基于物聯網+大數據技術的實驗室創新管理模式分析

馬 振

(江蘇師范大學科文學院 江蘇 徐州 221132)

0 引言

信息化時代下,“互聯網+”戰略引領著各行業領域長效發展。互聯網具備的強大信息資源共享能力,為高校實驗室管理創新、效率提升創造了良好條件。實驗室管理中,物聯網和大數據等技術的應用,能夠為用戶提供豐富的數據服務,支持用戶快捷處理各項管理事業,同樣也為管理者提供了新的管理手段。目前,國內各高校不斷增加對實驗室的投入,實驗室設備采購、儀器添置、器材管理等變得更加復雜,以人工為主的信息記錄方式,已滿足不了新時期實驗室管理的需求。信息化時代下,高校在推進實驗室建設的過程中,怎樣采取創新手段實現高質量的實驗室管理,需要引起各大高校的重視。

1 物聯網與大數據概述

1.1 物聯網技術

物聯網技術是互聯網技術不斷發展、延伸的產物,物聯網技術的應用涉及物與物之間的通信。應用物聯網技術時,用戶通過識別技術、感知技術獲取信息,利用相應網絡協議對感知到的信息進行交換、通信,實現物理世界與信息世界的連接,實現對相關物體的辨別、檢測、控制等。物聯網的結構通常被分為三層,如圖1所示[1]。

圖1 物聯網結構

在物聯網結構中,不同傳感器相互作用組成傳感網絡,形成物聯網的感知層、網絡層和應用層。在物聯網的感知層,傳感器是最基本的硬件設施,主要作用是感知事物、識別信息,它可以實現與其他元件的數據傳輸、通信,將傳感器感知到的信息傳遞給相應的元件。網絡層承擔傳送數據信息的作用,屬于感知層和應用層的紐帶,主要由Internet、通信網、專用網、通信協議等組成,負責將感知層獲取的信息安全地傳輸至應用層。應用層是物聯網三層結構中的最頂層,“處理”是應用層的主要功能,該層級能對感知層采集的數據進行計算、處理、挖掘,以此實現對物理世界的控制、管理和決策。

1.2 大數據技術

互聯網技術的發展,給人們帶來了海量數據。數據量的爆發式增長,導致傳統數據分析、數據處理等技術,已滿足不了對海量復雜數據的處理要求,大數據技術應運而生。大數據不是簡單代表海量數據或者數據量大小,最重要的是能對各類數據、海量數據進行深度處理,具備強大的數據收集和數據挖掘能力,能幫助用戶在海量數據中找到有用的價值信息。用戶應用大數據技術,旨在獲取大量數據,通過數據分析,將復雜數據轉化為研究成果,或者在價值密度較低的數據中,挖掘自身所需的價值數據。

2 “物聯網+大數據”應用于高校實驗室管理的重要性

從物聯網和大數據的價值來看,兩者協同應用于高校實驗室管理,能為管理者提供更便捷的管理服務,在強大技術感知、傳輸、處理、挖掘等功能支持下,能夠有效推動高校實驗室管理模式的創新。在功能定位上,高校實驗室能滿足高校日常教學需求。在大數據不斷推廣的過程中,實驗室需要在數字化資源共享的同時,進一步提高各類數據資源的管理能力。管理者應用物聯網、大數據等技術手段,建構良好實驗室環境,使得實驗室的功能變得更加強大。例如,應用大數據技術,能更快速地完成實驗室數據的處理、分析和編輯,在數據處理過程中,可以采用服務集群的方式,在大數據技術支持下開展專項項目管理,提高實驗室管理的整體效率。應用大數據技術,實驗室可以為全校師生提供針對性服務,如數據處理平臺、實驗室資源等。大數據幫助用戶創設良好實驗環境,滿足不同實驗室對數據處理的需求。實驗室根據高校教研、科研的現實需求,應用大數據技術整合各領域資源。在教學領域中,通過對不同課程的整合,進一步提高實驗室的教學服務能力,最大限度滿足高校教育教學工作的需求。

3 “物聯網+大數據”下實驗室創新管理模式建構

3.1 系統架構

“物聯網+大數據”下實驗室創新管理模式,由實驗室管理者采用物聯網技術、大數據技術,搭建一個信息化管理系統,圖2為系統架構,該系統由數據層、物聯層兩個部分構成。

圖2 實驗室管理系統架構

該系統架構中,物聯層承擔數據采集、數據存儲等功能,由各類傳感器設備、智能手機終端、無線通信技術、射頻識別技術(radio frequency identification,RFID)、攝像頭等組成。數據層在實驗室管理中,主要承擔各項數據處理功能。物聯層和數據層之間具有相互作用機制,通過網絡通信協議由物聯層將采集到的數據信息處理、傳遞給數據層后,由數據層負責處理數據信息,再將數據層提取的價值信息傳遞回物聯層,在物聯層的應用層為用戶提供各種功能選擇。

