智能监测技术在高校实验室安全管理中应用

孙淑强, 张 乐, 周 磊, 樊 冰, 林海旦

(杭州电子科技大学 a.学校办公室，b.自动化学院，c.电子信息学院，d.国有资产与实验室管理处，杭州 310018)

0 引 言

高校实验室是实施创新人才培养、科学研究和社会服务的重要场所，是体现学校教学科研水平，展示学校办学实力的重要标志。高校实验室的安全工作关系到教学科研工作的顺利进行，更与广大师生员工的身心健康息息相关，是和谐校园建设的重要前提之一[1]，因此一直倍受重视。近年来，随着我国对高等教育的投入不断加大，高校各类教学科研实验室无论从规模还是质量上都有了大幅提高，同时实验室安全管理工作也面临着更大的挑战和更高的要求[2]。尽管目前我国高校实验室安全管理理念和制度建设越来越完善，但安全事故却仍时有发生，据相关数据显示：理工科院校实验室中的事故统计中，由火灾、爆炸、灼伤等引起的事故占43.4%，其中因实验室照明、电器、精密设备、大型仪器的长期运转或隐藏故障而造成的事故占35.2%[3-6]。其原因主要包括违规操作设备，供电线路年久失修老化；设备电弧或火花；乱接电器长时间运行以及设备隐藏故障未及时发现排除等[7-8]。这些问题仅靠制度约束、日常巡查、准入培训和常规的信息化手段是很难完全做到及时发现并实时处理的。因此，借助新的科技手段排除“制度+人防”的漏点，成为除管理理念和制度化建设之外的重要辅助手段。基于此，我校电子信息学院实验室利用物联网、大数据等新一代信息化技术，针对前述安防难点，自主研发了智能监测系统，以先进的机防手段辅助传统的人防模式，用于实验室用电和环境安全的监测。

1 国内外高校安全管理现状

由于高校是人员分布密集的场所，同时也是知识产出人才培养的重要基地，因此全世界高校均十分重视其安全管理。美国是一个教育管理体系相对完善的国家，其高校安全工作由专门的机构负责，以麻省理工大学为例，学校的安全管理组织为Environmental Health and Safety(EHS),校级机构从各类安全到员工健康都有细致的分工，且学院研究机构等基层单位都配备相应联络人和监督人，其系统细致严谨整体性好，行动能力强、响应快[9]。与其类似，澳大利亚维多利亚州的迪肯大学(Deakin University)，为保证教学实验安全进行设立校级的职业健康与安全部、设备管理服务部、信息技术部，分别负责健康安全管理、设备消防安全、IT系统安全工作，并由教职员工共同推选安全代表协助进行实验室危害和风险管理，开展事故调查和提交危险报告[10]。而英国的牛津大学则非常重视实验室安全检查工作的可行性，强调检查条款的量化依据，检查人员的专业性，以及检查之后的整改效果复查和资料归档[11]。国内高校的安全管理体系也越来越完善可行，不少高校设立一到两个专门的管理部门负责全校实验室的安全运行管理，并设立了严格系统的安全准入制，由学校或校院两级推行，或校院实验室三级推行准入工作[12]。这些都为实验室安全管理工作提供了强有力的制度和人员保障。但这些管理模式基本上存在共同的不足：人力成本高，应急处理时沟通及分析判断效率低，制度可行性的制约，技术手段以传统的门禁安防系统为主，缺少针对性的技术手段。

2 我校实验室安全管理情况

我校一直重视实验室安全管理工作，学校设有校级安全工作委员会，国有资产与实验室管理处(其实验室安全管理科、仪器管理科专门负责全校安全制度的制定和教学实验设备和场地的安全管理)，重视实验室制度和安全文化建设[13]，学院由主管院长作为第一安全责任人，各教学科研实验室设立具体安全责任人，逐层推进落实，每年签订安全责任书。并定期组织专家对实验室安全工作状况进行检查、反馈和整改。但由于这些落实过程存在人防漏点，因此仍然存在下面一些不理想的状况：

2.1 人员流动性大，违章使用及违规操作难以杜绝

由于设备种类多，人员流动性大，且独立研究的时间随意性强，对安全管理形成一定的挑战。虽然学校明令禁止在实验室内使用违章电器进行取暖、烧饭烧水等活动；禁止长时间连续使用充电电器；禁止违规操作设备。但由于学生安全隐患意识淡薄以及防范设施不足，仍然有不少学生为图方便，在实验室私自拉线使用电水壶、电风扇甚至其他劣质电器；手机、充电宝、充电电瓶长时间充电；更有研究生在独立进行试验或测试时，不认真按照操作流程处理实验，在测试人员离开的时候不按要求暂停或中断测试流程，任由实验设备在无人值守情况下通宵运行等情况，一旦发生意外，后果不堪设想。

2.2 线路老化及故障电弧潜在风险

由于建筑内铺设线路的老化，对暗线检查不到位，会造成偶发失控事件，同时电器设备故障产生的电弧是引起火灾重大原因之一。这是由于直流供电系统中接线端子由于机械振动等原因容易松动，进而在回路中产生串联直流电弧[14]。由于串联直流电弧电流不存在过零点而无法被继电器检测到，空气开关无法切断故障电流，直流电弧持续燃烧可能引燃周围易燃物质从而引起火灾、爆炸等事故，而且这种故障电弧引起的电流波动相对较小，隐蔽性高，一般无法依靠传统的负载保护装置进行侦测和保护[15-16]。随着室内用电器的种类和数量的大幅增加，这种故障电弧出现的概率也大大增加，构成重大安全隐患。

