智慧实验室标准体系建设探究

刘毅 丁然

关键词：智慧实验室，标准化，物联网，体系，安全

0 引言

实验室在高校肩负着科学研究和人才培养的重要作用，在企业则是产品研发和质量检验的关键部门，实验室建设是科学技术发展的重要组成部分。传统实验室资源共享率较低，大部分仍是人工操作记录，实验用仪器设备及用品无法做到实时监管。随着物联网技术的发展，设备间的感知与互联得以实现，互联网技术推动了智慧实验室的诞生。目前智慧实验室仍处于探索阶段，各项技术的发展相对独立，无法实现复用与共享。智慧实验室建设应着眼于标准先行，在充分利用新技术的基础上，做好自上而下的顶层设计和规划。建立智慧实验室的标准体系，将有助于智慧实验室向智能化、开放化、规范化、安全化方向发展。

1 智慧实验室建设的现状

1.1 背景

智慧概念最早源自I BM公司提出的“智慧地球”，充分发挥现代信息技术优势，在各行各业实现物联化、互联化、智能化，全球的医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝和油气管道，通过嵌入感应器与互联网形成“物联网”，运用超级计算机和云计算技术，提升全球的“智慧水平”，形成智能互联的“智慧地球”[1]。智慧城市、智慧交通、智慧医疗等概念都来自于此，智慧实验室同样也是运用了物联网技术，实现仪器设备的智能感知，再通过互联网技术实现智慧化管理和应用，如实时监控实验室温湿度、空气质量等环境情况，实时获取实验数据并对数据进行对比分析，实时监控仪器设备运行情况，管理实验用品损耗等。

1.2 智慧实验室建设存在的问题

（1）资源共享率较低。根据学科独立建设的实验室，在智慧升级过程中仍未能对实验室之间的资源进行整合，缺乏合理的共享利用，造成资源浪费；实验数据相对独立存储，未能实现数据共享交换，实验数据缺乏统一管理和大数据分析。

（2）缺乏有效运维监管。对设备仪器、实验室环境缺少实时监控，设备使用、运行、损耗大多还是人工管理，不能实现智能化运维。

（3）安全管理问题突出。设备运行安全、实验操作安全等问题还不能进行智能化的安全监控和预警。物联网与互联网技术实现实验室智能感知和实验数据的实时获取共享的同时，信息传递可靠性等问题也同样需要引起重视。

1.3 现有标准情况

目前国内外智慧实验室相关领域的标准制定仍处于研究阶段，其中美国材料测试学会计算机分会制定了《实验室信息管理系统指南》《实验室信息管理系统的鉴定标准导则》[2]，提出了实验室管理信息化方面的指导性文件。全国实验室仪器及设备标准化技术委员会（SAC/TC 526）成立于2011年，主要致力于实验室仪器与装置领域的标准制定与修订工作。该委员会于2018年在智能实验室仪器设备方面开展国家标准制订计划，包括《智能实验室信息管理系统 功能要求》《智能实验室 仪器设备气候、环境试验设备的数据接口》《智能实验室 仪器设备 通信要求》《智能实验室 微生物质谱鉴定平台》等，截至2023年上半年，以上标准已发布。

现有实验室标准大部分是在仪器、检测及检测安全方面的标准，还没有形成可参照的，规范行业发展的标准体系框架，尤其是在实现设备感知互联，人机交互等功能中，还缺少不同传输协议间的规范与接口，以及与智慧实验室建设相关的信息系统、信息安全等方面的标准。

2 智慧实验室标准体系框架

2.1 标准体系初探

标准的缺失将影响整个领域在规则上的统一，无法实现智慧实验室在管理、技术和应用等层面的协同共享，而标准化工作正是对一定范围内获得最佳秩序和社会效益的活动[3]。智慧实验室需要制定哪些标准，這就需要根据技术发展、规划和共性需求来建立标准的集合即标准体系。标准体系是一定范围内的标准按其内在联系形成的科学有机整体[3]，是自上而下的标准规划。本文借鉴逐渐成熟的智慧城市标准体系框架，重点关注智慧实验室中发挥重要作用的关键因素，即设备、网络、人员，从技术、管理、安全三个维度构建标准体系，对目前还没有成型的智慧实验室标准体系建设提供参考。

2.2 新技术在智慧实验室领域的应用

2.2.1 环境感知技术应用

环境感知技术作为物联网领域新技术的核心发展方向，实验室成为重要的应用场景之一。

基于传感器的环境感知技术，如红外线感知、声学感知、光照感知等，通过传感器实现对实验室环境进行实施监测数据的记录，包括温度、湿度、气压、空气质量、振动、噪声，还可以对实验器具、实验样品、实验人员穿戴设备等进行监测和记录，以确保实验环境的稳定和安全。

