高校科研实验室安全管理系统的设计与实现

刘建军, 陈玲玲, 高雁凤, 徐海顺

(1. 中国计量大学 机电工程学院, 浙江 杭州 310018；2. 中国计量大学 理学院, 浙江 杭州 310018)

高校科研实验室是高校开展科学研究和人才培养的重要场所,但同时也是事故高发之地[1]。据统计,高校科研实验室发生事故的概率是工厂实验室的100倍。因此高校科研实验室的安全管理历来是高校安全工作的重中之重[2-4]。近年来,随着国家对于高校科研的投入不断增加,尤其是以各种人才引进计划为契机的配套科研实验室建设的不断投入,高校科研实验室发生了日新月异的变化:科研实验室的场地越来越多,设备越来越先进,研究内容所涉及的学科也越来越繁杂；学科交叉使实验人员的背景不再局限于某一学科或某一学院；新方法和新工艺的研究使大量非化学实验室开始出现各类化学品；开放实验室观念引入后,本科生也进入到科研实验室中[5]。这些都给高校科研实验室的安全管理带来了新的挑战,尤其是在门禁管理和化学品库存管理2个方面。为了应对这一挑战,本文设计并实现了一款基于Web和数据库的高校科研实验室安全管理系统。此系统由门禁管理系统和化学品库存管理系统组成。本系统的使用将减轻科研实验室安全管理压力,逐渐培养师生的安全意识,从而提升实验室的安全管理水平。

1 实验室及其管理现状

我校太赫兹实验室最初为浙江省重中之重实验室建设项目,经过近10年的不断建设,目前有实验用房10间,内部存放有40万元以上的大型设备5台,10万元以上的设备11台,另外还有大批常规设备。实验室吸引了来自机电学院、光电学院、信息学院和理学院的15名教师参与,并维持40～50人的研究生培养规模。因此实验室内的门禁管理工作比较繁杂,采用钥匙分发的传统门禁管理模式,已经难以胜任实验室的安全保障。

实验室内的科学研究因涉及到各种微加工技术和光谱测试技术,难免要使用化学品。实验室内存放有化学品、药品260余瓶/件。由于我实验室并非专业化学实验室,而使用人员又来自不同学院,因此在传统纸质登记管理模式下,化学品的使用存在重复采购、位置不明、漏缺记录等一系列问题。这些问题不仅使库存管理效率低下,引发繁重的盘库工作,更重要的是会产生一系列的安全隐患。鉴于此,实验室需要一款综合性的科研实验室安全管理系统,能够消除手工钥匙分发和化学品纸质登记管理所带来的各种安全隐患,提升实验室安全管理水平。

2 实验室安全管理系统的设计

2.1 门禁系统的设计

门禁管理是实验室管理的基本工作,是守护实验室设备安全,降低实验室安全隐患的基本手段。各高校教学实验室门禁管理已经普遍使用独立门禁模式取代了传统的钥匙分发模式,并逐渐开始向网络门禁模式过渡[6-8]。但是科研实验室的使用不像教学实验室那样有规律,使用人往往随机多次进出实验室,每个使用人,特别是学生的权限也会随时发生变化。因此由学校统一开发的实验室网络门禁系统并不适用于科研实验室。科研实验室一般由各研究团队自行管理,每个研究团队所涉及的房间相对较少且会发生变动,这导致适用于科研实验室的小型网络门禁系统的开发和维护成本相对较高。因此高校科研实验室普遍使用独立门禁模式,甚至是钥匙分发模式。独立门禁只能现场更改权限,多数不能保存通行记录,无法实现实时更改权限和查看出入记录。

为了解决这一问题,本文设计了一款以数据库为核心的小型低成本门禁系统。系统结构如图1所示,由服务器、RS-485通信电缆、读卡器、继电器和电子门锁组成。

图1 门禁系统的结构示意图

服务器是整个系统的中心,负责运行数据库、巡检程序和互联网服务3个程序。数据库是系统的核心,人员信息、门禁授权信息和历史通行记录都放置在数据库的不同表中。巡检程序负责终端设备和数据库的连接。由于科研实验室存在较大概率的变动,安装在门上的终端设备需要经济耐用且便于装拆,因此本文直接选用具备RS485通信功能的读卡器和继电器组成门禁终端,而没有采用商用的门禁控制器。在计算机上运行的巡检程序通过串口依次检查各读卡器是否存在刷卡信息,然后根据数据库的记录判断是否触发相应的继电器吸合以打开门锁。互联网服务所提供的网页则用于人员和数据库的交互。通过计算机或手机的浏览器,管理员可以维护和查看数据库,实现实验室门禁权限和通行记录的实时操作。实验室其他人员则能查看自己的门禁权限,并根据实际需求向管理员申请开放相应的实验室权限。

