嚴(yán)瑞 莊志洪

南京理工大學(xué) 國有資產(chǎn)與實驗室管理處 江蘇 南京 210094

1 高校實驗室信息化現(xiàn)狀

得益于全球信息技術(shù)水平飛速提升，國內(nèi)外高校教學(xué)、科研信息化能力取得了長足進(jìn)步，提高實驗室信息化管理手段、推進(jìn)建設(shè)實驗室信息化管理體系已是大勢所趨。歐美、新加坡等發(fā)達(dá)國家的高校實驗室信息化建設(shè)起步較早，管理技術(shù)先進(jìn)、設(shè)施配套齊全、管理效能領(lǐng)先。美國麻省理工學(xué)院較早建立了EHS（環(huán)保、健康、安全三位一體）實驗室管理體系，并構(gòu)建了集設(shè)備管理、氣體監(jiān)測、消防報警、危險廢物存放回收等功能于一體的實驗室信息化管理系統(tǒng)[1]；英國利茲大學(xué)建立了包括各級安全負(fù)責(zé)人名單、管轄范圍和聯(lián)系方式，各實驗室安全手冊和培訓(xùn)教材，危險品、危險設(shè)備的信息填報和管理系統(tǒng)，實驗室設(shè)備和人員登記授權(quán)使用系統(tǒng)，重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)控監(jiān)測，巡查記錄和事故通報等的安全管理系統(tǒng)；新加坡南洋理工大學(xué)建立了具備可視化分級培訓(xùn)考核、危險品全流程閉環(huán)管理等功能的實驗室管理系統(tǒng)[2]；日本東京大學(xué)設(shè)有環(huán)境安全本部、保健健康推進(jìn)本部和實驗委員會，并建設(shè)了功能較為先進(jìn)的實驗室信息化管理系統(tǒng)[3]。

相比之下，國內(nèi)高校實驗室信息化建設(shè)起步較晚，信息化技術(shù)利用程度不高，清華大學(xué)在實驗室安全教育與考試、危化品全生命周期管理、安全監(jiān)控與報警等方面建立了信息化系統(tǒng)；北京大學(xué)依托信息化技術(shù)對儀器設(shè)備實行全程監(jiān)管，建立試劑管理平臺，實現(xiàn)對試劑管理的全面監(jiān)控；浙江大學(xué)建立了覆蓋實驗室人員、物品、房間等數(shù)據(jù)信息的實驗室安全管理系統(tǒng)；天津大學(xué)建立了包括儀器設(shè)備全生命周期管理、實驗室全方位管理、實驗室安全無縫管理、實驗材料規(guī)范管理的資產(chǎn)與設(shè)備綜合管理平臺；國防科技大學(xué)開發(fā)了包含基礎(chǔ)信息管理、實驗教學(xué)管理、開放預(yù)約管理、示范中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、儀器設(shè)備管理和財務(wù)管理等6個功能模塊集成為一體的實驗室綜合管理系統(tǒng)，我國信息化實驗室建設(shè)仍處于發(fā)展階段。

2 智慧實驗室概述

2.1 傳統(tǒng)實驗室的現(xiàn)狀

2.1.1 設(shè)備重復(fù)購置，利用率低。近年來，各高校在實驗室建設(shè)方面的經(jīng)費(fèi)投入比例較高，據(jù)《2020年高等學(xué)?？萍冀y(tǒng)計資料匯編》顯示，2020年各類高校固定資產(chǎn)購置費(fèi)占總撥入科技經(jīng)費(fèi)的15.99%。但高校在采購大型儀器設(shè)備時缺乏學(xué)校維度的統(tǒng)一規(guī)劃，采購需求往往由教師個人、課題組或者學(xué)院提出，常出現(xiàn)不同學(xué)院重復(fù)購置同種大型儀器設(shè)備的情況，造成財政資金嚴(yán)重浪費(fèi)。又因共享意識不強(qiáng)、共享管理措施不健全等，設(shè)備購置后往往僅被一部分師生使用，在完成科研任務(wù)后便束之高閣，進(jìn)一步降低了利用率。

2.1.2 管理制度欠完善，安全隱患多。目前高校實驗室大多沿用傳統(tǒng)管理制度，日常管理及登記方式仍以手工記錄為主，設(shè)備信息無法實時同步并記錄。傳統(tǒng)模式對維修、保養(yǎng)等信息反饋的滯后性，除了降低了設(shè)備使用體驗外，更易引起實驗室水電氣甚至?；沸孤┑仁鹿?。在最為重要的安全方面，實驗室日常安全衛(wèi)生大多依賴師生自覺，安全防護(hù)工作難免出現(xiàn)疏漏，加之實驗室出入人員復(fù)雜，極易引發(fā)實驗室安全事故。

