基于物聯(lián)網(wǎng)的大型儀器實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王雁南，王天天，孫紅文，展思輝

（1.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.湖北文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441053）

0 引言

大型儀器是高校人才培養(yǎng)、科學(xué)研究與社會(huì)服務(wù)的物質(zhì)基礎(chǔ)與重要支撐。隨著高校大型儀器平臺(tái)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模不斷增大，設(shè)備越來(lái)越多，貴重儀器數(shù)量與種類持續(xù)增加。與此同時(shí)，高校實(shí)驗(yàn)室的特征是實(shí)驗(yàn)人員流動(dòng)性較大，人財(cái)物高度集中、安全事故易發(fā)［1-3］。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理方法，效率較低，監(jiān)管不夠及時(shí)，已經(jīng)不能滿足大型儀器室的安全高效管理。如何推動(dòng)教學(xué)科研大型儀器實(shí)驗(yàn)室安全使用與全面開(kāi)放共享，最大化發(fā)揮其價(jià)值是新時(shí)代高校大儀實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要任務(wù)［4-5］。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指的是通過(guò)各種現(xiàn)代化信息技術(shù)，如信息傳感設(shè)備、射頻識(shí)別技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)需要監(jiān)控的物體或過(guò)程的全方位信息采集，從而實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、人與人的全面互聯(lián)通信，提升對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，推動(dòng)智能化發(fā)展［6］。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及到方方面面，包括農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、物流、安保等領(lǐng)域，有效地推動(dòng)了各行各業(yè)的智能化、信息化發(fā)展［7］。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也為實(shí)驗(yàn)室的信息化、科技化與規(guī)范化管理提供了必要條件［8-9］。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到大型儀器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，可有效保障大型儀器的安全與相關(guān)科研教學(xué)工作的順利開(kāi)展，同時(shí)充分發(fā)揮大型儀器實(shí)驗(yàn)室的使用價(jià)值［10］。

1 現(xiàn)有問(wèn)題

近年來(lái)，高校大型儀器相關(guān)配套提升較快，但是由于歷史條件、觀念、經(jīng)費(fèi)和人員素質(zhì)等原因，大型儀器實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)階段在建設(shè)與管理中存在著若干問(wèn)題［11］。①儀器室面積大且位置較為分散，很難對(duì)儀器進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)配，只能在各自區(qū)域和專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮作用；②儀器購(gòu)置時(shí)缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，整合度不夠高，資源利用效率低，部分儀器使用率低，年開(kāi)機(jī)機(jī)時(shí)長(zhǎng)達(dá)不到國(guó)家要求的最低800 h［12］；③實(shí)驗(yàn)室安全是高校安全保障工作重中之重，大型儀器室進(jìn)出人員復(fù)雜，人員流動(dòng)性大，安全使用儀器和實(shí)驗(yàn)室水電、門等難以保障，部分學(xué)生在老師不在場(chǎng)時(shí)，偶有不嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況發(fā)生，存在一定的安全隱患，并且責(zé)任追查機(jī)制不清晰［13］；④運(yùn)行機(jī)制模糊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面開(kāi)放共享，真正為教學(xué)與科研提供全面支撐。實(shí)踐證明，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與安全管理中可以有效地提高其管理效率［14-15］，將此技術(shù)應(yīng)用到大型儀器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與管理中，可顯著提高實(shí)驗(yàn)室管理效率和大型儀器使用率，保障儀器及人財(cái)物的安全。

2 整體構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)大型儀器實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下需求：提高大型儀器使用效率并保障儀器室安全；為大型儀器長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持；方便人員管理儀器、設(shè)備、試劑等；健全師生使用與準(zhǔn)入機(jī)制，真正為人才培養(yǎng)提供基礎(chǔ)支持；全面提升大型儀器服務(wù)水平?；谝陨瞎δ苄枨?，系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的大型儀器實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架

2.1 用戶層

目前，大型儀器實(shí)驗(yàn)室中參與的人員主要有學(xué)校相關(guān)管理部門、各院實(shí)驗(yàn)室主任與各儀器室管理人員、需要利用儀器完成教學(xué)與科研工作的教師與學(xué)生以及需要利用高校儀器資源的社會(huì)單位與個(gè)人。從物聯(lián)網(wǎng)各系統(tǒng)里為各級(jí)用戶設(shè)置不同的權(quán)限，包括后臺(tái)設(shè)置、數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查看、門禁授權(quán)、查看儀器室設(shè)備與狀態(tài)、預(yù)約與使用等權(quán)限。順應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展，采取多客戶端訪問(wèn)可極大方便用戶使用。用戶可以通過(guò)臺(tái)式機(jī)、筆記本、微信公眾號(hào)與小程序、手機(jī)APP等設(shè)備按照各自需求，完成相應(yīng)的操作。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層用于處理和傳遞各層信息，包括用戶層各種設(shè)置和需求、感知層獲取的各種信息等。本系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)短距離的數(shù)據(jù)傳輸功能，采集的各類數(shù)據(jù)接入光纖環(huán)網(wǎng)，用戶可以使用光纖網(wǎng)絡(luò)和4G移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，各類數(shù)據(jù)最終由中央服務(wù)器采集后歸納。

