基于物联网基础下的大型仪器共享平台管理模式

孙志传， 王重庆， 潘宜昌

（南京工业大学a.国有资产管理处；b.材料化学工程国家重点实验室，南京211816）

0 引 言

随着科教兴国、人才强国发展战略的不断壮大，我国高校的大型仪器设备数量不断增多，高校大型仪器设备平台建设速度也在不断加快，当前高校存在对大型仪器设备［1］、精密仪器管理不当，仪器设备长期闲置和重复购置，大型仪器得不到合理的利用，影响实验室大型仪器的长远发展等问题。如何实现大型仪器的合理共享、提升仪器设备的使用效率，成为实验室管理者急需解决的问题。

本文利用物联网技术，构建设计一个包括大型仪器信息、仪器使用数据统计、仪器网络预约和动态监管的大型仪器共享平台［2］，加强对实验室大型仪器的监管，提升大型仪器使用效率。

1 大型仪器共享管理现状

1.1 大型仪器设备利用率低

设备分散，难以实现统一管理。我校仪器设备管理涉及多个部门、学院及教学科研机构（包括课题组），各个层面的仪器设备建设规划系统性不高，随着科研经费的增加，教授购置的大型仪器设备大部分为课题组独自占用，没有形成有效的共享，设备利用率低下、效益不高。并且因为购置大型仪器设备时调研不充分，重复购置现象尤其严重，造成资源浪费［3］。导致仪器使用效率低下。

1.2 大型仪器共享平台建设工作进展缓慢

校级大型仪器共享平台的建设工作需要学校多个相关部门和院系科研机构的积极配合和参与才能高效顺利开展，由于学校的运行机制不完善，资金分配不合理，设备管理人员工作量增加等因素，不能有效促进大型仪器共享工作的开展。仪器设备大部分属于院系部门内部管理或者课题组自行管理，导致仪器设备在院系和校际之间无法进行高效共享，除了学校分析中心能够实现部分共享，其他部门共享工作几乎很难开展。

1.3 大型仪器管理理念落后

仪器设备共享观念淡薄，特别是一些高精尖设备，由于害怕别人使用损坏，从心里抵制设备的共享［4］。随着实验室仪器设备投入资金的增加，大量的仪器设备数量陡然增加，因此对大型仪器设备管理人员的需求也增多，由于专业人员的严重短缺和传统观念的影响［5］，造成大型仪器设备得不到合理利用，且一些新型的仪器设备功能复杂，对操作指导人员的要求更加严格，造成大型仪器管理落后。

2 大型仪器共享平台模式设计

2.1 物联网的自主体系结构

物联网技术是一种将红外感应器、GPRS、射频识别（RFID）和激光扫描器等其他一些信息传感设备，以某固定协议，把特定物品与互联网连接，以完成对物品的智能识别、定位、跟踪和监管。物联网结构是一种自主体系结构，该结构包括数据面、控制面、知识面和管理面四部分［6-7］，其中数据面负责传递数据分组，控制面通过向数据面发送配置报文，优化数据面吞吐量和可靠性，知识面供给整个网络信息视图，使网络信息视图精简为网络系统知识，用作适应性控制控制面，通过管理面协调控制数据面、控制面和知识面实现物联网的自主能力，物联网自主体系结构如图1 所示。

图1 物联网自主体系结构框架图

2.2 共享平台模式设计思路

2.2.1 总体思路

基于软件学原理和面向对象的设计方法，应用MVC（Model View Controller模型-视图-控制器）设计思想设计大型仪器共享平台，大型仪器共享平台物联网结构见图2，其包括应用层、网络层和感知层三层架构［8］。

图2 大型仪器共享平台物联网结构图

应用层用于存储和管理平台数据，将即时的备份技术用于应用层确保数据的完整安全；网络层是大型仪器共享平台的中心，用于数据库操控和接收用户使用大型仪器请求的处理；感知层是大型仪器共享平台的入口［9］，以网络为媒介将不需计算机控制和需要计算机控制的大型仪器运行数据传递到应用层，应用层功能分析如下：

（1）大型仪器设备预约。共享平台应时刻针对用户的预约做出计划，使用户可以随时通过计算机查看待预约仪器的使用状态，通过提出预约申请［10］，并根据自身情况合理安排仪器使用时间。

