多学科交叉学院实验室设备智慧管理模式探索

摘要：实验室设备的智慧管理对于教学、科研和学校的整体运行至关重要，基于物联网与多种技术的综合应用为改善实验室设备管理方式提供了新机遇。文章以院级实验室架构为基础，通过评估目前实验室设备管理的瓶颈和挑战，探索采用智慧管理技术优化设备安全、开放共享管理机制和降低设备运维成本的实现方式，为实验室管理部门改革管理模式，提升教学、科研质量提供必要的信息和决策指导。

关键词：实验室设备；物联网；智慧管理；安全；开放共享

中图分类号：G482 文献标志码：A

0 引言

目前，我国的实验室设备管理存在一些问题，包括：实验室设备管理缺乏智慧化和信息化，导致资源浪费和管理效率低下；实验室信息资源的共享和整合仍然面临挑战，导致信息孤岛的存在；实验室设备管理不善可能导致安全风险等［1］。物联网技术是一项基于互联网、传感器、识别技术、大数据、移动通信等多种技术的综合应用，可实现物体之间的连接和信息交换［2］。在实验室管理领域，物联网技术的应用具有巨大潜力，如今越来越多的研究机构和高校开始关注如何利用物联网技术改善实验室设备的管理。

近年来，我国在实验室设备智慧化管理方面取得了显著进展，一些研究聚焦于传感器技术的应用，通过安装各种传感器来监测设备的状态和环境条件，通过实时监测，管理者可以迅速发现问题并采取措施［3］。另一方面，一些研究侧重于实验室设备的远程监控和管理。这意味着设备管理者可以通过互联网远程访问设备的状态信息，执行远程诊断，甚至进行远程维护［4-5］。这种方法不仅提高了设备的使用效率，还降低了运维成本。此外，一些研究还探讨了如何利用云计算和大数据分析处理实验室设备生成的大量数据，以提取有价值的信息［6］。

一些研究将云平台与物联网控制系统相结合，促使大型仪器设备开放共享和开放式实验室管理模式发生显著改变。通过采用集中管理与智能调度的模式，优化资源配置，减少大型仪器设备的空置时间［7］。开放式实验室通过引入模块化设计和智能化管理系统，进一步提升了实验室的综合利用效率［8］。通过开设开放实验课程，鼓励学生进行自主实验和创新研究，不仅提高了学生的实验动手能力，还促进了校内实验资源共享与合作，推动了科学研究和教育的创新。

为了加快推动实验室设备管理模式变革，本文以学院实验室架构为基础，评估目前实验室设备管理中存在的瓶颈和挑战，探讨智慧管理技术的应用对提升设备开放共享度、优化设备安全管理模式、降低设备运维成本的益处，从而促进教学和科研质量的提升。学院实验室架构如图1所示。

1 实验室设备管理的瓶颈和挑战

南京医科大学生物医学工程与信息学院（以下简称“本学院”）学科和专业设置以医理工交叉为特色，实验室类别涵盖电子类、计算机类、生物类、化学类、机电类以及其他类，实验室30余间，设备3000多台，总价值2800多万元，实验设备具有种类多、分布广的特点。在多年的管理实践中，通过不断优化学院—学系/中心—实验室三级管理体系，制定适合学院特色的管理制度，使实验室设备得到一定的有效管理。但不同类型设备管理方式不同，如大型仪器设备更注重使用率、共享率、成果产出率等指标，而小型设备更关注设备位置、使用状态等信息。着眼于未来发展，智慧化管理将成为趋势，因此，理清现有管理模式下存在的瓶颈与挑战，对后续智慧管理方案的制定至关重要。

1.1 设备存在安全隐患

不同类别的实验室设备存在的安全隐患VMhGXkAH9lBeFI3+NjNXZQ==有所不同，这些差异不仅体现在设备本身的特性和使用条件上，还涉及与设备相关联的操作环境和安全标准。生物类和化学类实验室设备除关注设备本身外，因其与化学品的使用息息相关，还需侧重对整个实验室环境安全的监测。化学品的性质多变且具有潜在的危险性，因此，必须严格控制其存放位置、数量以及与其他物质的接触，以防止可能的化学反应或事故发生。

而电子类和机电类实验室设备则重点关注设备带来的激光、电、机械等安全隐患，这些设备通常需要对电流、电压和激光辐射进行严格控制，以确保实验人员和设备本身的安全。例如，高功率激光器在操作时可能会产生强烈的激光束，如果未经适当控制和安全防护，可能会对实验人员的眼睛造成严重损伤。

