高校實驗室智能綜合管理平臺技術研究綜述

◆劉永 寧玉富 孟繁兵

校園網絡安全

高校實驗室智能綜合管理平臺技術研究綜述

◆劉永1寧玉富2孟繁兵1

（1.山東青年政治學院教務處 山東 250103；2.山東青年政治學院信息工程學院 山東 250103）

本文首先針對高校實驗室智能綜合管理平臺這一領域綜述了當前平臺所采用的技術手段，包含兩個方面的含義：一方面是依賴物聯網技術，在平臺的底層構建大規模智能基礎設施，包括智能門禁、自動電源控制、視頻遠程監控、電子門牌、報警裝置等；另一方面是依賴軟件開發技術，采用瀏覽器/服務器架構構建平臺上的各種應用，包括實驗室開放預約、實驗教學管理、實驗室信息管理、實驗室安全準入考試、大型儀器設備共享等。其次闡述了當前平臺的研究現狀及應用。最后闡述了平臺帶來的優勢以及未來發展方向。

實驗室；智能綜合管理平臺；技術

高校實驗室是培養創新型人才的重要基地。當前高校實驗室面臨著各種問題：一是實驗儀器設備數量多，儀器設備不好維護。二是實驗室規模龐大、實驗室管理隊伍人員少[1]。三是實驗室使用頻繁，實驗室正常開放和安全不好管理[2]。隨著軟件開發、物聯網等先進技術的相繼出現，很多高校在實驗室管理工作中，將目光漸漸投向實驗室智能管理這一領域，期望利用軟件開發技術、物聯網技術構建強大的實驗室智能綜合管理平臺，從而實現實驗室的智能管理[3]。

1 平臺的概念及其關鍵技術

關于高校實驗室智能綜合管理平臺的概念，當前并沒有確切的定義，但我們可以參考智能化集成系統的定義：“智能化集成系統是將不同功能的建筑智能化系統，通過統一的信息平臺實現集成，以形成具體信息匯集、資源共享及優化管理等綜合功能的系統。”[4]。可以看出實驗室智能綜合管理平臺也具有智能化集成系統的特點。

上述定義描述了實驗室智能綜合管理平臺的兩個方面：一方面描述了硬件基礎設施及服務，智能化系統需要安裝在基礎設施當中，構建智能基礎設施并為上層信息化平臺提供服務；另一方面描述了建立在智能基礎設施之上的信息化平臺及能夠實現信息管理的各種應用。與傳統的實驗室管理系統相比較，傳統的實驗室管理系統只滿足于各種實驗室、設備、人員的信息化管理[5-8]，不注重基礎設施的建設，而實驗室智能綜合管理平臺則運用了更為廣泛的物聯網技術、軟件開發技術等，并包含了各種功能強大的應用。實驗室智能綜合管理平臺體現了三個方面的特征：

（1）硬件基礎設施需要架構在一定數量的實驗室之上。各個實驗室智能設備必須具備千兆的以太網傳輸速度。

（2）硬件基礎設施和信息管理服務平臺必須協同開發，以保證平臺的高兼容性。

（3）各個應用必須統一于平臺的用戶界面，并且界面風格要與用戶界面風格保持一致，以保證良好的可視性。

1.1 應用于基礎設施的物聯網技術

物聯網的定義是萬物皆可互連，即物與物之間，人與物之間，人與人之間都可以相互連接[9]。萬物之間的互聯必須依靠傳感器設備才能完成，先是通過攝像頭、GPS、傳感器、ZigBee等進行信息采集，然后通過傳感器設備和網絡實現通信和信息交換，交換的信息傳輸到信息中心進行處理，最后實現各種智能應用。物聯網體系結構分為3層：網絡層，感知層，應用層[10]。其中網絡層負責信息采集，包含攝像頭、GPS定位系統、傳感器、Zigbee等設備。感知層，負責信息處理，包含智能信息處理中心。應用層負責與其他行業技術融合，包含各種智能應用。在實驗室智能綜合管理平臺中，物聯網的3層體系結構為：