（2）仪器使用记录查询。共享平台在仪器名称和用户栏下设置下拉菜单，可在选择时间段内快速查询某台仪器的使用情况，设备管理者在仪器发生故障时快速判断故障源头。

（3）充值管理。用户要想在大型仪器共享平台中使用仪器设备，需先在线注册，并预先在账户中充值，才可在平台中使用仪器设备。

（4）在线监管。平台可在用户登入首页显示仪器设备的分布位置、使用者身份信息以及登入信息，方便用户的信息查询［11］。

（5）优盘禁用。计算机客户端容易遭受病毒入侵，平台可禁止携带病毒的优盘功能，用户刷卡使用时，平台可有效加载该用户的网络文件夹，将自己需要的数据信息保存在该文件夹中。网络文件夹具有跟随性，即用户离开该文件夹就不存在，用户可在固定机器上导出网络文件夹内容［12］，该操作防止计算机的外部文件复制，降低病毒入侵的危害，提升大型仪器共享平台安全性。

2.2.2 大型仪器共享平台功能模块

基于物联网基础下的大型仪器共享平台包括用户登入模块、用户中心模块、检索和预约模块、集中式数据统计分析模块、刷卡收费模块、虚拟实验和考核模块和统一监管模块［13］，各个模块功能相互补充完善，各模块功能如下：

（1）用户登录模块。根据大型仪器共享平台的信息查询权限将平台用户分为用户和管理员两种，分别对平台行使不同的职权，用户可在自身权限内修改自己的身份信息，登录模块可验证用户的身份信息，根据用户类型进入不同的用户中心［14］，用户在登录过程中，平台采用Session 对象记录登录信息，用户对话结束后或长时间未有操作，平台则断开链接。

（2）用户中心模块。用户中心模块是平台的核心，登录平台后管理员和用户进入不同的用户中心，用户中心包括个人信息管理、大型仪器预约信息、个人用户密码修改和仪器使用记录等，用户仅有预约使用仪器和查看仪器使用记录的权利。管理者可统计不同大型仪器的相关使用信息，每台设备在使用时都有专门的管理人员负责，且各个管理人员仅可在自己的职权范围内管理仪器［15］。管理员中心除包括用户中心功能外，还包括大型仪器的档案管理、预约管理、维修和检测记录表以及购置信息。点击用户的菜单项，根据菜单标识进入对应功能页面。

（3）检索和预约模块。该模块确保用户快速地在平台中检索出所需的大型仪器，并从中获取该仪器的详细信息，用户在该模块中输入大型仪器名称和使用时间，平台即可自动筛选出符合要求并可预约的大型仪器。用户通过登录大型仪器共享平台，获取自己需要的仪器信息，申请预约使用仪器，且在预约时填写申请表，注明仪器名称、使用时间等信息，填写完毕后将申请表舍弃或保存，提交申请后若处于未处理状态［16］，则申请者可以修改或删除申请，但经审核后即不可取消，用户申请大型仪器预约流程如图3 所示。

图3 用户预约流程

若在可预约时间段内可进行仪器预约，平台可快速提供预约，反之平台会推荐用户距该时间段最近的设备，并提供该设备的相关信息便于用户操作使用［17］，采用该模块用户即可在网络环境下随时预约大型仪器共享平台中所有设备。

（4）集中式数据统计分析模块。准确的数据分析和统计为大型仪器的合理购置提供必要的决策支持，集中式数据统计分析模块可辅助仪器管理者方便、快捷管理数据，且该模块呈现数据类型多样，可自定义各种条件和组合，根据用户需求智能生成统计图或报表。

在大型仪器设备购置过程中，采用集中式数据统计分析模块，考虑不同大型仪器的真实使用时间和效率，而不是实验室的口头需求［18］，即可在全校多维度角度使得购置的大型仪器在合理范围内，有效降低大型仪器的浪费和重复购置。

（5）刷卡收费模块。刷卡收费模块通过刷卡器识别用户身份实现用户使用大型仪器的收费管理，该模块由用户监控程序和读卡器两部分构成，针对不同类型大型仪器设置不同收费周期和收费标准；除此功能外，还可根据用户对各类材料使用情况和实际成本支出，核算用户的资源消耗［19］。大型仪器共享平台要求使用设备必须刷卡，使用完毕刷卡退出，根据软件程序自动对大型仪器使用者进行费用扣除。通过刷卡管理模块进行费用扣除，将扣除的资金用于仪器设备的后续保养和维护，提升大型仪器设备使用年限。

