疫情期間機(jī)電平臺智慧實(shí)驗(yàn)室安全體系的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉夢軒， 蘇 晨， 劉杰君

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210018）

0 引 言

近年來隨著教育事業(yè)的不斷創(chuàng)新與改革，傳統(tǒng)理論課與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式得到了廣泛應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生的動手能力、科技創(chuàng)新、實(shí)踐能力培養(yǎng)起到了至關(guān)重要的作用。為了給學(xué)生提供更優(yōu)良的教學(xué)平臺，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，針對實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與改進(jìn)成為高教研究的重點(diǎn)課題［1-3］。而機(jī)電平臺承擔(dān)了大量基礎(chǔ)公共課及專業(yè)課實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)，機(jī)電平臺的強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和建設(shè)在高校教學(xué)中扮演了不可或缺的角色［4-5］。

機(jī)電平臺等強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)、對教學(xué)體系的完善、對教學(xué)內(nèi)容的不斷創(chuàng)新、對教學(xué)設(shè)備的維護(hù)與更新、對師資隊(duì)伍的優(yōu)化、對實(shí)驗(yàn)室的管理強(qiáng)化等有了質(zhì)的飛躍。機(jī)電平臺是強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室，所開課程與實(shí)驗(yàn)都為強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，電壓等級高、電流大，因此對安全性的要求更高。為了保障學(xué)生及老師在教學(xué)過程中的人身安全，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)平臺的穩(wěn)定安全工作，必須加強(qiáng)機(jī)電平臺的安全體系建設(shè)。近幾年，許多高校及科研機(jī)構(gòu)對于強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室的安全建設(shè)做了廣泛研究，例如文獻(xiàn)［6］中從運(yùn)行管理、維修體制和故障情況研究了機(jī)電實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理方法，但其管理方法相對松散，未形成安全體系；文獻(xiàn)［7］的設(shè)計(jì)院機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室管理中僅制定相關(guān)制度和政策以進(jìn)行設(shè)備管理和人員管理，未體現(xiàn)硬件管理措施，管理效果難以有效實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)［8］中分析了機(jī)械數(shù)控實(shí)驗(yàn)室目前存在的安全問題并提出了安全問題解決對策，但其還延續(xù)傳統(tǒng)的改進(jìn)操作規(guī)程、完善安全設(shè)施、建立應(yīng)急預(yù)案等改進(jìn)方法，對于目前智慧實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)已經(jīng)不再使用。并且由于2020年初爆發(fā)的新冠肺炎（COVID-19）疫情至今仍未結(jié)束，對如何科學(xué)系統(tǒng)地管理實(shí)驗(yàn)室，如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全管理體系提出了新的疑問。文獻(xiàn)［9］提出了在新冠疫情下多樣性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以及文獻(xiàn)［10］中提出的“3+2”層次化體系智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，對于制定疫情下的實(shí)驗(yàn)室安全管理體系提出了新的發(fā)展方向。

因此，為解決疫情常態(tài)化情況下校機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室的安全管理，本文從硬件安裝、軟件支持和安全管理要求研究了機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室安全體系建設(shè)，分析了機(jī)電實(shí)驗(yàn)室在安全管理工作中存在問題，并結(jié)合目前最前沿的“智慧實(shí)驗(yàn)室”理念，對強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室安全體系的建設(shè)提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加了實(shí)驗(yàn)室預(yù)約及登記系統(tǒng)、RFID設(shè)備管理系統(tǒng)和智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)，提出結(jié)合智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)與“線上實(shí)驗(yàn)+線下多平臺”的“智慧+”新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，為今后實(shí)驗(yàn)室改造設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室簡介

1.1 機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室基本情況

校機(jī)電平臺共有4個實(shí)驗(yàn)室，都屬于強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室，分別是電機(jī)、電力電子及電力傳動、電能及微特電機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

電機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有面積160 m2，固定資產(chǎn)150萬元，實(shí)驗(yàn)設(shè)備約132臺（套）。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺、三相變壓器、交流異步電動機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組、直流電動機(jī)—直流發(fā)電機(jī)組、直流電動機(jī)—三相同步機(jī)組各12臺。

電力電子及電力傳動實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有面積150 m2，固定資產(chǎn)120萬元，實(shí)驗(yàn)設(shè)備約86臺（套），現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺12臺。

電能實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有面積130 m2，固定資產(chǎn)110萬元，實(shí)驗(yàn)設(shè)備約36臺（套）?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺6套（一拖五）。

