平安校园中的实验室安全管理系统设计与实现

占帆 孙毅 赵振民 赵晓峰 陈佳

（1.北京航空航天大学安全保卫处 北京市 100191 2.北京航空航天大学校园规划建设与资产管理处 北京市 100191）（3.北京航空航天大学网络空间与安全学院 北京市 100191 4.北京邮电大学信息与通信工程学院 北京市 100876）

平安校园建设既是新时代高校维稳的重要工作，也是实现“双一流”高校的安全基础保障。高校实验室承担着培养学生综合素养和开展科学研究的任务，是高校安全工作的重要组成部分。因此，做好面向平安校园的实验室安全管理工作，是高校全面落实科学发展观、构建平安校园、平稳有序发展的根本要求。

随着科学技术的发展，基于大数据、物联网、移动互联网的各种新兴技术被逐步发掘，它们也逐步被用于平安校园的建设中。然而，实验室安全管理是一项复杂的系统工程，尤其在涉及校园安防事项时，亟需对传统的实验室安全管理进行优化与升级，与平安校园中的其他系统、数据相融合，并采用大数据分析技术，实现高校实验室安全管理工作的智慧提升。

1 实验室安全管理系统现状

“双一流”建设方案明确了党和国家建设世界一流大学的指导方针和具体目标，推动了高校建设世界一流大学的进程[1]。“平安校园”则是“双一流”建设的基础安全保障，而安全教学、安全科研、安全校园、安全实验室都是平安校园的核心组成部分。其中，实验室安全管理更是学校教学管理、科学研究、实验建设等项目顺利完成的必备条件[2]。

实验室安全管理是一项涉及诸多部门的系统工程，它有着业务链条长，管控难度大和事故影响坏，工作责任重的特点[3-5]。现代高校实验室安全管理通常采用先进的实验室信息管理（LIMS）系统作为管理手段[6-8]。LIMS 系统可以为实验室提供多类型的检测和校准服务、实现对相关数据资料的全方位管理，以及对设备的工作状态进行全生命周期管控[9-11]：移动互联网与物联网技术的应用，更是改进了传统管理方法效率低下的缺点、提高了实验室的安全监测水平[12-14]；大数据技术加强人防、物防、技防系统的深度融合，极大程度上促进了“平安校园”建设[15]，这些新技术的加入都使得实验管理系统的自动化和智能化程度不断提高。

然而，对照“双一流”战略目标，实验室安防管理仍存在一些问题。现有的实验室管理系统仅对系统各个模块进行技术革新，并未着眼于“平安校园”这一较高的层面。校园安防与实验室安防系统间数据不联通、信息不互补；各系统间联动性较差、整体性不强，给发展规模越来越大、安全要求不断提高的高校实验室管理带来了新的挑战。

本文在结合传统实验室安全管理手段的基础上，一方面设计了包含软件应用层、数据层和硬件层的融合安防平台，旨在联结实验室安全管理系统与校园安防系统，实现两个系统之间的底层数据融合及业务流程互通。另一方面，针对来源于实验室管理的运维数据，融入了大数据分析技术，实现了两个系统间的数据联动，添加了数据分析、预测模块。最终，设计并实现了全校统筹、智慧化程度较高的高校实验室安全管理体系。

2 平安校园的实验室安全管理系统设计

平安校园的实验室安全管理系统设计重在打通实验室安全管理系统与校园安防系统，实现两个系统之间的底层数据融合及业务流程互通，推进已有实验室安全管理业务的优化并实现大数据分析、预测类业务。

融合安防平台的实验室安全管理系统设计分为三部分：系统总计架构、硬件设计和软件设计。总体设计包括对标平安校园目标的系统架构、两系统融合的业务流程改造设计、系统间的数据融合与数据接口设计。硬件设计主要包括通信网络和安防基础设施两部分。功能模块设计即系统上层的应用设计，根据两系统融合的要求重新设计了系统功能模块、角色权限并加入了异常行为分析、数据推荐等基于大数据处理的先进业务。

2.1 系统总体架构

融合安防平台的实验室安全管理系统由三层架构形成其运行体系，分别为软件应用层、数据层和硬件层。详细的系统架构图由图1所示。

软件应用模块包含了实验室安全日常管理中的人脸识别、安全消防、巡检巡逻等相关业务，所有业务通过与安防平台对接后统一管理，数据融入安防平台数据库。此外，应用模块中还需：

（1）重点改进实验室安保人员和师生的管理，与全校安防数据互通；

（2）加入人员异常行为分析、巡检推荐、安消异常预警等基于大数据处理的先进业务。

数据模块负责接收服务器、传感器模块等多种设备所发送的数据，并与应用模块形成反馈式联动，直接作用于应用模块。同时，实验室安全数据和安防数据将会被存储在统一的数据中心内，并设计为同一数据库，消除传统应用系统间的数据隔阂，免去数据对接的繁冗操作。传感器模块通过通信网络与数据模块相连接，负责将所管理的多个传感器数据传送至应用模块。

