基于智慧实验室的高校实验室信息化建设与探究

严瑞 庄志洪

南京理工大学 国有资产与实验室管理处 江苏 南京 210094

1 高校实验室信息化现状

得益于全球信息技术水平飞速提升，国内外高校教学、科研信息化能力取得了长足进步，提高实验室信息化管理手段、推进建设实验室信息化管理体系已是大势所趋。欧美、新加坡等发达国家的高校实验室信息化建设起步较早，管理技术先进、设施配套齐全、管理效能领先。美国麻省理工学院较早建立了EHS（环保、健康、安全三位一体）实验室管理体系，并构建了集设备管理、气体监测、消防报警、危险废物存放回收等功能于一体的实验室信息化管理系统[1]；英国利兹大学建立了包括各级安全负责人名单、管辖范围和联系方式，各实验室安全手册和培训教材，危险品、危险设备的信息填报和管理系统，实验室设备和人员登记授权使用系统，重点区域的监控监测，巡查记录和事故通报等的安全管理系统；新加坡南洋理工大学建立了具备可视化分级培训考核、危险品全流程闭环管理等功能的实验室管理系统[2]；日本东京大学设有环境安全本部、保健健康推进本部和实验委员会，并建设了功能较为先进的实验室信息化管理系统[3]。

相比之下，国内高校实验室信息化建设起步较晚，信息化技术利用程度不高，清华大学在实验室安全教育与考试、危化品全生命周期管理、安全监控与报警等方面建立了信息化系统；北京大学依托信息化技术对仪器设备实行全程监管，建立试剂管理平台，实现对试剂管理的全面监控；浙江大学建立了覆盖实验室人员、物品、房间等数据信息的实验室安全管理系统；天津大学建立了包括仪器设备全生命周期管理、实验室全方位管理、实验室安全无缝管理、实验材料规范管理的资产与设备综合管理平台；国防科技大学开发了包含基础信息管理、实验教学管理、开放预约管理、示范中心基础数据管理、仪器设备管理和财务管理等6个功能模块集成为一体的实验室综合管理系统，我国信息化实验室建设仍处于发展阶段。

2 智慧实验室概述

2.1 传统实验室的现状

2.1.1 设备重复购置，利用率低。近年来，各高校在实验室建设方面的经费投入比例较高，据《2020年高等学校科技统计资料汇编》显示，2020年各类高校固定资产购置费占总拨入科技经费的15.99%。但高校在采购大型仪器设备时缺乏学校维度的统一规划，采购需求往往由教师个人、课题组或者学院提出，常出现不同学院重复购置同种大型仪器设备的情况，造成财政资金严重浪费。又因共享意识不强、共享管理措施不健全等，设备购置后往往仅被一部分师生使用，在完成科研任务后便束之高阁，进一步降低了利用率。

2.1.2 管理制度欠完善，安全隐患多。目前高校实验室大多沿用传统管理制度，日常管理及登记方式仍以手工记录为主，设备信息无法实时同步并记录。传统模式对维修、保养等信息反馈的滞后性，除了降低了设备使用体验外，更易引起实验室水电气甚至危化品泄漏等事故。在最为重要的安全方面，实验室日常安全卫生大多依赖师生自觉，安全防护工作难免出现疏漏，加之实验室出入人员复杂，极易引发实验室安全事故。

2.2 智慧实验室的内涵

智慧实验室目前没有统一的定义，国内研究者对于智慧实验室的内涵有不同的理解，周瑞[4]认为智慧实验室系统以开放式实验教学为目标，以基本实验管理流程为核心，包括实验课程预约、门禁控制与考勤管理、实验设备管理、学生上机管理、实验室综合监控等功能。系统构建采用服务器浏览器模式，突破了时间空间限制，实现了实验管理员、教师和学生之间互动的网络化开放管理平台。张凯[5]认为智慧实验室是以现代教育思想与理念为指导，以提高学生实践能力和创新能力为目标，将物联网、互联网、云计算、大数据、智能技术等新一代信息技术有机融合于实验室的管理和教学过程中，建设成具有全面感知物理环境、智能化管理与控制、教学过程可视化记录与评价、资源和信息互联共享、师生协作与互动一体化的实验室学习空间和“一站式”服务平台，实现实验室建设的进一步精细化动态化管理、全时空管理、全要素管理、全生命周期管理。颜婉茹[6]认为智慧实验室是以互联网+为基础，采用先进的信息化技术手段，结合实验室的软硬件管控设备，实现对实验教学、科研工作、实验室安全、学生创新创业活动、校企联合等全方位、多层次的实验室管理，从而实现各类信息的收集、传递、分享，实验物资的购买、存储和调用，废弃物的处理、监管和运输，实验室的安全监控、预警和防护等多方面的功能。

本文旨在依托物联网、5G、大数据等技术，结合学校现有实验室架构及信息化管理系统建设情况，建立以“硬件+软件”有效结合的、集多种智能化功能于一体的智慧实验室，不断加强实验室信息整合与同步共享能力，推进实验室信息化管理体系建设。

3 智慧实验室建设方案

3.1 总体结构

基于对学校建立的校级或院级信息化管理系统的梳理，设计并完善业务集成型智慧实验室，对实验室房屋、仪器设备、化学品等危险源、实验人员等重要环节开展智能化、可视化管理。搭建实验室基础信息数据库以实现信息汇总整合、综合管理、便捷查询及科学利用等功能。

