高校實驗室安全與環境實時管理方案探討

王加祥, 黃 剛

(南京郵電大學 a.經濟學院; b.資產管理與實驗室建設處，南京 210023)

0 引 言

實驗室安全問題，一直以來都是學校管理層非常重視的問題，也是實驗室管理人員工作的重點，但實驗室環境問題在實驗室運行過程中同樣重要，高校對此重視程度較低。發達國家高校實驗室安全管理所采用的EHS管理體系，不僅強調實驗室的安全管理，對實驗室環境及其對實驗人員健康影響也非常重視，這對我國高校實驗室管理工作具有很重要的借鑒作用[1-3]。

近年來，我國高等教育在人才培養方式上越來越重視實踐教學，與之配套的實驗室建設投入也大幅增加，實驗室數量的增加大大提高了實驗室管理工作的強度和復雜性。雖然高校都建立了自己的實驗室安全管理制度，但安全事故仍時有發生，如何更高效地管理實驗室安全及環境問題，這對管理者的管理水平提出了新的要求。現行的實驗室管理模式已經明顯不能滿足需要，需要探索一種可行的實時監測和控制實驗室安全及環境狀態的現代管理模式，將現在廣泛使用的信息化智能化技術融合到實驗室管理，盡可能減少安全隱患避免安全事故的發生。

1 目前常見實驗室安全管理模式分析

實驗室作為實踐教學和科研的重要載體，經過多年發展，各高校在實驗室管理方面都積累了一定的經驗，并在安全管理方面已形成相對固定的管理模式[4-5]。

(1)管理架構。學校、院系、實驗室三級安全管理體系和組織架構完備，層層落實，將安全責任細化并落實到具體責任人。

(2)制定管理制度。制定相應的實驗室安全管理制度、管理辦法、應急預案，以及相關實驗室使用守則、實驗物料管理細則等。

(3)執行安全檢查。進行定期或不定期安全檢查、抽查相結合的方式，加強對實驗室安全隱患的排查管理，并建立相應安全檢查記錄。

(4)安全教育。在管理過程中，為防止人為因素導致的各類安全問題的發生，設置安全教育課程，對實驗室管理者和使用者進行必要的實驗室安全教育。

這種通過行政手段逐級落實責任，結合安全檢查和安全教育手段來進行強化管理的模式，在實驗室管理中確實起到一定作用，但也存在一些弊端。① 由于安全管理意識薄弱，容易出現上有政策下有對策，臨時應付安全檢查;② 由于部門間人員流動調整，容易出現工作交接不及時或不全面而導致安全管理疏漏。同時，在實驗室管理過程中也難免會有看不到、想不到或不知道的各種安全問題，這都給實驗室安全管理帶來隱患。

2 高校實驗室安全與環境管理現狀

2.1 實驗室安全管理重視不夠

實驗室在運行過程中常見的安全問題有火災、非法闖入、有毒化學品及可燃氣體泄漏等，2017年教育部辦公廳發布了2起高校實驗室安全事故的通報：① 山西某高校一科研實驗室由于室內電源自燃引發火情，過火面積約270 m2，財產損失約200萬元；② 上海某高效一實驗室在學生做實驗期間，反應罐發生爆炸，導致一名學生手臂受傷。兩起安全事故給師生安全和學校財產帶來不同程度的損失，反映出部分高校在實驗室消防、危險化學品等安全領域仍存在薄弱環節。針對這些安全問題，很多高校已加大投入，逐步進行實驗室安全改造，對易燃、易爆物品，采取與電源和火源隔離存放，對危化品設立專門的存放地點，設置明顯的標識牌，并配備專用滅火設施，做好電路水路的定期檢查工作，但仍存在為應付檢查突擊整改的現象，事后依舊不重視安全設施的維護。

為了防止實驗室設備及物料丟失，部分高校為實驗室配備了防盜門或加裝電子門禁和攝像頭，以加強實驗室的安全性。但仍有部分高校的實驗室在安全管理方面，掛靠或者完全依賴保衛部門管理，少數實驗室甚至沒有監控或監控設備長時間未升級，設備損壞或監控清晰度很差，一旦出現失竊或火災等安全事件，只能事后調取錄像分析事件發生經過和原因，缺乏實時性，可能錯過最佳處置時機而導致實驗室損失擴大。

