基于BIM+物聯網的高校專業(yè)實驗室信息化管理模式探討

韓君格， 王 超， 張社榮， 崔 溦， 王梟華

（天津大學a.資產與實驗室管理處；b.建筑工程學院，天津300072）

0 引 言

高校實驗室是凝聚高校人才培養(yǎng)、學科發(fā)展、學術尖端迸發(fā)的重要實踐場所，信息化管理是當前高校對大數據進行信息追蹤、溯源、監(jiān)管的普遍管理模式［1-2］。隨著信息化技術的發(fā)展，高校實驗室管理的信息化水平也在逐步提高，然而，對于諸多專業(yè)實驗室，由于環(huán)境要素要求高、全生命周期信息管控難度大、對專業(yè)老師依賴程度高等問題，一直缺乏有效的信息化監(jiān)控和管理的手段。同時，高校實驗室管理具有人員流動性大，人財物高度集中等問題［3］，傳統(tǒng)的專業(yè)實驗室的儀器管理都由相關專業(yè)老師負責，管理方法落后，效率較低，且會占用專業(yè)老師大量的科研時間，同時資產監(jiān)管部門的監(jiān)管也不可能及時，已經不能滿足專業(yè)實驗室的使用和全面開放共享的需求，如何最大化發(fā)揮專業(yè)實驗室的價值是專業(yè)實驗室建設的重要問題［4-5］。

BIM+技術是指基于建筑信息模型的多種技術的融合技術。BIM+技術的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，提高信息化集成程度，提供一個信息交換和共享的平臺。BIM的核心是信息數據庫，不僅僅包含建筑結構物的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構件對象，如空間、行為運動的狀態(tài)信息。因此，這種集成技術可以應用在專業(yè)實驗室包括專業(yè)儀器管理的全生命周期，進行管理溯源的工作，同時，由于數據庫是動態(tài)變化的，在應用過程中可以不斷更新信息和運行狀態(tài)。物聯網技術是指通過各種現代化信息技術，比如傳感設備、射頻識別等實現對事物的全方位信息感知和信息采集，實現物與物、人與物、人與人之間的全面互聯通信，提升對物質世界的感知能力。物聯網技術的產生，將物理設備與信息數據完美地連接起來，并形成了一套快速有效的計算機實驗室管理系統(tǒng)［6］。

目前，物聯網技術已經在大型儀器的管理中進行過許多探索和實踐，然而在專業(yè)實驗室和專業(yè)儀器管理中的應用探索不多，BIM+物聯網技術的應用將有效提升專業(yè)實驗室信息化水平，保障相關科研教學工作順利開展。

1 現存問題

專業(yè)實驗室及其大型儀器設備是高校大型儀器管理的重要組成部分。在當今信息化技術快速發(fā)展的背景下，高校實驗室管理正在逐步加強現代化管理方法在實驗室管理中的作用［7］。然而高校實驗室管理總體上信息化水平不高、各個管理平臺無法打通、重復性工作多等現實問題依然存在［8］。

天津大學自2014年開始逐步提出了借助信息化網絡技術豐富實驗室安全體系構建的手段和理念［9-11］，同時提出了實驗室運行管理保障體系信息化建設的概念與目標，通過機制創(chuàng)新、信息技術、政策支撐，整合學校實驗室資源，創(chuàng)新實驗室管理工作體制，全面實現學校實驗室資源的動態(tài)化、信息化、系統(tǒng)化管理［12-15］。然而，在對專業(yè)實驗室的管理過程中，仍然發(fā)現了諸多問題，實驗室管理與專業(yè)化要求仍存在一定差距。

（1）環(huán)境要素要求高。例如，新型材料養(yǎng)護室，需要根據材料成型的不同要求，滿足不同室溫條件和不同濕度條件；精密力學加載設備又對實驗室中防塵、室溫的要求相對較高。同一空間內，不同的實驗室對環(huán)境條件的要求各不相同，人工控制很難達到不同功能實驗室的具體要求。如何將室溫、室內濕度、空氣含塵量等具體的環(huán)境因素進行智慧化感知，并根據不同實驗區(qū)的環(huán)境需求進行調節(jié)反饋是一個難題。

（2）全生命周期信息管控難度大。專業(yè)儀器設備參數多，操作細節(jié)多難度大，在常規(guī)設備硬件信息化管理的基礎上，如何實現對專業(yè)設備使用和操作方法進行虛擬化仿真管理問題。

（3）對專業(yè)老師依賴程度高。由于專業(yè)儀器的參數多，操作步驟多，給專業(yè)儀器的共享開放帶來了難度，很多情況下，專業(yè)儀器的使用都要占用某一專業(yè)老師大量的時間和精力去投入指導操作，帶來了專業(yè)儀器使用效率低下等問題。

2 基于BIM+物聯網的管理模式

基于BIM+物聯網的管理模式主要表現在兩個部分。①對實驗室及其硬件的管理，②對專業(yè)儀器專業(yè)性和虛擬操作的管理。如圖1所示。

圖1 基于BIM+物聯網的專業(yè)實驗室管理模式構建

（1）實驗室水、電、油、設備等進行物聯網的感知改造和數據采集。根據實驗室管理的要求，主要包括用電量、用水量、用油量、用氣量、視頻、門禁等信息，將物聯網設備采集到的數據信息傳輸到中央服務器，對數據進行顯示和分析，實現遠程管控。具體來說：①

