高校实验室设备智能化管理模式探析

2018-04-11张卫明王红梅

实验室研究与探索 2018年1期

张卫明，　王红梅

(上海旅游高等专科学校设备处,上海 201418)

0　引　言

近年来，随着高等教育体制改革的不断深化以及信息化新技术的不断创新发展，全国高校掀起信息化校园建设[1]的热潮，高校实验室在这股热潮中得以迅速壮大。同时在应用型人才培养模式的思想指导下，诸多高校进一步提升了实验室建设投资，配置大量实验室设备，用以满足开展实验教学的需要。加强实验室和实验设备管理，拓展管理手段，提高管理水平，使实验室成为科学研究、学科发展、培育合格人才的一个非常重要的基石和摇篮。

伴随着互联网+时代的到来，物联网[2-3]等具有智能化的信息技术不断发展成熟，如何运用此类智能化信息技术加强实验室设备的技术管理和经济管理，提高实验室设备的利用率与共享率，形成实验室设备科学化、智能化的管理模式和运行机制，充分发挥实验室设备在教学与科研工作中的重要作用，以适应当前新时期高等教育的工作任务，是当前高校实验室设备管理[4]的研究重点。

1　高校实验室设备管理现状和存在的问题

高水平实验室是科技创新的发源地[3], 实验室设备的装备数量和配置水平是一所大学开展科技创新能力培养的基础。当前高校实验室建设得到快速发展的同时，实验室设备管理水平却未能与之获得相应的提升，还存在着各种各样的问题。

(1) 管理制度不全，缺少约束机制。不少高校在实验室设备管理中由于管理制度不健全[3-6]容易造成设备的使用与管理脱节，对设备管理者与使用者缺少必要的制度约束，设备使用者由于操作不当或操作不规范人为造成设备的故障或损坏没有任何责任压力，严重影响着实验设备的使用寿命。

(2) 实验设备配置缺乏科学论证，共享程度低。目前高校实验室拥有大量的公共机房、多媒体教室、语言语音室、各院系的专业实验室，实验室设备的需求量较大，但由于实验室各自的隶属关系不同而基本处于独立运行状态，各部门在购置实验设备过程中，主要是考虑本单位甚至课题组的需要，部门之间缺乏相互沟通，设备的购置论证不够充分，购置的设备大部分在本部门实验室内部使用，设备利用率低[7]，造成资源的极大浪费，尤其大型仪器设备的重复购置，开放共享程度不够[3,6-7]，不仅占用实验室空间，还造成经济上的浪费。

(3) 管理手段落后，管理效率差。高校的设备管理仍采用较落后的传统的手工管理方式，没有应用实验室设备管理系统，实验室管理人员采用条码标签或者设备卡片等传统手段进行实验设备的入库、保修、调拨[2]等工作，甚至各种数据的统计还需人工计算，效率很低，还易出错。还有一些高校在数字化校园建设中已建立了实验室管理系统，但是各高校引入的此类系统侧重于各实验室排课、调度、运行等传统管理功能，对于实验室中的实验设备未能增加相应的智能化管理模块，未能做到实验设备在其生命周期[8-9]的使用、保养、维护等方面数字化、精细化、智能化的有效管理。这些管理方法与手段不仅管理效率低下，而且在设备管理的时效性上是滞后的，无法实时反映实验设备工作状态。

(4) 管理人员专业技能不够和管理能力不强。近年来随着高校实验室数量剧增，实验室管理人员需求呈逐年上升趋势，但各大院校对实验室管理要求及管理理念比较滞后，对于实验室管理人员和技术人员的培养不予重视，专业知识及专业技能跟不上实验设备的快速发展，实验室管理人员对实验设备疏于管理和缺乏设备维护保养技能，导致设备故障率高、利用效率低，严重影响了实验教学质量的提高。

2　实现实验室设备智能化管理方案探索

高校在数字化校园建设过程中都建立起了统一身份认证、统一通信平台、教务、人事、学工、基于RFID的资产设备、实验室管理等不同管理功能的信息化管理系统[10-11]，这些系统之间的数据没有被充分挖掘实现共享和再利用，基本都是信息孤岛，无法实现实验室和实验设备的精细化、智能化管理。本方案研究的是在以上各类管理系统的基础上利用大数据、物联网、智能传感、RFID、二维码、移动终端APP[12]等信息化新技术充分挖掘利用各系统的相关数据实现实验室和实验室设备的智能化管理。如：实验室智能化管理系统中的实验设备数据来源于资产设备管理系统；实验设备使用者数据来源于人事管理系统和学工系统等。

