基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)下的大型儀器共享平臺管理模式

孫志傳， 王重慶， 潘宜昌

（南京工業(yè)大學(xué)a.國有資產(chǎn)管理處；b.材料化學(xué)工程國家重點實驗室，南京211816）

0 引 言

隨著科教興國、人才強國發(fā)展戰(zhàn)略的不斷壯大，我國高校的大型儀器設(shè)備數(shù)量不斷增多，高校大型儀器設(shè)備平臺建設(shè)速度也在不斷加快，當(dāng)前高校存在對大型儀器設(shè)備［1］、精密儀器管理不當(dāng)，儀器設(shè)備長期閑置和重復(fù)購置，大型儀器得不到合理的利用，影響實驗室大型儀器的長遠(yuǎn)發(fā)展等問題。如何實現(xiàn)大型儀器的合理共享、提升儀器設(shè)備的使用效率，成為實驗室管理者急需解決的問題。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建設(shè)計一個包括大型儀器信息、儀器使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、儀器網(wǎng)絡(luò)預(yù)約和動態(tài)監(jiān)管的大型儀器共享平臺［2］，加強對實驗室大型儀器的監(jiān)管，提升大型儀器使用效率。

1 大型儀器共享管理現(xiàn)狀

1.1 大型儀器設(shè)備利用率低

設(shè)備分散，難以實現(xiàn)統(tǒng)一管理。我校儀器設(shè)備管理涉及多個部門、學(xué)院及教學(xué)科研機構(gòu)（包括課題組），各個層面的儀器設(shè)備建設(shè)規(guī)劃系統(tǒng)性不高，隨著科研經(jīng)費的增加，教授購置的大型儀器設(shè)備大部分為課題組獨自占用，沒有形成有效的共享，設(shè)備利用率低下、效益不高。并且因為購置大型儀器設(shè)備時調(diào)研不充分，重復(fù)購置現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，造成資源浪費［3］。導(dǎo)致儀器使用效率低下。

1.2 大型儀器共享平臺建設(shè)工作進展緩慢

校級大型儀器共享平臺的建設(shè)工作需要學(xué)校多個相關(guān)部門和院系科研機構(gòu)的積極配合和參與才能高效順利開展，由于學(xué)校的運行機制不完善，資金分配不合理，設(shè)備管理人員工作量增加等因素，不能有效促進大型儀器共享工作的開展。儀器設(shè)備大部分屬于院系部門內(nèi)部管理或者課題組自行管理，導(dǎo)致儀器設(shè)備在院系和校際之間無法進行高效共享，除了學(xué)校分析中心能夠?qū)崿F(xiàn)部分共享，其他部門共享工作幾乎很難開展。

1.3 大型儀器管理理念落后

儀器設(shè)備共享觀念淡薄，特別是一些高精尖設(shè)備，由于害怕別人使用損壞，從心里抵制設(shè)備的共享［4］。隨著實驗室儀器設(shè)備投入資金的增加，大量的儀器設(shè)備數(shù)量陡然增加，因此對大型儀器設(shè)備管理人員的需求也增多，由于專業(yè)人員的嚴(yán)重短缺和傳統(tǒng)觀念的影響［5］，造成大型儀器設(shè)備得不到合理利用，且一些新型的儀器設(shè)備功能復(fù)雜，對操作指導(dǎo)人員的要求更加嚴(yán)格，造成大型儀器管理落后。

2 大型儀器共享平臺模式設(shè)計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種將紅外感應(yīng)器、GPRS、射頻識別（RFID）和激光掃描器等其他一些信息傳感設(shè)備，以某固定協(xié)議，把特定物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，以完成對物品的智能識別、定位、跟蹤和監(jiān)管。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種自主體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)面、控制面、知識面和管理面四部分［6-7］，其中數(shù)據(jù)面負(fù)責(zé)傳遞數(shù)據(jù)分組，控制面通過向數(shù)據(jù)面發(fā)送配置報文，優(yōu)化數(shù)據(jù)面吞吐量和可靠性，知識面供給整個網(wǎng)絡(luò)信息視圖，使網(wǎng)絡(luò)信息視圖精簡為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)知識，用作適應(yīng)性控制控制面，通過管理面協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)面、控制面和知識面實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的自主能力，物聯(lián)網(wǎng)自主體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)自主體系結(jié)構(gòu)框架圖

