基于物聯網及大數據技術的實驗動物中心運營管理實踐*

李自發 耿希文 徐凱勇 胡明會 王可洲 蘇茜茜 魏 盛*

(1. 山東中醫藥大學實驗動物中心，濟南 250335)(2. 山東第一醫科大學/山東省醫學科學院/山東省實驗動物中心，濟南 250002)(3. 北京西文智慧科技有限公司，北京 102600)

隨著現代化信息技術的發展，越來越多的行業引入了大數據、物聯網、云計算等新興的科學技術，且相關的技術手段在部分行業已經得到規模化的應用[1-2]。相關應用不僅為用戶提供了豐富的數據服務及方便用戶辦理各項事宜，更是為管理者提供新的管理手段。根據楊大偉等[3]、彭華松等[4]以及朱玉等[5]報道，實驗動物是生命科學研究的基礎和條件，飼養于屏障設施內，其環境特殊及要求嚴格，相關實驗室管理工作不僅涉及實驗動物中心服務質量和生物安全，更是直接影響到實驗結果的可靠性。因此，對于實驗動物的智能高效管理，不僅能夠讓動物實驗室屏障環境內外相關的管理工作更加智能化、實時化和人性化，并且減輕管理者工作負擔并提高服務質量。

目前，已知有文獻[6-11]針對實驗動物的智能管理進行了報道，但智能管理的高效化、實時化等方面還有待提升。此外，尚缺乏整合預約、管理、考核、控制及報表功能于一體的管理體系。基于此，本文將介紹一種基于物聯網和大數據技術的實驗動物中心管理方法及其應用與實踐，并就其在實驗動物中心管理方面效果進行分析。

1 基于物聯網技術的管理系統設計

本研究構建的動物實驗物聯網運維管理系統，是基于Java語言進行開發，項目以Spring Boot為框架，使用Shiro安全控制、Thymeleaf模板及Bootstrap前端框架，采用分布式系統架構設計，提高系統并發能力。使用當前流行的扁平化設計風格，支持電腦、平板、手機等所有主流終端，易讀易懂且界面簡潔美觀。前端Vue輕量化及后端Spring Boot完全分離，支持SqlServer、mySql等多數據源，只需簡單配置實現切換。權限粒度精確到按鈕。采用內存數據庫redis作為緩存，提高系統響應速度，利用iocp搭建高性能采集引擎作為物聯網網關。

物聯網終端采用多種設備融入業務管理中，終端包含電源控制、人員出入管控、環境數據采集、常規設備接入等多種設備，傳輸方式包含TCP/IP、Zigbee、LoRA、NB-IOT等，使其能夠適應多種類型的建筑環境。經實際應用測試，本系統可完成實驗動物中心所有業務的線上進行，也可對實驗室核心功能進行移動監測、預警和分析。

2 管理系統功能設計

2.1 功能設計

本研究中構建的實驗動物物聯網運維管理系統主要完成的業務功能包含線上培訓考試、倫理審核、費用管理、生產訂單、籠位開放預約、實驗室開放預約、易耗品管理、動物尸體處理等功能。其中，引入物聯網的業務管理為整個業務流程中核心的功能，將人員管控、視頻查看、電源管理、IVC設備管理、進排風系統等融入到統一物聯網運維管理平臺中，完成“數據采集—業務進行—數據監測—自動控制—數據采集”的閉環管理。數據采集完成后，根據主要的業務功能，定制大數據展示面板，將實驗室的核心數據進行展示，為用戶服務的同時，為管理者提供決策(圖1)。

圖1 實驗動物物聯網運維管理系統功能設計簡圖Fig.1 Functional design diagram of IOT operation and maintenance management system for laboratory animals

2.2 服務對象

系統主要的服務對象是用戶和管理者。用戶可以通過系統在線上進行培訓、考核及預約的工作，待管理者審批完成后，可以自助激活校園卡，預約實驗中心和實驗室進行科研工作。物聯網硬件的引入，也為實驗動物中心24 h運行完成了準備條件。

2.3 業務功能

物聯網運維管理系統將動物實驗中心所有的業務功能改為線上完成，主要功能包含：①實驗動物相關培訓考核；②福利倫理審核；③費用管理；④籠位預約；⑤實驗室預約；⑥實驗動物訂單管理；⑦檢測申請及結果查詢及打印；⑧實驗動物尸體全流程監管；⑨物聯網接入設備管理；⑩數據與報表展示。上述系統加以合理的管理，有利于提高用戶工作效率并減輕管理者的工作量。