2.2 化学品管理系统的设计

化学品的安全管理是实验室安全管理中最为繁琐的内容,也是高校实验室安全管理中的重点。各高校都很重视实验室化学品的安全管理,并已经由最初的管理制度和评价体系的建立[9]逐渐过渡到化学品数字化管理系统的建设和使用[10-12]。这些管理系统实现了从审批、采购到废弃的一体化管理,但是却没有深入到科研实验室内部。这是由于各科研实验室的具体情况千差万别,从学校层面难以实现统一的使用记录和存放位置的细化管理,而且各科研实验室的化学品库存规模并没达到需要使用商品化学品库存管理软件的程度,因此多数实验室依然采用纸质登记管理模式。

本文设计了一个基于数据库的小型实验室化学品库存管理系统,以取代传统的纸质登记管理。本系统主要涉及到学校层次管理系统无法细化的，诸如化学品的库存位置、使用记录、理化特性和安全信息等与具体使用操作有关的内容。系统由入库登记、查找、使用记录、盘销库4个功能组成。管理员具备入库登记、盘库和销库的权限。入库登记中需要明确记录每瓶/件化学品的名称、入库量、入库毛重、存放位置、安全信息和责任人等信息。入库后系统自动生成此瓶/件化学品的ID号,标记于瓶身,以便于查找。由于数据库中保存了入库量和入库时的毛重,每次盘库时只需输入盘库时的毛重,系统会自动计算出化学品的剩余量,从而完成盘库。若余量为零,即可对此化学品进行销库。销库之后不能查找到此化学品,但并不删除其使用记录。为方便化学品的分类存放和查找,设计使用周转箱将仓库各柜分为若干小空间,并标记成不同的库位。为了便于使用人查找化学品,系统支持中英文名以及别名的模糊查询。系统以列表形式给出库存中匹配的化学品,使用人选取后根据显示的库位和ID号获取化学品,并在使用完毕后填写使用剂量和目的以完成使用。在使用人获取化学品库位和ID号的同时,若是危险化学品,使用人还会获取此化学品所涉及的危害和防护要点,以提示使用人加强防范。

2.3 化学品管理和门禁系统的结合

化学品的使用记录管理是一项繁琐、但又非常容易疏忽的工作,日常使用过程中极易发生操作者漏填、乱填的情况。虽然在进入实验室前,使用人都经过安全教育和操作培训,但由于新人尚未养成安全操作习惯,个别安全意识不强的使用人甚至会恶意违反安全制度,使用记录漏填、乱填的现象难以避免。这给管理工作,尤其是盘库工作带来了极大的困扰,也给实验室带来了极大的安全隐患,因此需要具备可追溯的安全监督方法来及时纠正错误的化学品使用记录行为。

虽然视频监控可以实现化学品仓库的全纪录,但视频查看耗费大量的时间,且很难实现记录内容的比对,因此视频监控一般仅仅用于危化品等重点监管化学品的管理。通过物联网技术,为每瓶化学品粘贴电子标签[13],或者为每个库位增加电子天平等终端设备[14],可以精确地实现使用记录的实时监控。但这种方法成本过高,不适合大批量一般化学品的管理。

本论文尝试将化学品管理系统和门禁系统组合在一起,实现管理员对每一位使用人使用化学品的监控。虽然专业的化学品仓库都同时具备这2个系统,但是一般都是独立运作。本文将化学品库存管理数据库和门禁系统数据库结合在一起实现数据共享,将两者的访问网页结合在同一个网站内,并提供混合的历史记录，以便于管理员对仓库的使用进行远程监督。

通过数据库间的关联,虽然任何使用人都可以查询库存化学品的名称和储量,但只有申请并获批具备化学品仓库门禁权限的人才能查询到库位和ID号,进而取用化学品进行实验。管理员可以方便、快捷地通过网络维护门禁的权限进入仓库的预约申请，可以现场进行，也可以根据预约事后查询门禁刷卡记录、化学品查询记录和新添加的化学品使用记录,实现对操作者使用行为的检查,进而对异常记录进行追查。通过盘库,可以实现对使用记录中使用量的填写进行检查。由于盘库仅需称取毛重即可,管理员可以随时调出最近使用过的化学品进行盘库。如果化学品剩余量和使用记录不符,可以通过数据库的记录将责任追溯到具体的使用时间和使用人。

