高校科研實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉建軍, 陳玲玲, 高雁鳳, 徐海順

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018；2. 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 理學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

高校科研實(shí)驗(yàn)室是高校開展科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的重要場(chǎng)所,但同時(shí)也是事故高發(fā)之地[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),高校科研實(shí)驗(yàn)室發(fā)生事故的概率是工廠實(shí)驗(yàn)室的100倍。因此高校科研實(shí)驗(yàn)室的安全管理歷來是高校安全工作的重中之重[2-4]。近年來,隨著國(guó)家對(duì)于高校科研的投入不斷增加,尤其是以各種人才引進(jìn)計(jì)劃為契機(jī)的配套科研實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的不斷投入,高校科研實(shí)驗(yàn)室發(fā)生了日新月異的變化:科研實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地越來越多,設(shè)備越來越先進(jìn),研究?jī)?nèi)容所涉及的學(xué)科也越來越繁雜；學(xué)科交叉使實(shí)驗(yàn)人員的背景不再局限于某一學(xué)科或某一學(xué)院；新方法和新工藝的研究使大量非化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開始出現(xiàn)各類化學(xué)品；開放實(shí)驗(yàn)室觀念引入后,本科生也進(jìn)入到科研實(shí)驗(yàn)室中[5]。這些都給高校科研實(shí)驗(yàn)室的安全管理帶來了新的挑戰(zhàn),尤其是在門禁管理和化學(xué)品庫(kù)存管理2個(gè)方面。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于Web和數(shù)據(jù)庫(kù)的高校科研實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)由門禁管理系統(tǒng)和化學(xué)品庫(kù)存管理系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)的使用將減輕科研實(shí)驗(yàn)室安全管理壓力,逐漸培養(yǎng)師生的安全意識(shí),從而提升實(shí)驗(yàn)室的安全管理水平。

1 實(shí)驗(yàn)室及其管理現(xiàn)狀

我校太赫茲實(shí)驗(yàn)室最初為浙江省重中之重實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目,經(jīng)過近10年的不斷建設(shè),目前有實(shí)驗(yàn)用房10間,內(nèi)部存放有40萬元以上的大型設(shè)備5臺(tái),10萬元以上的設(shè)備11臺(tái),另外還有大批常規(guī)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室吸引了來自機(jī)電學(xué)院、光電學(xué)院、信息學(xué)院和理學(xué)院的15名教師參與,并維持40～50人的研究生培養(yǎng)規(guī)模。因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的門禁管理工作比較繁雜,采用鑰匙分發(fā)的傳統(tǒng)門禁管理模式,已經(jīng)難以勝任實(shí)驗(yàn)室的安全保障。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科學(xué)研究因涉及到各種微加工技術(shù)和光譜測(cè)試技術(shù),難免要使用化學(xué)品。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存放有化學(xué)品、藥品260余瓶/件。由于我實(shí)驗(yàn)室并非專業(yè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,而使用人員又來自不同學(xué)院,因此在傳統(tǒng)紙質(zhì)登記管理模式下,化學(xué)品的使用存在重復(fù)采購(gòu)、位置不明、漏缺記錄等一系列問題。這些問題不僅使庫(kù)存管理效率低下,引發(fā)繁重的盤庫(kù)工作,更重要的是會(huì)產(chǎn)生一系列的安全隱患。鑒于此,實(shí)驗(yàn)室需要一款綜合性的科研實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng),能夠消除手工鑰匙分發(fā)和化學(xué)品紙質(zhì)登記管理所帶來的各種安全隱患,提升實(shí)驗(yàn)室安全管理水平。

2 實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

門禁管理是實(shí)驗(yàn)室管理的基本工作,是守護(hù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全,降低實(shí)驗(yàn)室安全隱患的基本手段。各高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室門禁管理已經(jīng)普遍使用獨(dú)立門禁模式取代了傳統(tǒng)的鑰匙分發(fā)模式,并逐漸開始向網(wǎng)絡(luò)門禁模式過渡[6-8]。但是科研實(shí)驗(yàn)室的使用不像教學(xué)實(shí)驗(yàn)室那樣有規(guī)律,使用人往往隨機(jī)多次進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室,每個(gè)使用人,特別是學(xué)生的權(quán)限也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。因此由學(xué)校統(tǒng)一開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)并不適用于科研實(shí)驗(yàn)室。科研實(shí)驗(yàn)室一般由各研究團(tuán)隊(duì)自行管理,每個(gè)研究團(tuán)隊(duì)所涉及的房間相對(duì)較少且會(huì)發(fā)生變動(dòng),這導(dǎo)致適用于科研實(shí)驗(yàn)室的小型網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本相對(duì)較高。因此高校科研實(shí)驗(yàn)室普遍使用獨(dú)立門禁模式,甚至是鑰匙分發(fā)模式。獨(dú)立門禁只能現(xiàn)場(chǎng)更改權(quán)限,多數(shù)不能保存通行記錄,無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更改權(quán)限和查看出入記錄。

