張聰瑞，李 寧，王其洲，任高峰*

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.武漢理工大學(xué)關(guān)鍵非金屬礦產(chǎn)資源綠色利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

近年來，我國(guó)高等教育事業(yè)蓬勃發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也迅速推進(jìn)，與此同時(shí)，隨著學(xué)校辦學(xué)規(guī)模和科研任務(wù)的增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員和設(shè)備數(shù)量明顯增加，人員流動(dòng)性加劇，隨之帶來的實(shí)驗(yàn)室安全隱患也同步增加[1-2]，這也給實(shí)驗(yàn)室安全管理人員帶來了更高的要求和更大的挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)室安全工作一直以來都以“安全管理”為主體[3]，例如：清華大學(xué)提出了包含人、法、防、保、育、查六要素組成的實(shí)驗(yàn)室安全管理模式[4]；南開大學(xué)[5]以大型儀器實(shí)驗(yàn)室為對(duì)象，構(gòu)建了制度完善、人員有序、隊(duì)伍專業(yè)、宣傳到位、環(huán)境安全的大型儀器實(shí)驗(yàn)室安全管理體系。浙江大學(xué)[6]、天津大學(xué)[7]、北京科技大學(xué)[8]利用信息化手段建成了“實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)”，完善了實(shí)驗(yàn)室安全信息數(shù)據(jù)庫，推進(jìn)落實(shí)學(xué)校-學(xué)院（系）-課題組-實(shí)驗(yàn)室四級(jí)實(shí)驗(yàn)室安全責(zé)任體系。

由此可見，各高校都從頂層設(shè)計(jì)、規(guī)章制度等方面建設(shè)了相關(guān)機(jī)制，也正逐步提高實(shí)驗(yàn)室安全管理的信息化水平。但是，2019 年全國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室安全電視電話會(huì)議中通報(bào)：近年來我國(guó)共發(fā)生各類實(shí)驗(yàn)室安全事故14 543 起，死亡29 人[9]。由此可見，高校安全事故仍層出不窮，實(shí)驗(yàn)室安全管理工作仍有尚未解決的痛點(diǎn)。

人員流動(dòng)性大，實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入制難以動(dòng)態(tài)落實(shí)。從以往的實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入管理可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入制度的核心就是個(gè)人安全習(xí)慣的養(yǎng)成[10]，主要通過“培訓(xùn)-考試-認(rèn)證”的準(zhǔn)入體系完成，但在人員準(zhǔn)入管控的“最后一公里”難題尚未解決?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入管理無法掌握人員實(shí)時(shí)位置、無法統(tǒng)計(jì)人員出入實(shí)驗(yàn)室精確時(shí)間、無法有效獲取人員使用設(shè)備情況，準(zhǔn)入管理存在盲點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景復(fù)雜，人員身體機(jī)能狀態(tài)無法及時(shí)獲取。武漢理工大學(xué)礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及礦業(yè)工程、環(huán)境工程、安全科學(xué)與工程3 個(gè)學(xué)科，包括高溫/高壓實(shí)驗(yàn)、化學(xué)類、機(jī)電類實(shí)驗(yàn)等高危實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。據(jù)研究，高溫、噪聲環(huán)境會(huì)導(dǎo)致人員的心率、呼吸率和出錯(cuò)次數(shù)增加、反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，降低人體安全行為能力，大大增加了不安全行為發(fā)生概率[11-12]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)人員的心率、血壓等身體機(jī)能指標(biāo)，能有效反映人員安全狀態(tài)，保障實(shí)驗(yàn)過程中的人員安全。

事故發(fā)生后，應(yīng)急救援工作開展不及時(shí)。應(yīng)急救援工作是實(shí)驗(yàn)室安全事故發(fā)生后減少人員傷亡、降低事故損失的最后屏障。然而，各高校雖已制定了實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)定，但所制定的應(yīng)急預(yù)案多以電話告知、逐級(jí)上報(bào)為主[13]，且?guī)熒诿媾R安全事故時(shí)仍舊不知如何采取救援措施，往往錯(cuò)失救援時(shí)機(jī)，不能有效減少事故危害。