3 实验室安全管理系统的实现

系统需要具有小型化、低成本、易维护、开放可扩展等特点,以适应高校科研实验室的应用。因此本系统采用一台低功耗微型主机作为服务器,配置数据库并建立管理网站。

3.1 数据库的选择和建立

由于本系统的规模较小,选取Microsoft的Access作为系统数据库。Access是小型数据库系统,虽然其功能和速度不及Oracle、SQL Server等数据库,但是足以胜任小型网站，而且Access具有非常友好的查看和编辑界面,维护非常方便。

本系统的数据库由7个基本表格组成,分别是实验室成员信息表、门禁权限表、门禁记录表、化学品库存表、化学品查询记录表、化学品使用记录表和危化品信息表。其中实验室成员信息表存储了实验室成员的姓名、卡号、登录密码、联系方式等信息,是整个管理系统的中心。化学品库存表存储了各化学品的名称、存量、库位、ID号和责任人,是化学品管理的核心。危化品信息表主要存储一些国家公布的各种危险化学品,如易制毒、易制爆化学品、精神药品等。很多实验人员并不具备专业化学品知识,通过危化品信息表,可以便于查询是否属于这些类别,并加强安全防范。

3.2 网站的建立

作为一个小型网站,为了方便部署和维护,采用Windows +IIS+ASP的架构。作为校内工作网站,直接采用校内固定IP地址进行访问。在校外则可以通过VPN登录到校园网后再使用IP地址进行访问。网站的结构如图2所示。为了适应手机浏览,图2中每个模块都具有适应电脑和手机访问的网页。在用户登录界面,系统根据浏览器信息自动判断发送电脑版网页还是手机版网页。

3.3 门禁功能的实现

本系统使用RS-485协议实现服务器和终端读卡器、继电器的通信来完成门禁操作,因而无需另外开发门禁控制器,只需在计算机上运行巡检程序即可。巡检程序使用表格记录各房间读卡器和继电器的通信地址和命令,可以方便地更换终端、增加和删除门禁数量。

实验室门锁改造采用明装电动钩锁的形式。钩锁关门即上锁,开锁则可通过钥匙或者内部的电磁铁实现。继电器收到开锁命令后导通电磁铁,实现开门操作。原木门暗锁并不拆除,作为封闭实验室时使用。

3.4 扩展设计。

除了化学品库存管理和门禁管理等基本功能,本系统还可以方便地扩展其他应用。比如,通过添加具备RS-485通信功能的温湿度传感器,可以实现各实验室的温湿度记录和发布,保障实验室运行安全并为科研实验的进行提供参考；通过人员信息表实现实验室人员通信录的共享功能；通过添加数据库实现会议室预约功能等。

图2 系统网站结构图

4 系统运行效果

化学品库存管理系统的使用,使实验室实现了高效安全的化学品库存管理。尤其是化学品查询功能和使用记录查询功能,不仅保障了化学品的安全管理,还成为开展实验研究的有力助手,并成功避免了数次重复采购。实际运行使用表明,使用人可以非常方便地由纸质登记过渡到使用手机进行网页登记,且主动登记意识加强。门禁管理系统的使用,使实验室通行的实时控制成为可能。管理员可以随时随地通过远程登录实现门禁的操作和查看,极大地提高了实验室的利用效率。

化学品库存管理系统和门禁管理系统的使用,提高了实验室管理员的工作效率,使实验室安全管理更加实时便利。而两者的结合,使管理员可以方便、实时地监督化学品的使用,便于及时发现违反使用规则的不当行为,并及时进行制止。经过一年的实际运行,本系统已经成为实验室管理利器,而扩展功能的添加,也使得实验室其他人员越来越习惯使用本系统进行工作。

运行过程中虽然出现过一些程序问题,但数据库和网络技术的选择使系统的调试和升级都非常方便。

5 结语

安全工作历来是高校科研实验室工作的重点,是高校科研发展和人才培养的重要保障。虽然安全工作的核心是通过安全教育培养师生的安全意识和规则意识,但是实际工作中总是存在各种疏忽和不便,甚至是人为的不配合。因此建立一套方便操作的、可监督可追溯的实验室安全管理系统是一个很好的补充。在本系统的帮助和督促下,实验人员逐渐加强安全意识和规则意识,提高了实验室的安全管理水平。