3.2 網絡拓撲結構

在確定實驗室的管理功能后,技術人員要考慮怎樣利用物聯網和大數據,將實驗室、各類設備、智能終端連接起來,用戶通過怎樣的方式介入系統,形成統一的數據處理、設備接入、綜合處理的網絡信息中心,實現教育信息資源的有效采集、分析、服務與應用等。完善的網絡結構不僅可以支持各類接入設備的相互聯通,還能模擬各類應用場景,幫助用戶搭建更高效、靈活的實驗環境[2]。

3.3 功能開發

(1)用戶管理功能

管理者對實驗室使用者的管理,包括教師管理、學生管理,主要涉及對使用者的授權管理、信息修改等。

(2)信息管理功能

實驗室管理是高校實驗室管理系統的核心部分,不僅要管理實驗室的信息,還需要對實驗室內部的各類設備實施管理。主要管理功能如實驗室設備信息錄入、新增實驗設備錄入、設備狀態實時更新、設備保養記錄和報修等[3]。高校要想實現對實驗室的有效管理,為教研、科研等工作的順利開展提供保障,加強對實驗室信息管理功能的開發非常重要。

(3)智能終端管理功能

實驗室的智能終端管理屬于系統功能模塊的重要組成部分,主要涉及對實驗室環境的監測,如溫濕度、光照度等,實驗室智能終端控制,包括開發窗簾控制、燈光控制、門禁控制等功能。

(4)在線預約功能

在線預約功能是用戶對實驗室功能的基本需求,特別是在高校實驗室的開放程度不斷提升的過程中,實驗室不再以管理者或教師為主導,學生擁有更多實驗室使用權。但實驗室場地空間、設備數量有限,普遍存在“供不應求”的情況,開發在線預約功能,可支持學生在線預約使用實驗室,可以最大限度提高實驗室的使用價值。

(5)身份認證

身份認證是維護系統安全的技術,是物聯網技術價值的體現。例如,技術人員在系統功能開發中,可以采用RFID智能卡進行認證,由高校投入適量經費,選擇專業廠商生產智能卡,用戶在登錄系統時必須將智能卡插入專用讀卡器,通過這種方式驗證用戶的身份。

也可以采用“用戶名+密碼”的方式,這是目前最常用、最簡單的身份驗證方法。所有用戶的用戶名、密碼都是由用戶設定,用戶登錄系統時必須輸入密碼,用戶才擁有系統操作的權限。

3.4 功能實現

實驗室管理系統中,物聯層采用RFID將實驗室內部的儀器設備、常用工具等各種設施錄入系統,實現對實驗室內部資產的電子化管理,系統定期對數據庫內的數據進行更新,保證系統內部數據的時效性,在實驗室內部設備發生租借、遷移等情況時,系統可以自動追蹤設備。物聯層的應用,能幫助管理者處理經常出現的登記和實際不相符的情況,有利于保障實驗室資產的安全性。物聯層中,通過在實驗室內安裝傳感器、攝像頭,可以實時留存實驗室的人員進出資料,避免在實驗室可能出現問題后無法追溯責任人的情況[4]。利用攝像頭,可以幫助管理者實時監控實驗室內部人員,包括師生的實驗全過程,及時發現實驗過程中存在的安全隱患,及時預警,在規范師生實驗行為的同時,提高實驗室運行的安全性。手機APP即系統連接的智能終端,可以支持用戶在線預約實驗室,最大限度提高實驗室的開放水平,有利于發揮實驗室助推高校人才培養水平提升的作用,最大限度滿足廣大師生對實驗室的使用需求。后臺數據形成日志流,可以利用大數據技術,圍繞實驗室使用情況、用戶興趣點等,為實驗室分析創造良好條件,為管理者進行管理創新提供決策依據,有效提高實驗室的管理水平、服務水平。系統對實驗室管理者開放更高級權限,管理者可以通過手機APP,在線填報實驗室管理情況,包括實驗室損耗情況、采購情況等,由系統后臺將數據存入數據庫,以便為管理者后續進行實驗室情況分析、耗材庫存分析等提供數據依據。通過在實驗室內設置各類傳感器,管理者可以更好地管理實驗室內部環境,如溫度傳感器、濕度傳感器等;管理者也可以設置傳感器,對設備進行監測,重點監測設備的啟停、運行情況,在數據采集的基礎上,及時發現設備存在的故障,便于相關人員快速對實驗室設備進行保養和維護。