（6）虚拟实验和考核模块。为保障实验室大型仪器设备能完全发挥其功能，在合理使用范围内规范和预约和使用，需要定期对大型仪器实施虚拟仿真考核和预约机制评价，可以通过构建实验仿真试验平台，对大型仪器共享平台的设备预约机制进行操作测试，仪器管理人员针对不同大型仪器制定不同操作规范和使用方法，且对于一些价值比较昂贵的设备还需对预约使用者进行使用测试，当预约者达到该仪器的使用标准后，才可预约成功。

虚拟实验和考核模块在用户使用前，对其进行水平测试，可大大降低大型仪器损坏率，用户可在构建的实验仿真测试平台中多次学习使用方法，降低仪器专业教学人员的培训耗时，培训更多的仪器使用者。

（7）统一监管模块。该模块在线远程监控和管理大型仪器共享平台，中心将不同设备的运行状态和使用信息等实时反馈给管理者，便于整体了解各台设备的使用情况。

共享平台统一监管包括对仪器的开机关机、电流和摄像头监管，大型仪器使用前需进行预加热，经常频繁开机和关机对仪器的损伤较大，用户应严格依照预约时间打开仪器，共享平台会记录相关信息，便于管理人员实现对仪器的监控管理；电流监管主要针对一些屏幕经常不关机的仪器，该类仪器在待机状态时的工作电流较小，工作时电流大幅度变动。因此，需要共享平台时刻监管仪器电流大小；摄像头监管对象主要为刷卡设备和门禁设施，主要用于监管用户是否按照标准使用设备，是否有人人为损伤仪器。

3 强化预约管理和人才培养

基于物联网基础的大型仪器共享平台的最终目的是充分利用资源、提高大型仪器设备的使用效率、培养更多具有创新管理能力的人才［20］。加强预约管理和人才培养可从实验技术人才培养、预约管理模式加强和卓越创新人才培养着手。

3.1 加强预约管理模式

基于物联网基础下的大型仪器共享平台，可通过网络预约和电话预约实现对大型仪器的网上查询、预约、数据统计，动态管理大型仪器，提升大型仪器设备开放共享程度，增强设备使用效益。以下为常用的大型仪器预约方式：

（1）网络预约。用户登录平台后，点击待预约的大型仪器，平台自动弹出该仪器可预约时间，待用户完成相关信息的填写后，预约流程完成。通过网络平台预约大型仪器，降低仪器的重复购置，提升大型仪器使用效益。同时也可通过手机APP预约实验仪器。

（2）电话预约。一些高精度的仪器设备需经常移动使用，不便于连接网络，因此该类设备不宜网络预约，可在共享平台中事前预约仪器，获取管理该设备的管理员信息，通过电话预约使用该仪器。

3.2 实验技术人才培养

（1）培养熟练操作手。培养该类型人才的对象主要对高校学生，特别是硕士生，使其成为具有独立自主使用大型仪器设备的能力，提升仪器设备使用效率的能力，促进学生动手操作能力的提升。

（2）培养不同领域专家。一个世界一流的高校，除具备教学大楼和大型实验仪器设备外，还需要有世界一流的专家，专家能够对一些特定大型仪器的功能进行优化提升，使研发出科研成果具有较高的价值意义。

（3）培养技术精英。通过加强技术精英的培养，提升对大型仪器设备维护效果，便于对一些功能尚未开发的仪器实施升级改造，获取价值水平较高的测试分析报告。

4 结 语

构建大型仪器共享平台是提升设备使用效率、降低科研成本的关键途径，也是加强协同创新的有效方法，大型仪器共享平台的设计应坚持精细化管理、聚合共享和管理创新的原则，运用科学化手段提升大型仪器的使用，实现大型仪器的科学化、现代化管理。

基于物联网技术构建的大型仪器共享平台，将实验室中所有的大型仪器放置于虚拟的平台中，其中既有需要电脑控制和不需要电脑控制的仪器设备，还有一些用于户外探索需要的仪器设备等，通过该共享平台共享不同仪器，用户根据自身实际需求，有效预约大型仪器设备，并在共享平台中全面获取实验室所有仪器设备的详细信息。大型仪器共享平台便于统一管理所有仪器设备，既满足了用户需求也辅助管理人员加强对大型仪器设备的管控。