图1 智慧实验室总体架构

3.2 智慧实验室子模块

3.2.1 智慧房屋管理模块。智慧房屋管理模块依托学校3D地图，可准确显示实验室分布状况及地理信息，实现房屋定位精准化管理。在此基础上，通过对接学校实验室开放预约与综合管理系统，同步实验室开放共享信息，师生可在此模块填写实验所需仪器，预约专用实验室，最大程度优化资源配置。同时，以“楼宇-房间”为单位，可以为指定楼宇和房间设置负责人、负责人信息以及相应地理位置信息。此外，基于分级管理措施，还可从模块一级界面向下逐级访问，进入房间层级，查看该房间内各模块采集的末端数据，如气体监测数值、化学品存量、仪器运行状态及房间内人流量情况。

3.2.2 智慧资产管理模块。智慧资产管理模块对接资产系统与大型仪器设备共享管理平台，可快速整合并及时同步实验室内各类资产设备的相关信息及状态，对大型仪器设备进行定位、终端管控及预约使用管理。在满足资产设备智能化管理的同时，显著提升了资产设备开放共享、在线盘点、更换维修等管理动作的效率。

资产管理分区具备查看资产类别、厂家、型号等信息的功能，实现了资产信息从入库、领用、调拨到报废的全生命周期管理。仪器共享分区通过与资产系统对接，提升了大型仪器设备录入的便捷性，再将分区与智能终端并轨，可自动统计机时，替代手动录入功能，确保录入信息的准确性、及时性。另外，基于LBS、GPS、蓝牙室内定位等技术，赋予了仪器设备的定位功能，可实时掌握位置信息。在报销端打通财务系统，需将拟共享设备信息录入大型仪器设备共享管理平台后方可进行财务报销，从财务数据维度分析共享比例，抓实共享举措。仪器共享分区可为校内外用户提供仪器设备预约、使用记录查询及测试费核销等操作；满足设备管理员实时监察设备状态、浏览使用记录、结算测试费用等需求；便于院级管理单位盘点其所辖设备的共享及使用情况等；协助校级管理单位以绩效考核单元为抓手，落实对仪器设备或二级单位的考核。

3.2.3 智慧人员管理模块。智慧人员管理模块具备建立实验室人员基础数据库功能，基于人脸识别、电子门票等设备，授予实验室人员准入及使用权限，实现人员准入智能化管理，避免因非实验室人员的进入造成安全隐患及事故。

该模块不仅与学校一卡通兼容，还能拓展人脸识别功能，两种识别方式均可获得电子门禁授权。门禁数据采集终端能主动判断用户认证信息及门禁权限并予以记录，系统管理员可远程监控实验室门禁状态，通过手机App等方式管理门禁或查阅出入记录。另外，该模块可提供特权卡授权功能，赋予管理员对指定实验场地的管理权限，便于实验室日常维护；当网络发生故障时，特权卡可夺取门禁最高管理权限，保护贵重仪器运行环境，保障实验室开放式管理安全。

3.2.4 智慧安全管理模块。通过安装气体监测、温度监测、湿度监测、视频监控等设备，对实验室环境及安全状况进行实时监测，当出现突发事件时，该模块可在第一时间将消息传递至管理人员手机端，提升应急处置效率。

人流监控摄像头可在视频监控系统中生成3D立体信息，在计数区域对检测到的行人进行智能跟踪，分析行人的行为趋势，独立统计进出和路过（未进入）人数，并基于行为模式算法过滤徘徊行为，避免重复计数，确保实验室人流数量监控的真实性。将化学品采购系统接入安全模块，可显示各实验室化学品存量、用量、采购量等信息。管理员可基于地理位置显示界面实时各监控实验室内气体安全状况，并于出现险情时，通过手机App和Web平台第一时间掌握实验室内危险气体的种类、浓度、房间视频监控情况以及实验室安全责任人的相关信息，便于追踪处理方案，评估处理效果。同时，安全管理员可依据系统提供的处理意见提示，全局协调安全风险的处理资源、部门和人员，缩短处理时间，降低处理风险。实验室管理员或课题组负责人可通过手机App和Web管理平台，查看实验室安全状态，历史报警记录和报警处理情况。亦可依据气体浓度设置分级报警、应急处理方案等提示，预留更多的响应提前量，以便及时发现并通知负责人排查安全隐患。

3.2.5 定制化管理模块。由于各学院的学科特色与教学科研需求不尽相同，除常规管理模块外，还可增设定制化管理模块，学院可依据其所辖实验室的实验种类与工艺，对实验室特有环节进行智能化管理。

4 结束语

伴随全球信息技术水平飞速提升，提高实验室信息化管理手段、推进建设实验室信息化管理体系已是大势所趋。本文通过建立实验室基础信息数据库，考虑房屋、资产、人员、环境等实验室基本要素，整合现有实验室相关信息系统，建成业务集成型智慧实验室。各个模块底层相互独立，顶层相互关联，即可服务于科研，又可为教学助力，未来还可对接教学管理系统，同步实验课程预约、考勤等信息。