在系統的數據層,主要采用現下較為流行的Hadoop平臺,技術人員在該平臺中可以使用Sqoop第三方插入工具,實現物聯層數據庫中實驗室數據和分布式文件系統(hadoop distributed file system,HDFS)數據的交流,利用平臺內的采集服務器將物聯層的日志流中存儲的各項信息,傳出到數據層的Hadoop中。對HDFS中的數據,由MapReduce進行清洗、篩選等操作,隨后將清洗后的數據存儲于數據倉庫Hive。存儲于Hive中的實驗室數據,可以采用模糊推理、深度學習等算法進行處理,主要獲取實驗室的使用情況,為后續開展的實驗室管理工作提供重要決策依據,并且也為高校后勤處采購實驗室設備、實驗室用地決策等提供強大數據支撐[5]。管理者可以登錄系統,利用數據層的功能,對攝像頭采集數據、用戶登錄記錄數據等展開分析,及時掌握用戶的興趣點。管理者根據平臺對實驗室的耗材、設備等數據展開分析,可以支持管理者實時掌握實驗室舍內狀態,為設備的保養、維修等提供可靠依據,此外耗材分析還能為學校預算編制工作提供依據。各種數據處理、分析結果,都可以通過瀏覽器、手機APP等終端進行顯示,為管理者提供實時查詢的功能。

4 “物聯網+大數據”實驗室創新管理模式的應用建議

4.1 轉變實驗室管理觀念

社會不斷進步的背景下,教育改革不斷深化,社會發展對人才、科技的需求不斷提升。高校實驗室承擔著科研、教研等多重職能,高校要想充分發揮實驗室的功能與價值,需要及時革新實驗室管理理念,引進新的實驗室管理方法。高校應主動創新實驗室管理模式,明確物聯網、大數據等技術在實驗室管理模式創新中的價值,重視實驗室智能化水平的提升,打造具備強大信息傳輸、數據挖掘和開放共享功能的智能化實驗室,最大限度滿足師生對實驗室的使用需求。例如,高?？梢詫⑸矸菡J證功能與物聯層的攝像頭監控功能結合起來,師生通過刷卡進入實驗室,由實驗室內設置的網絡攝像頭對實驗全過程實施監控,在系統的作用下自動記錄實驗操作全過程,自動存儲實驗過程中產生的各類數據。師生離開實驗室后,也需要通過刷卡離開,系統自動記錄師生使用實驗室的時間,采取自動化、智能化的操作方式,實現對實驗室的全方位管理。

4.2 完善實驗室管理功能

高校根據物聯網技術、大數據技術,開發實驗室創新管理模式,要重視實驗室管理功能的完善,大體可以從實驗室信息管理、設備管理兩個層面入手。高校在系統開發的基礎上,由管理者登錄管理系統,直接通過手機APP,添加實驗室信息、實驗室資料,利用手機APP實現對實驗室信息的集成管理。設備管理中,高?？梢詫嶒炇以O備管理關聯到多個用戶數據表,實驗室表、設備信息表、設備故障表等,一個實驗室可以有多重設備,但一個設備的信息只能在一個實驗室的目錄下。

實驗室信息管理、實驗室設備管理,只是實驗室創新管理模式中的基礎功能模塊。高校利用智能終端,開發各項管理功能,各項功能模塊主要實現對無線節點的控制。例如,開發智能窗簾控制功能模塊,支持管理者、用戶使用手機APP控制實驗室內的窗簾。管理者和用戶通過登錄系統,操作手機APP控制實驗室內窗簾的開閉。由智能終端下達指令,系統服務器在接受指令后,將開關動作發送至網關,再由最終節點控制實現,隨后對數據庫內的信息作出更改。在實驗室環境管理中,開發溫濕度監測功能模塊,通過在實驗室內的特定位置設置溫濕度傳感器,傳感器按時采集實驗室內的溫濕度信息,將采集到的信息通過網絡發送至服務器,由服務器將接收的數據信息寫入相應數據表,并將信息返回,通過手機APP顯示實驗室的溫濕度信息。總之,實驗室創新管理模式中,高校在開發功能模塊的過程中,要根據實驗室使用需求、管理需求確定,盡量采用物聯網、大數據等技術,提高實驗室的自動化、智能化水平。

4.3 實驗室教學模式創新

高校要想真正發揮實驗室創新管理模式的作用,除了要及時革新管理觀念外,還需要采用實驗室教學模式創新的方式,最大限度發揮出實驗室在學術研究等方面的強大影響力,利用實驗室創新管理模式的優勢,帶動高校教學質量提升。高校可以運用系統功能,為學生的實驗項目的開展提供有力保障,學生可以登錄系統瀏覽實驗項目相關的資料、觀看實驗視頻,便于學生正確掌握實驗室操作流程、操作方法。系統給學生的自主學習提供廣闊空間,讓學生隨時都能通過手機APP瀏覽實驗室發布的實驗項目、實驗講義等,為學生后期實驗,或者實驗預習與復習創造良好條件。

5 結語

綜上所述,本文基于“物聯網+大數據”研究了一種新的實驗室管理模式,該模式可以有效解決傳統實驗室管理中存在的弊端,有利于最大化發揮實驗室的功能與價值。本文基于 “物聯網+大數據”支持下的實驗室管理模式開發,需要高校盡快轉變自身觀念,利用物聯網技術實現數據線上化,對各類實驗設備進行跟蹤、管理,隨后應用大數據技術對物聯層所采集的數據進行深度處理,通過智能化分析,為高校實驗室管理提供更有力的保障。