基于“智慧實驗室”的高校實驗室信息化探究與實踐

石 磊， 莊志洪， 李 博

（南京理工大學國有資產與實驗室管理處，南京 210094）

0 引言

高校實驗室是承擔實踐教學、科學研究、社會服務等多重任務的重要場所，是展現高校辦學實力的重要窗口，更是高校推進“三全育人”的重要平臺。實驗室匯集了學校重要的教學科研儀器設備等資源，與單純提升學生理論知識儲備的課堂教學相比，實驗室在實踐育人方面具有天然優勢，對全面提升學生的綜合素質與創新能力具有關鍵作用，因此，實驗室被稱之為“現代化大學的心臟”［1-2］。

作為實踐創新人才培養的主陣地，實驗室涉及資產、人員、安全、開放共享等眾多管理要素，歷來是高校監管的重點場所。近年來，高校實驗室規模、數量快速發展，學科交叉、國際交流不斷深入，同時隨著國內科研水平的快速提升，部分高校的實驗室研究方向已經從“跟跑”“并跑”步入“領跑”階段，實驗室內的大型設備不斷增多，人員構成日趨復雜，科研風險不斷升高，給實驗室管理工作帶來嚴峻的挑戰，監管部門所面臨的管理壓力不斷增大。高校傳統的實驗室管理模式，條塊分割較為明顯，資產管理、安全管理、開放共享管理等各自成塊，監管方面不能有效聯通，造成實驗室管理效能低下，這既不利于實驗室的高效安全運行，也不利于實踐創新人才的培養［3-4］。因此，深度推進信息化技術與實驗室管理融合，通過綜合集成建設智慧實驗室，已成為高校實驗室管理工作的重要任務和迫切需求。

1 國內外高校實驗室信息化建設現狀

歐美等發達國家對高校實驗室管理研究較為深入，已完成由“各自為政式”管理模式向“以師生用戶為本、部門協同服務”的轉變，部分高校依托先進的管理模式配套建設了實驗室信息化管理手段［5-7］。

美國高校通常采用CIO（首席信息官）管理體制對全校信息化系統建設及發展規劃進行統籌管理，并設立EHS（環保、健康、安全）總部負責全校實驗室規劃設計、管理政策制定、監管協調等工作，信息化建設與實驗室管理融合程度較深，如麻省理工學院建設了集設備、氣體監測、消防報警、危廢管理等功能于一體的實驗室信息化管理系統，實驗室管理效能較高。

英國高校實驗室管理體系層級較為分明，以基礎設施和資源建設為重點，深入促進信息化技術與實驗室管理融合，如利茲大學建設了涵蓋包括實驗室準入培訓、儀器設備管理、實驗室人員登記授權、監控監測及事故通報等功能的實驗室信息化管理系統，用于保證實驗室正常運行及高效管理。

德國高校實驗室管理機制較為靈活，一般未設立專門的實驗室管理機構，實驗室獨立運行、資源共享。實驗室在建設時注重規劃論證，其配套設備不追求先進、一流，一切以實際教學科研需求為基礎，不以實驗室開放、儀器設備利用率等具體指標為運行原則。

新加坡南洋理工大學繼承英國高校實驗室管理模式，結合學校自身情況，增加了實驗室管理的靈活性，并以校內網為依托，建立了具備可視化分級培訓考試、危險品全流程管理等功能的實驗室管理系統。

國內部分高校已建立了各類實驗室信息化管理系統，但與發達國家高校相比，國內高校實驗室信息化系統存在整體性不強、條塊化明顯等缺點，系統間難以進行協調聯動，導致“信息孤島”的情況時有出現［8-9］。

基于實驗室開放共享，北京大學通過建設實驗室與設備共享查詢系統，實現了實驗室與設備共享查詢信息的訪問控制功能和實驗室三維圖景展示等功能，為有儀器設備使用需求的師生員工提供儀器設備服務的對接窗口，建立了實驗室與共享儀器設備對外開放使用的橋梁［10］。西南交通大學通過建立大型設備預約管理系統，提升了實驗設備的共享程度和使用效率，減少了師生對實驗設備的使用障礙［11］。