微特電機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有面積70 m2，固定資產(chǎn)66萬元，實(shí)驗(yàn)設(shè)備約48臺（套），現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺6臺。

1.2 機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室所開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程

電機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)《電機(jī)學(xué)》課程的實(shí)驗(yàn)和《電機(jī)設(shè)計(jì)與CAD》課程的實(shí)習(xí)，面向全校2個專業(yè)，實(shí)驗(yàn)人數(shù)300余人/學(xué)年。

電力電子及電力傳動實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)《電力電子基礎(chǔ)》《電力傳動技術(shù)》《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程的實(shí)驗(yàn)，可開設(shè)22個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，面向全校2個專業(yè)，實(shí)驗(yàn)人數(shù)300余人/學(xué)年。

電能實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)《電力系統(tǒng)基礎(chǔ)》《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》課程的實(shí)驗(yàn)，可開設(shè)21個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，面向全校2個專業(yè)，實(shí)驗(yàn)人數(shù)190余人/學(xué)年。

微特電機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)《微特電機(jī)》課程的實(shí)驗(yàn)，面向全校1個專業(yè)，實(shí)驗(yàn)人數(shù)80余人/學(xué)年。

1.3 機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室安全性要求

因機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室所開課程都為強(qiáng)電專業(yè)課程，所做實(shí)驗(yàn)都為強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，電壓等級高、電流大，在實(shí)驗(yàn)過程中，每臺實(shí)驗(yàn)臺的三相交流電流幅值超過400V，三相交流電流大于10 A，則整個實(shí)驗(yàn)室線路總線上電流超過120 A，因此對于機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室有更高的安全性要求。

2 機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室安全體系建設(shè)

2.1 機(jī)電平臺安全體系硬件安裝

（1）實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)電供電系統(tǒng)。機(jī)電平臺實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)電供電系統(tǒng)主要包括照明用電和設(shè)備儀器用電。每臺實(shí)驗(yàn)臺加斷路器設(shè)置一條單獨(dú)供電回路，與房間照明電路或其他插座分開串聯(lián)，所有電源插座回路設(shè)有漏電保護(hù)裝置。每個實(shí)驗(yàn)室房間設(shè)置單獨(dú)的終端配電箱，電箱中給每個實(shí)驗(yàn)臺回路配備專用限流開關(guān)，其實(shí)驗(yàn)臺電流過大可單獨(dú)跳閘斷電。每個樓層配備專用的配電房，設(shè)置門鎖并派專人管理，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室終端配電箱及實(shí)驗(yàn)臺斷路器設(shè)置

（2）實(shí)驗(yàn)室接地系統(tǒng)。機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室采用綜合接地方案，從共同接地體分別引兩組地線進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，一組為交流工作地，另一組為安全保護(hù)地。交流工作地進(jìn)實(shí)驗(yàn)室專用配電柜，安全保護(hù)地與實(shí)驗(yàn)室均壓接地環(huán)相聯(lián)。每一個實(shí)驗(yàn)臺和大功率電氣設(shè)備都單獨(dú)接地。

（3）實(shí)驗(yàn)室緊急拉閘系統(tǒng)。每一個強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室都安裝前后2個緊急開關(guān)，通過拉線合閘的方式切斷實(shí)驗(yàn)室所有實(shí)驗(yàn)臺的供電，達(dá)到緊急切斷目的，見圖2。

（4）實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)地區(qū)隔離設(shè)置。對實(shí)驗(yàn)室中有裸露的電機(jī)或電線區(qū)域，裝設(shè)隔離欄進(jìn)行區(qū)域隔離，阻止無關(guān)人員的進(jìn)出貨靠近，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室緊急拉閘開關(guān)及危險(xiǎn)隔離欄

（5）實(shí)驗(yàn)室消防安全設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室前后墻上各懸掛一個滅火毯，并配備干粉滅火器，樓道里再配備消防栓和滅火器。消防安全設(shè)備每隔半年檢查一次，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)室滅火毯及消火栓滅火器

2.2 機(jī)電平臺安全體系軟件安裝

（1）門禁人員管理系統(tǒng)。每個實(shí)驗(yàn)室門口裝有門禁系統(tǒng)，教師及學(xué)生憑校園卡刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，對人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室及在實(shí)驗(yàn)室中停留時間做好監(jiān)控。