对于这些高精密仪器设备，其正常运行受环境温度、湿度、振动等因素的影响较大，缺乏实时监控容易导致设备损坏；实验人员对设备操作不当或不规范，也可能导致设备故障或安全事故，而传统管理模式难以及时发现和纠正这些问题。

1.2 设备开放共享管理困难

面对当前种类繁多、分布广泛的大型、小型实验室设备，其开放共享面临多重挑战，非智慧化的管理方式效率低下且容易出现疏漏。大型仪器设备在开放共享中存在诸多问题，首当其冲的是资源分配不均衡的挑战。由于缺乏实时监控和有效的预约系统，一些热门设备可能会被少数实验室长时间占用，而其他实验室则难以及时获得所需设备，导致资源利用不足和科研进度受阻的问题。这种不均衡不仅影响科研活动的公平性和效率，也可能导致实验室设备的闲置和资源的浪费。此外，大型仪器设备由于缺乏对设备使用情况的实时监控，还面临着设备维护风险增加、使用者技能不匹配、数据隐私保护和有效的管理机制等挑战。

而小型设备因其在不同实验室和使用者之间频繁流动，管理者难以准确追踪设备的具体位置和当前使用状态。缺乏有效的定位系统和管理流程，使得设备的使用状态和使用频率无法准确掌握，这不仅会导致设备丢失或长时间闲置，还可能造成资源浪费和教学科研工作的延误，进一步增加了管理难度。

1.3 设备维护成本高

实验室设备的维护通常依赖于定期的人工检查和记录，这不仅耗时费力，还难以保证维护的及时性和全面性。首先，由于设备种类繁多且技术复杂，传统的人工检查往往无法覆盖所有设备的每一个细节，特别是对于隐藏的潜在问题难以提前发现。例如，某些设备内部的机械部件或电子元件可能在使用过程中逐渐老化或磨损，但这些问题往往需要专业的设备和技术才能准确诊断和修复，而人工检查往往难以做到彻底和及时。其次，传统的维护模式往往是在设备出现故障后才进行维修，这不仅延误了设备的正常使用时间，也导致了维修成本的增加。此外，人工记录设备维护情况也存在诸多问题，包括记录的不全面、错误或遗漏等。这些错误和遗漏不仅会增加后续维护工作的难度和成本，还可能对设备的安全性和稳定性构成潜在威胁。最后，传统的维护方式也难以有效应对设备使用量大、工作环境恶劣等特殊情况下的维护需求。

2 实验室设备智慧管理技术及应用分析

实验室设备智慧管理通过整合现有设施，利用物联网、传感器、大数据和人工智能等关键技术支持实验室环境感知、设备监测和数据驱动决策，构建全方位、全周期的智能实验生态圈［9］，推动设备安全性的提高、开放共享度的提升以及运维成本的降低，使得教学、科研质量更高效、更智能地实现。多技术联用的实验室设备智慧管理技术如图2所示。

2.1 提高设备安全性

实验室整体环境的安全是确保实验室设备安全的前提，根据实验室类别及开展的实验种类，个性化制定消防方案，与门禁和监控摄像头一同构筑第一道安全屏障。个性化的消防方案应包括灭火器材的配置、逃生通道的设计以及应急演练的安排，以确保在发生火灾时，实验室人员能够迅速、安全地撤离。

关注实验设备的用电需求也是实验室安全管理的重要一环。不同实验设备对电源的要求各异，进行电力监测有助于确保实验设备的平稳、安全运行。通过安装电力监测设备，实时监控电压、电流和功率等参数，可以及时发现电力异常，避免设备因电力问题而损坏或发生安全事故。此外，电力监测系统还可以提供历史数据和趋势分析，帮助管理人员优化电力配置，提高能源利用效率。

对于精密且昂贵的大型设备，为了避免因运行异常而损坏或导致安全事故，必须对其运行状态和环境参数（如温度、湿度、震动等）进行实时监测。通过在这些设备上安装各种传感器，实时收集运行数据，设置多种报警机制，当参数超出设定的安全范围时，系统会自动发出报警信号，通知相关人员采取必要措施处理异常情况。实验室安全物联管理平台如图3所示。

例如，生物类实验室中的恒温箱如果温度异常，可能导致实验样品损坏，通过温度监控和报警功能，可以及时发现温度异常并进行调整，确保实验顺利进行。化学类实验室中，空气中的有害气体浓度超标可能威胁实验人员的安全，通过物联网系统的环境监测功能，可以实时监测空气质量，一旦有害气体浓度超标，系统会自动报警，确保实验室安全。

