［摘 要］近年來(lái)，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。高校實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才和推動(dòng)科研進(jìn)步的重要基地，其信息化建設(shè)水平直接影響教學(xué)和科研的質(zhì)量。文章通過(guò)分析高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)中存在的問(wèn)題和需求，以提升實(shí)驗(yàn)室信息化水平、提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率、保障實(shí)驗(yàn)室安全等為目的，提出高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，為高校構(gòu)建數(shù)字化、智能化的實(shí)驗(yàn)室管理體系提供參考。

［關(guān)鍵詞］大數(shù)據(jù)；高校實(shí)驗(yàn)室；信息化建設(shè)；物聯(lián)網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.20.071

［中圖分類(lèi)號(hào)］G647；TP399 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1673-0194（2024）20-0-03

0" " "引 言

高校實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的重要基地，優(yōu)化和升級(jí)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理對(duì)提高科研與教學(xué)水平具有重要意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)迎來(lái)了新的機(jī)遇，將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理，有利于提升實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作的效率。當(dāng)前，如何利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)，已成為各高校關(guān)注的重點(diǎn)。為此，文章將基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。

1" " "高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)存在的問(wèn)題

近年來(lái)，隨著高校對(duì)實(shí)踐教學(xué)愈加重視，實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量和智能化水平迅速提升。然而，高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如資金投入不足、場(chǎng)地空間有限、學(xué)科水平參差不齊、技術(shù)更新迭代等，導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室難以完全滿足教學(xué)、科研和社會(huì)需求［1］。目前，高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)主要存在以下問(wèn)題。

1.1" "智能化管理水平不高

高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)需要較大的資金投入，但許多高校在信息化建設(shè)方面的預(yù)算不足。由于資金缺乏，部分高校實(shí)驗(yàn)室僅使用通用的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，未能充分利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行智能化管理，導(dǎo)致設(shè)備管理效率低下，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備故障問(wèn)題。此外，仍有部分高校實(shí)驗(yàn)室停留在傳統(tǒng)的管理模式上，設(shè)備使用情況主要依賴(lài)人工登記和人工管理，增加了管理工作的復(fù)雜性。

1.2" "資源配置不合理

近年來(lái)，高校對(duì)計(jì)算機(jī)編程相關(guān)課程的排課需求增加，但部分公共實(shí)驗(yàn)室設(shè)備陳舊或技術(shù)落后，難以滿足高水平科研和教學(xué)的需求，實(shí)驗(yàn)室資源配置不足［2］，影響了教學(xué)和科研活動(dòng)的正常開(kāi)展。另外，部分實(shí)驗(yàn)室資源過(guò)剩，設(shè)備長(zhǎng)期閑置，利用率低，資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。此外，由于高校二級(jí)學(xué)院資源共享意識(shí)不足，相同功能的實(shí)驗(yàn)室在不同的學(xué)院重復(fù)建設(shè)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)資源的重復(fù)建設(shè)和浪費(fèi)。

1.3" "安全管理機(jī)制不健全

實(shí)驗(yàn)室安全管理是高校整體安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)運(yùn)行的根本保證［3］。然而，部分高校缺乏定期的實(shí)驗(yàn)室安全檢查和系統(tǒng)化的安全管理與應(yīng)急預(yù)案，導(dǎo)致安全隱患難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理。部分高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員的安全教育培訓(xùn)不足，且缺乏人員準(zhǔn)入管理機(jī)制，進(jìn)一步增加了安全事故的發(fā)生概率。此外，部分實(shí)驗(yàn)室安全基礎(chǔ)設(shè)施不完善，各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)未能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，火、電、氣、盜等預(yù)警系統(tǒng)也不完善，使得實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的潛在危險(xiǎn)無(wú)法得到及時(shí)監(jiān)控和處理。