硬件层是总计架构中的底层基础，包括了服务器、存储和传感器、摄像机等多种物联设备，以及接入这些硬件的通信网络。为不同的物理设备选择合适的接入网络类型，以及通讯机制，才能确保智慧校园安全管理的24 小时智能服务不间断。

基于以上三层架构，系统得以实现安防平台和实验室安全管理系统的业务、数据、硬件层融合，实现平安校园中智慧应用和数据预测推荐。

2.2 系统软件应用设计

软件应用模块主要包含3 部分：实验室安全日常管理、人员管理以及大数据分析预测。本文重点介绍其中的实验室出入管理、消防和报警管理以及数据分析预测部分。

2.2.1 实验室出入管理

实验室出入管理模块采用安防系统中的地图数据、监控数据，安防平台的人员数据，优化实验室出入业务。通过安防平台的融合，实验室出入人员的人脸、身份证、门禁卡等多个维度的数据已经确认了准入人员的安全级别。安防平台中的高信任度人员在实验室安全系统中只需录入所需进入的实验室，由管理员一次通过后即可通过人脸识别长期进入实验室，并持续录入其行为信息。而对于安防平台中近期有异常行为的人员、黑名单中的人员，其进入实验室的门禁卡、人脸等都会被禁止，直至管理员放开其权限。对于监控中出现异常情况的、近期频繁发生异常行为的人员，由实验室安全管理系统反馈给安防平台，展开实施跟踪检测，并通知保卫处，及时制止其高危行为。

2.2.2 实验室消防和报警管理

安防平台已经实现了GIS 地图标注，将这一功能融合如实验室消防和报警模块。从全校的GIS 地图上点击查看消防烟感温感、消防手报、气体传感器的实时和近期某一时刻数据。同时，设计双系统报警联动机制，在出现消防报警、气体浓度超标报警时，可以在对应的实验室弹出报警关联视频和报警信息，并在实验室安全管理平台报送实验室管理员，在安防平台推送给保卫处。

此外，设备也将根据自身运行状况进行智能告警，及时反馈异常数据和运行状态。报警信息将被安防平台进行评估，分为“真警（执行预案）”、“真警（不执行预案）”和“虚警”，若确定为“真警（执行预案）”，按类型匹配到不同的实验室安全应急预案。报警的后续处理记录也会被记录至安防平台，并反馈给实验室安全系统。

2.2.3 数据分析与预测

实验室安全管理系统加入了与安防平台联动的大数据分析与预测功能，包括出入异常分析、出入异常预测、实验室运维数据分析、运维异常警报预测、巡检推荐与预排等多个功能等。此外，还加入了支持领导决策的数据联动展示功能和数据预测展示分析模块。

2.3 系统硬件设计

硬件层设计包括通信网络和安全管理基础设施两部分。通信网络包括了校园有线网、无线网、安防专网和消防专网。安全管理基础设施包括了服务器、存储和传感器、摄像机等多种物联设备。基础硬件的设计既要将安防系统和安全管理系统结合，也要设计出单个实验室的硬件部署。以某重点实验室为例，表1给出了该实验室的安全管理系统相关的硬件部署。

表1：某重点实验室安全管理系统硬件部署

3 系统测试与应用

融合安防系统的实验室安全管理系统在经过功能模块测试、软硬件联调测试、系统试运行、渗透测试和压力测试后，已经在北航“平安校园”建设中稳定运行半年。较原有的单个实验室安全管理系统，实现了统一远程防控、数据预测与分析等多个新功能，原有的功能也实现了优化和升级。图2展示了结合GIS 地图的实验安全管理系统消防和报警模块。重点实验室所在楼宇已在校GIS 地图中标注，当发生消防报警时，消防报警模块会自动打开监控实况并调出楼层平面图，并在安防平台和实验室安全管理系统中同时报警。

除针对实验室的远程防控，实现了重点区域的视频加密，在基于报警数据的信息推送方面也进行了服务优化升级。图3展示了利用报警数据进行信息推送服务的系统框架结构。系统的报警数据和综合分析数据通过校园网防火墙，发送到公网的短信云服务器，然后短信云服务器会按照配置要求发送到指定手机上。

此外，北航“平安校园”也开发了以数据分析为核心的数据看板功能模块。图4展示了智慧校园综合管理平台界面。在实验室安全融合管理系统里，大多是以统计报表形成的数据，在管理平台中，针对现有多种子系统统数据，实现了对整个实验室内的人、状态、告警等数据元素提供了多种分析预测。

图1：与安防平台融合的实验室安全管理系统架构图

图2：基于GIS 地图的实验安全管理系统消防报警功能

图3：基于报警数据的信息推送服务的系统框架结构

图4：智慧校园综合管理平台界面

4 结语

为建设“双一流”高校的平安校园，本文将高校的安防平台与实验室安全管理系统相融合，设计了智慧实验室安全管理系统，将安防数据应用于实验室安全的统一管理，实现了两个系统运行数据的实时联动，使得实验室的出入管理、消防和报警管理成为了一个有机整体。此外，利用大数据分析技术，增加了用于支持领导决策的数据预测功能。在已有的实验室安全管理系统全面运行推广的基础上，后续将进一步展开更深层次的数据分析和推荐研究。