（1）網絡層。實驗室中的高清攝像頭、煙感器、電子門牌上的讀卡器、電源控制箱等。

（2）感知層。視頻監控子系統中心、報警監控子系統中心、電源控制子系統中心、門禁控制子系統中心等。

（3）應用層。智能門禁、視頻監控、電子門牌、電源控制、報警監控等。

實驗室智能綜合管理平臺物聯網應用層的功能主要有：

（1）智能門禁。包括電子鎖、閉門器等，與電子門牌、電源控制聯動。允許用戶刷卡、輸入密碼、人臉識別等方式進入實驗室。

（2）視頻監控。通過視頻監控設備和實驗室中的高清攝像頭可以實時觀察到實驗室內人員、實驗設備和實驗室情況。

（3）電子門牌。懸掛在實驗室門前，獲得智能門禁的授權，用戶可以在電子門牌上刷卡或人臉識別、輸入密碼等方式進入實驗室。也可以顯示實驗室簡介、實驗室圖片、實驗儀器設備、人員的基本信息。還可以人機互動，實現實驗室預約功能。

（4）電源控制。可以自動監控實驗室中的電流、電壓，保證不超過額定功率。并與電子門牌聯動，可以在電子門牌上刷卡實現實驗室自動上電。也可以遠程控制實驗室上電或人工方式上電。

（5）報警監控。通過報警監控子系統可以實時監控實驗室的煙霧、化學物品等有害氣體并迅速報警。

1.2 應用于平臺的軟件開發技術

除了智能基礎設施外，平臺的應用同樣重要，必須能夠滿足用戶的個性化需求。平臺的用戶主要分為3類：實驗室管理員、教師和學生。這3類用戶需求不同，對于管理員而言，使用平臺是為了降低工作量，提高管理服務質量；對于教師而言，使用平臺是為了更好地提高實驗教學質量；對于學生而言，使用平臺是為了更好地進行各項實驗活動。平臺從用戶需求的角度出發，應至少具備以下功能：

（1）實驗室開放預約。可以使學生在線預約實驗室，進行各項開放實驗活動。

（2）實驗教學管理。可以方便師生在平臺上進行實驗教學項目的互動，包括可以分享實驗前的預習資料、學生可以在線提交實驗報告、教師可以在線批改報告等。

（3）實驗室信息管理。可以方便管理員進行各類數據的管理和統計，包括實驗室基本信息、人員信息、實驗設備信息、實驗課程信息等數據。

（4）實驗室安全準入。可以在線供學生學習實驗室安全知識和進行安全知識考試。

（5）大型儀器設備共享。可以供校內外人員預約使用實驗室大型儀器設備（包括預約時間、預約儀器設備名稱、使用計時、費用等）。

（6）其他功能。平臺除上述功能外，還可以實現其他功能，例如實驗室設備管理（包括實驗設備入庫出庫、實驗設備借用）、耗材管理（包括耗材入庫出庫、購置計劃）等。這需要先確定用戶的需求，然后再開發出滿足用戶需求的個性化功能模塊。

2 平臺的研究及應用

目前，在實驗室智能綜合管理平臺這一領域研究比較好的廠商有上海萬欣、北京中新天達等。山東青年政治學院也將實驗室智能綜合管理平臺應用到實驗室的管理工作當中。

2.1 上海萬欣實驗室智能管理平臺

該平臺具有實驗室綜合信息管理（實驗室、管理人員、實驗室建設項目、儀器設備與耗材、數據分析決策、實施信息監察、GIS實驗室地理信息管理、多媒體信息發布）、實驗教學管理（包括實驗教學、學科競賽、實習實訓、畢業論文設計、大創項目）、實驗安全管理（安全準入考核、安全檢查、危險化學品管理、智能物聯網環境監測）、實驗開放管理（實驗室開放、大型儀器設備共享、虛擬仿真資源開放共享）、計算機實驗室管理、視頻監控等功能。萬欣自主研發的物聯網設備有智慧電子門牌、多媒體電子教室、智能數據采集終端、智能電源控制終端、物聯網管控終端、多媒體信息發布終端、非接觸式IC卡終端等。

2.2 北京中新天達實驗室智慧管理平臺

該平臺包含了實驗室綜合管理系統（實驗室建制管理、實驗室基本信息管理、實驗隊伍、成果管理、實驗室用房、安全與環境管理、教學與工作量）、實驗教學管理系統（教學基礎數據、計劃內實驗教學、開放選課、實驗成績與評教）、創新實踐學分認定管理、畢業設計（論文）管理、大創項目管理、實習實訓管理、學科競賽管理、實驗室開放管理、學生系統（消息通知、在線預習、實驗選課、畢業設計開題和論文提交、課表查詢、成績查詢、在線評教、實驗室開放、實習實訓、學科競賽、大創項目）、視頻監控。物聯網智能終端有智能電源控制器、樓宇多媒體一體機、電子門牌等。