為了解決這一問題,本文設(shè)計(jì)了一款以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的小型低成本門禁系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由服務(wù)器、RS-485通信電纜、讀卡器、繼電器和電子門鎖組成。

圖1 門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的中心,負(fù)責(zé)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、巡檢程序和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)3個(gè)程序。數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)的核心,人員信息、門禁授權(quán)信息和歷史通行記錄都放置在數(shù)據(jù)庫(kù)的不同表中。巡檢程序負(fù)責(zé)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。由于科研實(shí)驗(yàn)室存在較大概率的變動(dòng),安裝在門上的終端設(shè)備需要經(jīng)濟(jì)耐用且便于裝拆,因此本文直接選用具備RS485通信功能的讀卡器和繼電器組成門禁終端,而沒有采用商用的門禁控制器。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的巡檢程序通過串口依次檢查各讀卡器是否存在刷卡信息,然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄判斷是否觸發(fā)相應(yīng)的繼電器吸合以打開門鎖。互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)所提供的網(wǎng)頁則用于人員和數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)的瀏覽器,管理員可以維護(hù)和查看數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室門禁權(quán)限和通行記錄的實(shí)時(shí)操作。實(shí)驗(yàn)室其他人員則能查看自己的門禁權(quán)限,并根據(jù)實(shí)際需求向管理員申請(qǐng)開放相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室權(quán)限。

2.2 化學(xué)品管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

化學(xué)品的安全管理是實(shí)驗(yàn)室安全管理中最為繁瑣的內(nèi)容,也是高校實(shí)驗(yàn)室安全管理中的重點(diǎn)。各高校都很重視實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品的安全管理,并已經(jīng)由最初的管理制度和評(píng)價(jià)體系的建立[9]逐漸過渡到化學(xué)品數(shù)字化管理系統(tǒng)的建設(shè)和使用[10-12]。這些管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從審批、采購(gòu)到廢棄的一體化管理,但是卻沒有深入到科研實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部。這是由于各科研實(shí)驗(yàn)室的具體情況千差萬別,從學(xué)校層面難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的使用記錄和存放位置的細(xì)化管理,而且各科研實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)品庫(kù)存規(guī)模并沒達(dá)到需要使用商品化學(xué)品庫(kù)存管理軟件的程度,因此多數(shù)實(shí)驗(yàn)室依然采用紙質(zhì)登記管理模式。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的小型實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品庫(kù)存管理系統(tǒng),以取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)登記管理。本系統(tǒng)主要涉及到學(xué)校層次管理系統(tǒng)無法細(xì)化的，諸如化學(xué)品的庫(kù)存位置、使用記錄、理化特性和安全信息等與具體使用操作有關(guān)的內(nèi)容。系統(tǒng)由入庫(kù)登記、查找、使用記錄、盤銷庫(kù)4個(gè)功能組成。管理員具備入庫(kù)登記、盤庫(kù)和銷庫(kù)的權(quán)限。入庫(kù)登記中需要明確記錄每瓶/件化學(xué)品的名稱、入庫(kù)量、入庫(kù)毛重、存放位置、安全信息和責(zé)任人等信息。入庫(kù)后系統(tǒng)自動(dòng)生成此瓶/件化學(xué)品的ID號(hào),標(biāo)記于瓶身,以便于查找。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了入庫(kù)量和入庫(kù)時(shí)的毛重,每次盤庫(kù)時(shí)只需輸入盤庫(kù)時(shí)的毛重,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出化學(xué)品的剩余量,從而完成盤庫(kù)。若余量為零,即可對(duì)此化學(xué)品進(jìn)行銷庫(kù)。銷庫(kù)之后不能查找到此化學(xué)品,但并不刪除其使用記錄。為方便化學(xué)品的分類存放和查找,設(shè)計(jì)使用周轉(zhuǎn)箱將倉(cāng)庫(kù)各柜分為若干小空間,并標(biāo)記成不同的庫(kù)位。為了便于使用人查找化學(xué)品,系統(tǒng)支持中英文名以及別名的模糊查詢。系統(tǒng)以列表形式給出庫(kù)存中匹配的化學(xué)品,使用人選取后根據(jù)顯示的庫(kù)位和ID號(hào)獲取化學(xué)品,并在使用完畢后填寫使用劑量和目的以完成使用。在使用人獲取化學(xué)品庫(kù)位和ID號(hào)的同時(shí),若是危險(xiǎn)化學(xué)品,使用人還會(huì)獲取此化學(xué)品所涉及的危害和防護(hù)要點(diǎn),以提示使用人加強(qiáng)防范。