实现实验室设备智能化管理系统(包括实验室设备管理、在线预约、实验人员管理、实验原料与耗材等管理子系统)、实验室信息发布系统、RFID门禁系统、智能电源管理系统、智能网络监控系统、环境智能管控系统等一系列不同功能的软硬件系统，这些系统构成了一个有机的整体，通过系统间数据的传递与交换，实现实验设备在日常管理、使用、维护等各方面的智能化管理。数据共享处理示意图见图1。

图1数据共享处理示意图

2.1　实验室设备日常管理

实验室设备管理子系统的基础设备数据来源于基于RFID和二维码的资产设备管理系统，在系统运行过程中，两系统间信息进行实时通信，动态进行实验设备数据的更新和维护。实验室设备日常管理涉及实验设备入库管理、实验设备在库信息管理、实验设备出库管理等方面。

(1) 实验设备入库管理。实验设备购置到货后，首先要办理设备入库手续，分配唯一设备编号，制作二维码标签，二维码信息为设备编号，同时分配RFID电子标签[13]，在该设备醒目位置粘贴以上两种标签。通过RFID阅读器(Reader)采集 RFID电子标签信息并关联于此设备，并将该设备条目数据编辑存储于基于RFID的资产设备管理系统，设备同时分派给相关实验室，资产设备管理系统向实验室管理人员发送短信通知并通过移动APP应用，推送该设备入库信息给实验室管理人员，在管理人员确认设备入库操作后，完成设备入库手续。同时，该设备数据自动传送至实验室设备管理子系统。设备入库管理，如图2所示。

图2　实验室设备入库管理

(2) 实验设备在库信息管理。实验设备在库管理包括设备调入、调出、出借、归还、盘点等其他设备日常运行变更事务处理。

设备盘点是设备在库管理的重要环节。设备管理部门通过RFID设备管理系统按区块设置盘点任务及需盘点设备，制定盘点计划。①盘点人员利用手持式RFID阅读器按盘点计划和任务实地进行盘点，并通过无线网络将盘点数据传送到资产设备管理系统；②实验室管理人员(设备管理人员)利用移动终端APP或微信公众平台扫描设备二维码标签，校对设备信息，设备保管人和安置地点等与实际不符，可及时予以修改。同时，对实验室设备管理子系统中该实验设备数据同时更新。资产设备管理系统自动进行设备盘点数据分析处理，生成设备盘点情况表，对异常设备情况按不同类型给予标注，便于设备管理部门和管理人员后期进行处置。设备盘点管理，如图3所示。

(3) 实验设备出库管理。设备管理部门在实验室设备需要调出时，通过资产设备管理系统生成设备电子调拨单，该调拨信息由资产设备管理系统推送至实验室管理员，在实验室管理员对调拨信息予以确认后即完成设备调拨处理并更改资产设备管理系统和实验室设备管理子系统中设备信息。

图3实验室设备在库管理

在上述3个业务管理过程中，通过RFID资产设备管理系统、RFID设备标签、二维码标签和标签识别与采集装置、以及移动应用系统协同处理，来进行实验室设备的日常管理。RFID电子标签与二维码标签作为设备信息识别与采集的依据，为设备的出入库与盘点管理提供了数据支持，保证了系统数据处理的实时性和有效性。而手持式RFID阅读器和手机等移动数据采集器保证了设备数据的有效更新。

基于 RFID 和二维码的实验室设备管理子系统的实验设备基础数据以RFID设备管理系统数据为基准进行联动，保证设备数据在各系统内的准确性和有效性。系统可以方便的对设备进行分类、编号、登记；以及可以记录实验设备的使用、管理、保管和维护状况；也可以对实验设备的出错、转让、调拨和报废等情况进行跟踪等。

2.2　实验室设备使用管理

高校实验室既是实验教学的主要基地，也是学校科研和技术服务的主要场所。其中实验设备是实验室的主要支柱，是实验室的核心组成部分，实验设备使用效率的发挥是实验室建设成败的关键，并且实验设备使用也是实验任务的组成部分。因此，实验设备使用的信息化是实验教学与管理信息化的核心之一，实验室建设的重点应是实验室设备管理和使用的信息化。

