基于物联网技术的实验室管理模式研究与改革*

孔令娜 曹蕾 张慧 吴震 张炜

(南京农业大学植物生产国家级实验教学示范中心,江苏南京 210095)

“双一流”大学的建设过程中,强化实践教学,努力提高学生的实践创新能力是人才培养的重要目标之一,而加快构建高水平实践教学平台,完善质量管理体系,不断提高实践教学水平是其基本保障［1-2］。高校实验室作为培养学生实践创新能力的重要场所,在高校的教学过程中发挥着举足轻重的作用,新形势下,实验室必须逐步提高开放资源的利用率与共享率,充分发挥其在创新创业教育环节中的重要作用。

然而,当前现状表明高校实验室硬件条件建设得到快速发展的同时,实验室管理水平却未能与之获得相应的提升,传统的实验室管理运行模式与逐年增长的实验实践教学需求之间存在的矛盾日渐凸显,使得实验室运行过程中出现了各种各样的问题亟待解决。伴随着互联网+时代的到来,物联网、无线传感网、移动互联、大数据、云计算等具有智能化的信息技术不断发展成熟,为实验室管理提供了新的方法和视角［3-5］。物联网(Internet of Things,IoT)是由美国麻省理工学院(MIT)Auto-ID实验室于1999年提出,它是通过红外线传感器、射频识别(RFID)、激光扫描器、定位系统等信息传感设备,按照约定协议把物品和网络连接起来进行信息交换以及通信,从而实现智能化跟踪、识别、监控、定位与管理的一种物物相连网络。“物联网”的出现打破了数据管理和物理设施间相互独立的模式,其应用领域非常广泛。现阶段,物联网在“智慧校园”建设中的应用范围和应用规模都在不断地扩大［6-8］。南京农业大学植物生产国家级实验教学中心近年来逐步尝试通过网络化、智能化的手段积极改革传统的管理运行模式,解决以往实验室管理过程中存在的问题,以缓解实验室运行和安全管理带来的压力,并不断提高中心平台的开放共享效率。

1 传统实验室管理模式的问题与挑战

为了满足逐年增加的教学、科研活动需求,我校实验实践课程的数量及规模都在持续扩大,各实验教学中心的管理变得更加复杂,传统的以人工为主的实验室管理模式已不能满足目前实验实践教学的高要求,实验室运行管理过程中面临着各种各样的问题,具体表现在以下几个方面:(1)随着实验实践课程、各类“双创”项目及学科竞赛活动的大幅度增加、实验项目范围和质量的逐步提高,实验室运行管理的压力随之而来;(2)由于受到时间、空间、人力以及安全性等管理因素的限制,实验室的开放共享程度未能达到预期的效果,从而使得一方面优质实验资源未能得到充分利用,另一方面影响了大学生课外开放性实验项目及学科竞赛、活动的开展;(3)管理人员不能及时掌握实验室仪器设备的使用状态,导致维护、保养不及时,尤其是开放共享的大型仪器设备更是故障频发,维修周期长,严重影响了教学和科研的正常进行;(4)实验室安全管理压力大,近些年高校实验室安全事故时有发生,实验室安全管理中面临着许多安全隐患,如水电安全、危化品管理、仪器设备使用、实验室开放使用等。虽然目前大部分高校实验室都配备了摄像头,但是摄像设备往往具有较大的盲区,所采集的数据比较单一,也无法实现远程实时监控,一旦有危险情况发生,不能及时获得信息和采取相应的措施。

尽管目前中心实验室已经建立或引进了一系列信息化管理系统,如实验教学管理系统、门禁系统、监控系统和实验设备综合管理系统等,但是各个系统仍处于孤立状态,未能达到理想的效果,而且引入的此类系统侧重于课内实验课程的安排、调度和运行等传统管理功能。总之,现有的管理模式在管理的时效性上是滞后的,无法实时反映实验室的工作状态。实验室管理必须突破时间、空间、人力等因素限制,积极探索一套更为科学和行之有效地开放共享管理模式,打造基于信息化环境的开放实验室,使实验室能够安全、高效运转,切实为师生服务。

2 物联网实验室建设初探

物联网实验室是利用物联网技术实现一种智能化的实验室管理系统,借助各种传感器通过互联网和继电器实现物与物、物与人的泛在链接,其技术能给整个实验室环境带来革命性的改变［9-10］。在物联网实验室中各种仪器设备可以通过数据采集器实时采集动力、环境、安防、消防等信息,如市电、UPS电源、配电开关、温湿度、精密空调、漏水、烟雾、门磁等实时信息,然后直接传输给物联网平台,实现对设备的智慧化识别、跟踪、实时监控及远程管理等功能,实验室管理人员可通过浏览We b页面或者移动设备随时随地查看实验室工作状态,如遇紧急状况可立即在手机短信或AP P上收到报警事件信息,便于及时排查解决突发问题。