2.2 智慧實驗室的內(nèi)涵

智慧實驗室目前沒有統(tǒng)一的定義，國內(nèi)研究者對于智慧實驗室的內(nèi)涵有不同的理解，周瑞[4]認(rèn)為智慧實驗室系統(tǒng)以開放式實驗教學(xué)為目標(biāo)，以基本實驗管理流程為核心，包括實驗課程預(yù)約、門禁控制與考勤管理、實驗設(shè)備管理、學(xué)生上機(jī)管理、實驗室綜合監(jiān)控等功能。系統(tǒng)構(gòu)建采用服務(wù)器瀏覽器模式，突破了時間空間限制，實現(xiàn)了實驗管理員、教師和學(xué)生之間互動的網(wǎng)絡(luò)化開放管理平臺。張凱[5]認(rèn)為智慧實驗室是以現(xiàn)代教育思想與理念為指導(dǎo)，以提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能技術(shù)等新一代信息技術(shù)有機(jī)融合于實驗室的管理和教學(xué)過程中，建設(shè)成具有全面感知物理環(huán)境、智能化管理與控制、教學(xué)過程可視化記錄與評價、資源和信息互聯(lián)共享、師生協(xié)作與互動一體化的實驗室學(xué)習(xí)空間和“一站式”服務(wù)平臺，實現(xiàn)實驗室建設(shè)的進(jìn)一步精細(xì)化動態(tài)化管理、全時空管理、全要素管理、全生命周期管理。顏婉茹[6]認(rèn)為智慧實驗室是以互聯(lián)網(wǎng)+為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，結(jié)合實驗室的軟硬件管控設(shè)備，實現(xiàn)對實驗教學(xué)、科研工作、實驗室安全、學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動、校企聯(lián)合等全方位、多層次的實驗室管理，從而實現(xiàn)各類信息的收集、傳遞、分享，實驗物資的購買、存儲和調(diào)用，廢棄物的處理、監(jiān)管和運(yùn)輸，實驗室的安全監(jiān)控、預(yù)警和防護(hù)等多方面的功能。

本文旨在依托物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有實驗室架構(gòu)及信息化管理系統(tǒng)建設(shè)情況，建立以“硬件+軟件”有效結(jié)合的、集多種智能化功能于一體的智慧實驗室，不斷加強(qiáng)實驗室信息整合與同步共享能力，推進(jìn)實驗室信息化管理體系建設(shè)。

3 智慧實驗室建設(shè)方案

3.1 總體結(jié)構(gòu)

基于對學(xué)校建立的校級或院級信息化管理系統(tǒng)的梳理，設(shè)計并完善業(yè)務(wù)集成型智慧實驗室，對實驗室房屋、儀器設(shè)備、化學(xué)品等危險源、實驗人員等重要環(huán)節(jié)開展智能化、可視化管理。搭建實驗室基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)信息匯總整合、綜合管理、便捷查詢及科學(xué)利用等功能。

圖1 智慧實驗室總體架構(gòu)

3.2 智慧實驗室子模塊

3.2.1 智慧房屋管理模塊。智慧房屋管理模塊依托學(xué)校3D地圖，可準(zhǔn)確顯示實驗室分布狀況及地理信息，實現(xiàn)房屋定位精準(zhǔn)化管理。在此基礎(chǔ)上，通過對接學(xué)校實驗室開放預(yù)約與綜合管理系統(tǒng)，同步實驗室開放共享信息，師生可在此模塊填寫實驗所需儀器，預(yù)約專用實驗室，最大程度優(yōu)化資源配置。同時，以“樓宇-房間”為單位，可以為指定樓宇和房間設(shè)置負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人信息以及相應(yīng)地理位置信息。此外，基于分級管理措施，還可從模塊一級界面向下逐級訪問，進(jìn)入房間層級，查看該房間內(nèi)各模塊采集的末端數(shù)據(jù)，如氣體監(jiān)測數(shù)值、化學(xué)品存量、儀器運(yùn)行狀態(tài)及房間內(nèi)人流量情況。

3.2.2 智慧資產(chǎn)管理模塊。智慧資產(chǎn)管理模塊對接資產(chǎn)系統(tǒng)與大型儀器設(shè)備共享管理平臺，可快速整合并及時同步實驗室內(nèi)各類資產(chǎn)設(shè)備的相關(guān)信息及狀態(tài)，對大型儀器設(shè)備進(jìn)行定位、終端管控及預(yù)約使用管理。在滿足資產(chǎn)設(shè)備智能化管理的同時，顯著提升了資產(chǎn)設(shè)備開放共享、在線盤點(diǎn)、更換維修等管理動作的效率。