面對(duì)上述痛點(diǎn)，傳統(tǒng)的管理模式已然不能滿足新形勢(shì)下的高校實(shí)驗(yàn)室安全管理需求，因此，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員安全管理中的關(guān)鍵問題，從“人員位置精確感知、身體機(jī)能動(dòng)態(tài)掌握、應(yīng)急救援定向分發(fā)”3 個(gè)角度出發(fā)，基于智能穿戴式設(shè)備，圍繞信息化與智能化開展研究，開發(fā)實(shí)驗(yàn)室人員安全管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為滿足系統(tǒng)時(shí)效性、可靠性等方面的需求，系統(tǒng)采用3 層B/S 架構(gòu)，從邏輯層面分為運(yùn)行支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)和可視化展現(xiàn)層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)在所需軟件和硬件共同構(gòu)成運(yùn)行支撐平臺(tái)；數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)選用阿里云服務(wù)器，用于為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)訪問等功能；可視化展現(xiàn)層將人員信息管理、人員動(dòng)態(tài)定位顯示、應(yīng)急呼救與處置、電子圍欄設(shè)置等各類功能模塊化，形成WEB 客戶端，為用戶提供操作界面。

在終端硬件方面，由于智能穿戴設(shè)備具有便攜性好、測(cè)量精度高、操作方便等特點(diǎn)，被廣泛用于各種狀態(tài)下的人體生理指標(biāo)檢測(cè)[14-15]。所設(shè)計(jì)的智能穿戴終端由PPG 心率測(cè)定模塊[16]、血壓測(cè)定模塊、運(yùn)動(dòng)傳感模塊、BDS/GPS 雙模定位模塊、低功耗藍(lán)牙模塊、4G 通信模塊、SOS 緊急呼救模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和供電模塊等組成，配套的室內(nèi)定位基站由單片機(jī)、低功耗藍(lán)牙模塊、電源模塊等組成。

人員佩戴智能穿戴終端后，首先通過低功耗藍(lán)牙模塊與室內(nèi)定位基站進(jìn)行通信，獲取人員室內(nèi)位置信息，并由數(shù)據(jù)采集模塊將采集的心率信息、血壓信息、運(yùn)動(dòng)信息與位置信息整合后，經(jīng)由4G 通信模塊發(fā)送至云端服務(wù)器。

當(dāng)有事故傾向或發(fā)生事故時(shí)，佩戴者可通過智能穿戴終端的SOS 按鍵進(jìn)行一鍵呼救，系統(tǒng)將顯示呼救信息，并將呼救信息及時(shí)發(fā)送至導(dǎo)師、實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、學(xué)院負(fù)責(zé)人等相關(guān)責(zé)任人，提高救援效率。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室人員安全管理系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、健康信息管理、應(yīng)急救援、平面圖與網(wǎng)關(guān)管理、人員管理、統(tǒng)計(jì)分析與設(shè)置7 個(gè)模塊。

2.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是直接面向用戶的門戶，通過該模塊，使用者可以實(shí)時(shí)掌握各實(shí)驗(yàn)室中人員的實(shí)時(shí)位置，顯示了位于區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)人數(shù)，SOS 呼救人數(shù)，健康監(jiān)測(cè)信息異常人數(shù)。

圖3 監(jiān)控中心模塊

2.2 健康信息管理

健康信息管理通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判別實(shí)驗(yàn)人員心率、血壓等身體機(jī)能指標(biāo)，從源頭保障實(shí)驗(yàn)室人員生命安全。該模塊主要顯示所選實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員的健康信息，對(duì)于健康數(shù)據(jù)異常（超出預(yù)警閾值）人員，系統(tǒng)將自動(dòng)置頂并標(biāo)紅，并發(fā)出警報(bào)提示該實(shí)驗(yàn)人員，同時(shí)短信通知導(dǎo)師。

與此同時(shí)，該模塊還設(shè)有“提醒”與“詳情”功能：“提醒”功能可手動(dòng)給人員發(fā)送短信，提醒其身體異常；“詳情”按鈕則可顯示該人員的心率、血壓監(jiān)測(cè)曲線，并能夠通過設(shè)置日期區(qū)間，獲取人員一段時(shí)間內(nèi)的心率、血壓數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。操作界面如圖4 所示。