2.3 感知層

感知層的作用是對(duì)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行信息采集，相當(dāng)于人的五官和皮膚等感知系統(tǒng)。本系統(tǒng)中采用了水電計(jì)量、攝像頭、門禁系統(tǒng)、電子標(biāo)簽和環(huán)境傳感器等裝置共同完成對(duì)儀器室環(huán)境信息、人員進(jìn)出與活動(dòng)情況、設(shè)備信息進(jìn)行采集與上傳。其各裝置主要功能如下：①水電計(jì)量。對(duì)水、電情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便進(jìn)行安全監(jiān)控與分析統(tǒng)計(jì)。②攝像頭。對(duì)實(shí)驗(yàn)室安裝全程視頻監(jiān)控，為相關(guān)的管理人員提供實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)時(shí)信息，方便遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控；同時(shí)，可以利用視頻監(jiān)控的回溯功能對(duì)異常情況或安全事故進(jìn)行追查，為實(shí)驗(yàn)室安全提供重要保障。③門禁系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)用于管理人員準(zhǔn)入信息和記錄進(jìn)出信息。對(duì)通過(guò)考核的教師和學(xué)生開(kāi)放準(zhǔn)入權(quán)限，可以自行使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備與試劑；進(jìn)出信息的記錄也保障了儀器室使用情況的追溯。④電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽用于設(shè)備、耗材、氣體與試劑信息儲(chǔ)存與管理，包括購(gòu)買信息、設(shè)備信息、使用信息、維護(hù)信息、變動(dòng)記錄等，提高固定資產(chǎn)管理效率，規(guī)范化管理氣體與試劑，保障儀器室安全。⑤環(huán)境傳感器。大部分儀器都對(duì)溫度與濕度有一定的要求。對(duì)儀器室的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證儀器在適宜的環(huán)境中正常運(yùn)行。⑥氣體監(jiān)測(cè)。儀器對(duì)各種氣體需求比較大，安裝氣體監(jiān)測(cè)探頭監(jiān)測(cè)室內(nèi)各類氣體濃度保持在正常值，沒(méi)有發(fā)生任何泄漏，也是保障實(shí)驗(yàn)室安全的重要一環(huán)。

2.4 應(yīng)用層

（1）安全管理。通過(guò)感知層的數(shù)據(jù)采集與收集，儀器室管理員可以實(shí)時(shí)通過(guò)多客戶端查看管理的儀器室的溫度、濕度、氣體濃度、儀器設(shè)備運(yùn)行情況、實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)控情況，隨時(shí)隨地對(duì)實(shí)驗(yàn)室整體情況進(jìn)行檢查。當(dāng)某一參數(shù)超過(guò)限值時(shí)，會(huì)在報(bào)警的同時(shí)也以短信形式通知實(shí)驗(yàn)室管理員或安全員，以便及時(shí)采取有效措施，將事故的危害降到最低。

（2）人員管理。對(duì)于人員管理，儀器平臺(tái)首先建立基本安全知識(shí)培訓(xùn)體系，同時(shí)每個(gè)儀器室的管理員建立適合本儀器室的準(zhǔn)入考核體系。對(duì)申請(qǐng)進(jìn)入儀器室的人員先通過(guò)安全培訓(xùn)和儀器培訓(xùn)后，方可授權(quán)進(jìn)入，而沒(méi)有獲得授權(quán)的人員只能在儀器管理員的陪同下進(jìn)入儀器室使用儀器。人員管理系統(tǒng)也設(shè)置信譽(yù)考核制度，如有用戶惡意預(yù)約、不按流程使用儀器、損壞儀器室實(shí)驗(yàn)用品等違規(guī)操作，扣除信譽(yù)積分，扣分超出一定分?jǐn)?shù)后，提醒管理員重新考核用戶，保證用戶質(zhì)量，保障實(shí)驗(yàn)室安全有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）設(shè)備管理。全校各院與研究所等儀器設(shè)備信息全部上網(wǎng)，記錄基本信息并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)使用與收費(fèi)情況，方便資產(chǎn)管理相關(guān)人員查看與管理，對(duì)儀器與人員考核等。儀器測(cè)試信息公布在測(cè)試平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)，供師生與有測(cè)試需求的社會(huì)人士查看。同時(shí)，網(wǎng)上也可查看設(shè)備使用預(yù)約情況，方便儀器管理員安排工作和師生安排測(cè)試。需使用儀器的師生，先通過(guò)培訓(xùn)后獲得門禁授權(quán)，方可自行預(yù)約與使用儀器；需要送樣的師生，在網(wǎng)上填寫預(yù)約單后，由儀器管理員安排送樣與測(cè)試。如儀器需要暫停使用，進(jìn)行維修維護(hù)或放假安排等，在網(wǎng)上公布信息并鎖定對(duì)應(yīng)時(shí)間段，以便用戶及時(shí)查看與安排測(cè)試工作。

