(shè)備必須具備千兆的以太網(wǎng)傳輸速度。

（2）硬件基礎(chǔ)設(shè)施和信息管理服務(wù)平臺(tái)必須協(xié)同開發(fā)，以保證平臺(tái)的高兼容性。

（3）各個(gè)應(yīng)用必須統(tǒng)一于平臺(tái)的用戶界面，并且界面風(fēng)格要與用戶界面風(fēng)格保持一致，以保證良好的可視性。

1.1 應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的定義是萬物皆可互連，即物與物之間，人與物之間，人與人之間都可以相互連接[9]。萬物之間的互聯(lián)必須依靠傳感器設(shè)備才能完成，先是通過攝像頭、GPS、傳感器、ZigBee等進(jìn)行信息采集，然后通過傳感器設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信和信息交換，交換的信息傳輸?shù)叫畔⒅行倪M(jìn)行處理，最后實(shí)現(xiàn)各種智能應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為3層：網(wǎng)絡(luò)層，感知層，應(yīng)用層[10]。其中網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)信息采集，包含攝像頭、GPS定位系統(tǒng)、傳感器、Zigbee等設(shè)備。感知層，負(fù)責(zé)信息處理，包含智能信息處理中心。應(yīng)用層負(fù)責(zé)與其他行業(yè)技術(shù)融合，包含各種智能應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)中，物聯(lián)網(wǎng)的3層體系結(jié)構(gòu)為：

（1）網(wǎng)絡(luò)層。實(shí)驗(yàn)室中的高清攝像頭、煙感器、電子門牌上的讀卡器、電源控制箱等。

（2）感知層。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中心、報(bào)警監(jiān)控子系統(tǒng)中心、電源控制子系統(tǒng)中心、門禁控制子系統(tǒng)中心等。

（3）應(yīng)用層。智能門禁、視頻監(jiān)控、電子門牌、電源控制、報(bào)警監(jiān)控等。

實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的功能主要有：

（1）智能門禁。包括電子鎖、閉門器等，與電子門牌、電源控制聯(lián)動(dòng)。允許用戶刷卡、輸入密碼、人臉識(shí)別等方式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

（2）視頻監(jiān)控。通過視頻監(jiān)控設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室中的高清攝像頭可以實(shí)時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室情況。

（3）電子門牌。懸掛在實(shí)驗(yàn)室門前，獲得智能門禁的授權(quán)，用戶可以在電子門牌上刷卡或人臉識(shí)別、輸入密碼等方式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。也可以顯示實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)室圖片、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、人員的基本信息。還可以人機(jī)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能。

（4）電源控制?？梢宰詣?dòng)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室中的電流、電壓，保證不超過額定功率。并與電子門牌聯(lián)動(dòng)，可以在電子門牌上刷卡實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)上電。也可以遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室上電或人工方式上電。

（5）報(bào)警監(jiān)控。通過報(bào)警監(jiān)控子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的煙霧、化學(xué)物品等有害氣體并迅速報(bào)警。

1.2 應(yīng)用于平臺(tái)的軟件開發(fā)技術(shù)

除了智能基礎(chǔ)設(shè)施外，平臺(tái)的應(yīng)用同樣重要，必須能夠滿足用戶的個(gè)性化需求。平臺(tái)的用戶主要分為3類：實(shí)驗(yàn)室管理員、教師和學(xué)生。這3類用戶需求不同，對(duì)于管理員而言，使用平臺(tái)是為了降低工作量，提高管理服務(wù)質(zhì)量；對(duì)于教師而言，使用平臺(tái)是為了更好地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量；對(duì)于學(xué)生而言，使用平臺(tái)是為了更好地進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。平臺(tái)從用戶需求的角度出發(fā)，應(yīng)至少具備以下功能：

（1）實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約?？梢允箤W(xué)生在線預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行各項(xiàng)開放實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。可以方便師生在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的互動(dòng)，包括可以分享實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)資料、學(xué)生可以在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、教師可以在線批改報(bào)告等。

（3）實(shí)驗(yàn)室信息管理?？梢苑奖愎芾韱T進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)室基本信息、人員信息、實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息、實(shí)驗(yàn)課程信息等數(shù)據(jù)。

（4）實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入?？梢栽诰€供學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)和進(jìn)行安全知識(shí)考試。

（5）大型儀器設(shè)備共享?？梢怨┬?nèi)外人員預(yù)約使用實(shí)驗(yàn)室大型儀器設(shè)備（包括預(yù)約時(shí)間、預(yù)約儀器設(shè)備名稱、使用計(jì)時(shí)、費(fèi)用等）。

（6）其他功能。平臺(tái)除上述功能外，還可以實(shí)現(xiàn)其他功能，例如實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理（包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備入庫出庫、實(shí)驗(yàn)設(shè)備借用）、耗材管理（包括耗材入庫出庫、購置計(jì)劃）等。這需要先確定用戶的需求，然后再開發(fā)出滿足用戶需求的個(gè)性化功能模塊。

2 平臺(tái)的研究及應(yīng)用

目前，在實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)這一領(lǐng)域研究比較好的廠商有上海萬欣、北京中新天達(dá)等。山東青年政治學(xué)院也將實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室的管理工作當(dāng)中。

2.1 上海萬欣實(shí)驗(yàn)室智能管理平臺(tái)

