高校实验室安全与环境实时管理方案探讨

王加祥, 黄 刚

(南京邮电大学 a.经济学院; b.资产管理与实验室建设处，南京 210023)

0 引 言

实验室安全问题，一直以来都是学校管理层非常重视的问题，也是实验室管理人员工作的重点，但实验室环境问题在实验室运行过程中同样重要，高校对此重视程度较低。发达国家高校实验室安全管理所采用的EHS管理体系，不仅强调实验室的安全管理，对实验室环境及其对实验人员健康影响也非常重视，这对我国高校实验室管理工作具有很重要的借鉴作用[1-3]。

近年来，我国高等教育在人才培养方式上越来越重视实践教学，与之配套的实验室建设投入也大幅增加，实验室数量的增加大大提高了实验室管理工作的强度和复杂性。虽然高校都建立了自己的实验室安全管理制度，但安全事故仍时有发生，如何更高效地管理实验室安全及环境问题，这对管理者的管理水平提出了新的要求。现行的实验室管理模式已经明显不能满足需要，需要探索一种可行的实时监测和控制实验室安全及环境状态的现代管理模式，将现在广泛使用的信息化智能化技术融合到实验室管理，尽可能减少安全隐患避免安全事故的发生。

1 目前常见实验室安全管理模式分析

实验室作为实践教学和科研的重要载体，经过多年发展，各高校在实验室管理方面都积累了一定的经验，并在安全管理方面已形成相对固定的管理模式[4-5]。

(1)管理架构。学校、院系、实验室三级安全管理体系和组织架构完备，层层落实，将安全责任细化并落实到具体责任人。

(2)制定管理制度。制定相应的实验室安全管理制度、管理办法、应急预案，以及相关实验室使用守则、实验物料管理细则等。

(3)执行安全检查。进行定期或不定期安全检查、抽查相结合的方式，加强对实验室安全隐患的排查管理，并建立相应安全检查记录。

(4)安全教育。在管理过程中，为防止人为因素导致的各类安全问题的发生，设置安全教育课程，对实验室管理者和使用者进行必要的实验室安全教育。

这种通过行政手段逐级落实责任，结合安全检查和安全教育手段来进行强化管理的模式，在实验室管理中确实起到一定作用，但也存在一些弊端。① 由于安全管理意识薄弱，容易出现上有政策下有对策，临时应付安全检查;② 由于部门间人员流动调整，容易出现工作交接不及时或不全面而导致安全管理疏漏。同时，在实验室管理过程中也难免会有看不到、想不到或不知道的各种安全问题，这都给实验室安全管理带来隐患。

2 高校实验室安全与环境管理现状

2.1 实验室安全管理重视不够

实验室在运行过程中常见的安全问题有火灾、非法闯入、有毒化学品及可燃气体泄漏等，2017年教育部办公厅发布了2起高校实验室安全事故的通报：① 山西某高校一科研实验室由于室内电源自燃引发火情，过火面积约270 m2，财产损失约200万元；② 上海某高效一实验室在学生做实验期间，反应罐发生爆炸，导致一名学生手臂受伤。两起安全事故给师生安全和学校财产带来不同程度的损失，反映出部分高校在实验室消防、危险化学品等安全领域仍存在薄弱环节。针对这些安全问题，很多高校已加大投入，逐步进行实验室安全改造，对易燃、易爆物品，采取与电源和火源隔离存放，对危化品设立专门的存放地点，设置明显的标识牌，并配备专用灭火设施，做好电路水路的定期检查工作，但仍存在为应付检查突击整改的现象，事后依旧不重视安全设施的维护。

为了防止实验室设备及物料丢失，部分高校为实验室配备了防盗门或加装电子门禁和摄像头，以加强实验室的安全性。但仍有部分高校的实验室在安全管理方面，挂靠或者完全依赖保卫部门管理，少数实验室甚至没有监控或监控设备长时间未升级，设备损坏或监控清晰度很差，一旦出现失窃或火灾等安全事件，只能事后调取录像分析事件发生经过和原因，缺乏实时性，可能错过最佳处置时机而导致实验室损失扩大。

同时还存在部分实验操作人员安全意识薄弱，即使接受过实验室安全教育，仍存在侥幸心理，在实验过程中图方便而出现违规操作等问题，给实验室运行带来很大安全隐患。

2.2 实验室环境管理不到位

在我国，许多高校对实验室环境管理的重视程度不够，忽略了良好的实验室环境对广大师生工作学习的影响，依然停留在以基础的地面卫生打扫为主，忽视实验室的温湿度、粉尘及有害气体等可能带来的安全和对人体健康影响问题。

(1)实验室温湿度控制不严。对于计算机类实验室，由于季节气候变化，实验室容易出现环境温湿度过高或过低问题，环境温度过高容易引起电气设备运行不稳定或损毁[6]；湿度过高会引起电气设备电路故障，尤其是南方梅雨季节，计算机机房如果管理不当就容易湿度高，会在计算机元件上形成水气，导致设备寿命变短，计算机无法启动；湿度过低，很容易产生静电，引发设备故障，同时也会让机房的洁净度达不到要求，静电灰尘的聚集，进而造成机房设备散热困难，容易过热和腐蚀，从而影响到正常教学活动[7]。

对于化学类实验室对温湿度要求更高，实验室内的湿度过高，化学品容易受潮，影响质量，还可能发生反应；温度过高也有可能产生挥发或自燃现象，这不仅影响实验过程和实验结果，严重的甚至有中毒和爆炸的危险。这类实验室一般都配置有精密仪器，如果空气湿度过高，精密仪器和设备很容易受潮，影响设备使用寿命，也容易造成实验结果有误差甚至可能导致实验失败，所以此类实验室应该根据实验要求保持恒温恒湿，减少实验干扰因素。

