基于物聯網的實驗室綜合管理系統建設與實踐

吳 葛，尹 仕

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

0 引 言

高校實驗室是大學教育中十分重要的環節，是開展實踐教學、科學研究以及雙創等活動的重要場所，它不僅承擔著傳統的實驗教學任務，同時也承載著培養學生實踐思維、行為以及道德習慣的重任［1-4］。傳統實驗室的管理工作處于人工管理階段，不僅耗費管理人員大量時間，實驗室開放程度也難以做到最大化，且難以保證在開放時實驗室設備及人身的安全［5］。

電氣與電子工程學院實驗教學中心是國家級電工電子（電工）實驗教學示范中心（以下簡稱：中心），中心承擔著全校20 多個專業不同實驗課程的教學及管理，學院大型儀器設備（以下簡稱：大儀）開放共享以及實驗室對外開放等工作。當前，中心在服務師生人數，大儀共享，實驗室開放等方面的需求急劇增加，在保持中心現有人員編制數量不變的情況下，如何利用信息化手段提升管理水平，成為亟待解決的問題。基于此，中心建設了基于物聯網技術的實驗室綜合管理系統，并取得了較好的效果。

1 實驗室傳統管理模式的問題

隨著中心承擔的工作不斷加深、加廣，傳統的實驗室管理模式已經不適于現在承擔的工作，主要存在以下一些問題。

（1）門禁授權管理無法適應。原有門禁系統對被授權人員信息是用手工錄入、永久授權，無法按照課表靈活地給學生以及任課教師授權，給上課早到的學生以及任課教師都帶來了極大不便，且無法適應教學實驗室人流量大、人員臨時性進出的特點。

（2）實驗課程排課不便。中心原沒有排課系統，排課全靠人工完成，且沒有一個統一的平臺讓學生了解中心整體排課情況。中心承擔了全校20 多個專業的實驗課程，不同專業排課具有不同的需求，且需求的提出也沒有統一規范，全靠人員協商解決。排課信息不能及時公開，這給排課教師帶來了極大不便，也給學生預約開放實驗帶來了極大不便。

（3）實驗室開放難。①中心原有開放機制為：日常實驗室開放期間（包含上課）有多余臺位，學生自由進入實驗室自主進行實驗；固定時段開放特定實驗室。②帶來多方面的問題：教師上課期間，學生自由進出易擾亂正常教學秩序；學生無法預知每個實驗室多余的臺位數，需逐個實驗室尋找多余臺位，甚至繁忙時徒勞無獲，易給學生帶來負面情緒；實驗設備的利用率、故障率、維護頻率等數據不便統計；管理人員難以統計開放實驗人時數，造成統計數據不準確。

（4）大儀共享水平低。中心原來使用的是學校統一管理系統，使用過程中出現較多問題：實驗后管理員線上核實金額，用戶線上確認金額，存在滯后，遇到分歧時，溝通費時費力；原系統僅能進行電腦端操作，不方便手機使用，操作不便；原系統無法進行數據統計，或者不能根據需求統計相關結果。

（5）實驗室安全意識弱。學生安全意識薄弱，在使用完設備后，經常忘記切斷電源，尤其是雕刻機、腐蝕機、砂輪、熱轉印機、電烙鐵等比較危險的設備，容易產生安全事故。

2 系統建設目標

為提升中心服務管理質量，建設實驗室綜合管理系統（以下簡稱：系統）。系統以建設精細化、精準化、高效管理的信息化實驗教學體系為目標，建立實驗室綜合管理系統基礎平臺及相關應用，實現實驗室設備及資源、人員、教學過程相關數據的自動收集、智能處理、應用整合。即在校園網以及學校各類智慧校園信息系統的基礎上，利用互聯網、物聯網以及大數據等技術手段，針對實驗室日常運維管理、實驗教學與學習過程、實驗室安全有序開放等進行信息化、自動化、精細化、精準化管理，為實驗室科學管理、實踐教學質量提升提供支撐。

（1）實驗室日常工作管理有據可查。中心作為學院實驗教學、科研創新、學科競賽的主戰場，涉及實驗室對外開放、儀器設備管理、師資信息維護、實驗項目數據跟蹤；為支撐學科評估、工程認證以及實驗室考核等工作，需要對成果與項目進行管理跟蹤［6-7］。

（2）實驗室安全有章可循。實驗室是師生從事教學、科研的重要場所，人員大量流動、實驗設備頻繁使用、操作的安全性等都是誘發實驗室安全事故的潛在因素。充分利用信息化手段，完善實驗室管理制度，保障實驗室安全運行［8-9］。