該平臺(tái)具有實(shí)驗(yàn)室綜合信息管理（實(shí)驗(yàn)室、管理人員、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目、儀器設(shè)備與耗材、數(shù)據(jù)分析決策、實(shí)施信息監(jiān)察、GIS實(shí)驗(yàn)室地理信息管理、多媒體信息發(fā)布）、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理（包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)、大創(chuàng)項(xiàng)目）、實(shí)驗(yàn)安全管理（安全準(zhǔn)入考核、安全檢查、危險(xiǎn)化學(xué)品管理、智能物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)）、實(shí)驗(yàn)開放管理（實(shí)驗(yàn)室開放、大型儀器設(shè)備共享、虛擬仿真資源開放共享）、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理、視頻監(jiān)控等功能。萬欣自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有智慧電子門牌、多媒體電子教室、智能數(shù)據(jù)采集終端、智能電源控制終端、物聯(lián)網(wǎng)管控終端、多媒體信息發(fā)布終端、非接觸式IC卡終端等。

2.2 北京中新天達(dá)實(shí)驗(yàn)室智慧管理平臺(tái)

該平臺(tái)包含了實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)室建制管理、實(shí)驗(yàn)室基本信息管理、實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍、成果管理、實(shí)驗(yàn)室用房、安全與環(huán)境管理、教學(xué)與工作量）、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)（教學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、開放選課、實(shí)驗(yàn)成績(jī)與評(píng)教）、創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)分認(rèn)定管理、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）管理、大創(chuàng)項(xiàng)目管理、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)管理、學(xué)科競(jìng)賽管理、實(shí)驗(yàn)室開放管理、學(xué)生系統(tǒng)（消息通知、在線預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)選課、畢業(yè)設(shè)計(jì)開題和論文提交、課表查詢、成績(jī)查詢、在線評(píng)教、實(shí)驗(yàn)室開放、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、學(xué)科競(jìng)賽、大創(chuàng)項(xiàng)目）、視頻監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)智能終端有智能電源控制器、樓宇多媒體一體機(jī)、電子門牌等。

2.3 山東青年政治學(xué)院實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)

山東青年政治學(xué)院實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)在智能硬件基礎(chǔ)設(shè)施上，實(shí)現(xiàn)了智能門禁、智能電源控制、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、電子門牌等功能。在軟件應(yīng)用方面，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室預(yù)約開放、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室耗材管理、實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入管理、各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、門戶網(wǎng)站等功能。該平臺(tái)的功能見圖1。平臺(tái)的使用極大地降低了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作強(qiáng)度、提高了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行效率，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開放實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)的開展。

3 平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)及未來的發(fā)展

3.1 平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

（1）改變了實(shí)驗(yàn)室管理的理念與方式。隨著高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室投入力度的不斷加大，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備數(shù)量日益龐大，按照傳統(tǒng)的人工方式管理會(huì)更加困難。平臺(tái)的使用可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化和信息化管理，不僅可以減輕實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作負(fù)擔(dān)，還可以方便師生自由安排時(shí)間，靈活預(yù)約實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)、科研、開放性實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)。

（2）推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)范化、信息化管理。傳統(tǒng)的人工管理方式一方面會(huì)導(dǎo)致管理活動(dòng)繁復(fù)，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行效率低下；另一方面實(shí)驗(yàn)室管理人員很難清楚掌握實(shí)驗(yàn)室利用率、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備利用率、大型儀器設(shè)備使用等情況。使用實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)，不僅可以減少人工的參與，而且還能夠有效管理和準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出實(shí)驗(yàn)室的各類數(shù)據(jù)，使得實(shí)驗(yàn)室管理更為規(guī)范、科學(xué)。

（3）提高管理人員和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等資源的集約利用。很多高校由于實(shí)驗(yàn)室管理人員不足，導(dǎo)致很多工作不能精細(xì)化開展。使用平臺(tái)后，很多機(jī)械重復(fù)的工作可以自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了人力資源的集約利用。實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備也能夠開放使用，提高了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率、節(jié)約了設(shè)備購置成本。

（4）提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。學(xué)生可以通過平臺(tái)提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉操作流程和注意事項(xiàng)，保證了實(shí)驗(yàn)效果。師生之間可以在線交流，學(xué)生也可以在線提交電子報(bào)告，教師在線批改，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

3.2 未來的發(fā)展

（1）功能越來越強(qiáng)大。目前，實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)室管理的日常需求，有些特殊需求還不能夠滿足。例如，當(dāng)前平臺(tái)只實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的入庫、出庫、借用等功能，但在統(tǒng)計(jì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的名稱、型號(hào)、數(shù)量的時(shí)候還需要用人工的方式來統(tǒng)計(jì)。可以參考物流管理系統(tǒng)，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備貼上電子標(biāo)簽，在實(shí)驗(yàn)室門口設(shè)置一個(gè)掃描器，當(dāng)設(shè)備從實(shí)驗(yàn)室出入時(shí)，可以自動(dòng)掃描電子標(biāo)簽，并連接系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備記錄的更新。還可以開發(fā)手機(jī)APP，管理人員通過手機(jī)APP在家里就可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室。

（2）普及越來越廣泛。目前，雖然很多高校已經(jīng)使用了實(shí)驗(yàn)室智能管理綜合平臺(tái)，但由于平臺(tái)的建設(shè)成本較高，并且是新興事物，因此很多高校只是在某個(gè)或某幾個(gè)學(xué)院進(jìn)行了試點(diǎn)。相信隨著平臺(tái)的技術(shù)日益成熟、功能愈加完善、建設(shè)成本逐漸降低，越來越多的高校會(huì)意識(shí)到平臺(tái)帶來的優(yōu)勢(shì)，在更大的范圍使用平臺(tái)。

4 結(jié)束語

高校實(shí)驗(yàn)室智能綜合管理平臺(tái)依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)建，具有較為完善的智能基礎(chǔ)設(shè)施和豐富的應(yīng)用，能夠降低實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作強(qiáng)度，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研、開放實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)需求。相信隨著平臺(tái)技術(shù)的日益成熟和建設(shè)成本的逐漸降低，平臺(tái)會(huì)被更多的高校所采用。

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