圖4 健康信息管理模塊

2.3 應(yīng)急救援

在有事故傾向或發(fā)生事故時(shí)，人員按下智能佩戴終端的“SOS”按鍵，系統(tǒng)將及時(shí)記錄該呼救信息，并將救援信息通過短信、郵件及時(shí)發(fā)送至導(dǎo)師及救援負(fù)責(zé)人，實(shí)現(xiàn)了救援信息的定向分發(fā)，改善了以往逐級(jí)上報(bào)的弊端。

當(dāng)應(yīng)急救援事件發(fā)生后，該模塊可直接顯示對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的SOS 呼救信息，包括“當(dāng)前SOS 求救待處理人員信息”和“已處理SOS 待處理人員信息”：“當(dāng)前SOS 求救待處理人員信息”中，可以直接查看人員的最后位置，輔助救援人員搜救與救助；“已處理SOS 待處理人員信息”可記錄并顯示人員求救的歷史地址信息。操作界面如圖5 所示。

圖5 應(yīng)急救援模塊

2.4 平面圖與網(wǎng)關(guān)管理

平面圖與網(wǎng)關(guān)管理是系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)信息模塊，能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室地圖導(dǎo)入與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)設(shè)置功能。

其中，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)一般設(shè)置于實(shí)驗(yàn)室出入口處，通過系統(tǒng)設(shè)置藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)編號(hào)與實(shí)驗(yàn)室的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)人員出入實(shí)驗(yàn)室的記錄與管理，同時(shí)，也可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)需求以多個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)形式劃定“禁行區(qū)域”，用于大型精密儀器使用的管理。操作界面如圖6 所示。

圖6 平面圖與網(wǎng)關(guān)管理模塊

2.5 人員管理

為方便人員信息管理，系統(tǒng)設(shè)置有人員管理模塊，主要完成人員各類信息的導(dǎo)入和導(dǎo)出，其預(yù)留信息包括授權(quán)實(shí)驗(yàn)室、姓名、手環(huán)串號(hào)、電話號(hào)碼、導(dǎo)師與聯(lián)系方式等。

2.6 統(tǒng)計(jì)分析

通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可掌握實(shí)驗(yàn)室人員工作時(shí)長(zhǎng)以及歷史健康狀況。該模塊包括區(qū)域統(tǒng)計(jì)與人員統(tǒng)計(jì)功能。區(qū)域統(tǒng)計(jì)模塊用于查詢某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，包括該區(qū)域在所選時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的總?cè)藬?shù)、異常的總?cè)藬?shù)、SOS 的總?cè)藬?shù)；人員統(tǒng)計(jì)可查詢個(gè)人歷史信息，包括SOS 次數(shù)、數(shù)據(jù)異常次數(shù)、平均工作時(shí)間、平均心率和平均血壓等信息。如圖7 所示。

圖7 統(tǒng)計(jì)分析模塊

2.7 設(shè)置

對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的一些特定位置（如?；放c氣瓶存放地）和大型儀器設(shè)備、高溫高壓設(shè)備等重點(diǎn)區(qū)域，需要進(jìn)行特別監(jiān)管，通過設(shè)置模塊，可定向在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)劃定電子圍欄，區(qū)分實(shí)驗(yàn)區(qū)、限定區(qū)和禁止區(qū)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入的分人員、分區(qū)域管理。當(dāng)非授權(quán)人員進(jìn)入限定區(qū)和禁止區(qū)后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，給該人員及相應(yīng)負(fù)責(zé)人發(fā)送短信提示。

3 結(jié)論

1）針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室在安全管理過程中人員準(zhǔn)入跟蹤難、實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)管難以及應(yīng)急救援不及時(shí)等問題，以智能佩戴終端為基礎(chǔ)，創(chuàng)新了高校實(shí)驗(yàn)室安全管控技術(shù)手段與管理理念。

2）通過設(shè)計(jì)的智能穿戴終端和室內(nèi)定位終端，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員位置信息、身體機(jī)能信息以及應(yīng)急救援信息的實(shí)時(shí)采集，推動(dòng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入的有效管控與跟蹤管理。

3）開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室人員安全管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員位置的精確感知、身體機(jī)能的動(dòng)態(tài)掌握與應(yīng)急救援信息的定向分發(fā)，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室管理效率的提升，提高了安全管理信息化水平、科學(xué)決策能力與應(yīng)急救援能力。