趙文靜， 劉 葵

（廣州大學(xué)實驗中心，網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣州 510006）

0 引 言

實踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高校實驗室則是學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要平臺。［1］教育部《關(guān)于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》中提出，高校的人才培養(yǎng)應(yīng)進一步加強實踐教學(xué)工作，不斷提高實踐教學(xué)質(zhì)量。高校實驗室承擔(dān)全校各專業(yè)的實驗和實踐教學(xué)任務(wù)。近年來，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，學(xué)校人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)模式都進行了較大的革新，高校實驗室承擔(dān)的實驗教學(xué)任務(wù)與日俱增。但是，在人員緊缺、信息化管理不足的情況下，逐漸呈現(xiàn)出安全事故頻發(fā)、管理效率低下、資源共享不足等問題。如何實現(xiàn)高校實驗室的安全有效管理？在學(xué)校智慧校園建設(shè)不斷推進的背景下，實現(xiàn)實驗室安全管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，成為改變管理現(xiàn)狀、提高管理效率的有效途徑。

1 高校實驗室管理現(xiàn)狀

近年來，隨著各高校信息化建設(shè)的持續(xù)推進，均已基本完成中心機房、校內(nèi)高速網(wǎng)絡(luò)，無線全覆蓋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建有以數(shù)據(jù)中心為核心，覆蓋學(xué)校行政服務(wù)、教學(xué)、科研管理、師生校園生活的各項業(yè)務(wù)平臺及系統(tǒng)［2］。隨著IT技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和應(yīng)用的普及，更加有條件進一步深化教育信息化，打造更加完善的智慧校園環(huán)境。

然而，高校實驗室的建設(shè)和管理現(xiàn)狀目前整體落后于學(xué)校的信息化水平［3］，常常因為跨校區(qū)管理、占地面積大、學(xué)科品類繁多、專業(yè)性強，管理人員緊缺等情況出現(xiàn)“拖學(xué)校后腿”的情況。以廣州大學(xué)為例，校實驗中心負(fù)責(zé)管理3 個公共實驗室，跨2 個校區(qū)，6 棟樓宇，十幾個樓層。實驗用房達152 間，總計實驗面積達26 000 m2。

隨著學(xué)校的快速發(fā)展，各學(xué)科對人才培養(yǎng)、實驗教學(xué)、實訓(xùn)環(huán)境以及實驗室開放要求不斷提高。當(dāng)前的實驗室管理和建設(shè)已無法滿足師生的教學(xué)需求，主要表現(xiàn)在：

（1）安全防范難保障。目前除了簡單的安全措施上墻、日常巡檢等模式，缺少智能化的手段。對物理環(huán)境、使用過程、環(huán)境異常等情況缺少有效的跟蹤、處置，難以做到防患于未然。

（2）設(shè)備管控太煩瑣?，F(xiàn)有管理模式下，實驗室管理員需要到每一個實驗室進行開／關(guān)門、電及設(shè)備檢查工作，并且無法了解門禁、電源、多媒體、空調(diào)等設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。遇到上下課高峰期時，管理壓力更是急劇增加，以傳統(tǒng)人力管理的模式很難保證實驗室服務(wù)的效率和質(zhì)量提升。

（3）教學(xué)資源管理難。缺乏統(tǒng)一的管理平臺，導(dǎo)致臨時調(diào)課易沖突、開放預(yù)約難調(diào)度、實驗設(shè)備維保難、項目管理節(jié)奏亂，費時費力還無法保證效果。

（4）實驗室開放不靈活?，F(xiàn)有的實驗室開放以人工管理為主，耗時費力的同時不僅無法做到按需開放，也難以實現(xiàn)資源共享。

（5）設(shè)備管理效率低。中心現(xiàn)有152 間實驗室，設(shè)備資產(chǎn)數(shù)量多、金額大、變更周期短?，F(xiàn)有的統(tǒng)計、管理模式無法應(yīng)對設(shè)備管理員變更、地址變更等需求。