2.3 室内环境安全隐患

室内长期存在环境隐患将对人体产生不可逆的损害，如：空气污染、有毒有害气体、噪声污染等，都会严重影响工作人员的健康。学校实验室内既有大量电子设备、机械装备，也可能有实验试剂、实验材料，以及实验过程中产生的电磁波或化学辐射等，造成室内环境不如人意，因此除了把好源头关，严格规范操作流程外，对于室内环境的日常监测也变得越来越重要，目前对于室内环境的监测通常集成于如空气净化机等某种电器设备上，无法进行长期数据监控分析和网络化管理，特别是对于实验残留、噪音源等现象，存在着监控难、取证难、排除难等诸多困难。就无法对环境情况有清楚地了解，更加无法进一步有的放矢地改进。

3 智能监测系统介绍

针对上述不理想状况，为更好地实现实验室用电和环境安全的精细化管理，利用学校电子信息特色优势，自主研发了智能监控系统，简述如下。

3.1 系统结构

系统集成了用电器识别、故障电弧检测、环境监测多种功能，实现电气安全和环境监控，其基本架构如图1。该系统能够准确识别接入的电器，并侦测故障电弧的发生，同时提供了室内温度、湿度、PM2.5、噪声等主要环境参数的监测功能。监测区域的用电和室内环境数据都通过互联网实时传输至服务器，用户可以通过电脑浏览器或手机APP随时远程查看这些数据。

图1 智能监控系统架构

3.2 监控系统功能

(1) 用电安全监控。系统能够对已经存贮的用电器通过特征匹配，进行智能识别，并用控制电路对识别出的违规电器、以及长时间持续使用的电器进行监控和提醒。能够对电路中的电弧进行实时监测，如果产生故障电弧，会自动切断电源，防止因电弧而引起的火灾隐患。针对实验室新进电器设备或者特殊用电器，提供新电器注册功能，如果未进行注册，强行使用该电器，系统将发出警告并断电处理。

(2) 环境监测。系统采用高灵敏度温湿度传感器，提供实时、准确的室内温湿度监测数据。有助于用户随时关注室内温湿度，防止室内温湿度异常影响身心健康。PM2.5指数近年来备受关注，系统提供准确、可靠的PM2.5指数参数。对预防室内粉尘污染、保持人体呼吸道健康有重要的量化警示作用。除此之外，系统提供了区域环境噪声检测功能，能够在不泄露用户隐私的前提下对室内噪声强度、噪声持续时间等噪声污染进行智能分析。

(3) 节能管理。能够监控室内用电器接入使用情况，通过对用电行为的精细化监控，达到节能管理的目的。不但可以随时查看每个用电器的用电量；还可对用电量超限的情况进行提醒以及进行无人断电提醒。

(4) 集成智能终端、远程监控及数据分析。以智能路由器作为数据采集的多功能接入网关，实现监测区域复杂信息的实时采集终端。整合大数据分析、云计算等技术，综合分析用电安全、环境安全等信息。通过网络将监测数据实时传输至服务器，用户通过电脑浏览器或手机APP即可查看室内实时监控数据及其历史数据。

4 核心技术与创新点

系统创新点在于将神经网络和模式识别技术与用电器网络结合，对不同设备电流和功率特征信息进行分类检测，达到准确识别的目的，进而实现网络集成，完成对各类数据的融合分析，给管理者提供量化直观的分析数据，涉及的核心技术如下：①用电器智能识别算法——设计基于子空间模式识别和神经网络的智能算法，通过对电流波形及功率的分析，实现用电器类型的准确识别。 ②故障电弧智能识别算法——设计基于AR模型、模糊逻辑的多信息融合算法，实现多种故障电弧的侦测识别。③智能终端设计——设计智能数据采集终端，可同时采集电气信息和环境传感信息，并进行预处理和数据上传，接受上位机指令，进行电气保护装置控制和蓝牙控制。

面向大数据应用的监控平台——设计网络数据监控平台，能够对多用户进行长期数据跟踪分析、用电行为分析、节能管理、环境监测等功能。

5 系统实施情况及成效

该系统研发测试成功后，即在杭州电子科技大学电子信息学院布点试行。系统安装现场见图2；系统管理监控界面见图3。

图2 系统安装现场

图3 系统管理监控界面

系统至今已运行大约2年，具有较强的稳定性和鲁棒性。能够对监测区域的用户使用电器情况有效识别，对主要环境指标进行量化反馈。管理员可通过本系统，清晰地掌握监控区域内所用电器的类别、能耗、运行时间等情况，一旦有异常使用情况，系统能准确锁定危险用电行为的具体电器，并向管理员发出警示信息，还能够对区域环境指标进行分析。

运行期内，监控区域未发生过一例用电安全事故，系统提示充电器长期持续工作及不符合注册电器类别的危险电器使用等违例事件十几次，管理员依据系统提示及时排除隐患，对违规使用者依照管理制度进行惩戒处理。为区域内用电和环境安全提供了有效保障，成为协助人防推进安全管理制度落地的一大利器，真正做到了防患于未然。

本系统已申请发明专利，并拥有软件著作权，获得了第二届中电科“熠星”创新创意大赛特等奖。根据目前试用运行情况，产品性能稳定，运行效果较好，特别适用于学校实验室等人员密集且流动频繁的场所。

6 结 语

高校是一个人员分布密集，科研成果和人才培养成果输出密度大的特殊场所，高校实验室更是知识验证、探索创新的平台，实验室安全智能监控系统将神经网络和模式识别等技术应用于实验室用电器识别和环境安全监测，有效弥补了原有管理制度体系的不足，是实验室安全管理的有效辅助，值得在更广范围内推广。