基于中心目前已经建设使用的信息化管理系统,包括实验教学管理系统、门禁系统、监控系统以及实验设备综合管理系统等,以公共平台大型仪器室作为试点,引入物联网技术,初步建设物联网实验室。如图1所示,首先,中心整体需要搭建一个物联平台,即中央信息系统,用于信息的收集和相关数据处理,采用无线传输方式,有良好的可扩展性,后期可根据需求随时在此物联平台上添加拓展更多的应用,如智慧消防、环境检测、远程水电表等。其次,需要给与管理的仪器设备安装上采集器或者传感器,用于信息的读取和解码,然后快速传输给物联平台。最后,终端用户要在We b页面或者移动设备中安装相应的软件或APP,完成注册和登陆。当加入物联网的仪器设备在运行过程中,其参数发生了变化,设备传感器就会立刻向物联平台发射信号,使系统响应并报警,同时通过网络通知到实验室管理人员,使进行相应处理,由此达到对仪器设备进行实时监测的目的。本次建设大型仪器室进入物联网管控的设备主要有实验室门禁和监控电源、UPS电源、墙面配电开关、空调、投影仪、烟雾报警器、水表等。

图1 物联网实验室技术架构Fig.1 The technical architecture of the Internet of Things laboratory

3 物联网技术助力实验室开放管理

植物生产国家级实验教学中心是我校重要的实践教学平台之一,承担着全校植物生产类专业本科生及研究生的实验实践教学任务,并对本科生毕业论文实习、各级各类创新创业项目和课外实践竞赛、活动等提供开放共享平台。近年来,随着学校对人才培养实践环节的不断重视,中心18个功能实验室所承担实践课程和 “双创”项目等大幅增加,涉及的专业多,学生规模大,实验项目范围和质量逐年提高,这些都给中心的开放运行管理带来了不少压力,主要表现在实验室环境管理、安全管理、设备管理、人员管理等方面。因此,中心实验室的开放共享程度未能达到预期的效果,现有的实验室管理运行模式已不能适应当前人才培养过程中对实践教学环节的高要求,中心需要亟待探索并采用先进的管理理念和管理技术,以提高公共资源的开放共享效率。

以中心大型仪器室为试点引入物联网技术,并将物联网管控系统与大型仪器平台现有管理系统交叉融合,实现仪器设备预约、门禁授权、异地远程监控、设备状态管理、环境监测、数据上报等功能的集约化、智能化管理。具体包括以下几个子系统:(1)实验室预约系统:查询实验室占用情况,实现实验室、仪器设备的预约及核准,查询预约状态和反馈信息等;(2)门禁系统:门卡授权管理,并记录刷卡开门情况;(3)监控系统:实时监控实验室工作状态,移动终端或电脑端实时查看实验室视频及历史录像;(4)物联网管控系统:实现异地远程控制,掌握实验室和仪器设备的运行状态、安防报警、定时开关设备电源等;(5)实验教学管理系统:实验室课程安排,实验室及仪器设备利用率统计,仪器设备维护申请、审批,相关数据上报等。

物联网实验室的建设使中心大型仪器室的管理突破了时间、空间、人力等因素的限制,管理人员可随时随地掌握实验室环境、仪器设备、公共设施等的状态及使用情况,可实现实验室全天候、全空间面向学生开放,为大学生完成自主实验、自主创新提供平台条件,为改善实验室开放管理水平提供了有力保障。中心将逐步使物联网管控系统推广应用于其他功能实验室,以点带面,全面改革中心现行管理模式,从而有效提升中心整体公共实验资源的开放共享效率。

4 物联网技术助力实验室安全管理

随着实验室开放程度和使用频率的增加,实验室安全管理面临的形势也越来越严峻,一系列安全管理问题逐渐显现。实验室安全涉及方方面面,一旦发生危险事故,后果十分严重。中心实验室的日常安全管理中都面临着一些安全隐患,如水电安全、危化品管理、仪器设备使用、开放使用等。传统的监控系统漏洞很多,摄像设备通常会留下很多盲区,而且监控录像不能实时应对异常情况,需要事后人为判断。另外,其采集信息单一,提供有效信息不够全面,而且没有有效的分析工具,不能异地远程监控。

运用物联网技术可以强化实验室安全管理,并有效提高安全管控的及时性和高效性。通过物联网感知系统、环境监测系统、用电安全系统、烟雾报警系统等,实时监测危化品柜、空调、投影仪、光照培养箱、超低温冰箱、门禁监控等设备的使用安全和环境安全,如遇异常情况,可立刻启动自动报警功能,将实时信息反馈到实验室管理员的实时通信设备上(如图1),使其远程控制开关,关闭具有危险的电力系统,将险情控制在第一时间,从而大大缓解实验室安全管理的压力。

因此,在物联网技术的支持下,实验室的环境安全监控会有很大改观,安全管理效率会大幅提升,对于中心实验室整体的安全管理工作具有重要的现实意义。

5 结语

中国教育科学研究院倡导的深入贯彻落实“互联网+教育”国家战略、促进信息技术与教育教学的全面深度融合,为学校整体创新提供理论引领和实践指导的系统性建设方案。智慧校园、智慧实验室、虚拟仿真平台等的构建不断涌现,“智慧教育”已经成为高校教育发展的新方向。高校实验室不仅是实践教学环节的主要阵地,也是反映学校教学、科研和管理水平的窗口,是学科建设、科研活动的坚实基础,是高校整体建设和发展的重要环节[11-12]。现阶段,在实验室环境和硬件条件不断改善的同时,建立基于现代信息技术的,更为科学和行之有效的实验室管理运行模式是当务之急。“以人为本”的创新人才培养模式更加需要资源开放共享的实验室,智能化的实验室管理模式才能使实验室高效率运转,切实为师生服务。