（6）數(shù)據(jù)統(tǒng)計易錯漏。日常使用數(shù)據(jù)依靠人工填寫，時間跨度大、工作強度高、漏報／錯報現(xiàn)象多，管理者難以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來進行相關(guān)的管理決策。

2 基于AI／物聯(lián)網(wǎng)的高校智慧實驗室建設(shè)

智慧實驗室（Smart Laboratory）是基于分布式協(xié)同集中式統(tǒng)籌規(guī)劃的思想［4］，以實驗室為基礎(chǔ)，結(jié)合信息技術(shù)、機器視覺、模式識別等人工智能技術(shù)共同協(xié)作，打造一個集業(yè)務(wù)系統(tǒng)、中臺管理、智能預(yù)測的三位一體式智慧實驗室生態(tài)圈［5］。

對高校實驗室進行智能化建設(shè)和改造，實現(xiàn)實驗室業(yè)務(wù)的全面管理、實驗室環(huán)境的安全控制和管理、實驗大數(shù)據(jù)的建設(shè)和共享，逐步打造高校智慧實驗室綜合管理平臺，將有利于推動學(xué)校在實驗教學(xué)和實訓(xùn)等人才培養(yǎng)模式上的變革，進而利用信息化打破傳統(tǒng)管理手段，為學(xué)校的新文科、新工科建設(shè)提供支撐，也為學(xué)校管理、科學(xué)決策提供更高效和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支撐［6］。

廣州大學(xué)智慧實驗室建設(shè)項目擬對20 間電工電子實驗室、30 間計算機實驗室進行智能化管理建設(shè)。通過智慧實驗室支撐平臺，將實驗室業(yè)務(wù)管理與物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)相融合，通過統(tǒng)一平臺及入口，使學(xué)校各級用戶獲取相應(yīng)的使用及管理服務(wù)，實現(xiàn)實驗室運行狀況數(shù)字化管控，實驗教學(xué)過程數(shù)據(jù)化整理，資產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化清點，開放實驗室數(shù)字化預(yù)約，將會極大地提升實驗室管理效率，進而為師生提供更加友好以及便捷的服務(wù)。

2.1 建設(shè)總體框架

智慧實驗室系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)多層架構(gòu)，支持多樣化的系統(tǒng)操作方式及良好的數(shù)據(jù)擴展性，滿足學(xué)校不同實驗室管理需求［7］。

通過實驗室智能中控箱、智能電源控制器、多媒體控制終端、門禁控制器等感知設(shè)備實現(xiàn)對實驗室門禁、多媒體設(shè)備、電源設(shè)備的智能控制［8］；通過校園網(wǎng)將相關(guān)信息傳輸至平臺服務(wù)器，繼而反饋至各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。學(xué)生、教師、管理者等用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)、校園網(wǎng)、4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的訪問和使用［9］。

系統(tǒng)將使用操作體系和數(shù)據(jù)交互體系相結(jié)合（見圖1）。使用操作體系包括PC操作端、手機移動端、多媒體交互一體機、電子課牌、應(yīng)急遙控鑰匙等，實現(xiàn)不同端口的多通道訪問［10］。數(shù)據(jù)交互體系實現(xiàn)各平臺與校園數(shù)據(jù)中心、教務(wù)系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、資產(chǎn)系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖1 智慧實驗室系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)組成

智慧實驗室管理系統(tǒng)覆蓋實驗室管理全流程，將實驗室管理中的業(yè)務(wù)應(yīng)用、智能控制、安全防范、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等各模塊全面打通，幫助學(xué)生預(yù)約學(xué)習(xí)、管理老師提高效率，幫助學(xué)校降低實驗室安全風(fēng)險，幫助決策者沉淀實驗室大數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 智慧實驗室系統(tǒng)組成圖