基于實驗室資產管理，天津大學以實驗室儀器設備的全生命周期管理為基本設計理念，建立了資產與設備綜合管理平臺，保障了實驗室儀器設備及實驗耗材的規范化、精細化管理［12］。廣州大學基于RFID 技術，建立了資產管理系統，通過RFID 電子標簽的智能識別性以及無線網絡的傳輸技術，提升了實驗設備及資產的管理效率和利用率，為優化實驗室資源配置提供了智慧支撐［13］。

基于實驗室安全管理，清華大學在實驗室安全教育與考試、危化品全生命周期管理、安全監控與報警等方面應用信息化手段較為廣泛，由其自主開發的實驗室安全系統，能夠實現檢查計劃、檢查審核、隱患記錄、報告生成、整改下達、完成回復的閉環全流程管理［14］。浙江大學建立了實驗室安全管理系統，構建了涵蓋實驗室人員、設備和地理位置等信息的數據池，實現了對實驗室人員、化學品和儀器設備的動態管理［15］。南開大學構建了包含實驗室信息管理、教育與考試、試劑商城、安全監測預警、安全文化等模塊的實驗室安全信息化管理體系，有效提升了實驗室安全管理水平［16］。

2 “智慧實驗室”建設的重要作用

在當前各類實驗室信息化技術中，“智慧實驗室”正在成為各大高校及科研院所研究的熱點。“智慧實驗室”是以“智慧化綜合管理”為理念，以“互聯網+”為基礎，利用5G 技術、物聯網、人工智能、無線傳感、圖像識別等信息化手段，實現對實驗室的精細化、智能化管理［17-19］。

“智慧實驗室”建設對提升高校實驗室管理效能、推進實踐育人具有重要作用［20］。①實現管理流程再造。“智慧實驗室”將現有實驗室信息化資源進行了充分整合與重構，大幅提升管理效能。②提升學生創新能力。利用新型信息化技術及設備，在“智慧實驗室”管理人員指導下，讓學生在線上線下結合、虛擬現實結合的實驗室環境中充分發揮其主觀能動性，全面提升學生創新實踐能力。③推進管理體系健全。通過“智慧實驗室”賦予不同管理層級權限，進一步明確各職能部門、各學院的實驗室管理任務，推進校院兩級協調聯動、齊抓共管的實驗室管理體系建設［21-22］。

3 “智慧實驗室”建設的探索與實踐

3.1 實驗室信息化管理系統建設情況

我校作為一所軍工特色鮮明的綜合性大學，通過多年實踐，在實驗室信息化方面打造了一系列具有學校特色的管理信息系統，基本實現了實驗室、資產、安全等方面管理信息化的全覆蓋（見圖1）。

圖1 南京理工大學實驗室相關信息化系統

（1）實驗室開放預約與綜合管理系統。該系統作為實驗室開放的統一窗口，實現實驗室開放信息發布、網上預約、網上審批、數據統計等功能，學生可結合自己的專業特點、興趣愛好、學習狀況等自主選擇實驗內容，通過系統預約空閑時段的實驗室，在教師參與指導下自主開展相應的實驗活動。

（2）大型儀器設備共享管理平臺。該平臺涵蓋了電鏡、光譜、質譜、電波暗室等多學科的400 余臺套大型設備，實現查詢、預約、審批、結算、核銷的全流程管理，并與國家網絡管理平臺實現互聯互通。為方便師生實時使用，平臺還與學校公眾號對接開發了手機端應用，有效搭建起設備管理者與用戶溝通的橋梁。

（3）國有資產管理平臺。該平臺涵蓋資產的配置申請、驗收、調撥、處置、盤點、數據上報等環節，實現資產的全壽命周期線上管理。同時，充分利用資產存量以及使用年限等數據，為資產配置、處置提供重要依據，加強資產內控建設，牢牢把住“入口關”與“出口關”。

（4）公房管理信息系統。該系統以房間為基本單位，通過實施分類管理，合理區分教學實驗、科研、辦公等用房，明確了房屋定位、面積、使用人等相關信息，實現公房信息全覆蓋，做到信息動態查詢、靈活調配，通過“房-人-物”關聯，為其他系統提供數據支撐。

（5）實驗室安全管理信息系統。該系統通過構建實驗室人員、設備、化學品等危險源、實驗類型等基礎信息數據庫，實現實驗室安全信息管理的動態化、可視化，并為實驗室安全管理標準化建設提供了數據支撐。