（3）閉環反饋輔助實驗教學。構建基于實驗室數據感知（儀器數據、物聯網傳感器數據、音視頻數據），數據融合（實驗內容分析、教學數據分析、學情推送）和數據應用（教學監管、教學決策、教學效果評價、學情監測預警、學習能力評價）的信息系統，推動教學改革與迭代［10-11］。

（4）大儀共享水平日益提升。大儀作為一種科研硬件基礎設施，其開放共享程度，關乎高水平創新成果的產出效率。學院政策保障，統籌規劃，將大儀交由中心統一管理，構建大儀共享平臺，保障儀器預約共享，同時對設備使用情況、運行狀態進行統計分析，方便機時統計同時提升其使用效率［12-13］。

3 系統架構與功能

3.1 系統架構

系統部署架構如圖1 所示，主要分為兩部分。“實驗室管理系統云端”部署于校網絡中心的云服務器中，系統云端架構采用前后端分離方式，應用層通過Web Service方式調用平臺提供的接口，對外提供實驗室管理的應用功能服務。支持Web瀏覽器、華中大微校園（微信端）等訪問方式，并與學校統一身份認證系統、師生共享數據、校園一卡通等進行對接。“實驗室管理系統設備端”部署于中心大樓內，設備端在樓棟內組成局域網，通過局域網路由器提供對外訪問通道，出口路由器通過實驗室房間的網絡接入校園網，LAN口則通過以太網接入電子班牌、大屏、無線智能網關（設備網關）等網絡設備。同時設備網關通過無線的方式、與其他的設備節點組成星型無線網絡，從而達成各類型設備節點之間的通信功能。各設備節點最終通過出口路由器與云端服務進行消息通信。兩大系統接駁于校園網，云端系統為用戶提供服務，同時也能通過校園網絡對設備端進行監控。

圖1 實驗室綜合管理系統部署架構圖［14］

3.2 系統功能設計

在提升師生安全意識的基礎上，為了更好地服務實驗教學與實驗室開放，提升大儀共享程度，中心采用模塊化設計思想，構建基于物聯網的實驗室綜合管理系統，系統集實驗室人員設備管理、實驗室對外開放管理、實驗課程教學、實驗室安全以及大儀共享等功能于一體。

按照實驗課開課流程，實驗室綜合管理系統業務流程可以劃分為課前（進入實驗室前）、課中、課外（開放）等部分，如圖2 所示。下面將按照子系統依次對系統進行介紹。

圖2 實驗室綜合管理系統管理及使用業務流程

（1）人員信息管理。人員信息管理主要包含用戶基本信息，用戶注冊與審核，用戶角色設置等用戶參數設置。其中校內用戶數據可以通過數據接口快速批量直接導入。

（2）實驗室與設備管理。包含對區域、設備管理以及設備使用。區域管理是對實驗室的地理位置，房間號，安全責任人，管理員等信息設置；設備管理是各個實驗室的設備基本情況，設備的授權使用模式；設備使用管理主要記錄設備的使用情況，設備可預約的時間管理，設備報修、維護以及使用記錄統計等。

（3）實驗室開放管理。根據實驗室及實驗室特定設備的使用要求、數量等，支持采用不同權限管理模式，如表1 所示。在滿足管理需求的同時，最大化減少教師的參與。

表1 授權審批模式

配套物聯網智能終端設備，針對實驗室開放，進行實名制使用、自動化管理。對學生使用全流程各個環節以及使用行為進行管理，支撐無人值守下有序開放；監測推送各個設備的狀態，對實驗室各類設備進行全方位管控、實名使用，確保安全。將開放業務按照進入實驗室前、實驗中、實驗后來劃分，具體流程如圖3 所示：①實驗前設置準入考核。學生根據實驗室及實驗室特定設備的使用資料及其空閑時段進行預約；管理教師根據實驗室的管理規定，對首次預約新設備的同學或者老師設置安全使用準入考核，包括設備安全考核以及實驗室安全考核，通過考核之后，方能進入實驗室。②實驗中監管學生使用行為。學生在實驗過程中的違規行為，不僅會造成資源浪費，還會大幅增加管理教師的工作量。因此，需要對學生在開放過程中的行為進行監督和管理。一方面，需要系統自動記錄學生的使用行為，比如預約遲到、用完設備未關閉等，另一方面，需要學生在使用設備前，參照儀器設備的使用整理要求，對前一用戶進行監管評價，并與用戶的積分、成績和后期的使用權限相關聯。此外，系統支持用戶通過掃碼或者手動報修設備，管理員對報修進行確認、替換其他正常設備以及維修處理，并形成記錄。③實驗后對未關設備定時管理。設置設備的定時動作時間和時間范圍，每次到設置特定時間點，設備或實驗室相關設備自動關閉、打開、禁用、啟用。