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

（1）門禁智能控制。門禁管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開放預(yù)約和自動控制的功能，使實驗室無人值守、安全可靠。通過遠程PC 及移動端遠程控制，形成實驗室狀態(tài)實時反饋。實驗室管理員通過PC端或APP端實時查看門禁狀態(tài)，進而實時掌控實驗室使用情況，消除安全隱患（見圖3）。①控制方式。智能控制方式有如下幾種：課表控制，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)已有的課表，結(jié)合師生身份信息實現(xiàn)門禁的自動控制，從而達到無人值守的目的；開放預(yù)約控制，根據(jù)已有的開放預(yù)約信息，結(jié)合人員的身份認(rèn)證情況，實現(xiàn)門禁的自動控制；策略控制，用戶可自定義門禁的定時控制策略，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)策略對門禁進行自動控制；遠程控制，在用戶權(quán)限允許的情況下，可通過PC 機或手機端實現(xiàn)對門禁的遠程狀態(tài)查看及控制。②身份認(rèn)證方式。身份認(rèn)證方式有如下幾種：刷卡，通過學(xué)校IC卡刷卡的方式進行人員身份認(rèn)證；人臉識別，通過人臉識別的方式進行人員的身份認(rèn)證；學(xué)號密碼，通過學(xué)號＋密碼錄入的方式進行人員的身份認(rèn)證。③應(yīng)急處理機制。應(yīng)急處理機制含物理狀態(tài)監(jiān)測、脫機管理、斷電管理、應(yīng)急機制。系統(tǒng)能夠?qū)崟r反饋控制設(shè)備及門禁的物理狀態(tài)，實時掌握實驗室門禁狀態(tài)，包括開門狀態(tài)、閉門狀態(tài)、門禁異常等；一旦有網(wǎng)絡(luò)中斷、服務(wù)器死機等緊急情況，智能門禁系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)脫機管理，按照原來設(shè)置的策略以及課表和開放預(yù)約信息對門禁進行應(yīng)急控制；如果臨時停電時，能夠斷電續(xù)航，為門鎖照常給電，保證系統(tǒng)正常運行；如果控制設(shè)備損壞，可使用應(yīng)急遙控鑰匙實現(xiàn)門禁的一鍵開啟，保障上課秩序的正常進行。

圖3 門禁智能控制拓?fù)鋱D

（2）電源智能控制。對實驗室內(nèi)設(shè)備的電源進行智能化控制，根據(jù)實際的設(shè)備用電情況，選配三相電、單相電、弱電的智能控制。針對電腦及一些需要先進行軟關(guān)機的設(shè)備，可設(shè)置斷電策略的時候先檢測讀取軟關(guān)機信息，再執(zhí)行軟關(guān)機功能，設(shè)置一段時間之后再斷電，給實驗室用電設(shè)備雙重保護（見圖4）。①控制方式。電源智能控制方式有如下幾種方式：課表控制，即根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)已有的課表，結(jié)合師生身份信息實現(xiàn)電源的自動控制；開放預(yù)約控制，根據(jù)已有的開放預(yù)約信息，結(jié)合人員的身份認(rèn)證情況，實現(xiàn)電源的自動控制。同時可根據(jù)管理精度的不同，實現(xiàn)總電控制、分組控制、單點控制等多種方式的電源控制；策略控制，用戶可自定義電源的定時控制策略，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)策略對電源進行自動控制；遠程控制，在用戶權(quán)限允許的情況下，通過PC機或手機APP 實現(xiàn)對電源的遠程狀態(tài)查看及控制。②身份認(rèn)證方式有：刷卡認(rèn)證，即通過學(xué)校一卡通IC卡刷卡的方式進行人員身份認(rèn)證，針對某些具備高危操作的設(shè)備，還可以設(shè)置二次刷卡；人臉識別，通過人臉識別的方式進行人員的身份認(rèn)證；學(xué)號密碼，通過學(xué)號＋密碼錄入的方式進行人員的身份認(rèn)證。③應(yīng)急機制：在控制設(shè)備損壞的極端情況下，可通過應(yīng)急遙控鑰匙實現(xiàn)門禁的一鍵開啟，保障上課秩序的正常進行。④高壓大電流管理：可支持對單相電、三相電、弱電的綜合管理控制，最大支持600 V電壓、435 A電流的電源管理。

