基于BIM+物联网的高校专业实验室信息化管理模式探讨

韩君格， 王 超， 张社荣， 崔 溦， 王枭华

（天津大学a.资产与实验室管理处；b.建筑工程学院，天津300072）

0 引 言

高校实验室是凝聚高校人才培养、学科发展、学术尖端迸发的重要实践场所，信息化管理是当前高校对大数据进行信息追踪、溯源、监管的普遍管理模式［1-2］。随着信息化技术的发展，高校实验室管理的信息化水平也在逐步提高，然而，对于诸多专业实验室，由于环境要素要求高、全生命周期信息管控难度大、对专业老师依赖程度高等问题，一直缺乏有效的信息化监控和管理的手段。同时，高校实验室管理具有人员流动性大，人财物高度集中等问题［3］，传统的专业实验室的仪器管理都由相关专业老师负责，管理方法落后，效率较低，且会占用专业老师大量的科研时间，同时资产监管部门的监管也不可能及时，已经不能满足专业实验室的使用和全面开放共享的需求，如何最大化发挥专业实验室的价值是专业实验室建设的重要问题［4-5］。

BIM+技术是指基于建筑信息模型的多种技术的融合技术。BIM+技术的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，提高信息化集成程度，提供一个信息交换和共享的平台。BIM的核心是信息数据库，不仅仅包含建筑结构物的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象，如空间、行为运动的状态信息。因此，这种集成技术可以应用在专业实验室包括专业仪器管理的全生命周期，进行管理溯源的工作，同时，由于数据库是动态变化的，在应用过程中可以不断更新信息和运行状态。物联网技术是指通过各种现代化信息技术，比如传感设备、射频识别等实现对事物的全方位信息感知和信息采集，实现物与物、人与物、人与人之间的全面互联通信，提升对物质世界的感知能力。物联网技术的产生，将物理设备与信息数据完美地连接起来，并形成了一套快速有效的计算机实验室管理系统［6］。

目前，物联网技术已经在大型仪器的管理中进行过许多探索和实践，然而在专业实验室和专业仪器管理中的应用探索不多，BIM+物联网技术的应用将有效提升专业实验室信息化水平，保障相关科研教学工作顺利开展。

1 现存问题

专业实验室及其大型仪器设备是高校大型仪器管理的重要组成部分。在当今信息化技术快速发展的背景下，高校实验室管理正在逐步加强现代化管理方法在实验室管理中的作用［7］。然而高校实验室管理总体上信息化水平不高、各个管理平台无法打通、重复性工作多等现实问题依然存在［8］。

天津大学自2014年开始逐步提出了借助信息化网络技术丰富实验室安全体系构建的手段和理念［9-11］，同时提出了实验室运行管理保障体系信息化建设的概念与目标，通过机制创新、信息技术、政策支撑，整合学校实验室资源，创新实验室管理工作体制，全面实现学校实验室资源的动态化、信息化、系统化管理［12-15］。然而，在对专业实验室的管理过程中，仍然发现了诸多问题，实验室管理与专业化要求仍存在一定差距。

（1）环境要素要求高。例如，新型材料养护室，需要根据材料成型的不同要求，满足不同室温条件和不同湿度条件；精密力学加载设备又对实验室中防尘、室温的要求相对较高。同一空间内，不同的实验室对环境条件的要求各不相同，人工控制很难达到不同功能实验室的具体要求。如何将室温、室内湿度、空气含尘量等具体的环境因素进行智慧化感知，并根据不同实验区的环境需求进行调节反馈是一个难题。

（2）全生命周期信息管控难度大。专业仪器设备参数多，操作细节多难度大，在常规设备硬件信息化管理的基础上，如何实现对专业设备使用和操作方法进行虚拟化仿真管理问题。

（3）对专业老师依赖程度高。由于专业仪器的参数多，操作步骤多，给专业仪器的共享开放带来了难度，很多情况下，专业仪器的使用都要占用某一专业老师大量的时间和精力去投入指导操作，带来了专业仪器使用效率低下等问题。

2 基于BIM+物联网的管理模式

基于BIM+物联网的管理模式主要表现在两个部分。①对实验室及其硬件的管理，②对专业仪器专业性和虚拟操作的管理。如图1所示。

图1 基于BIM+物联网的专业实验室管理模式构建

（1）实验室水、电、油、设备等进行物联网的感知改造和数据采集。根据实验室管理的要求，主要包括用电量、用水量、用油量、用气量、视频、门禁等信息，将物联网设备采集到的数据信息传输到中央服务器，对数据进行显示和分析，实现远程管控。具体来说：①