(2)忽视空气质量对实验室的环境影响。实验室的环境空气质量是一个最容易被管理人员和使用者忽视的问题，尤其是化学类实验室，室内往往会有各类化学药剂挥发，空气中的总挥发性有机物TVOC对人的健康有很大危害，若不处理，随着时间的推移，其浓度会越来越大[8-9]。对于普通实验室，由于上课学生人数较多，在上课过程中空气质量往往较差，时间稍长，室内粉尘、二氧化碳浓度升高，温度也随之升高，空气质量逐渐变差，同时还会伴有各种异味，而实验人员处于忙碌状态时，并不注意环境空气质量的变化，这对于实验中的师生的身体健康非常不利[10]。

(3)急需改善实验室环境。实验室室内环境质量不仅关乎实验室使用者的舒适和健康，还会影响他们的学习和研究效率，有资料显示，通过改善室内环境质量，有助于将效率提高15%～20%[11]，因此，加强实验室环境管理，提升实验室室内环境质量十分必要。

3 实验室安全及环境实时管理方案

3.1 方案设计宗旨

实验室安全及环境智能化管理是对实验室管理的创新尝试，其目的是辅助实验室管理员实时了解实验室状态，并完成部分自动化处理，为实验室管理带来便利，提高管理效率，实现24 h不间断监控。综合考虑实验室建设的实际情况，从经济性、实用性角度出发，循序渐进，逐步完善，不能一味追求先进一步到位，更不能做成形象工程，要让其发挥有效作用，尽可能减少和化解安全隐患。在不改动实验室原有硬件设施的基础上，模块设备要具备一定的先进性，能够实时采集实验室状态数据，信息传递安全稳定，可扩展性强，能够实现通过手机APP将信息传递给管理人员，以达到实时管理的目的。

3.2 方案设计

(1)总体设计。传统有线方式的监控系统施工成本高、组网复杂，建设周期长，为避免实验室施工改造对正常教学和科研工作的影响，本方案中的设备模块采用无线方式联网。目前物联网设备使用较多的几种无线组网技术有WiFi、Bluetooth、ZigBee等，通过对比，选用了低功耗、低成本、组网方便的ZigBee模块设备进行组网[12]。连接各节点设备后，通过ZigBee网关连接物联网云服务器，移动客户端通过互联网与物联网云服务器进行数据的接收和转发，构建起一个能够实时掌握实验室安全状态的信息通信环境[13]。从实用和经济角度出发，方案不在本地设置物联网服务器，而是利用更专业的物联网云服务器，既节约了本地服务的器硬件投入，也减少了专业IT维护管理工作，只要本地校园网络通信稳定，即使出差在外地，也可以通过手机APP了解实验室的实时状态，图1为系统结构图。

(2)实时安全管理模块。针对实验室管理中最常见的火灾、非法闯入等安全隐患，将烟雾探测器、人体红外探测器对实验室进行布防，实时监测实验室内部的运行安全状态。

图1 系统结构图

利用烟雾探测器监控室内烟雾情况，可有效探测出火灾初期阴燃阶段或火灾生成后产生的烟雾，并启动蜂鸣器报警，同时立即通过网络向管理员发出报警信息，管理员可第一时间调取现场监控摄像头查看现场，并做出处理方案，判断是否打开实验室关键位置和易燃物品附近的灭火系统，也可设置成直接联动消防干接点，自动打开灭火装置。由于实验室的特殊性，通常选择以七氟丙烷为灭火剂的气体灭火装置，这是一种被广泛应用且没有二次污染的灭火装置[14]。对于化学类实验室则需要根据实验室实际情况配备专用的灭火设施，并加强化学试剂管理[15]。在非开放时间或管理人员离开情况下，实验室进入布防状态，此时如果有人未经授权进入实验室，会触发人体红外传感器并发出警报，管理员手机收到报警信息后，远程打开安放在实验室的摄像头，查看实验室实时影像，判断是否为非法进入，并做出是否撤防选择；如果实验室内存在可燃气体，在传感器检测到有气体异常时，向管理员发出报警，并通过预先设置指令，自动打开风机进行通风。

(3)实时环境管理模块。对于温湿度的控制，纯粹靠人去感知是无法达到应有的效果，借助温湿度传感器，实时采集环境温湿度信息，并根据实验要求设置温湿度阀值，进而自动控制空调和其他加湿除湿设备，使环境温湿度保持在合适的范围，同时管理员也能通过手机随时查看实验室的温湿度状态。表1为实验室所涉及的环境监测传感器。

表1 环境监测传感器

实验室空气质量的自动管理是通过实时监测实验室环境中PM2.5的浓度、二氧化碳及其他有害气体，当探测到有害气体或达到系统预设的阀值时，自动打开风机进行通风换气。针对化学类实验室，必要时可加装专业的空气净化系统，有效解决有毒有害气体、异味气体、粉尘颗粒物等带来的危害，净化实验室环境。

4 结 语

实验室的安全管理是一项重在防范贵在落实的工作，信息化智能化技术的应用，使实验室安全和环境的实时管理成为现实，为实验室管理工作提供了重要技术支撑，但目前还没有真正形成基于此的行业规范。不同实验室面临的安全与环境问题并不完全相同，这要求实验室管理人员具备较好的信息化知识储备，在实践中改革和完善现有管理模式，努力解决管理中遇到的难点，树立创新管理意识，建设适合自身实验室运行管理需求的技术方案，用技术手段优化实验室的运行管理过程，提高高校实验室综合管理效率和运维保障能力，努力为广大师生提供一个安全、健康的实验环境，建设以人为本的实验室。