（4）試劑與耗材管理。儀器平臺(tái)的試劑購(gòu)買均通過(guò)統(tǒng)一的試劑平臺(tái)，并使用標(biāo)簽管理，統(tǒng)一存放在單獨(dú)房間中，危險(xiǎn)試劑放置于雙人雙鎖的試劑柜中，需冷藏的試劑如標(biāo)準(zhǔn)品放置在防爆冰箱中。購(gòu)買與使用記錄明確，保障試劑的安全有序使用。儀器的耗材一般按年度購(gòu)買，及時(shí)做好購(gòu)買日期、更換日期等記錄工作，預(yù)存耗材保管在試劑間并設(shè)有領(lǐng)用記錄。

（5）經(jīng)費(fèi)管理。大型儀器平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)收入主要為學(xué)校學(xué)院劃撥經(jīng)費(fèi)支持、儀器測(cè)試收費(fèi)，開(kāi)支為儀器購(gòu)買、氣體、試劑與耗材購(gòu)買、辦公用品購(gòu)買、設(shè)備維修、實(shí)驗(yàn)室升級(jí)或改造、人員培訓(xùn)等。經(jīng)費(fèi)統(tǒng)一由專人通過(guò)財(cái)務(wù)平臺(tái)管理，做到統(tǒng)籌規(guī)劃，收支明確。

（6）環(huán)境管理。部分大型儀器對(duì)儀器室溫度、濕度等要求較高。設(shè)置好理想環(huán)境參數(shù)后，通過(guò)感知層的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，保障儀器穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)的可靠性。

2.5 數(shù)據(jù)層

在新型物聯(lián)網(wǎng)大型儀器實(shí)驗(yàn)室，可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)信息的采集，感知層各類裝置采集人員活動(dòng)信息與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)；大型儀器平臺(tái)收集儀器使用信息與測(cè)試費(fèi)收費(fèi)情況；試劑平臺(tái)與財(cái)務(wù)平臺(tái)統(tǒng)籌各類費(fèi)用。相關(guān)人員通過(guò)數(shù)據(jù)分析，合理配置人員與儀器，使儀器充分運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)其效益進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，人員考核有據(jù)可依；優(yōu)化資金調(diào)配，為購(gòu)置、維修與耗材經(jīng)費(fèi)的開(kāi)支提供數(shù)據(jù)支持，各項(xiàng)資金分配更加公平科學(xué)；通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，修正不合適的安排，形成更合理的中長(zhǎng)期規(guī)劃，統(tǒng)籌構(gòu)建高校宏觀層面的跨學(xué)科與跨領(lǐng)域的大型儀器服務(wù)體系。

3 運(yùn)行機(jī)制

（1）完善日常管理制度。建立健全的大型儀器管理制度、安全管理制度、儀器操作規(guī)程、儀器損壞、丟失與事故賠償制度、實(shí)驗(yàn)室守則、人員考核制度等，全面保障實(shí)驗(yàn)室有序運(yùn)行。

（2）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全管理。實(shí)驗(yàn)室安全是教學(xué)科研的基礎(chǔ)，是實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行的保障，加強(qiáng)對(duì)全體進(jìn)入儀器室?guī)熒陌踩逃Ｔ谖锫?lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室中，健全安全考核系統(tǒng)，將通過(guò)考核作為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室必要條件之一；定期進(jìn)行安全事故演習(xí)和訓(xùn)練；定期安全檢查與自查，將檢查結(jié)果與整改記錄做好記錄。

（3）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍建設(shè)。加強(qiáng)人員隊(duì)伍建設(shè)，首先要完善約束與激勵(lì)制度建設(shè)，其次提高人員的專業(yè)素質(zhì)。合理設(shè)置儀器管理實(shí)驗(yàn)人員的工資結(jié)構(gòu)和職稱評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，加入與儀器管理情況、儀器測(cè)試與時(shí)長(zhǎng)相關(guān)的衡量因素，讓實(shí)驗(yàn)人員工作有熱情有方向；加強(qiáng)人員專業(yè)培訓(xùn)，提供外出交流機(jī)會(huì)，提高其業(yè)務(wù)能力，培養(yǎng)整體素質(zhì)較高的實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的大型儀器實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)大型儀器實(shí)驗(yàn)室粗放的管理模式，規(guī)范了實(shí)驗(yàn)室管理，提高了大型儀器實(shí)驗(yàn)室的安全性；整合資源，為師生提供了更多便利；降低了儀器室管理的工作量，提高了儀器開(kāi)放的效率；各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集為大型儀器平臺(tái)整體規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)，使得大型儀器實(shí)驗(yàn)室的管理更加規(guī)范、科學(xué)，完善和提升了管理與服務(wù)機(jī)制，構(gòu)建了高水平的大型儀器共享平臺(tái)。