圖4 電源智能控制拓?fù)鋱D

（3）多媒體智能控制。智能多媒體控制系統(tǒng)將實驗室內(nèi)多媒體設(shè)備集中在一個平臺上進行管理，包括投影儀、電子白板、幕布、音響、話筒、教師電腦等。具體包含本地控制，即通過本地的交互一體機實現(xiàn)對室內(nèi)多媒體設(shè)備工作狀態(tài)的查看與一鍵控制［11］。視頻信號切換，可對投影儀或一體機的視頻顯示信號進行按需切換，包含臺式電腦、筆記本電腦、數(shù)據(jù)展臺等。音頻信號切換，提供兩個音頻信號來源的按需切換功能。輸出音量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輸出音量的按需調(diào)節(jié)，包括主音量與高低音調(diào)節(jié)等。幕布控制，可對電動幕布進行升、降、停的按需操作。呼叫管理員，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障或其他需要管理員協(xié)助的情況時，可通過交互一體機，實現(xiàn)管理員的一鍵呼叫。脫機管理，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷、服務(wù)器宕機、網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴等與服務(wù)器失去連接的情況，智能多媒體管理系統(tǒng)仍然能按正常的人員身份認(rèn)證情況與管理策略進行正常運行（見圖5）。

圖5 多媒體智能控制拓?fù)鋱D

2.2.2 智慧實驗室綜合管理平臺

（1）教學(xué)排課。提供實驗教學(xué)的二次排課功能，利用教務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)有的課程，根據(jù)實驗室管理的實際情況進行靈活調(diào)整，更加貼近實際管理需求。實現(xiàn)課表獲取，可通過與教務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接或EXCEL表格導(dǎo)入的方式實現(xiàn)相關(guān)課表的獲??；手動排課，按實驗室實際的管理需求，對導(dǎo)入到系統(tǒng)的課表進行手動調(diào)整（包括實驗室名稱、周次課節(jié)、課程、項目、主講教師、輔導(dǎo)教師、上課班級等條件設(shè)置）；臨時調(diào)整，遇到特殊情況時，可對已有的課程進行臨時調(diào)整，調(diào)整后系統(tǒng)可自動判斷是否存在課程沖突情況，進而進行信息提示；課程查詢，學(xué)生及老師可對自己所涉及到的課程進行在線查詢。

（2）權(quán)限設(shè)置。對系統(tǒng)中的使用權(quán)限進行指定與劃分，實現(xiàn)不同用戶的精準(zhǔn)使用和角色定義。對系統(tǒng)內(nèi)不同的角色進行屬性劃分，包括但不限于管理員、學(xué)生、老師、領(lǐng)導(dǎo)等，并對每個角色的系統(tǒng)初始權(quán)限進行設(shè)置。將各個賬號歸屬到相應(yīng)的角色中，同時在該角色已有權(quán)限范圍內(nèi)，對各個賬號進行差異化設(shè)置。角色內(nèi)最高權(quán)限擁有者可指定某個賬號進行后續(xù)的權(quán)限分配［12］。

（3）開放預(yù)約。提供實驗室從開放預(yù)約申請、審批、查看全過程的信息化管理，如圖6 所示，包括預(yù)約申請、信用關(guān)聯(lián)、預(yù)約審批、預(yù)約查看等功能。

圖6 開放預(yù)約流程

（4）設(shè)備和耗材管理。提供設(shè)備采購申報、出入庫管理、維修管理、報修報廢管理、基礎(chǔ)信息管理、采購申購、設(shè)備入庫、設(shè)備領(lǐng)用、設(shè)備借用、設(shè)備歸還、設(shè)備維保、庫存查詢等功能，使實驗室設(shè)備分類清晰、名目清楚，有效降低儀器管理人員的工作量，切實提高設(shè)備的利用率，進而提升實驗室的整體信息化管理水平。對實驗室耗材進行統(tǒng)一管理，包括基礎(chǔ)信息管理、耗材使用計劃、耗材領(lǐng)用、耗材驗收入庫、庫存查詢等功能。