1.4" "“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重

高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)中，“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重阻礙了信息共享和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。初期的信息化系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨部門(mén)、跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享。隨著時(shí)間推移，孤立的數(shù)據(jù)不斷累加，形成了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以流轉(zhuǎn)的局面。此外，實(shí)驗(yàn)室存在多頭建設(shè)和重復(fù)建設(shè)的問(wèn)題，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)不一，標(biāo)準(zhǔn)迥異，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互識(shí)、互通和共享，這也使得數(shù)據(jù)的綜合利用和分析變得更加困難。

2" " "高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)需求分析

充分利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信息化建設(shè)，不僅能為師生創(chuàng)造安全、環(huán)保、智能的環(huán)境，還能提供開(kāi)放、協(xié)同、高效、便捷的個(gè)性化服務(wù)［4］。因此，在實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下需求：①實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備的預(yù)約功能，允許師生登錄查看可用的實(shí)驗(yàn)室資源并進(jìn)行預(yù)約。②實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的全生命周期管理，包括購(gòu)置、入庫(kù)、領(lǐng)用、借用、調(diào)撥、盤(pán)點(diǎn)、報(bào)廢和維修，幫助管理部門(mén)快速掌握資產(chǎn)狀態(tài)。③實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)課程排課、教學(xué)考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等任務(wù)的信息化管理，為實(shí)驗(yàn)教師提供清晰的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排及管理手段。④實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光線強(qiáng)度和總揮發(fā)性有機(jī)化合物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）等實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，可以及時(shí)發(fā)出預(yù)警，防止安全事故發(fā)生。⑤實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)化管理，提高設(shè)備儀器的管理效率。⑥實(shí)現(xiàn)多樣化的實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入機(jī)制。例如，只有完成安全責(zé)任書(shū)簽訂并且安全教育考試達(dá)標(biāo)的人員才有權(quán)限進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。⑦實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)源的全生命周期管理，包括采購(gòu)、登記、存儲(chǔ)、處置等，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)源，達(dá)到危險(xiǎn)源精準(zhǔn)管控的要求。⑧實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全檢查的全流程信息化管理，形成安全檢查管理的閉環(huán)，提高實(shí)驗(yàn)室的安全水平。⑨實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和分析功能，為海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析提供技術(shù)手段。⑩實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示，幫助管理部門(mén)快速掌握實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3" " "高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

高校實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的構(gòu)建以智慧教育理念為指導(dǎo)，遵循“環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化、設(shè)備管理自動(dòng)化、資源獲取信息化、實(shí)驗(yàn)管理高效化”的建設(shè)原則［5］。平臺(tái)設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu)理念，整體架構(gòu)分為7層，如圖1所示。

（1）用戶與終端層。利用個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）端、手機(jī)、微信、企業(yè)微信及小程序等多種終端，為學(xué)生、教師、管理部門(mén)和領(lǐng)導(dǎo)等用戶提供便捷的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)接入。例如，用戶可以通過(guò)終端實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室設(shè)備狀態(tài)、預(yù)約實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和報(bào)告等，使得實(shí)驗(yàn)室管理更加高效和便捷。

（2）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。主要負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)室綜合管理、實(shí)驗(yàn)室安全管理、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控管理和大數(shù)據(jù)分析4類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)，滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)、科研、管理等多方面需求。

（3）平臺(tái)層。物聯(lián)中臺(tái)作為前端物聯(lián)設(shè)備與后端應(yīng)用的中間服務(wù)，負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入和管理，向上提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，向下兼容多協(xié)議物聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高效、快速地解決多種協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入問(wèn)題。大數(shù)據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和分析。利用Sqoop、Flume、Kafka等技術(shù)采集業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)、物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)備日志；通過(guò)HDFS、Hbase、Kudu和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；使用MapReduce、Spark、Hive、MLib等組件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，最終提供實(shí)驗(yàn)室大數(shù)據(jù)、資源利用率分析、預(yù)警分析、用戶畫(huà)像分析等決策數(shù)據(jù)，支持智能化決策。

（4）傳輸層。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，運(yùn)用以太網(wǎng)、5G、Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee和Lora等多種通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室感知控制層和設(shè)備層數(shù)據(jù)的高效傳輸與設(shè)備的互聯(lián)互通。