2.3 山東青年政治學院實驗室智能綜合管理平臺

山東青年政治學院實驗室綜合管理平臺在智能硬件基礎設施上，實現了智能門禁、智能電源控制、遠程視頻監控、電子門牌等功能。在軟件應用方面，實現了實驗室預約開放、實驗室設備管理、實驗室耗材管理、實驗室隊伍管理、實驗教學管理、實驗室準入管理、各類數據統計、門戶網站等功能。該平臺的功能見圖1。平臺的使用極大地降低了實驗室管理人員的工作強度、提高了實驗室運行效率，促進了實驗教學和開放實驗等活動的開展。

3 平臺的優勢及未來的發展

3.1 平臺的優勢

（1）改變了實驗室管理的理念與方式。隨著高校對實驗室投入力度的不斷加大，實驗室規模和實驗儀器設備數量日益龐大，按照傳統的人工方式管理會更加困難。平臺的使用可以實現實驗室的智能化和信息化管理，不僅可以減輕實驗室管理人員的工作負擔，還可以方便師生自由安排時間，靈活預約實驗室進行教學、科研、開放性實驗等活動。

（2）推進實驗室的規范化、信息化管理。傳統的人工管理方式一方面會導致管理活動繁復，實驗室運行效率低下；另一方面實驗室管理人員很難清楚掌握實驗室利用率、實驗儀器設備利用率、大型儀器設備使用等情況。使用實驗室智能綜合管理平臺，不僅可以減少人工的參與，而且還能夠有效管理和準確統計出實驗室的各類數據，使得實驗室管理更為規范、科學。

（3）提高管理人員和實驗設備等資源的集約利用。很多高校由于實驗室管理人員不足，導致很多工作不能精細化開展。使用平臺后，很多機械重復的工作可以自動完成，實現了人力資源的集約利用。實驗室和實驗儀器設備也能夠開放使用，提高了實驗室和實驗設備利用率、節約了設備購置成本。

（4）提高了實驗教學的質量。學生可以通過平臺提前預習實驗內容，熟悉操作流程和注意事項，保證了實驗效果。師生之間可以在線交流，學生也可以在線提交電子報告，教師在線批改，提高了實驗教學效率。

3.2 未來的發展

（1）功能越來越強大。目前，實驗室智能綜合管理平臺僅能夠滿足實驗室管理的日常需求，有些特殊需求還不能夠滿足。例如，當前平臺只實現了實驗設備的入庫、出庫、借用等功能，但在統計每個實驗室設備的名稱、型號、數量的時候還需要用人工的方式來統計。可以參考物流管理系統，為每個實驗設備貼上電子標簽，在實驗室門口設置一個掃描器，當設備從實驗室出入時，可以自動掃描電子標簽，并連接系統進行設備記錄的更新。還可以開發手機APP，管理人員通過手機APP在家里就可以實時遠程監控實驗室。

（2）普及越來越廣泛。目前，雖然很多高校已經使用了實驗室智能管理綜合平臺，但由于平臺的建設成本較高，并且是新興事物，因此很多高校只是在某個或某幾個學院進行了試點。相信隨著平臺的技術日益成熟、功能愈加完善、建設成本逐漸降低，越來越多的高校會意識到平臺帶來的優勢，在更大的范圍使用平臺。

4 結束語

高校實驗室智能綜合管理平臺依靠物聯網技術和軟件開發技術進行創建，具有較為完善的智能基礎設施和豐富的應用，能夠降低實驗室管理人員的工作強度，滿足實驗教學、科研、開放實驗等活動需求。相信隨著平臺技術的日益成熟和建設成本的逐漸降低，平臺會被更多的高校所采用。

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[2]王虹，王軍.基于“智慧校園”的高校實驗室安全管理平臺建設[J].實驗技術與管理，2019.

[3]肖華，王亞剛.基于物聯網與云架構的實驗室監督管理系統[J].軟件導刊，2018.

[4]智能化集成系統.百度百科[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E5%8C%96%E9%9B%86%E6%88%90%E7%B3%BB%E7%BB%9F/6121057.

[5]王見，黃超，王麗丹.學院級開放實驗室管理系統的建設與實施[J].實驗室研究與探索，2019.

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[8]張鋒，馬學朝，李凱亮.基于嵌入式系統的創新實驗室管理系統設計與實現[J].微型機與應用，2015.

[9]QIU T，WU D O，PRATHAP P. Introduction to the special section on Software Architecture and Modeling for Industrial Internet of Things[J]．Computers & Electrical Engineering，2017.

[10]李冬月，楊剛，千博.物聯網架構研究綜述[J].計算機科學，2018.