对于频繁在不同实验室和使用者之间流动的小型设备，传统管理方式难以有效跟踪。通过在每台设备上安装传感器和RFID标签，这些传感器可以收集设备的各种状态信息，如使用时间、环境条件和设备健康状况，RFID标签则能够定位设备所在位置。当设备被移动到新的位置或实验室时，Wi-Fi网络可以即时上传这些信息到中央管理平台。管理员可以通过物联网平台实时查看设备的具体位置和状态信息，不仅方便设备的查找和调度，还能对设备的使用情况进行监控，及时发现和解决潜在的问题，避免设备丢失或闲置。

通过使用先进的物联网技术协助建立完善的安全管理体系，可以大幅提升实验室的安全水平，确保设备的平稳运行和科研工作的顺利进行。这不仅能有效减少安全事故的发生，还能提高实验室资源的利用效率，为科研人员提供一个安全、高效的工作环境。

2.2 优化设备开放共享管理模式

设备的开放共享管理，可根据设备的价值和要达到的要求分为大型仪器设备和小型设备两类，利用物联网技术，这两类设备的管理目标和实现方式有所不同。对于大型仪器设备，开放共享的主要目标是优化科研资源利用和管理效率。首先，科研人员可以通过在线平台提交预约申请，系统会根据设备的实时可用性自动安排最佳使用时间，避免资源浪费和冲突。这样不仅提高了设备的利用率，也确保了不同科研团队在使用设备时不发生冲突。此外，设备配备实时监控系统可以随时监测设备状态，及时发现和解决潜在问题，确保设备长期稳定运行。

在数据安全方面，高级加密和权限控制机制可以保障科研数据的安全，防止未经授权的访问和数据泄露。同时，系统还应支持科研成果的共享和合作，促进不同团队之间的交流和协作。此外，还应有精确的计费管理系统，根据实际使用情况进行计费，确保资源的公平分配和合理使用。操作指南和技术支持也至关重要，从而确保用户能够正确使用设备，提高使用效率和设备寿命。

另一方面，小型设备共享管理旨在优化实验室设备的使用效率和资源配置，为鼓励科研人员使用，可以免去计费管理环节，但仍需保留预约申请、审核、设备使用管理。由于小型设备会存在实验室间流动，可利用RFID和传感器技术实现设备的实时监控与位置追踪，管理员随时掌握设备状态和位置，确保安全和有效利用。通过这些技术，设备的使用情况可以被实时记录，方便管理人员进行管理和调度。

通过对设备使用数据的分析，管理员可以了解实验室设备需求和使用趋势，判断哪些设备的需求高，哪些设备的需求低。对于高需求设备，考虑增加设备数量或延长使用时间，以满足教学科研的需要。而对于需求较低的设备，可以减少采购或进行设备共享，提高资源的利用效率。利用设备使用数据分析的结果进行合理的资源调配，实现实验室资源配置的更加优化和科学，为管理策略的调整提供决策依据。

此外，数据分析还可以揭示设备的使用频率、使用时间和使用者等信息，这些数据对于制订维护计划、优化设备配置具有重要参考价值。通过分析设备的使用频率，可以确定哪些设备需要更加频繁地维护和保养，哪些设备可以适当延长维护周期，从而节约维护成本，提高设备的使用寿命。

利用智慧管理模式和技术手段进行设备的开放共享管理，不仅可以提高大型仪器设备和小型设备的利用率，还可以实现实验室资源的优化配置，提升实验室的整体管理水平，促进科研和教学工作的顺利进行。

2.3 降低运维成本

建立运维知识库，将所有运维日志、设备故障案例、解决方案和维护指南等信息进行系统化整理和存储。运维知识库的关键功能包括信息存储与检索，通过系统化存储各类运维相关信息，管理员可以通过关键词快速检索相关案例和解决方案，从而极大地提高问题处理效率。知识库根据新录入的日志和案例不断更新和优化，形成一个不断完善的知识体系，确保知识库始终保持最新和最实用的状态。这种动态更新机制不仅能确保管理员掌握最新的维护技术和解决方案，还能积累宝贵的运维经验，提升整体管理水平。

在面对复杂问题或未知故障时，知识库提供类似案例和参考解决方案，辅助管理员做出科学高效的决策，减少故障排除时间和资源浪费。当仪器设备突然出现异常时，通过知识库检索到相似故障的处理记录和专家建议，管理员可以迅速判断问题所在，采取有效措施进行修复，避免设备长时间停机和影响科研进度。

建立数据分析平台同样至关重要，实施预防性维护，将物联网平台获取设备运行状态、历史数据和预警信息等数据进行分析，结合运维知识库制定科学的预防性维护计划。物联网设备的状态监测提供了实时数据，管理员可以根据这些数据制定维护计划，预测设备故障，及时采取措施，以最小的成本实现最大的设备效益。例如，某些设备在运行过程中可能会出现温度或振动异常，通过实时监控和数据分析，可以及时发现问题并进行处理，防止设备损坏和停机。

