高校计算机实验室智能开放管理中的探索与应用

2023-01-07陈畅频

信息记录材料 2022年11期

刘洁，陈畅频

（广州大学实验中心广东广州 510006)

0 引言

实验室承担着高校实践教学、人才培养、创新活动和科学研究等重要任务[1-3]。在“新工科”“双一流”和“高水平”大学的建设的背景下，学校对实验室投入不断增加，服务的实验室的师生人数显著增加，创新开放要求也在迅速提高，但政策导向下实验技术新进人员却越来越少，人员萎缩结构不合理，对传统的实验室开放管理提出了巨大挑战。大数据的广泛应用给提升实验室开放管理提供了新的方向，探索以数据驱动的基于物联网、云计算等新兴技术为基础的精准化开放管理模式势必成为一种必然[4]。

1 传统计算机实验室开放管理现状

传统的计算机实验室开放管理主要存在以下问题：

（1）实验开放管理手段落后，实验室专职人员日益减少。学校在基础实验室的经费投入少，基本都在更新计算机、云桌面节点等设备和购买正版软件上，实验室管理的智能化手段投入较少，很多工作仍然是人工完成，经验为主。政策导向下，新进实验专职技术人员数量少，甚至停止招聘专职人员，虽然原有人员陆续退休，实验室人员结构日趋不合理[1]。

（2）工作任务繁重，开放需求日益增多。计算机实验室除了承担大量实验教学和实训任务，还要承担各种无纸化考试、各类培训、上机开放、会议、教学评估、检查参观等活动，人员流动大[2]。除此之外，还有各种表格核对、计算和统计工作。同时，越来越多的学科竞赛、创新及创业等科技活动需要场地支持和教师提供现场指导，实验室受到广大老师和学生的青睐，但实验室开放需求时间长，除工作日外，周末、节假日和寒暑假也有大量开放需求。总体工作量大幅度增大.

（3）课后实验室安全得不到保障。实验室安全管理上基础设施差、经费投入少，虽然有门禁系统但缺乏智能管理。而实验室开放需求主要集中在课后，管理人员过少且大部分开放需求都在下班后，存在很长时间的无人值守问题，而学生缺乏组织性纪律性给实验室安全带来很大威胁。因此，对学生创新活动及教师科研活动的支持虽然抱有强烈的意愿，但客观条件却只能使少数学生和教师受益。

总之，目前实验室开放的需求过多，而实验技术专职人员较少，管理的技术手段相对落后[3]，安全难以得到保障，这是开放过程中遇到的最为棘手的几个问题。探索新技术解决开放中的问题是实验室开放的必由之路。

2 建设以数据为驱动的实验室开放智能管理平台

传统的以人工为主的实验室管理理念和管理手段已无法适应现阶段实验室开放的需求。利用传感器、无线传输、云计算等将现代信息技术与物联网技术结合起来的实验室智能管控方案可改变实验室技术人员的管理方式，实现远程可视化与远程可控化，提升实验室开放管理效率。

为此，结合物联网建设实验室开放智能管理平台，采用浏览器－移动端-Web 服务器架构，三者通过Http 协议进行通信。根据用户需求，实验室智能开放管理平台应包含实验室信息维护、设备巡检、门禁预约、智能考勤、智能监控、能耗管理等功能模块。平台整体框架分为感知层、网络构建层、数据访问层、业务逻辑层、表现层。

2.1 感知层

感知层是整个平台的硬件基础，是信息采集的关键部分，是物理世界和信息世界融合的重要一环。我校在高水平建设实验室改造项目中已对实验室的基础设施进行了改造，包括综合布线系统、智能空调、智能监控、智能门禁系统、智能电气控制、各类传感器，并为开放实验室加装了开关及闭门器。这为建设实验室开放智能管理平台提供了良好的基础环境。随后，利用传感器技术、二维码技术、蓝牙技术以及ZigBee 技术等对设备的开关状态、功率数据、运行温度、电压、电流、视频、人脸特征等信息进行采集[4]。

2.2 网络构建层

网络构建层相当于平台的神经系统，完成信息的传递，在整个开放平台中负责向上层感知信息并向下层传输命令，实现物与物、人与物之间的通信。该层综合应用各种网络技术如有线网络、无线网、4G、蓝牙、红外等将实验室内的各种仪器、设备、传感器、人进行互联，利用感知层收集到的信息安全可靠地传输到数据层，实现信息资源的快速共享，然后根据不同的应用需求进行处理，实现对实验室各种信息的有效感知及有效控制[5]。