（5）PC管控。在計算機上安裝PC 管控程序，實現(xiàn)計算機使用的精細化管理。不依賴課表，任課老師在教師機登錄后點擊解鎖，系統(tǒng)自動對所有學(xué)生機進行解鎖，教師機關(guān)機后所有學(xué)生機自動鎖屏。學(xué)生通過開放預(yù)約服務(wù)進行電腦的預(yù)約使用，預(yù)約成功后通過學(xué)號＋密碼的方式進行身份認(rèn)證后進行正常使用。預(yù)約時間結(jié)束后將自動鎖屏，本次預(yù)約過程的使用系統(tǒng)自動記錄并上傳，提供記錄查詢。在限制時間段內(nèi)，所有的電腦無法接入外設(shè)使用，接入外設(shè)后系統(tǒng)將自動提示，多次提示無效后，系統(tǒng)將自動鎖屏。當(dāng)電腦一直處于鎖屏狀態(tài)時，系統(tǒng)將自動進行軟關(guān)機，避免造成能源浪費。當(dāng)鍵盤、鼠標(biāo)一定時間處于無響應(yīng)狀態(tài)時，系統(tǒng)將自動對其進行鎖屏，教師可通過教師機對任意一臺學(xué)生機的使用情況進行查看。

根據(jù)實驗室的課程安排，結(jié)合云桌面自動調(diào)用課程對應(yīng)的操作系統(tǒng)。對電腦硬件（包括CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡等）進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)進行實時上傳。監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)存使用，并自動優(yōu)化，進一步提升電腦的使用性能。對計算機網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接不暢或掉包時，自動檢測網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)置，并進行優(yōu)化。

（6）信息交互。能夠?qū)﹄娮诱n牌顯示資源進行設(shè)置，并配置電子課牌定時開關(guān)策略。對語音播報內(nèi)容進行編輯、設(shè)置，同時對網(wǎng)站內(nèi)容、鏈接、欄目等進行設(shè)置。

（7）安全學(xué)習(xí)。在使用實驗設(shè)備前，對學(xué)生進行考核，提高學(xué)生的技能操作水平和安全意識，同時提供快速檢驗平臺。按題目的分類和數(shù)量生成隨機試卷，并設(shè)置試卷適用的實驗項目。學(xué)生根據(jù)當(dāng)前需要進行實驗項目，獲取對應(yīng)的考試試卷進行答題。

（8）安全巡檢。將智能標(biāo)簽、GPS 等技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)安全巡檢。實時記錄安保人員巡查工作的路線、檢查點、檢查時間等信息，上報安全隱患及安全設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)。根據(jù)學(xué)校相關(guān)規(guī)定對存在安全隱患且未整改合格的高危區(qū)域聯(lián)動門禁系統(tǒng)關(guān)閉相關(guān)區(qū)域，實現(xiàn)巡查過程的實時監(jiān)督和巡查記錄的數(shù)字化。［13-14］

（9）實驗室數(shù)據(jù)可視化。通過對系統(tǒng)日常使用數(shù)據(jù)的自動抓取，對實驗室日常使用及管理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進行綜合分析。［15］借助圖形化手段，清晰有效地進行數(shù)據(jù)傳達和溝通，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的直觀體現(xiàn)和多種用戶展板選擇，進而對決策者提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 結(jié) 語

高校智慧實驗室建設(shè)以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以學(xué)校智慧校園建設(shè)目標(biāo)為依托，通過搭建三大架構(gòu)“數(shù)據(jù)資源架構(gòu)、業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)、基礎(chǔ)支撐架構(gòu)”，實現(xiàn)高校宜學(xué)、宜教、宜研、易管的智慧實驗和實踐空間。通過數(shù)據(jù)可視化帶動管理精細化，隨時隨地全方位動態(tài)感知數(shù)據(jù)資源信息，使實驗室數(shù)據(jù)、流程之間充分解耦，逐步實現(xiàn)了高校實驗室的“多維服務(wù)”、實驗室數(shù)據(jù)的“全面感知”、實驗室業(yè)務(wù)流程的“深度融合”，為學(xué)?！暗虏偶?zhèn)?、家國情懷、視野開闊、實踐和創(chuàng)新能力強”的人才培養(yǎng)目標(biāo)推波助力。