同時還存在部分實驗操作人員安全意識薄弱，即使接受過實驗室安全教育，仍存在僥幸心理，在實驗過程中圖方便而出現違規操作等問題，給實驗室運行帶來很大安全隱患。

2.2 實驗室環境管理不到位

在我國，許多高校對實驗室環境管理的重視程度不夠，忽略了良好的實驗室環境對廣大師生工作學習的影響，依然停留在以基礎的地面衛生打掃為主，忽視實驗室的溫濕度、粉塵及有害氣體等可能帶來的安全和對人體健康影響問題。

(1)實驗室溫濕度控制不嚴。對于計算機類實驗室，由于季節氣候變化，實驗室容易出現環境溫濕度過高或過低問題，環境溫度過高容易引起電氣設備運行不穩定或損毀[6]；濕度過高會引起電氣設備電路故障，尤其是南方梅雨季節，計算機機房如果管理不當就容易濕度高，會在計算機元件上形成水氣，導致設備壽命變短，計算機無法啟動；濕度過低，很容易產生靜電，引發設備故障，同時也會讓機房的潔凈度達不到要求，靜電灰塵的聚集，進而造成機房設備散熱困難，容易過熱和腐蝕，從而影響到正常教學活動[7]。

對于化學類實驗室對溫濕度要求更高，實驗室內的濕度過高，化學品容易受潮，影響質量，還可能發生反應；溫度過高也有可能產生揮發或自燃現象，這不僅影響實驗過程和實驗結果，嚴重的甚至有中毒和爆炸的危險。這類實驗室一般都配置有精密儀器，如果空氣濕度過高，精密儀器和設備很容易受潮，影響設備使用壽命，也容易造成實驗結果有誤差甚至可能導致實驗失敗，所以此類實驗室應該根據實驗要求保持恒溫恒濕，減少實驗干擾因素。

(2)忽視空氣質量對實驗室的環境影響。實驗室的環境空氣質量是一個最容易被管理人員和使用者忽視的問題，尤其是化學類實驗室，室內往往會有各類化學藥劑揮發，空氣中的總揮發性有機物TVOC對人的健康有很大危害，若不處理，隨著時間的推移，其濃度會越來越大[8-9]。對于普通實驗室，由于上課學生人數較多，在上課過程中空氣質量往往較差，時間稍長，室內粉塵、二氧化碳濃度升高，溫度也隨之升高，空氣質量逐漸變差，同時還會伴有各種異味，而實驗人員處于忙碌狀態時，并不注意環境空氣質量的變化，這對于實驗中的師生的身體健康非常不利[10]。

(3)急需改善實驗室環境。實驗室室內環境質量不僅關乎實驗室使用者的舒適和健康，還會影響他們的學習和研究效率，有資料顯示，通過改善室內環境質量，有助于將效率提高15%～20%[11]，因此，加強實驗室環境管理，提升實驗室室內環境質量十分必要。

3 實驗室安全及環境實時管理方案

3.1 方案設計宗旨

實驗室安全及環境智能化管理是對實驗室管理的創新嘗試，其目的是輔助實驗室管理員實時了解實驗室狀態，并完成部分自動化處理，為實驗室管理帶來便利，提高管理效率，實現24 h不間斷監控。綜合考慮實驗室建設的實際情況，從經濟性、實用性角度出發，循序漸進，逐步完善，不能一味追求先進一步到位，更不能做成形象工程，要讓其發揮有效作用，盡可能減少和化解安全隱患。在不改動實驗室原有硬件設施的基礎上，模塊設備要具備一定的先進性，能夠實時采集實驗室狀態數據，信息傳遞安全穩定，可擴展性強，能夠實現通過手機APP將信息傳遞給管理人員，以達到實時管理的目的。