2.3 数据层

数据层主要实现对数据的增加、删除、修改、查询。开放管理平台的数据来源主要有两个，一个来自刷卡器、各种监控、传感器、教学过程等来自感知层采集的数据，这些数据类型不一，对于这些非关系型数据还要进行转换、整合、分析和储存，才能为业务逻辑层各种应用提供数据支撑。另一部分数据如教务、学生、设备信息等关系型数据采用与校内系统对接获得，少部分需要手工录入或者导入。如教学信息需要与学校教务系统对接，一旦课表变动就会触发平台的课表信息改变，学生信息需要与学生管理信息系统对接，门禁刷卡需要与校园网一卡通系统对接，在系统中为一卡通进行门禁授权。

2.4 业务逻辑层

业务逻辑层是整个平台的核心，在接收到用户在表现层发出的指令后，对具体问题进行逻辑判断与执行操作。在这个过程中，会连接数据层提取数据。在感知层、网络构建层和数据层利用物联网技术实现对人和物的行为数据和管理信息的采集和存储后，业务逻辑层会根据用户指令和既定策略实现各种智能终端对实验室内设备传感器的远程控制，为人和物建立直接联系。

2.5 表现层

表现层是学生、教师及实验室专职人员直接基础的平台界面，主要采用Web 浏览器或者移动APP 为媒介。该层主要实现系统数据的输入和输出，包含对实验室内各种可控设备的控制。

3 以数据为驱动实现资源整合，推动实验室智能化开放管理

3.1 以技术为保障，健全实验室开放管理办法

实验室开放是实验室发展的大方向，是实验教学改革的必然趋势，但阻碍实验室开放的最大问题就是实验室安全。在推行现代化管理手段的同时，也要量化实验室安全的准入制度，建立实验室安全教育培训。进入实验室学习实践必须实行登记制，学生需要签订安全承诺书，提升学生的责任意识，构建实验专职人员与教师相结合的指导老师队伍，以弥补开放过程中缺乏管理的问题。

另外，开放管理办法也需要依靠开放管理平台来辅助执行。学生通过人脸或者一卡通自行开门，方便学生自由进出，而平台保存每次实验室的开合记录，可以对实验室的使用做到有据可查。实验室内部安装了智能视频监控，为学生个人安全、个人资产和实验室资产的安全保驾护航。实验室专职管理人员可以通过手机、PC、平板进行实时动态查看和回放。平台对抓拍到的人员行为会进行智能分析，并对异常行为预警。实验室内安装了温度、湿度、二氧化碳等多种传感器，可以对实验室内的环境进行监测，若发生异常，会自动向实验专职技术人员预警。

3.2 采用智能化技术加持实验室开放管理

实验室开放预约为学生自主学习提供了广阔的平台，提高了学生实践的主动性和创造性。开放管理平台的设计要基于数据的视角开展顶层设计，收集整合实验开放产生的各种数据，从中提取出有价值的信息，从而进一步推动实验教学改革、科研活动及学生创新。平台包含实验室信息维护、设备巡检、门禁预约、智能考勤、智能监控、能耗管理等功能模块。

实验室信息维护是智能化管理平台的信息基础。其包含了实验室基本信息、设备信息、人员信息、教务信息，实现这些信息的录入、同步、编辑和删除。实验室信息包含单个实验室的具体信息，如实验室名称、地理位置、负责人、基本描述及该实验室的设备。在实验室基本信息子模块，管理员可以添加、编辑、删除实验室的信息，还可以设置实验室布局，将设备绑定到该实验室。设备信息子模块则用于设备的导入、录入、编辑、迁移和删除。系统为每个录入的设备分配一个唯一的设备编号和二维码，方便手机查询信息，对于可控制的设备可以通过手机扫描二维码控制设备开合、取电、报修。管理员可以在线查看设备的在线情况，了解设备运行问题，根据设置条件统计设备使用情况，为实验室管理提供数据，有效提升设备管理效率，更好预测设备生命周期。人员信息根据用户权限分为超级管理员、楼栋管理员、楼层管理员、实验室管理员、教师、学生等角色。学生的基本信息与学生管理信息系统同步。每个角色都不同的权限，每个用户可以赋予不同的一个或多个角色。用户可以通过网页和移动端访问管理系统。用户的信息是某级别管理员后台导入或录入的，然后管理员根据需要赋予新用户对应角色的权限。教务信息是实验室开放的重要信息，实验室预约开放安排在课后，不能与上课冲突，所以教务信息的正确性尤为重要。教务信息包含每间实验室的课表信息、学生信息、教师信息。教务信息由教务系统的数据直接同步，课程调整后自动触发教务信息更新，教学信息更新会同步反映到电子班牌上。