資產(chǎn)管理分區(qū)具備查看資產(chǎn)類別、廠家、型號等信息的功能，實現(xiàn)了資產(chǎn)信息從入庫、領(lǐng)用、調(diào)撥到報廢的全生命周期管理。儀器共享分區(qū)通過與資產(chǎn)系統(tǒng)對接，提升了大型儀器設(shè)備錄入的便捷性，再將分區(qū)與智能終端并軌，可自動統(tǒng)計機(jī)時，替代手動錄入功能，確保錄入信息的準(zhǔn)確性、及時性。另外，基于LBS、GPS、藍(lán)牙室內(nèi)定位等技術(shù)，賦予了儀器設(shè)備的定位功能，可實時掌握位置信息。在報銷端打通財務(wù)系統(tǒng)，需將擬共享設(shè)備信息錄入大型儀器設(shè)備共享管理平臺后方可進(jìn)行財務(wù)報銷，從財務(wù)數(shù)據(jù)維度分析共享比例，抓實共享舉措。儀器共享分區(qū)可為校內(nèi)外用戶提供儀器設(shè)備預(yù)約、使用記錄查詢及測試費(fèi)核銷等操作；滿足設(shè)備管理員實時監(jiān)察設(shè)備狀態(tài)、瀏覽使用記錄、結(jié)算測試費(fèi)用等需求；便于院級管理單位盤點(diǎn)其所轄設(shè)備的共享及使用情況等；協(xié)助校級管理單位以績效考核單元為抓手，落實對儀器設(shè)備或二級單位的考核。

3.2.3 智慧人員管理模塊。智慧人員管理模塊具備建立實驗室人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫功能，基于人臉識別、電子門票等設(shè)備，授予實驗室人員準(zhǔn)入及使用權(quán)限，實現(xiàn)人員準(zhǔn)入智能化管理，避免因非實驗室人員的進(jìn)入造成安全隱患及事故。

該模塊不僅與學(xué)校一卡通兼容，還能拓展人臉識別功能，兩種識別方式均可獲得電子門禁授權(quán)。門禁數(shù)據(jù)采集終端能主動判斷用戶認(rèn)證信息及門禁權(quán)限并予以記錄，系統(tǒng)管理員可遠(yuǎn)程監(jiān)控實驗室門禁狀態(tài)，通過手機(jī)App等方式管理門禁或查閱出入記錄。另外，該模塊可提供特權(quán)卡授權(quán)功能，賦予管理員對指定實驗場地的管理權(quán)限，便于實驗室日常維護(hù)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，特權(quán)卡可奪取門禁最高管理權(quán)限，保護(hù)貴重儀器運(yùn)行環(huán)境，保障實驗室開放式管理安全。

3.2.4 智慧安全管理模塊。通過安裝氣體監(jiān)測、溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測、視頻監(jiān)控等設(shè)備，對實驗室環(huán)境及安全狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時，該模塊可在第一時間將消息傳遞至管理人員手機(jī)端，提升應(yīng)急處置效率。

人流監(jiān)控攝像頭可在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中生成3D立體信息，在計數(shù)區(qū)域?qū)z測到的行人進(jìn)行智能跟蹤，分析行人的行為趨勢，獨(dú)立統(tǒng)計進(jìn)出和路過（未進(jìn)入）人數(shù)，并基于行為模式算法過濾徘徊行為，避免重復(fù)計數(shù)，確保實驗室人流數(shù)量監(jiān)控的真實性。將化學(xué)品采購系統(tǒng)接入安全模塊，可顯示各實驗室化學(xué)品存量、用量、采購量等信息。管理員可基于地理位置顯示界面實時各監(jiān)控實驗室內(nèi)氣體安全狀況，并于出現(xiàn)險情時，通過手機(jī)App和Web平臺第一時間掌握實驗室內(nèi)危險氣體的種類、濃度、房間視頻監(jiān)控情況以及實驗室安全責(zé)任人的相關(guān)信息，便于追蹤處理方案，評估處理效果。同時，安全管理員可依據(jù)系統(tǒng)提供的處理意見提示，全局協(xié)調(diào)安全風(fēng)險的處理資源、部門和人員，縮短處理時間，降低處理風(fēng)險。實驗室管理員或課題組負(fù)責(zé)人可通過手機(jī)App和Web管理平臺，查看實驗室安全狀態(tài)，歷史報警記錄和報警處理情況。亦可依據(jù)氣體濃度設(shè)置分級報警、應(yīng)急處理方案等提示，預(yù)留更多的響應(yīng)提前量，以便及時發(fā)現(xiàn)并通知負(fù)責(zé)人排查安全隱患。

3.2.5 定制化管理模塊。由于各學(xué)院的學(xué)科特色與教學(xué)科研需求不盡相同，除常規(guī)管理模塊外，還可增設(shè)定制化管理模塊，學(xué)院可依據(jù)其所轄實驗室的實驗種類與工藝，對實驗室特有環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化管理。

4 結(jié)束語

伴隨全球信息技術(shù)水平飛速提升，提高實驗室信息化管理手段、推進(jìn)建設(shè)實驗室信息化管理體系已是大勢所趨。本文通過建立實驗室基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，考慮房屋、資產(chǎn)、人員、環(huán)境等實驗室基本要素，整合現(xiàn)有實驗室相關(guān)信息系統(tǒng)，建成業(yè)務(wù)集成型智慧實驗室。各個模塊底層相互獨(dú)立，頂層相互關(guān)聯(lián)，即可服務(wù)于科研，又可為教學(xué)助力，未來還可對接教學(xué)管理系統(tǒng)，同步實驗課程預(yù)約、考勤等信息。