(1) 实验设备技术文档资料信息化。实验设备是保证师生和实验人员开展实验活动的先决条件，关系到实验能否正常进行，甚至关系到实验的成败。

实验人员未经学习实验设备操作方法和步骤等知识而直接使用，势必会提升设备发生故障率。为了能够保持实验室设备较高的完好率，实验人员应当了解设备的操作方法、操作步骤、使用要求等信息。传统获得设备使用知识的方法通常通过书面材料或者教师口授，效率低下，学生不能主动自主地学习设备使用知识。为此，可以引入实验设备使用的信息化学习平台。

对实验设备的使用说明书、操作方法、使用步骤等文献资料进行数字信息化处理，建立统一的实验设备使用知识资料数据库[14]。对于精密实验设备专门制作设备使用的数字视频资料，建立视频资料库，并在虚拟实验设备上进行模拟练习。开发基于Windows、ios、安卓等系统移动手机终端APP应用或微信公众平台，实验人员可通过这些应用，扫描实验设备二维码标签，即时获取相关设备使用的电子文献资料或视频教程，进行自助学习，使实验人员在未操作设备前先掌握实验设备基本操作方法，即有助于实验人员正常开展实验，又可保证实验设备的完好率。

(2) 实验室设备运行智能化管理。建立实验室管理系统在线预约子系统[15]。对于课表内实验室实践课程，由预约系统自动从教务管理系统课表子系统中抽取挖掘实验室排课信息，完成相关实验室和实验设备预约。预约系统自动分配相应权限给授课老师，授课老师可通过网上或APP应用修改预约信息。其他临时编排实验课程或调换课，授课老师可通过网上或APP应用或微信公众平台实现预约。为进一步满足师生和科研人员使用实验室设备开展实验实践活动以及学生自主学习的需求，提高实验设备的使用效率，需要建立开放共享的实验室。开放共享实验室和实验设备在满足计划内的实验教学任务外，空余时间学生和其他教学科研人员可通过网络和移动客户端实现在线预约。预约对象除了实验室外，也可预约实验室中某一实验设备，预约成功方可获得实验设备使用资格权限。实验室和实验室设备预约管理，如图4所示。

图4　实验室和实验室设备预约管理

实验室和实验设备预约信息可通过系统间的数据传递和转换可被其他信息化系统加以利用。在学校门户相关网页滚动发布学校各实验室实验设备的预约信息，便于教师和学生查阅。预约信息也可通过电子广告屏系统，在各实验室广告屏显示该实验室预约信息。

教师和学生等实验人员必须携带RFID电子标签身份卡片，无需刷卡，由基于RFID物联网技术的门禁系统(RFID出入场管理系统)校对身份信息，只有事先预约成功的人员，方可准许进入实验室，使用预定的实验设备开展实验活动。对于大型、精密实验设备引入智能电源管理系统，并与实验室管理系统联动，由智能识别终端和电源控制器接通所预约的实验设备的电源。整个过程无需人工干预，由系统自动完成业务流程。实验设备的使用信息此时被存储起来，用于后期实验设备使用情况的统计分析和管理决策。入场管理流程图，如图5所示。

图5入场管理流程图

实验人员完成实验任务，离开实验室，当RFID门禁系统在监测到已无人员在实验室内，RFID门禁系统把此消息数据传递给实验室管理系统，实验室管理系统查询实验室预约情况，若后续一段基准时间内无预约，实验室管理系统自动协调智能电源管理系统按照预先设计配置方案，切断空调、实验设备、部分照明等电源，系统同时请求统一通信平台发送消息给实验室管理人员，提醒管理人员做好后续工作。实验室和实验设备运行管理，如图6所示。

图6实验室和实验设备运行管理

(3) 实验室实验设备运行维护信息化管理。实验室实验设备在其全生命周期，受到使用环境、频率、操作方式等因素的影响，不可避免会发生各种无法预知的设备异常情况，乃至严重故障发生。设备全生命周期按阶段划分包括3个阶段，即前期管理、运行维护、改造更新报废管理。实验人员的实验活动主要在实验设备运行阶段进行，实验过程追求高质量、零缺陷，因此对实验设备运行维护管理阶段提出了更高的要求，即保证实验设备高效、高可靠性、稳定运行。从而维持实验设备运行具有较高的可靠性，保障实验人员正常开展教学科研实践活动，实验设备全生命周期内的运行维护管理阶段显得特别重要。实验室设备管理子系统中必然需要实验设备运行维护信息化管理模块。