2.2 共享平臺模式設(shè)計思路

2.2.1 總體思路

基于軟件學(xué)原理和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，應(yīng)用MVC（Model View Controller模型-視圖-控制器）設(shè)計思想設(shè)計大型儀器共享平臺，大型儀器共享平臺物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2，其包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層三層架構(gòu)［8］。

圖2 大型儀器共享平臺物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層用于存儲和管理平臺數(shù)據(jù)，將即時的備份技術(shù)用于應(yīng)用層確保數(shù)據(jù)的完整安全；網(wǎng)絡(luò)層是大型儀器共享平臺的中心，用于數(shù)據(jù)庫操控和接收用戶使用大型儀器請求的處理；感知層是大型儀器共享平臺的入口［9］，以網(wǎng)絡(luò)為媒介將不需計算機控制和需要計算機控制的大型儀器運行數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層，應(yīng)用層功能分析如下：

（1）大型儀器設(shè)備預(yù)約。共享平臺應(yīng)時刻針對用戶的預(yù)約做出計劃，使用戶可以隨時通過計算機查看待預(yù)約儀器的使用狀態(tài)，通過提出預(yù)約申請［10］，并根據(jù)自身情況合理安排儀器使用時間。

（2）儀器使用記錄查詢。共享平臺在儀器名稱和用戶欄下設(shè)置下拉菜單，可在選擇時間段內(nèi)快速查詢某臺儀器的使用情況，設(shè)備管理者在儀器發(fā)生故障時快速判斷故障源頭。

（3）充值管理。用戶要想在大型儀器共享平臺中使用儀器設(shè)備，需先在線注冊，并預(yù)先在賬戶中充值，才可在平臺中使用儀器設(shè)備。

（4）在線監(jiān)管。平臺可在用戶登入首頁顯示儀器設(shè)備的分布位置、使用者身份信息以及登入信息，方便用戶的信息查詢［11］。

（5）優(yōu)盤禁用。計算機客戶端容易遭受病毒入侵，平臺可禁止攜帶病毒的優(yōu)盤功能，用戶刷卡使用時，平臺可有效加載該用戶的網(wǎng)絡(luò)文件夾，將自己需要的數(shù)據(jù)信息保存在該文件夾中。網(wǎng)絡(luò)文件夾具有跟隨性，即用戶離開該文件夾就不存在，用戶可在固定機器上導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)文件夾內(nèi)容［12］，該操作防止計算機的外部文件復(fù)制，降低病毒入侵的危害，提升大型儀器共享平臺安全性。

2.2.2 大型儀器共享平臺功能模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)下的大型儀器共享平臺包括用戶登入模塊、用戶中心模塊、檢索和預(yù)約模塊、集中式數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊、刷卡收費模塊、虛擬實驗和考核模塊和統(tǒng)一監(jiān)管模塊［13］，各個模塊功能相互補充完善，各模塊功能如下：

（1）用戶登錄模塊。根據(jù)大型儀器共享平臺的信息查詢權(quán)限將平臺用戶分為用戶和管理員兩種，分別對平臺行使不同的職權(quán)，用戶可在自身權(quán)限內(nèi)修改自己的身份信息，登錄模塊可驗證用戶的身份信息，根據(jù)用戶類型進入不同的用戶中心［14］，用戶在登錄過程中，平臺采用Session 對象記錄登錄信息，用戶對話結(jié)束后或長時間未有操作，平臺則斷開鏈接。

（2）用戶中心模塊。用戶中心模塊是平臺的核心，登錄平臺后管理員和用戶進入不同的用戶中心，用戶中心包括個人信息管理、大型儀器預(yù)約信息、個人用戶密碼修改和儀器使用記錄等，用戶僅有預(yù)約使用儀器和查看儀器使用記錄的權(quán)利。管理者可統(tǒng)計不同大型儀器的相關(guān)使用信息，每臺設(shè)備在使用時都有專門的管理人員負(fù)責(zé)，且各個管理人員僅可在自己的職權(quán)范圍內(nèi)管理儀器［15］。管理員中心除包括用戶中心功能外，還包括大型儀器的檔案管理、預(yù)約管理、維修和檢測記錄表以及購置信息。點擊用戶的菜單項，根據(jù)菜單標(biāo)識進入對應(yīng)功能頁面。