（5）感知控制層。負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室各感知設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)控制器和各類(lèi)傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（6）設(shè)備層。負(fù)責(zé)設(shè)備的智能化控制，包括門(mén)禁、門(mén)鎖、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和照明設(shè)備等。實(shí)驗(yàn)室各類(lèi)設(shè)備通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能化管理和控制。

（7）基礎(chǔ)設(shè)施層。負(fù)責(zé)為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管控提供基礎(chǔ)保障。校園網(wǎng)絡(luò)為實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)提供了高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備保障了整個(gè)平臺(tái)和數(shù)據(jù)的安全，數(shù)據(jù)中心將各業(yè)務(wù)應(yīng)用的核心數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源同步到中心，通過(guò)數(shù)據(jù)中心來(lái)共享業(yè)務(wù)、實(shí)驗(yàn)等核心數(shù)據(jù)，有效消除了“數(shù)據(jù)孤島”，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

4" " "高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)平臺(tái)主要功能設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)平臺(tái)主要功能可以分為實(shí)驗(yàn)室綜合管理、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控管理、實(shí)驗(yàn)室安全管理和大數(shù)據(jù)分析4類(lèi)，其功能設(shè)計(jì)如下。

4.1" "實(shí)驗(yàn)室綜合管理功能

通過(guò)對(duì)人員、儀器、試劑、危險(xiǎn)源、環(huán)境等進(jìn)行全方位管理，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放預(yù)約管理、儀器預(yù)約共享管理、資產(chǎn)設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和耗材管理。其中，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放預(yù)約管理提供在線預(yù)約和智能門(mén)禁授權(quán)功能；資產(chǎn)設(shè)備管理利用射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化管理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理提供排課、教學(xué)考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理功能。

4.2" "動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控管理功能

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全天候監(jiān)控和管理實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、總揮發(fā)性有機(jī)物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）、氧氣等環(huán)境參數(shù)以及關(guān)鍵設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)異常情況。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值，將通過(guò)自動(dòng)化控制設(shè)備調(diào)整環(huán)境參數(shù)，優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)警，最大限度減少異常情況帶來(lái)的損失。

4.3" "實(shí)驗(yàn)室安全管理功能

通過(guò)完善制度、管理及基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)安全規(guī)范管理、安全分類(lèi)分級(jí)管理和安全檢查管理。其中，安全規(guī)范管理提供線上簽訂安全責(zé)任書(shū)和設(shè)置實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入機(jī)制等功能；安全分類(lèi)分級(jí)管理依據(jù)教育部要求自動(dòng)計(jì)算分類(lèi)分級(jí)，并管理危險(xiǎn)源的全生命周期，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管控；安全檢查管理根據(jù)教育部指標(biāo)生成檢查依據(jù)，通過(guò)定期和不定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患，記錄檢查結(jié)果和整改措施，形成管理閉環(huán)，提高安全水平。

4.4" "大數(shù)據(jù)分析功能

通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析，生成智能化決策建議，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室大數(shù)據(jù)分析和展示。例如，通過(guò)設(shè)備使用情況的數(shù)據(jù)分析，生成優(yōu)化資源配置的建議，預(yù)測(cè)設(shè)備故障和安全隱患等。同時(shí)，通過(guò)可視化界面展示實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)、設(shè)備資源統(tǒng)計(jì)、資源利用率統(tǒng)計(jì)、用戶畫(huà)像和安全管控等數(shù)據(jù)，便于管理部門(mén)快速掌握各項(xiàng)信息。

5" " "結(jié)束語(yǔ)

高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用為高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)提供了新的思路和手段。基于此背景，文章提出了高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，以提升實(shí)驗(yàn)室信息化水平、提高實(shí)驗(yàn)室資源利用率、保障實(shí)驗(yàn)室安全，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的智能化、科學(xué)化和高效化。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)將在高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)中得到更加廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)其向更智能的方向發(fā)展。

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