3 物聯網技術的運營管理實踐

3.1 人員出入管理

引入人行道閘及門禁相關設備, 認證方式支持校園卡、身份證、人臉識別等多種方式。通過實驗室的門禁管理進入實驗室內部人員，預約成功后同時獲得與所約實驗室相關的觀察室、檢疫室、飼養室及潔物間的進出權限。

3.2 遠程查看

引入視頻監控設備，將視頻流集成到物聯網運維管理平臺，并且開放給用戶和管理者。用戶預約進入實驗室飼養動物后，可在自己手機或者電腦界面查看到預約的飼養室的視頻。管理者通過視頻可查看所有實驗室及飼養室的實際情況。

3.3 電源管理

引入電源管理的相關物聯網設備，建立實驗動物中心能耗及自動控制模塊，可有效監測相關設備耗電狀態。電源管理既可對實驗動物中心能耗做一全面掌控，又可通過供電設備電流、電壓及溫度的變化做出預警，同時可對相關設備做出遠程自動化控制(圖2)。

圖2 實驗動物物聯網運維管理系統智慧式用電監管平臺Fig.2 Intelligent power supervision platform of IOT operation and maintenance management system for laboratory animals

3.4 實驗室環境數據采集

引入實驗室環境數據采集終端，可以對實驗室內的溫度、相對濕度、壓力、氧氣含量、二氧化碳含量、氨氣含量、光照度、細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)等各類數據進行采集。在擴展檢測類型的同時，將本系統采集的各類參數和空調送排風系統采集的進行對比，可嚴格保證實驗環境符合相關標準。

4 大數據技術的運營管理實踐

4.1 數據統計

包含主要業務中培訓人數、考試情況、倫理審查、籠位預約、動物生產訂單、費用、實驗室使用情況等各種統計報表。

4.2 數據展示

綜合展示實驗動物中心的運行情況，包含注冊人數、交費情況、消費情況、籠位使用情況、實驗室使用情況、項目情況等數據(圖3)。

圖3 實驗動物物聯網運維管理系統數據展示平臺Fig.3 Data display platform of IOT operation and maintenance management system for laboratory animals

4.3 管理依據

大數據技術的應用，在為用戶更好的提供數據服務的同時，可以為管理者提供真實、實時的數據支撐，為管理和決策提供有效的依據。

5 運營管理系統的建設意義

通過信息化的手段，在完成業務功能的同時促進傳統管理方式的改革。基于物聯網和大數據技術的實驗動物運維管理系統是一段時間以內繼續也是必須引入的管理手段，對行業的發展具有重大的意義[12-13]。

5.1 管理創新是自身發展的內在需求

引入智能化的管理手段，促進實驗動物中心管理創新。隨著技術、行業以及知識環境的變化，要求實驗動物管理者不斷學習新知識及新的技術手段，以期更好的完成服務工作。個人管理工作的創新，推動實驗動物中心整體的工作創新，進而推動整個行業的創新。

5.2 解決現有問題的重要手段

引入物聯網運維管理系統是解決現有問題的重要手段。在人員出入、設備能耗、照明等方面進行管理，物聯網設備以24 h運行、零失誤、實時數據等特點，解決了傳統管理遇到的很多難題，可以將實驗動物中心的管理進一步透明化及數據化。經過預置的邏輯，進行大數據分析，幫助管理者做出正確決策，促進中心全面發展。

5.3 提供優質服務的重要保障

實驗動物中心是為科研服務，為生命科學的發展服務，更是為人服務。引入物聯網運維管理系統可以大大減輕用戶工作負擔，對于實驗人員可以精簡優化工作流程，保障實驗工作順利開展；對于管理人員可以減輕管理成本，將有限人力物力投入其他服務工作中。

5.4 行業發展的助推劑

成熟技術手段的應用，可推動行業的發展。我國實驗動物相關的行業標準也是隨著技術手段的革新在不斷的進步。物聯網、大數據、云計算等技術趨于成熟的今天，有必要利用相關技術，試著解決現有的問題，進一步形成成熟的解決方案、優化管理工作、提高效率及促進行業發展。