2.3 化學(xué)品管理和門禁系統(tǒng)的結(jié)合

化學(xué)品的使用記錄管理是一項(xiàng)繁瑣、但又非常容易疏忽的工作,日常使用過程中極易發(fā)生操作者漏填、亂填的情況。雖然在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前,使用人都經(jīng)過安全教育和操作培訓(xùn),但由于新人尚未養(yǎng)成安全操作習(xí)慣,個(gè)別安全意識(shí)不強(qiáng)的使用人甚至?xí)阂膺`反安全制度,使用記錄漏填、亂填的現(xiàn)象難以避免。這給管理工作,尤其是盤庫(kù)工作帶來了極大的困擾,也給實(shí)驗(yàn)室?guī)砹藰O大的安全隱患,因此需要具備可追溯的安全監(jiān)督方法來及時(shí)糾正錯(cuò)誤的化學(xué)品使用記錄行為。

雖然視頻監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的全紀(jì)錄,但視頻查看耗費(fèi)大量的時(shí)間,且很難實(shí)現(xiàn)記錄內(nèi)容的比對(duì),因此視頻監(jiān)控一般僅僅用于危化品等重點(diǎn)監(jiān)管化學(xué)品的管理。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),為每瓶化學(xué)品粘貼電子標(biāo)簽[13],或者為每個(gè)庫(kù)位增加電子天平等終端設(shè)備[14],可以精確地實(shí)現(xiàn)使用記錄的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但這種方法成本過高,不適合大批量一般化學(xué)品的管理。

本論文嘗試將化學(xué)品管理系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)組合在一起,實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)每一位使用人使用化學(xué)品的監(jiān)控。雖然專業(yè)的化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)都同時(shí)具備這2個(gè)系統(tǒng),但是一般都是獨(dú)立運(yùn)作。本文將化學(xué)品庫(kù)存管理數(shù)據(jù)庫(kù)和門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,將兩者的訪問網(wǎng)頁結(jié)合在同一個(gè)網(wǎng)站內(nèi),并提供混合的歷史記錄，以便于管理員對(duì)倉(cāng)庫(kù)的使用進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督。

通過數(shù)據(jù)庫(kù)間的關(guān)聯(lián),雖然任何使用人都可以查詢庫(kù)存化學(xué)品的名稱和儲(chǔ)量,但只有申請(qǐng)并獲批具備化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)門禁權(quán)限的人才能查詢到庫(kù)位和ID號(hào),進(jìn)而取用化學(xué)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。管理員可以方便、快捷地通過網(wǎng)絡(luò)維護(hù)門禁的權(quán)限進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)的預(yù)約申請(qǐng)，可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，也可以根據(jù)預(yù)約事后查詢門禁刷卡記錄、化學(xué)品查詢記錄和新添加的化學(xué)品使用記錄,實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者使用行為的檢查,進(jìn)而對(duì)異常記錄進(jìn)行追查。通過盤庫(kù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用記錄中使用量的填寫進(jìn)行檢查。由于盤庫(kù)僅需稱取毛重即可,管理員可以隨時(shí)調(diào)出最近使用過的化學(xué)品進(jìn)行盤庫(kù)。如果化學(xué)品剩余量和使用記錄不符,可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄將責(zé)任追溯到具體的使用時(shí)間和使用人。

3 實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)需要具有小型化、低成本、易維護(hù)、開放可擴(kuò)展等特點(diǎn),以適應(yīng)高校科研實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用。因此本系統(tǒng)采用一臺(tái)低功耗微型主機(jī)作為服務(wù)器,配置數(shù)據(jù)庫(kù)并建立管理網(wǎng)站。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇和建立

由于本系統(tǒng)的規(guī)模較小,選取Microsoft的Access作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。Access是小型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),雖然其功能和速度不及Oracle、SQL Server等數(shù)據(jù)庫(kù),但是足以勝任小型網(wǎng)站，而且Access具有非常友好的查看和編輯界面,維護(hù)非常方便。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)由7個(gè)基本表格組成,分別是實(shí)驗(yàn)室成員信息表、門禁權(quán)限表、門禁記錄表、化學(xué)品庫(kù)存表、化學(xué)品查詢記錄表、化學(xué)品使用記錄表和危化品信息表。其中實(shí)驗(yàn)室成員信息表存儲(chǔ)了實(shí)驗(yàn)室成員的姓名、卡號(hào)、登錄密碼、聯(lián)系方式等信息,是整個(gè)管理系統(tǒng)的中心。化學(xué)品庫(kù)存表存儲(chǔ)了各化學(xué)品的名稱、存量、庫(kù)位、ID號(hào)和責(zé)任人,是化學(xué)品管理的核心。危化品信息表主要存儲(chǔ)一些國(guó)家公布的各種危險(xiǎn)化學(xué)品,如易制毒、易制爆化學(xué)品、精神藥品等。很多實(shí)驗(yàn)人員并不具備專業(yè)化學(xué)品知識(shí),通過危化品信息表,可以便于查詢是否屬于這些類別,并加強(qiáng)安全防范。