实验设备运行维护管理模块借助RFID射频识别系统或二维码移动终端应用,实现在线或移动终端APP报修，并且可以将实验设备的每一次维护保养信息作为设备运行档案记录在系统数据库中。管理人员只要通过手持阅读器便可十分方便获取该实验设备的基本信息和维修保养信息,也可随时通过实验室设备管理子系统对各信息进行适时更新管理。并且可以建立实验设备备件、配件信息数据库，管理备件的使用情况，并且与被维护保养的设备进行关联，可以随时方便地统计某一实验设备的维护保养费用等信息。

规范的维护保养对于实验设备的可持续运转至关重要。传统的维护保养往往由实验室管理人员自己掌握,常常出现时间的盲目性和维护人员的随意性。由设备运行维护管理模块管理后,管理人员可以根据系统管理数据，分析实验设备的使用频率以及过去设备的故障率,通过计算预测出可能出故障的时间节点,管理模块可定期定时提醒和要求相应的实验室管理人员安排对相关实验设备进行维护保养,并及时将维护保养信息录入系统中存储,这样,既可以避免维护保养工作的疏漏,又可以使管理人员对相应的实验设备的维护保养工作负责到底。

设备运行维护信息化管理模块能够自动分析实验设备维护保养数据，判断实验设备维护保养价值，用价值来驱动维护维修管理(VDM)，对于维护维修价值过高的实验设备给出报废更新建议。

3　智能数据分析与决策

上级主管部门和教育部每年都要求高校上报实验室和实验室设备基本信息数据，包括实验设备详细数据，实验设备的更新数据，实验设备的使用数据以及实验设备运行维护费用等各类数据。不少高校在上报以上数据时，因没有功能完善的实验室信息化管理系统，大多采用人工计算，得到粗略的统计数据，这样无法保证上报数据的准确性，对上级部门在制定政策、资源配置和各高校自身在实验室建设和实验设备配置更新等方面无法提供有效的决策依据[16]。

实验室管理系统在管理过程中记录了学生等实验人员全面的实验信息，实验设备的使用信息，以及实验室环境要素的状态信息。系统可以通过多维度地分析统计这些数据信息，给出不同维度的统计报表和分析报告，作为实验室管理中有效的决策依据。

智能化的实验室管理系统和实验室设备管理子系统可以通过统计实验设备的预约和使用情况，统计各实验设备的需求量和使用量，作为实验设备配置、更新和维护保养周期设定的依据。自动统计分析设备维修保养数据，比较设备价值和维修保养费用，判断设备的维修价值，给出设备的处置建议。

4　结　语

实验室是高校开展教学和科研的重要场所，实验室设备是实验室的核心部分，改变原有传统的实验室设备管理方式，提高设备管理的自动化、信息化、智能化是现代高校实验室建设的必然趋势。实现实验室设备的智能化管理不仅可有效地提升实验室管理水平，更能够确保实验人员正常开展教学科研实验活动，充分发挥实验室设备在教学与科研工作中的重要作用，以满足当前信息化时代高校培养合格人才的需求。

参考文献(References)：

[1]黄荣怀,张进宝,胡永斌, 等.智慧校园：数字校园发展的必然趋势[J].开放教育研究,2012,18(4):12-17.

[2]夏春琴.基于RFID的高校实验室管理系统设计与实现[D].苏州:苏州大学,2013.

[3]杨海英.物联网技术在高校实验室管理中的研究[D].上海:复旦大学,2011.

[4]吴青凤.高校实验室设备管理的研究[J].实验科学与技术,2014,12(2):164-166.

[5]王玉平,王文君.高校仪器设备档案信息资源共享平台的建设与管理[J].实验技术与管理,2015,32(9):247-249,256.

[6]盛苏英,堵俊,吴晓.高校实验室信息化管理的研究与实践[J].实验室研究与探索,2012,31(12):184-187.

[7]吴文华,施镇江,朱娟娟,等.智能管理系统在高校实验室管理中的应用[J].实验室研究与探索,2014,33(11):259-264.

[8]赖芸,卢晨.高校实验室设备全生命周期管理模型构建[J].实验室研究与探索,2012,31(2):192-194.

[9]凌辉,黄凯,刘雪蕾,等.强化流程管理提高仪器设备全生命周期管理水平[J].实验室研究与探索,2014,33(9):291-295,300.

[10]王艳,孟勤,刘昕,等.RFID在实验设备库存管理中的应用研究[J].实验技术与管理,2015,32(11):276-279.

[11]陈天福,潘玲蓉,宋铁成,等.基于物联网的实验设备管理系统的研制[J].电子电气教学学报,2012,34(5):41-44.