3.2 方案設計

(1)總體設計。傳統有線方式的監控系統施工成本高、組網復雜，建設周期長，為避免實驗室施工改造對正常教學和科研工作的影響，本方案中的設備模塊采用無線方式聯網。目前物聯網設備使用較多的幾種無線組網技術有WiFi、Bluetooth、ZigBee等，通過對比，選用了低功耗、低成本、組網方便的ZigBee模塊設備進行組網[12]。連接各節點設備后，通過ZigBee網關連接物聯網云服務器，移動客戶端通過互聯網與物聯網云服務器進行數據的接收和轉發，構建起一個能夠實時掌握實驗室安全狀態的信息通信環境[13]。從實用和經濟角度出發，方案不在本地設置物聯網服務器，而是利用更專業的物聯網云服務器，既節約了本地服務的器硬件投入，也減少了專業IT維護管理工作，只要本地校園網絡通信穩定，即使出差在外地，也可以通過手機APP了解實驗室的實時狀態，圖1為系統結構圖。

(2)實時安全管理模塊。針對實驗室管理中最常見的火災、非法闖入等安全隱患，將煙霧探測器、人體紅外探測器對實驗室進行布防，實時監測實驗室內部的運行安全狀態。

圖1 系統結構圖

利用煙霧探測器監控室內煙霧情況，可有效探測出火災初期陰燃階段或火災生成后產生的煙霧，并啟動蜂鳴器報警，同時立即通過網絡向管理員發出報警信息，管理員可第一時間調取現場監控攝像頭查看現場，并做出處理方案，判斷是否打開實驗室關鍵位置和易燃物品附近的滅火系統，也可設置成直接聯動消防干接點，自動打開滅火裝置。由于實驗室的特殊性，通常選擇以七氟丙烷為滅火劑的氣體滅火裝置，這是一種被廣泛應用且沒有二次污染的滅火裝置[14]。對于化學類實驗室則需要根據實驗室實際情況配備專用的滅火設施，并加強化學試劑管理[15]。在非開放時間或管理人員離開情況下，實驗室進入布防狀態，此時如果有人未經授權進入實驗室，會觸發人體紅外傳感器并發出警報，管理員手機收到報警信息后，遠程打開安放在實驗室的攝像頭，查看實驗室實時影像，判斷是否為非法進入，并做出是否撤防選擇；如果實驗室內存在可燃氣體，在傳感器檢測到有氣體異常時，向管理員發出報警，并通過預先設置指令，自動打開風機進行通風。

(3)實時環境管理模塊。對于溫濕度的控制，純粹靠人去感知是無法達到應有的效果，借助溫濕度傳感器，實時采集環境溫濕度信息，并根據實驗要求設置溫濕度閥值，進而自動控制空調和其他加濕除濕設備，使環境溫濕度保持在合適的范圍，同時管理員也能通過手機隨時查看實驗室的溫濕度狀態。表1為實驗室所涉及的環境監測傳感器。

表1 環境監測傳感器

實驗室空氣質量的自動管理是通過實時監測實驗室環境中PM2.5的濃度、二氧化碳及其他有害氣體，當探測到有害氣體或達到系統預設的閥值時，自動打開風機進行通風換氣。針對化學類實驗室，必要時可加裝專業的空氣凈化系統，有效解決有毒有害氣體、異味氣體、粉塵顆粒物等帶來的危害，凈化實驗室環境。

4 結 語

實驗室的安全管理是一項重在防范貴在落實的工作，信息化智能化技術的應用，使實驗室安全和環境的實時管理成為現實，為實驗室管理工作提供了重要技術支撐，但目前還沒有真正形成基于此的行業規范。不同實驗室面臨的安全與環境問題并不完全相同，這要求實驗室管理人員具備較好的信息化知識儲備，在實踐中改革和完善現有管理模式，努力解決管理中遇到的難點，樹立創新管理意識，建設適合自身實驗室運行管理需求的技術方案，用技術手段優化實驗室的運行管理過程，提高高校實驗室綜合管理效率和運維保障能力，努力為廣大師生提供一個安全、健康的實驗環境，建設以人為本的實驗室。