（2）設(shè)備管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室里重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備都貼有實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備標(biāo)簽，標(biāo)簽上包含設(shè)備號及條碼，通過掃描條碼可以進(jìn)行設(shè)備管理，對設(shè)備購買日期、存放地點(diǎn)、保管人以及設(shè)備信息變更可以進(jìn)行管理。

（3）消防管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室安裝煙感探測器及火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)，與學(xué)校保衛(wèi)處系統(tǒng)相連，與119火警系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生緊急情況能及時探測報(bào)警。

（4）監(jiān)控管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室裝有閉路電路監(jiān)控系統(tǒng)，采用全數(shù)字視頻方案，對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時、全方位監(jiān)控。

2.3 機(jī)電平臺安全管理制度

（1）實(shí)驗(yàn)教師職責(zé)［11-12］。①強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)必須滿足2個實(shí)驗(yàn)教師在場的情況下才可以開課并開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開始前仔細(xì)檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備，確保設(shè)備正常工作；②學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時做好人員登記，合理分配實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)期間嚴(yán)禁離開實(shí)驗(yàn)室，如有特殊情況需要離開，必須安排好接班的教師，并將情況做好記錄；③在實(shí)驗(yàn)過程中遇到任何緊急情況，及時切斷電源并做好人員疏散，排除故障后才可恢復(fù)實(shí)驗(yàn)；④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢查設(shè)備是否完好，打掃實(shí)驗(yàn)室并做好驗(yàn)收記錄。

圖4 實(shí)驗(yàn)室教師職責(zé)

（2）上課學(xué)生安全守則。①進(jìn)入強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室前做好人員登記，嚴(yán)禁攜帶食品和飲料進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。必須在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，任何人未經(jīng)允許不得隨意使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備或挪動儀器；②實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)真分析電路，熟悉實(shí)驗(yàn)操作步驟，嚴(yán)禁將強(qiáng)電接入弱電電路，在進(jìn)行強(qiáng)電操作時，必須經(jīng)實(shí)驗(yàn)教師同意才可以接通電源；③實(shí)驗(yàn)過程中遇到任何緊急情況，應(yīng)先切斷電源或緊急拉閘，報(bào)告實(shí)驗(yàn)教師，排除故障后，才可以恢復(fù)供電；④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢查電源及各旋鈕是否回零，關(guān)閉電源，離開實(shí)驗(yàn)室需做好人員登記。

3 機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存問題

由于2020年初爆發(fā)的新冠肺炎（COVID-19）疫情大大增加了高校實(shí)驗(yàn)室的安全管理難度與風(fēng)險(xiǎn)，各高校都面臨著新冠肺炎疫情帶來的困擾。我校機(jī)電平臺在疫情背景下存在以下問題［13-14］：

（1）空間隔離不符合要求。由于實(shí)驗(yàn)室面積不足，對于實(shí)驗(yàn)室人均面積不小于2.5 m2的空間隔離要求無法滿足，受空間限制，當(dāng)發(fā)生學(xué)生聚集擁擠、交頭接耳時，隔離和防護(hù)達(dá)不到理想效果。

（2）實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)出管理困難。疫情背景下，對于進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室人員的體溫、身體健康情況無法及時檢測與追蹤，無法對有發(fā)熱或感冒等其他癥狀的學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)并隔離，任其進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室對實(shí)驗(yàn)室的公共衛(wèi)生及人員安全問題帶來巨大隱患。

（3）管理系統(tǒng)分散混亂。在疫情期間，學(xué)校高層忙于針對理論課進(jìn)行線上或線下教學(xué)管理，難以兼顧實(shí)驗(yàn)室基層的安全管理。在疫情防控的同時，難以對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、安全管理統(tǒng)籌兼顧，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)仍為線上申報(bào)線下人工手動清點(diǎn)、管理設(shè)備，管理系統(tǒng)陳舊且方式分散混亂，未建立從學(xué)校到實(shí)驗(yàn)室基層三級安全管理網(wǎng)絡(luò)，缺少線上完整的設(shè)備管理系統(tǒng)。

（4）安全硬件無法配合軟件系統(tǒng)使用。機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)安裝有全套的硬件安全設(shè)施，但其設(shè)備之間相互獨(dú)立，無法聯(lián)網(wǎng)與軟件安全管理體系同步使用，對于突發(fā)狀況的發(fā)生，仍需要手動報(bào)警及解除故障，不夠快速及時。對于實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉期間及寒暑假期間，實(shí)驗(yàn)室無管理老師值班，對于實(shí)驗(yàn)室的安全管理存在一定漏洞。