（3）檢索和預(yù)約模塊。該模塊確保用戶快速地在平臺中檢索出所需的大型儀器，并從中獲取該儀器的詳細(xì)信息，用戶在該模塊中輸入大型儀器名稱和使用時間，平臺即可自動篩選出符合要求并可預(yù)約的大型儀器。用戶通過登錄大型儀器共享平臺，獲取自己需要的儀器信息，申請預(yù)約使用儀器，且在預(yù)約時填寫申請表，注明儀器名稱、使用時間等信息，填寫完畢后將申請表舍棄或保存，提交申請后若處于未處理狀態(tài)［16］，則申請者可以修改或刪除申請，但經(jīng)審核后即不可取消，用戶申請大型儀器預(yù)約流程如圖3 所示。

圖3 用戶預(yù)約流程

若在可預(yù)約時間段內(nèi)可進行儀器預(yù)約，平臺可快速提供預(yù)約，反之平臺會推薦用戶距該時間段最近的設(shè)備，并提供該設(shè)備的相關(guān)信息便于用戶操作使用［17］，采用該模塊用戶即可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下隨時預(yù)約大型儀器共享平臺中所有設(shè)備。

（4）集中式數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計為大型儀器的合理購置提供必要的決策支持，集中式數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊可輔助儀器管理者方便、快捷管理數(shù)據(jù)，且該模塊呈現(xiàn)數(shù)據(jù)類型多樣，可自定義各種條件和組合，根據(jù)用戶需求智能生成統(tǒng)計圖或報表。

在大型儀器設(shè)備購置過程中，采用集中式數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊，考慮不同大型儀器的真實使用時間和效率，而不是實驗室的口頭需求［18］，即可在全校多維度角度使得購置的大型儀器在合理范圍內(nèi)，有效降低大型儀器的浪費和重復(fù)購置。

（5）刷卡收費模塊。刷卡收費模塊通過刷卡器識別用戶身份實現(xiàn)用戶使用大型儀器的收費管理，該模塊由用戶監(jiān)控程序和讀卡器兩部分構(gòu)成，針對不同類型大型儀器設(shè)置不同收費周期和收費標(biāo)準(zhǔn)；除此功能外，還可根據(jù)用戶對各類材料使用情況和實際成本支出，核算用戶的資源消耗［19］。大型儀器共享平臺要求使用設(shè)備必須刷卡，使用完畢刷卡退出，根據(jù)軟件程序自動對大型儀器使用者進行費用扣除。通過刷卡管理模塊進行費用扣除，將扣除的資金用于儀器設(shè)備的后續(xù)保養(yǎng)和維護，提升大型儀器設(shè)備使用年限。

（6）虛擬實驗和考核模塊。為保障實驗室大型儀器設(shè)備能完全發(fā)揮其功能，在合理使用范圍內(nèi)規(guī)范和預(yù)約和使用，需要定期對大型儀器實施虛擬仿真考核和預(yù)約機制評價，可以通過構(gòu)建實驗仿真試驗平臺，對大型儀器共享平臺的設(shè)備預(yù)約機制進行操作測試，儀器管理人員針對不同大型儀器制定不同操作規(guī)范和使用方法，且對于一些價值比較昂貴的設(shè)備還需對預(yù)約使用者進行使用測試，當(dāng)預(yù)約者達(dá)到該儀器的使用標(biāo)準(zhǔn)后，才可預(yù)約成功。

虛擬實驗和考核模塊在用戶使用前，對其進行水平測試，可大大降低大型儀器損壞率，用戶可在構(gòu)建的實驗仿真測試平臺中多次學(xué)習(xí)使用方法，降低儀器專業(yè)教學(xué)人員的培訓(xùn)耗時，培訓(xùn)更多的儀器使用者。

（7）統(tǒng)一監(jiān)管模塊。該模塊在線遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理大型儀器共享平臺，中心將不同設(shè)備的運行狀態(tài)和使用信息等實時反饋給管理者，便于整體了解各臺設(shè)備的使用情況。

