基于物联网及大数据技术的实验动物中心运营管理实践*

李自发 耿希文 徐凯勇 胡明会 王可洲 苏茜茜 魏 盛*

(1. 山东中医药大学实验动物中心，济南 250335)(2. 山东第一医科大学/山东省医学科学院/山东省实验动物中心，济南 250002)(3. 北京西文智慧科技有限公司，北京 102600)

随着现代化信息技术的发展，越来越多的行业引入了大数据、物联网、云计算等新兴的科学技术，且相关的技术手段在部分行业已经得到规模化的应用[1-2]。相关应用不仅为用户提供了丰富的数据服务及方便用户办理各项事宜，更是为管理者提供新的管理手段。根据杨大伟等[3]、彭华松等[4]以及朱玉等[5]报道，实验动物是生命科学研究的基础和条件，饲养于屏障设施内，其环境特殊及要求严格，相关实验室管理工作不仅涉及实验动物中心服务质量和生物安全，更是直接影响到实验结果的可靠性。因此，对于实验动物的智能高效管理，不仅能够让动物实验室屏障环境内外相关的管理工作更加智能化、实时化和人性化，并且减轻管理者工作负担并提高服务质量。

目前，已知有文献[6-11]针对实验动物的智能管理进行了报道，但智能管理的高效化、实时化等方面还有待提升。此外，尚缺乏整合预约、管理、考核、控制及报表功能于一体的管理体系。基于此，本文将介绍一种基于物联网和大数据技术的实验动物中心管理方法及其应用与实践，并就其在实验动物中心管理方面效果进行分析。

1 基于物联网技术的管理系统设计

本研究构建的动物实验物联网运维管理系统，是基于Java语言进行开发，项目以Spring Boot为框架，使用Shiro安全控制、Thymeleaf模板及Bootstrap前端框架，采用分布式系统架构设计，提高系统并发能力。使用当前流行的扁平化设计风格，支持电脑、平板、手机等所有主流终端，易读易懂且界面简洁美观。前端Vue轻量化及后端Spring Boot完全分离，支持SqlServer、mySql等多数据源，只需简单配置实现切换。权限粒度精确到按钮。采用内存数据库redis作为缓存，提高系统响应速度，利用iocp搭建高性能采集引擎作为物联网网关。

物联网终端采用多种设备融入业务管理中，终端包含电源控制、人员出入管控、环境数据采集、常规设备接入等多种设备，传输方式包含TCP/IP、Zigbee、LoRA、NB-IOT等，使其能够适应多种类型的建筑环境。经实际应用测试，本系统可完成实验动物中心所有业务的线上进行，也可对实验室核心功能进行移动监测、预警和分析。

2 管理系统功能设计

2.1 功能设计

本研究中构建的实验动物物联网运维管理系统主要完成的业务功能包含线上培训考试、伦理审核、费用管理、生产订单、笼位开放预约、实验室开放预约、易耗品管理、动物尸体处理等功能。其中，引入物联网的业务管理为整个业务流程中核心的功能，将人员管控、视频查看、电源管理、IVC设备管理、进排风系统等融入到统一物联网运维管理平台中，完成“数据采集—业务进行—数据监测—自动控制—数据采集”的闭环管理。数据采集完成后，根据主要的业务功能，定制大数据展示面板，将实验室的核心数据进行展示，为用户服务的同时，为管理者提供决策(图1)。

图1 实验动物物联网运维管理系统功能设计简图Fig.1 Functional design diagram of IOT operation and maintenance management system for laboratory animals

2.2 服务对象

系统主要的服务对象是用户和管理者。用户可以通过系统在线上进行培训、考核及预约的工作，待管理者审批完成后，可以自助激活校园卡，预约实验中心和实验室进行科研工作。物联网硬件的引入，也为实验动物中心24 h运行完成了准备条件。

2.3 业务功能

物联网运维管理系统将动物实验中心所有的业务功能改为线上完成，主要功能包含：①实验动物相关培训考核；②福利伦理审核；③费用管理；④笼位预约；⑤实验室预约；⑥实验动物订单管理；⑦检测申请及结果查询及打印；⑧实验动物尸体全流程监管；⑨物联网接入设备管理；⑩数据与报表展示。上述系统加以合理的管理，有利于提高用户工作效率并减轻管理者的工作量。