（6）化學品管理系統。該系統從化學品的購買、庫存、使用、回收等全流程環節對化學品實施在線監管，對進入校園的所有化學品張貼二維碼，實行“一瓶一碼”管理，在全國高校率先實現對所有化學品的全流程、全壽命管理，形成了具有學校特色的管理模式。

3.2 “智慧實驗室”建設思路

在前期調研國內高校的基礎上，學校以材料科學研究中心為試點，以實現實驗室管理的智能化、集成化、數據化、扁平化和共享化為重點，通過利用互聯網、物聯網、云計算及大數據等信息化技術，整合子系統，搭建大平臺，扎實推進業務集成型“智慧實驗室”建設，初步實現了對實驗室的場所環境、大型設備、實驗人員、化學品與高壓氣瓶等各實驗室要素的集成系統化管理（見圖2）。

圖2 “智慧實驗室”建設思路

3.3 “智慧實驗室”建設

學校“智慧實驗室”構建了“數據采集層—網絡傳輸層—技術支撐層—智能應用層—信息展示層”的系統架構，依托物聯網技術、與現有系統對接進行數據實時采集，通過中控系統進行數據分析和挖掘，推送給各個業務平臺，最后通過PC 端、手機端、可視化中控大屏、電子門牌等渠道直觀地將業務數據呈現給師生，構建出一套既互通互聯又相對獨立的“智慧實驗室”綜合管理系統（見圖3）。

圖3 “智慧實驗室”體系架構

（1）數據采集層。數據采集層是整個系統的數據資源保障，以人員、房間、危險源數據等為支撐，配合實驗室內的監控、門禁、氣體傳感器、大儀終端等硬件信息，同時通過標準接口從現有實驗室管理信息系統中獲得基礎信息，為智能應用層和信息展示層提供真實的信息資源，是整個系統的數據基礎。

（2）網絡傳輸層。采用通信網、4G/5G 技術、校園網等高效安全的網絡傳輸手段，為信息及時、準確、可靠地收集、處理、存儲和傳輸等提供安全可靠的網絡環境。

（3）技術支撐層。中控系統將人員、房間、設備、危險源、環境參數等基礎信息進行全面整合，形成一套標準數據池，供智能應用層按需取用；同時，提供標準化的數據接口，將獨立的業務系統進行聯接，沉淀有價值的數據進行共享復用，打破了數據孤島和業務系統壁壘，為智能應用層提供穩健支撐。

（4）智能應用層。智能應用層是整個系統的核心部分，包括實驗人員與基礎信息模塊、實驗資源共享模塊、實驗室安全與環境模塊、業務集成展示模塊等。智能應用層與信息展示層進行信息交互，對系統運行數據進行信息處理與推送，為信息展示層提供支撐。

（5）信息展示層。信息展示層用來與用戶交互，為用戶提供交互式界面，把來自智能應用層的信息顯示給用戶。信息展示層能實時監控所有實驗室和房間的運行狀況，管理員可直接查看相關實驗室人員、設備、安全與環境信息等，實現管理的可視化。

作為“智慧實驗室”架構中最核心的智能應用層，實現集人員、設備、地理信息、環境監測、門禁準入、安全防護等管理功能于一體的業務集成型管理系統，實時對每間實驗室各類數據信息的遠程智能管控。智能應用層主要由實驗人員與基礎信息模塊、實驗資源共享模塊、實驗室安全與環境模塊、業務集成展示模塊等構成，分別承擔不同業務功能（見圖4）。

圖4 “智慧實驗室”智能應用層功能設計

（1）實驗人員與基礎信息模塊。該模塊是搭建“智慧實驗室”綜合管理平臺的基礎模塊，承載著所有業務系統的基礎數據信息，通過與學校“一卡通”系統、公房管理信息系統、校園3D 地圖、實驗室安全管理信息系統對接，獲取基于GIS 地理信息標識的實驗室人員、房間、地理位置、安全等級等基礎信息，對實驗室進行分類分級管理。通過角色授權，給予不同層級人員不同的管理權限，同時，還涵蓋考勤打卡等個性化功能需求。

（2）實驗資源共享模塊。該模塊與學校大型儀器設備共享管理平臺、國有資產管理平臺對接，對實驗室和設備的共享預約信息進行實時獲取，通過建設帶有門禁系統的電子門牌，對有共享權限的人員進行人臉識別與房間準入。同時，該模塊定制化開發了大儀智能監控終端，采用“室內藍牙標簽+室外GPS”定位的方式，對實驗室的大型設備進行實時定位和移動報警，終端內置4G 模塊，可通過手機端微信小程序實現大型設備的一鍵上下機，并將監控的大型設備使用機時及異常情況及時推送至業務集成展示終端，實現大儀智能化管理。