4 機(jī)電平臺強(qiáng)電安全體系的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合目前最前沿的“智慧實(shí)驗(yàn)室”理念［15-19］，針對機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室的安全體系建設(shè)提出進(jìn)一步的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)。

4.1 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約及登記系統(tǒng)

因?qū)嶒?yàn)室實(shí)驗(yàn)臺數(shù)量有限，為了合理利用學(xué)生課余時間，應(yīng)增加機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，學(xué)生可以自主在校園APP或其他網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室預(yù)約，給學(xué)生更多的開放實(shí)驗(yàn)時間。

將強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)與人臉識別訪客登記系統(tǒng)相結(jié)合，組成實(shí)驗(yàn)室完整的人員預(yù)約與管理系統(tǒng)，如圖5所示，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、人員統(tǒng)計(jì)、進(jìn)出管理、活動軌跡查詢、考勤、離崗等功能的實(shí)現(xiàn)。在通道閘機(jī)旁還應(yīng)增設(shè)紅外體溫檢測儀，實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出人員的體溫健康狀況，及時排查出體溫異常人員，禁止其進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，并及時隔離并上報(bào)。

圖5 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約及人臉識別訪客登記系統(tǒng)

4.2 RFID設(shè)備管理系統(tǒng)

RFID設(shè)備管理系統(tǒng)是由手持式電子閱讀器（Reader）、電子標(biāo)簽及（Tag）和應(yīng)用軟件系統(tǒng)（Application Software System）組成，如圖6所示。

解決了目前設(shè)備管理不靈活、申請過程繁瑣、申請周期時間長等缺陷，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺賬管理、設(shè)備使用記錄管理、設(shè)備維修管理、設(shè)備進(jìn)出管理等功能，可以實(shí)時查看資產(chǎn)檔案、盤點(diǎn)管理、盤點(diǎn)報(bào)表等，操作靈活，管理迅速，如圖7所示。

圖7 資產(chǎn)檔案、盤點(diǎn)管理、盤點(diǎn)報(bào)表

4.3 智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)

將實(shí)驗(yàn)室的人員管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備管理、安防系統(tǒng)等統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，形成機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室的智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)［15-19］，如圖8所示。其中包括人員檢測、訪客記錄、產(chǎn)能檢測、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢測、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)波形等，功能全面，視覺效果清晰。

圖8 智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)

結(jié)合智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)“線上實(shí)驗(yàn)+線下多平臺”的“智慧+”新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，如圖9所示。指導(dǎo)老師在課前布置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生可通過中國大學(xué)慕課平臺（MOOC）［9，17］或班級QQ群獲取教學(xué)參考資源，通過仿真軟件、“個人實(shí)驗(yàn)室”“在線實(shí)境實(shí)驗(yàn)”等平臺完成預(yù)習(xí)預(yù)做。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)室預(yù)約與登記系統(tǒng)做好預(yù)約后在滿足疫情防控的條件下，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。之后學(xué)生自行整理預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等過程作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，及時提交至電子報(bào)告平臺，由實(shí)驗(yàn)室老師進(jìn)行報(bào)告批改并給出成績［9，15-19］。

圖9 線上線下相結(jié)合的“智慧+”新教學(xué)方式

5 總結(jié)與展望

本文從硬件安裝、軟件支持和安全管理要求介紹了學(xué)校機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室安全體系的現(xiàn)狀及構(gòu)成。由于在2020年初新冠肺炎（COVID-19）疫情的爆發(fā)，針對校機(jī)電平臺強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室在安全管理工作中存在的問題，結(jié)合目前最前沿的“智慧實(shí)驗(yàn)室”理念，針對強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室安全體系的建設(shè)提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)，加入了實(shí)驗(yàn)室預(yù)約及登記系統(tǒng)、RFID設(shè)備管理系統(tǒng)，提出了結(jié)合智慧實(shí)驗(yàn)室可視化設(shè)計(jì)與“線上實(shí)驗(yàn)+線下多平臺”的“智慧+”新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，為今后實(shí)驗(yàn)室改造設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。下一步，將與校外其他科研機(jī)構(gòu)合作，進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室安全體系改進(jìn)方案的實(shí)施，盡快落實(shí)智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與建設(shè)，改進(jìn)教學(xué)方法，推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新。