3 物联网技术的运营管理实践

3.1 人员出入管理

引入人行道闸及门禁相关设备, 认证方式支持校园卡、身份证、人脸识别等多种方式。通过实验室的门禁管理进入实验室内部人员，预约成功后同时获得与所约实验室相关的观察室、检疫室、饲养室及洁物间的进出权限。

3.2 远程查看

引入视频监控设备，将视频流集成到物联网运维管理平台，并且开放给用户和管理者。用户预约进入实验室饲养动物后，可在自己手机或者电脑界面查看到预约的饲养室的视频。管理者通过视频可查看所有实验室及饲养室的实际情况。

3.3 电源管理

引入电源管理的相关物联网设备，建立实验动物中心能耗及自动控制模块，可有效监测相关设备耗电状态。电源管理既可对实验动物中心能耗做一全面掌控，又可通过供电设备电流、电压及温度的变化做出预警，同时可对相关设备做出远程自动化控制(图2)。

图2 实验动物物联网运维管理系统智慧式用电监管平台Fig.2 Intelligent power supervision platform of IOT operation and maintenance management system for laboratory animals

3.4 实验室环境数据采集

引入实验室环境数据采集终端，可以对实验室内的温度、相对湿度、压力、氧气含量、二氧化碳含量、氨气含量、光照度、细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)等各类数据进行采集。在扩展检测类型的同时，将本系统采集的各类参数和空调送排风系统采集的进行对比，可严格保证实验环境符合相关标准。

4 大数据技术的运营管理实践

4.1 数据统计

包含主要业务中培训人数、考试情况、伦理审查、笼位预约、动物生产订单、费用、实验室使用情况等各种统计报表。

4.2 数据展示

综合展示实验动物中心的运行情况，包含注册人数、交费情况、消费情况、笼位使用情况、实验室使用情况、项目情况等数据(图3)。

图3 实验动物物联网运维管理系统数据展示平台Fig.3 Data display platform of IOT operation and maintenance management system for laboratory animals

4.3 管理依据

大数据技术的应用，在为用户更好的提供数据服务的同时，可以为管理者提供真实、实时的数据支撑，为管理和决策提供有效的依据。

5 运营管理系统的建设意义

通过信息化的手段，在完成业务功能的同时促进传统管理方式的改革。基于物联网和大数据技术的实验动物运维管理系统是一段时间以内继续也是必须引入的管理手段，对行业的发展具有重大的意义[12-13]。

5.1 管理创新是自身发展的内在需求

引入智能化的管理手段，促进实验动物中心管理创新。随着技术、行业以及知识环境的变化，要求实验动物管理者不断学习新知识及新的技术手段，以期更好的完成服务工作。个人管理工作的创新，推动实验动物中心整体的工作创新，进而推动整个行业的创新。

5.2 解决现有问题的重要手段

引入物联网运维管理系统是解决现有问题的重要手段。在人员出入、设备能耗、照明等方面进行管理，物联网设备以24 h运行、零失误、实时数据等特点，解决了传统管理遇到的很多难题，可以将实验动物中心的管理进一步透明化及数据化。经过预置的逻辑，进行大数据分析，帮助管理者做出正确决策，促进中心全面发展。

5.3 提供优质服务的重要保障

实验动物中心是为科研服务，为生命科学的发展服务，更是为人服务。引入物联网运维管理系统可以大大减轻用户工作负担，对于实验人员可以精简优化工作流程，保障实验工作顺利开展；对于管理人员可以减轻管理成本，将有限人力物力投入其他服务工作中。

5.4 行业发展的助推剂

成熟技术手段的应用，可推动行业的发展。我国实验动物相关的行业标准也是随着技术手段的革新在不断的进步。物联网、大数据、云计算等技术趋于成熟的今天，有必要利用相关技术，试着解决现有的问题，进一步形成成熟的解决方案、优化管理工作、提高效率及促进行业发展。