（3）實驗室安全與環境模塊。該模塊與學校化學品管理系統對接，實時監控危險化學品等危險源信息，同時，建設氣體安全及環境監測系統，利用物聯網技術與工業傳感器相結合的方式，基于地理信息和監控顯示界面實時查看實驗室內的氣體種類、濃度等狀況，如出現突發狀況系統可在第一時間進行報警并通過手機端通報系統管理員，大大縮短處理時間，降低處理風險。該模塊還涵蓋實驗室視頻監控、人流監控等功能，實現實時監控、錄像回放、圖片查詢及人流統計等，便于實驗室的安全管理。

（4）業務集成展示模塊。該模塊將上述模塊產生的數據信息進行分類整理與深入分析，并通過管理人員的個性化設置，將最終的可視化數據推送至PC 端、中控大屏等終端予以展示，從而實現實驗室信息的整合、搜索、共享和展示功能，并可以根據師生需求進行彈性擴充，避免系統間因信息不同步而造成的紊亂情況，實現實驗室信息的綜合管理。

3.4 “智慧實驗室”建設成效

近年來，隨著高等教育信息化建設的加速推進，以智慧實驗室為代表的信息化與教學、科研、管理深度融合的整體解決方案成為高校信息化建設熱點，極大提升了管理的效能。通過“智慧實驗室”建設，完成對接化學品管理系統、大型儀器設備共享管理平臺等現有業務系統，同時，新建實驗人員與基礎信息模塊、實驗資源共享模塊、實驗室安全與環境模塊、業務集成展示模塊等，構建了基于GIS 地理信息標識的業務集成展示平臺，初步實現了人員與房間管理、大型儀器設備管理、化學品安全管理、高壓氣體管理、視頻與人流管理等業務的綜合集成與實時動態管理。

后期，學校將持續推進“智慧實驗室”建設，在建設過程中及時針對建設情況，解決相關問題，總結經驗教訓，并進一步優化完善學校現有各類實驗室信息化系統，加快與“智慧實驗室”的對接，實現“智慧實驗室”的全要素智能化管理。同時，在材料科學研究中心“智慧實驗室”建設完成并運行良好的基礎上，形成具有學校特色的“智慧實驗室”建設標準，逐步推進“智慧實驗室”在全校的建設。

4 結語

隨著全球信息技術的跨越式發展，加強信息化技術支撐、推進實驗室信息化建設將成為高校提升實驗室管理水平的必由之路。“智慧實驗室”建設實現實驗室管理的動態化、智能化和可視化，打通師生、實驗室、信息資源之間的橋梁，為師生打造更加智能安全、綠色環保的實驗環境，實驗室管理將更為科學規范，實驗室安全隱患及事故將顯著減少，高校育人根本任務將得到有效推進。后續，需進一步完善和豐富“智慧實驗室”內涵：

（1）智慧房屋管理模塊。基于學校3D 地圖，準確顯示實驗室分布狀況及地理信息，實現房屋定位精準化管理。在此基礎上，通過對接實驗室開放預約與綜合管理系統，增加實驗室開放共享信息，最大程度優化資源配置。

（2）智慧資產管理模塊。快速整合并及時更新實驗室內各類設備資產的相關信息及狀態，進一步擴大設備定位、終端管控和移動盤點的范圍，在做到資產智能化管理的同時，顯著提升資產的開放共享、在線盤點、維修維保等管理效率。

（3）智慧人員管理模塊。通過打造實驗室人員基礎數據庫，賦予實驗室人員準入及使用權限，通過安裝人臉識別、電子門牌等設備，實現人員準入的智能化管理，避免因非實驗室人員進出造成的各類隱患及事故。

（4）智慧安全管理模塊。通過進一步完善化學品全流程監管、氣體濃度監測、實驗室視頻監控等，對實驗室環境及安全狀況進行實時把控，對突發事件進行第一時間預警，提升應急處置效率。

（5）定制化管理模塊。除常規管理模塊外，依據各學院實驗室承擔的學科特色與實驗工藝，建立定制化管理模塊，對實驗室特有環節進行智能化管理。