实时数据使管理员能够动态调整维护策略，通过分析设备的历史运行数据和当前状态，可以优化维护时间安排和方法，避免不必要的停机和维护，确保设备始终在最佳状态下运行。例如，某些设备在某些时段的使用频率较高，管理员可以根据数据分析结果，安排在使用低谷期进行维护，减少对科研工作的影响。

综合运维知识库和数据分析平台的优势，管理员可以优化维护时间安排和方法，减少设备停机时间。总之，建立运维知识库和数据分析平台是现代实验室设备管理的关键，通过系统化的知识管理和数据分析，可以显著提升设备管理效率和科研工作的连续性，为实验室提供可靠的技术支持和保障。

3 结语

实验室管理是高等教育事业中的关键环节，而现有管理方式存在一系列问题。物联网与多技术联用的应用为实验室管理带来了新的解决方案，提高了设备管理效率、安全性和资源利用率。为了最终实现学院实验室设备的智慧化管理，可在充分评估当前实验室设备种类、分布和使用情况的基础上，确定具体需求，先从关键设备和重点实验室入手，制定技术方案，逐步实施并推广到整个学院，同时加强对管理人员和使用者的培训，确保系统的有效运行和维护。

此外，需建立有效的反馈机制，及时收集和处理使用者在系统使用过程中遇到的问题和建议，不断优化和完善智慧管理系统。通过科学合理的规划和实施，实验室设备智慧管理模式将为实验室带来显著的管理效益，为教学科研提供坚实的支持。同时，这种管理模式也有助于学院实验室整体管理水平的提升，推动高等教育事业的持续发展和创新。

参考文献

［1］邓艳美，王文强，王红妹，等.高校实验室安全管理的现状及探索［J］.实验室科学，2023（2）：190-192.

［2］王鑫.基于物联网的实验室智慧化管理系统研究［J］.电子测试，2021（17）：86-87.

［3］史蓓蕾，张秀山，陈修亮.物联网技术在实验室安全管理中的应用［J］.实验室研究与探索，2019（3）：273-276.

［4］张尔喜，陈凤，朱峰，等.高校实验室效能管理系统构建与实践［J］.办公自动化，2023（15）：40-42.

［5］吴葛，尹仕.基于物联网的实验室综合管理系统建设与实践［J］.实验室研究与探索，2023（5）：168-172.

［6］吴青林，王焱.基于“云计算+物联网”的高校智慧实验室探索与实践［J］.实验室研究与探索，2024（2）：226-230.

［7］李全彬，李晓鹏，张林，等.大型科学仪器开放实验室资源汇聚模式研究［J］.江苏科技信息，2022（20）：40-42.

［8］李红双.新工科开放式创新实验室体系建设研究［J］.江苏科技信息，2022（18）：30-32.

［9］岳利可，梁兴雨.基于互联网技术的实验室智慧管理平台研究与构建［J］.实验室科学，2024（2）：193-196.

（编辑 何 琳编辑）

Exploration of intelligent management model for laboratory equipment

in multidisciplinary interdisciplinary academies

LI Xiuhan， ZHU Songsheng， WANG Chao， WANG Wei*

（School of Biomedical Engineering and Informatics， Nanjing Medical University， Nanjing 211166， China）

Abstract： Smart management of laboratory equipment is crucial for the overall operation of teaching， research， and school management. The comprehensive application of Internet of Things （IoT） and various technologies presents new opportunities to improve the management of laboratory equipment. Based on the architecture of departmental-level laboratories， evaluates current bottlenecks and challenges in equipment management， this paper explores the implementation of smart management technologies to optimize equipment safety， facilitate open sharing management mechanisms， and reduce operational costs. These efforts aim to reform management practices within laboratory departments， providing necessary information and decision-making guidance to enhance the quality of teaching and research.

Key words： laboratory equipment; Internet of Things （IoT）; intelligent management; safety; open sharing

基金项目：南京医科大学2023年度教育研究课题；项目名称：基于物联网的医工交叉实验室设备智慧管理可行性探索；项目编号：2023LX042。教育部产学合作协同育人项目；项目名称：生物医学工程专业数字医疗实践教育改革探索；项目编号：230902636285205。南京医科大学2023年度教育研究课题；项目名称：“三边实践”教学方法在医学成像原理课程自主学习模块中的应用研究；项目编号：2023ZC022。

作者简介：李修寒（1994— ），男，实验师，硕士；研究方向：医学电子与医学图像处理。

通信作者：王伟（1980— ），男，高级实验师，博士；研究方向：医疗仪器与医学图像处理。