基于图像识别的环境感知技术，利用搭建的摄像头视频设备，多角度捕捉实验室内部的实验设备、人员及实验过程和结果，来感知实验状态，利用视觉识别算法对图像进行分析，实现实验过程的自动化监测和实验结果的智能分析。

此外还有基于生物技术的环境感知技术，利用生物分子对环境中的物理、化学和生物参数进行感知和检测。新的环境感知技术的应用提高了数据准确度和精度，通过传感器网络实现实时获取和响应，进一步提升监测的可靠性。

2.2.2 短距离通信技术应用

RFID（无线射频识别）技术，一种非接触式自动识别技术，它利用射频信号实现对静止或移动物品的自动识别。仅需要在物品上标记电子标签，阅读器即可读取物品信息，实现对物品的追踪和管理，扫描识别快捷，精准度和安全性较高。

NFC（近场通信）技术，一种短距离高频无线电技术，可以在10厘米内实现设备间的快速数据传输。与RFID相比，NFC传输速度更快，可实现设备间双向主动对接和数据传输。在实验室领域主要用于样品识别、身份认证和门禁管理。

ZigBee（紫峰）技术，一种基于IEEE 802.15.4标准的短距离、低功耗、构建简单的无线通信技术。用于无线传感器等电子设备的组网，实现对实验室环境数据的连接和监控，具有低成本、高可靠性的特点。

新技术在实验室领域的广泛应用，提升了实验室的自动化和智能化水平，提高了实验的效率、准确性和安全性。如何实现新技术的兼容和互联互通，更好地为实验室智慧化提供技术支撑，建立标准化体系则是长期有效的途径。

2.3 标准体系参考模型

根据现有物联网技术及建设模型[4]和新技术的应用，参考智慧实验室的相关研究和标准[5-6]，本文从技术角度给出了一种较为完善可行的智慧实验室建设模型，模型分为感知层、网络传输层、支撑层、应用层四个层次。智慧实验室建设模型见图1。

（1）感知层。通过RFID射频技术等无线短距离通信技术，传感器、摄像头等感知设备，来获取实验室中环境、人员、仪器设备的实时数据。

（2）网络传输层。感知层获取的数据通过有线、无线网络，利用Int er net、W I F I、移动通信（4G/5G）、蓝牙、卫星通信，自组网无线传感器网络等网络技术，将数据建立网络连接，实现各个节点视频、音频、环境参数、实验参数等数据信息的互联互通。

（3）支撑层。利用云计算、大数据技术建立数据管理中心，对获取的数据信息进行交换整合，对不同协议间建立接口实现数据互联，通过大数据实现数据对比分析、安全预警等。

（3）应用层。应用层分为管理端、实验端、安全端。管理方面包括流程、课程、人员、设备和环境的管理；实验端是对实验的过程管理，包括作业、数据、用品、环境、远程实验等；安全端包括环境安全监控和预警，数据网络安全监控及实验事故响应等。

2.4 智慧实验室标准体系框架

在智慧实验室建设技术模型基础上，参照智慧城市标准体系框架[7]、实验室相关标准、信息安全相关标准，建立形成智慧实验室标准体系框架，包括基础共性标准、技术标准、应用管理标准、安全标准四个方面，如图2所示。

（1）基础共性标准是智慧实验室基础标准的集合，是智慧实验室在建设、研制、管理等方面的基本要求和指导性文件，包括术语与定义、体系结构和参考模型、评价方法與指标。

（2）技术标准包括智慧实验室感知层、网络传输层、支撑层在智能感知、信息互联、数据支撑方面的技术标准集合，是建立智慧实验室所依托的技术基础，指导规范信息采集、传输、共享和反馈，实现资源的综合利用，包括物联感知、网络传输、数据存储与处理、数据接口。

（3）应用管理标准。智慧实验室应用层相关标准，指导智慧实验室应用系统开发与维护，保障信息系统在功能、性能、架构、技术等方面具备先进性和可扩展性，另外在人员、设备、实验环境等维度的管理进行规范，包括信息系统、人员管理、设备管理和实验管理。

（4）安全标准涉及安全管理和安全技术两大方面，实现在物理环境、运行环境、网络环境和数据环境等全方位的智慧安全监管和预警机制，包括环境安全、设备安全、系统安全、网络安全和数据安全。

3 结语

综上所述，智慧实验室是科研的前沿阵地，智能感知、深度融合、共享安全将是发展趋势，按照标准先行的理念，构建规范的标准体系将有助于解决智慧实验室所面临的问题。下一步参照标准体系所包含的范围，组织科研单位对智慧实验室相关标准开展研究，提出标准项目立项工作，通过标准的制定、实施和应用，促进技术融合、完善标准体系，服务于智慧实验室的建设和发展。