圖3 實驗室綜合管理系統管理及運行流程

（4）實驗室教學管理。系統針對實驗教學各個環節開展過程性考核與管理，包括課程與教學、排課及選課、課堂與實驗課程、自主學習與考核、報告與評閱、實驗成績綜合管理6 個子系統。實現實驗室課程教學計劃設置、排課和排課結果推送。在減輕教師工作量的同時，對教學資源及實驗開課全流程精細化、精準化管理。將課內實驗教學與課外實驗室開放，進行有機融合，構建以課內實驗教學為主，以課外開放實踐為輔；以課內促進課外，以課外補充課內的實驗教學體系。

（5）大型儀器設備預約。大型儀器作為“雙一流”建設的核心支撐，是科研創新的核心動力［15］。傳統課題組管理、人工預約模式相對落后，難以充分發揮大型儀器為教學、科研、社會服務。采用信息化建設手段，開展儀器有償共享。

大型儀器設備預約系統，配合實驗室開放管理系統使用，按照實驗室預約流程進行，選擇合適時間，若首次預約，需要進行安全考核。考核通過的師生可以通過平臺查閱儀器的狀態，選擇合適時間自行預約實驗，審核通過后，下載預約單按時實驗。實驗后，報告相關數據，整理歸檔，并以預約單為憑證，按照收費標準，完成收費管理。

（6）通知和消息管理。主要包含日常開課通知、預約審批等各個流程的通知。

（7）后臺配置管理。主要配置系統基本信息，包含學期時間設置、系統數據管理、系統使用日志等，供超級管理員進行配置使用。

4 系統建設成效

中心基于物聯網的實驗室綜合管理系統自2019年建成上線以來，在實驗室日常，實驗室開放、安全，課程以及大儀預約等方面的管理均有顯著效果。

（1）實驗室日常管理運行效率顯著提高。設備掃碼報修及時、無紙化，維修臺賬清晰永久化，有據可查；年度考評數據材料，項目研究、科研成果等數據系統化，2019—2021 年期間，中心在學校教學實驗室考核中均獲得“一等獎”。

（2）實驗室開放程度不斷提升。實驗室預約系統完成與微校園的對接，學生在手機端或者PC 端可以隨時查看實驗室資源，按需預約；實現課程與門禁、電源聯動，學生上課期間，自動獲取權限，可憑借校園卡或者微信掃碼、微校園應用直接開啟實驗室門禁。

通過系統的建設，中心成為全院學生學科競賽、大學生創新訓練等實踐活動、創新活動的首選平臺。2019—2021 年期間學院學生大創項目參與度達到100%，省級以上項目立項比例分別為13%，20%，45%，逐年提升。近3 年本專業學生獲得的各類比賽獎項有：2019 年獲全國一等獎7 項、全國二等獎11項，全國三等獎2 項；2020 年獲全國一等獎6 項、全國二等獎11 項、全國三等獎2 項；2021 年獲全國一等獎8 項、全國二等獎16 項、全國三等獎6 項。

（3）實驗室安全運行有保障。中心以系統為基礎，根據本專業特點開設了“電類實驗室安全課程”，構建系統化、常態化的實驗室安全培訓體系［16］。同時，對初次進行實驗室設備預約的師生設置儀器設備安全考核以及實驗室安全考核，再輔以物聯網技術監控設備運行狀態以及學生實驗行為，多項措施并舉，有效保障了實驗室安全，近3 年無安全事故發生。

（4）實驗課程全流程監控，閉環反饋輔助教學。從排課、選課，實驗過程管理，自主學習考核，報告評閱，成績反饋等所有環節集中于同一個系統，通過實驗數據感知、融合與應用，支撐了課程建設與教學研究項目的申報。

中心近3 年新開課程3 門；改革課程2 門；整合課程1 門；主持或參與各級教學研究項目10 余項；主持或參與實驗技術研究項目10 項。

（5）大儀共享能力提升。學院改革儀器設備課程組管理模式，交由實驗中心統籌資源配置，通過建設可支持手機微校園使用的設備預約系統，簡化預約流程，管理透明，提升了儀器共享效率以及效益。

2019—2021 年期間，在學校大型設備管理（效益）考核中，學院連續3 年獲評優秀單位，學院先后11 個機組獲得“優秀機組”稱號。大儀系統使用以來，共享收益連年翻倍，從最初的幾萬元到現在的幾十萬元，呈現逐漸加速增長的趨勢，為儀器的運行維護提供了強有力的經費保障。

5 結 語

基于物聯網的實驗室綜合管理系統的建設，規范了實驗室日常管理的流程，提升了效率；開設安全課程，設置準入考核，監控設備狀態以及學生實驗行為，多措并舉提升了實驗室開放水平，助力實驗室安全運行；資源統籌，優化流程，提升了學院大儀共享水平；全方位監管實驗課程實施過程，閉環輔助教學改革與迭代。