共享平臺統(tǒng)一監(jiān)管包括對儀器的開機關(guān)機、電流和攝像頭監(jiān)管，大型儀器使用前需進行預(yù)加熱，經(jīng)常頻繁開機和關(guān)機對儀器的損傷較大，用戶應(yīng)嚴(yán)格依照預(yù)約時間打開儀器，共享平臺會記錄相關(guān)信息，便于管理人員實現(xiàn)對儀器的監(jiān)控管理；電流監(jiān)管主要針對一些屏幕經(jīng)常不關(guān)機的儀器，該類儀器在待機狀態(tài)時的工作電流較小，工作時電流大幅度變動。因此，需要共享平臺時刻監(jiān)管儀器電流大小；攝像頭監(jiān)管對象主要為刷卡設(shè)備和門禁設(shè)施，主要用于監(jiān)管用戶是否按照標(biāo)準(zhǔn)使用設(shè)備，是否有人人為損傷儀器。

3 強化預(yù)約管理和人才培養(yǎng)

基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的大型儀器共享平臺的最終目的是充分利用資源、提高大型儀器設(shè)備的使用效率、培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新管理能力的人才［20］。加強預(yù)約管理和人才培養(yǎng)可從實驗技術(shù)人才培養(yǎng)、預(yù)約管理模式加強和卓越創(chuàng)新人才培養(yǎng)著手。

3.1 加強預(yù)約管理模式

基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)下的大型儀器共享平臺，可通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約和電話預(yù)約實現(xiàn)對大型儀器的網(wǎng)上查詢、預(yù)約、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，動態(tài)管理大型儀器，提升大型儀器設(shè)備開放共享程度，增強設(shè)備使用效益。以下為常用的大型儀器預(yù)約方式：

（1）網(wǎng)絡(luò)預(yù)約。用戶登錄平臺后，點擊待預(yù)約的大型儀器，平臺自動彈出該儀器可預(yù)約時間，待用戶完成相關(guān)信息的填寫后，預(yù)約流程完成。通過網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)約大型儀器，降低儀器的重復(fù)購置，提升大型儀器使用效益。同時也可通過手機APP預(yù)約實驗儀器。

（2）電話預(yù)約。一些高精度的儀器設(shè)備需經(jīng)常移動使用，不便于連接網(wǎng)絡(luò)，因此該類設(shè)備不宜網(wǎng)絡(luò)預(yù)約，可在共享平臺中事前預(yù)約儀器，獲取管理該設(shè)備的管理員信息，通過電話預(yù)約使用該儀器。

3.2 實驗技術(shù)人才培養(yǎng)

（1）培養(yǎng)熟練操作手。培養(yǎng)該類型人才的對象主要對高校學(xué)生，特別是碩士生，使其成為具有獨立自主使用大型儀器設(shè)備的能力，提升儀器設(shè)備使用效率的能力，促進學(xué)生動手操作能力的提升。

（2）培養(yǎng)不同領(lǐng)域?qū)＜?。一個世界一流的高校，除具備教學(xué)大樓和大型實驗儀器設(shè)備外，還需要有世界一流的專家，專家能夠?qū)σ恍┨囟ù笮蛢x器的功能進行優(yōu)化提升，使研發(fā)出科研成果具有較高的價值意義。

（3）培養(yǎng)技術(shù)精英。通過加強技術(shù)精英的培養(yǎng)，提升對大型儀器設(shè)備維護效果，便于對一些功能尚未開發(fā)的儀器實施升級改造，獲取價值水平較高的測試分析報告。

4 結(jié) 語

構(gòu)建大型儀器共享平臺是提升設(shè)備使用效率、降低科研成本的關(guān)鍵途徑，也是加強協(xié)同創(chuàng)新的有效方法，大型儀器共享平臺的設(shè)計應(yīng)堅持精細(xì)化管理、聚合共享和管理創(chuàng)新的原則，運用科學(xué)化手段提升大型儀器的使用，實現(xiàn)大型儀器的科學(xué)化、現(xiàn)代化管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的大型儀器共享平臺，將實驗室中所有的大型儀器放置于虛擬的平臺中，其中既有需要電腦控制和不需要電腦控制的儀器設(shè)備，還有一些用于戶外探索需要的儀器設(shè)備等，通過該共享平臺共享不同儀器，用戶根據(jù)自身實際需求，有效預(yù)約大型儀器設(shè)備，并在共享平臺中全面獲取實驗室所有儀器設(shè)備的詳細(xì)信息。大型儀器共享平臺便于統(tǒng)一管理所有儀器設(shè)備，既滿足了用戶需求也輔助管理人員加強對大型儀器設(shè)備的管控。