用電、用水、用氣儀表進行物聯網改造，例如，考慮通過電表自帶的RS-485串口協議傳送至ZigBee模塊，ZigBee模塊傳輸距離不足的情況下，考慮串聯接續(xù)的方式。在數據終端，將數據編碼以符合電能表通信所需的波特率、校驗碼、奇偶校驗和數據位等。ZigBee協調器利用協議轉換功能，將通信轉換為TCP/IP協議格式，通過路由器進入光纖環(huán)網。②對實驗室安裝多方位視頻監(jiān)控，為管理人員提供視頻回放、動態(tài)追蹤功能，對異常情況和安全事故進行追查，同時基于圖像識別技術，識別火警、煙霧警情等風險源報警功能，保障實驗室安全。③門禁系統(tǒng)用于管理進出實驗室人員的權限控制，對于風險源較大的實驗場所可以進行人臉識別試點。

（2）采用先進的BIM技術，重構專業(yè)實驗室不同功能的資產。①采用BIM技術將專業(yè)實驗室的土建結構進行信息化，用于實現對實驗室的虛擬巡檢，同時在BIM信息模型上，構建實驗室水、電、油路的信息模型，將專業(yè)實驗室內較為隱蔽的水電油氣管路通過信息模型表達顯示出來，用于應急事故情況下緊急排查風險源；②采用BIM技術中的虛擬巡檢漫游技術，將運行期內重點管理部位進行信息標簽電子標注，方便日常管理和資產處管理人員，在巡檢過程中實時記錄發(fā)現的問題及處理意見，實時上傳問題并將問題顯示到信息模型上，同時結合不同程度的警情劃定，采用微信或者郵件的形式，將必要的警情信息第一時間發(fā)布傳遞給相關的管理人員，提高管理的實時化水平。③將專業(yè)實驗中容易誤操作的關鍵操作步驟和風險較大的操作步驟采用4D虛擬仿真形式，結合進入信息模型BIM中，開放使用人員可以在進行申請實驗之前先利用虛擬培訓功能進行學習，辨識操作風險源，掌握實驗操作和運行注意事項，從而有效地利用BIM技術解決專業(yè)儀器的參數多、操作步驟多、占用專業(yè)教師精力的問題。

3 主要特點及效果

基于BIM+物聯網的管理模式，研發(fā)了虛擬實驗室專業(yè)化設備管理平臺，如圖2所示。

圖2 虛擬實驗室專業(yè)化設備管理平臺

區(qū)別于傳統(tǒng)的物聯網管理模式，表現以下幾個方面：

（1）先進的BIM技術的應用，能將專業(yè)實驗室不同功能的實驗裝置和水電氣等設施進行重構，形成虛擬信息模型。將專業(yè)實驗室內較為隱蔽的水電油氣管路通過信息模型表達顯示出來，如圖3所示，用于應急事故情況下緊急排查風險源。再在專業(yè)實驗室的BIM模型上的顯示，有助于對專業(yè)設備的維護檢修，也有利于設備升級改造時及時掌握各個管路的功能。

圖3 隱藏設備BIM可視化

（2）基于虛擬信息模型可以實現各專業(yè)實驗室運行期的虛擬巡檢，如圖4所示，通過虛擬巡檢確定日常巡檢潛在風險最大的位置及巡檢內容，借助二維碼，數字標簽，實時上傳問題并將問題顯示到虛擬巡檢平臺的信息模型上，同時結合不同程度的警情劃定，采用微信或者郵件的形式，將必要的警情信息第一時間發(fā)布傳遞給相關的管理人員。

圖4 虛擬巡檢功能

（3）圖像識別技術的應用。結合智能安防的概念，將實驗室全方位的視頻監(jiān)控信息進行動態(tài)解析，識別對專業(yè)儀器影響較大的火警、煙霧等風險源報警功能，并在第一時間觸發(fā)緊急響應機制，保障實驗室安全。

（4）BIM+物聯網的虛實結合的特點。最終將與試驗息息相關的環(huán)境變量（溫度、濕度等）、用電量、用水量、用油量、用氣量、視頻、門禁等物聯網實時感知的信息，如圖5所示，視頻圖像識別的風險源信息與警情，與虛擬的實驗室和儀器設備全生命周期信息聯動耦合。達到基于虛擬設備信息模型進行專業(yè)實驗室和專業(yè)實驗設備全生命周期監(jiān)管的目的。

圖5 環(huán)境要素監(jiān)測實時顯示功能

4 結 語

基于BIM+物聯網的信息化管理模式，充分發(fā)揮了物聯網技術對實驗室硬件安全管理和BIM+技術對專業(yè)實驗室潛在專業(yè)技術風險的管理，通過搭建水電氣泄漏預警平臺、煙霧火情圖像識別警情預警平臺、人員進出預警平臺、專業(yè)儀器開關預警平臺、線路老化潛在風險平臺、智能巡檢警情預警平臺和專業(yè)儀器操作虛擬仿真平臺，一定程度上克服了傳統(tǒng)大型專業(yè)儀器實驗室因專業(yè)限制造成的精細化管理的困難，規(guī)范了高校專業(yè)實驗室統(tǒng)一管理水平，提高了大型儀器實驗室的安全性；降低了專業(yè)儀器室管理對專業(yè)老師的依賴性，提高了專業(yè)儀器開放的效率；各項數據采集為大型儀器平臺整體規(guī)劃提供科學的依據，同時為構建高水平的高校專業(yè)大型實驗儀器共享平臺的管理模式和管理機制提供了新的思路。