3.2 網(wǎng)站的建立

作為一個(gè)小型網(wǎng)站,為了方便部署和維護(hù),采用Windows +IIS+ASP的架構(gòu)。作為校內(nèi)工作網(wǎng)站,直接采用校內(nèi)固定IP地址進(jìn)行訪問。在校外則可以通過VPN登錄到校園網(wǎng)后再使用IP地址進(jìn)行訪問。網(wǎng)站的結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了適應(yīng)手機(jī)瀏覽,圖2中每個(gè)模塊都具有適應(yīng)電腦和手機(jī)訪問的網(wǎng)頁。在用戶登錄界面,系統(tǒng)根據(jù)瀏覽器信息自動(dòng)判斷發(fā)送電腦版網(wǎng)頁還是手機(jī)版網(wǎng)頁。

3.3 門禁功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用RS-485協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和終端讀卡器、繼電器的通信來完成門禁操作,因而無需另外開發(fā)門禁控制器,只需在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行巡檢程序即可。巡檢程序使用表格記錄各房間讀卡器和繼電器的通信地址和命令,可以方便地更換終端、增加和刪除門禁數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)室門鎖改造采用明裝電動(dòng)鉤鎖的形式。鉤鎖關(guān)門即上鎖,開鎖則可通過鑰匙或者內(nèi)部的電磁鐵實(shí)現(xiàn)。繼電器收到開鎖命令后導(dǎo)通電磁鐵,實(shí)現(xiàn)開門操作。原木門暗鎖并不拆除,作為封閉實(shí)驗(yàn)室時(shí)使用。

3.4 擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

除了化學(xué)品庫(kù)存管理和門禁管理等基本功能,本系統(tǒng)還可以方便地?cái)U(kuò)展其他應(yīng)用。比如,通過添加具備RS-485通信功能的溫濕度傳感器,可以實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)室的溫濕度記錄和發(fā)布,保障實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行安全并為科研實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供參考；通過人員信息表實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室人員通信錄的共享功能；通過添加數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)會(huì)議室預(yù)約功能等。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)站結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

化學(xué)品庫(kù)存管理系統(tǒng)的使用,使實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了高效安全的化學(xué)品庫(kù)存管理。尤其是化學(xué)品查詢功能和使用記錄查詢功能,不僅保障了化學(xué)品的安全管理,還成為開展實(shí)驗(yàn)研究的有力助手,并成功避免了數(shù)次重復(fù)采購(gòu)。實(shí)際運(yùn)行使用表明,使用人可以非常方便地由紙質(zhì)登記過渡到使用手機(jī)進(jìn)行網(wǎng)頁登記,且主動(dòng)登記意識(shí)加強(qiáng)。門禁管理系統(tǒng)的使用,使實(shí)驗(yàn)室通行的實(shí)時(shí)控制成為可能。管理員可以隨時(shí)隨地通過遠(yuǎn)程登錄實(shí)現(xiàn)門禁的操作和查看,極大地提高了實(shí)驗(yàn)室的利用效率。

化學(xué)品庫(kù)存管理系統(tǒng)和門禁管理系統(tǒng)的使用,提高了實(shí)驗(yàn)室管理員的工作效率,使實(shí)驗(yàn)室安全管理更加實(shí)時(shí)便利。而兩者的結(jié)合,使管理員可以方便、實(shí)時(shí)地監(jiān)督化學(xué)品的使用,便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)違反使用規(guī)則的不當(dāng)行為,并及時(shí)進(jìn)行制止。經(jīng)過一年的實(shí)際運(yùn)行,本系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室管理利器,而擴(kuò)展功能的添加,也使得實(shí)驗(yàn)室其他人員越來越習(xí)慣使用本系統(tǒng)進(jìn)行工作。

運(yùn)行過程中雖然出現(xiàn)過一些程序問題,但數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇使系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)都非常方便。

5 結(jié)語

安全工作歷來是高校科研實(shí)驗(yàn)室工作的重點(diǎn),是高校科研發(fā)展和人才培養(yǎng)的重要保障。雖然安全工作的核心是通過安全教育培養(yǎng)師生的安全意識(shí)和規(guī)則意識(shí),但是實(shí)際工作中總是存在各種疏忽和不便,甚至是人為的不配合。因此建立一套方便操作的、可監(jiān)督可追溯的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。在本系統(tǒng)的幫助和督促下,實(shí)驗(yàn)人員逐漸加強(qiáng)安全意識(shí)和規(guī)則意識(shí),提高了實(shí)驗(yàn)室的安全管理水平。