设备巡检依据学校《仪器设备管理办法》有关规定，利用各种传感器及网络对实验室的使用情况和设备的运行情况等进行周期监管和检查，实现自动化巡检。目前只有少部分仪器设备能完成自动巡检，大部分还需要人工检查设备状态是否正常、是否存在故障隐患、标志是否正确。

门禁预约是开放管理平台中一个重要的功能。学生或教师根据空闲时间选择需要预约的空闲实验室，录入个人信息、预约项目名称、预约起止时间提交申请，并填写开放承诺书，等待管理员审核。管理员在接到系统推送的预约审核，可以同意审核或者驳回审核，在同意审核后触发门禁权限，默认门禁权限是长期有效，管理员根据需要灵活调整门禁权限。管理者可在指定时间段内针对特定实验室设置不同门禁的开闭规则，保障空间、资产的安全。门禁预约使用动态授权方式，即在既定的时间内，学生可以刷卡进入，并且取电使用实验室，在其他非预约时间无法进入实验室，就算是通过其他途径进入了实验室，由于电源控制技术，也无法使用实验室的设备和环境。管理员也可通过PC、平板、手机对系统进行访问，了解门禁的开/闭、运行状态或对门禁进行远程控制[6]。

智能考勤和智能监控功能主要是为了实现实验技术管理人员下班后对学生开放进行全过程和全方位的监控。智能考勤根据学生和教师的预约、实验室分配及与门禁系统联动、数据采集、自主考勤，通过人脸识别摄像头，通过AI 人脸识别算法，实现对开放学生的抓拍和分析，形成考勤记录，提升开放管理效率和信息化水平。智能监控依赖于网络技术、视频传输、人工智能等技术对实验室内安装的监控设备进行集中化、规范化的管理和控制，对摄像头抓拍到的可疑行为进行智能分析，有各种传感器采集的烟雾、湿度、温度、光感等环境信息进行分析预警，突破空间的限制。

能耗管理根据开放预约申请及门禁刷卡信息同步设置空调、灯光开启/关闭时间，通过定时控制，避免实验室人走、不关灯、不关电、不关空调等不安全及浪费情况，减少安全隐患提高能源效率。同时，能耗管理中的数据统计可实时分析设备利用情况，为实验技术人员在设备购置的各项决策中提供数据支持。

3.3 调整优化实验室布局

对实验室格局进行区域性划分，营造智慧化及特色鲜明的开放环境。顺应信息技术发展，依据学生开放预约所需要的设备配置除计算机外的大量其他设备如焊枪、示波器、智能家居套件、无人机、机器人、3D 打印机、亚克力切割机、比赛赛道等，建设物联网、智能家居、移动互联、人工智能等多个开放实验室。每个实验室分别建立实践及讨论区域，形成形式多元化的具有创造性的开放场景，为学生教师提供创新实训科研集一体的开放场所。

3.4 依托平台，助力实验室开放管理

我校计算机实验室分布在两个校区，通过实验室智能化开放管理平台可以实现集中管理，分开控制。开放实验室中部署了物联网智能网关和电器控制系统，可对实验室电源插座、空调、灯光、烟雾进行开闭的智能控制，具有火灾和盗窃的检测和报警系统，为实验室安全开放提供技术保障。实验室智能化开放管理平台将部分简单且无技术含量的工作自动化，让实验技术管理人员有更多的时间和精力放在管理及创新实验上。通过平台的数据统计功能，减少由手工统计带来的误差。利用数据可以实时分析设备利用情况，减少人员压力，为实验技术人员在设备购置的各项决策中提供数据支持，避免浪费。平台可以对实验室开放管理可视化分析，并对问题进行预警（如图1所示），展示实验室实时数据、能耗分析，并对有问题的设备预警。