用电、用水、用气仪表进行物联网改造，例如，考虑通过电表自带的RS-485串口协议传送至ZigBee模块，ZigBee模块传输距离不足的情况下，考虑串联接续的方式。在数据终端，将数据编码以符合电能表通信所需的波特率、校验码、奇偶校验和数据位等。ZigBee协调器利用协议转换功能，将通信转换为TCP/IP协议格式，通过路由器进入光纤环网。②对实验室安装多方位视频监控，为管理人员提供视频回放、动态追踪功能，对异常情况和安全事故进行追查，同时基于图像识别技术，识别火警、烟雾警情等风险源报警功能，保障实验室安全。③门禁系统用于管理进出实验室人员的权限控制，对于风险源较大的实验场所可以进行人脸识别试点。

（2）采用先进的BIM技术，重构专业实验室不同功能的资产。①采用BIM技术将专业实验室的土建结构进行信息化，用于实现对实验室的虚拟巡检，同时在BIM信息模型上，构建实验室水、电、油路的信息模型，将专业实验室内较为隐蔽的水电油气管路通过信息模型表达显示出来，用于应急事故情况下紧急排查风险源；②采用BIM技术中的虚拟巡检漫游技术，将运行期内重点管理部位进行信息标签电子标注，方便日常管理和资产处管理人员，在巡检过程中实时记录发现的问题及处理意见，实时上传问题并将问题显示到信息模型上，同时结合不同程度的警情划定，采用微信或者邮件的形式，将必要的警情信息第一时间发布传递给相关的管理人员，提高管理的实时化水平。③将专业实验中容易误操作的关键操作步骤和风险较大的操作步骤采用4D虚拟仿真形式，结合进入信息模型BIM中，开放使用人员可以在进行申请实验之前先利用虚拟培训功能进行学习，辨识操作风险源，掌握实验操作和运行注意事项，从而有效地利用BIM技术解决专业仪器的参数多、操作步骤多、占用专业教师精力的问题。

3 主要特点及效果

基于BIM+物联网的管理模式，研发了虚拟实验室专业化设备管理平台，如图2所示。

图2 虚拟实验室专业化设备管理平台

区别于传统的物联网管理模式，表现以下几个方面：

（1）先进的BIM技术的应用，能将专业实验室不同功能的实验装置和水电气等设施进行重构，形成虚拟信息模型。将专业实验室内较为隐蔽的水电油气管路通过信息模型表达显示出来，如图3所示，用于应急事故情况下紧急排查风险源。再在专业实验室的BIM模型上的显示，有助于对专业设备的维护检修，也有利于设备升级改造时及时掌握各个管路的功能。

图3 隐藏设备BIM可视化

（2）基于虚拟信息模型可以实现各专业实验室运行期的虚拟巡检，如图4所示，通过虚拟巡检确定日常巡检潜在风险最大的位置及巡检内容，借助二维码，数字标签，实时上传问题并将问题显示到虚拟巡检平台的信息模型上，同时结合不同程度的警情划定，采用微信或者邮件的形式，将必要的警情信息第一时间发布传递给相关的管理人员。

图4 虚拟巡检功能

（3）图像识别技术的应用。结合智能安防的概念，将实验室全方位的视频监控信息进行动态解析，识别对专业仪器影响较大的火警、烟雾等风险源报警功能，并在第一时间触发紧急响应机制，保障实验室安全。

（4）BIM+物联网的虚实结合的特点。最终将与试验息息相关的环境变量（温度、湿度等）、用电量、用水量、用油量、用气量、视频、门禁等物联网实时感知的信息，如图5所示，视频图像识别的风险源信息与警情，与虚拟的实验室和仪器设备全生命周期信息联动耦合。达到基于虚拟设备信息模型进行专业实验室和专业实验设备全生命周期监管的目的。

图5 环境要素监测实时显示功能

4 结 语

基于BIM+物联网的信息化管理模式，充分发挥了物联网技术对实验室硬件安全管理和BIM+技术对专业实验室潜在专业技术风险的管理，通过搭建水电气泄漏预警平台、烟雾火情图像识别警情预警平台、人员进出预警平台、专业仪器开关预警平台、线路老化潜在风险平台、智能巡检警情预警平台和专业仪器操作虚拟仿真平台，一定程度上克服了传统大型专业仪器实验室因专业限制造成的精细化管理的困难，规范了高校专业实验室统一管理水平，提高了大型仪器实验室的安全性；降低了专业仪器室管理对专业老师的依赖性，提高了专业仪器开放的效率；各项数据采集为大型仪器平台整体规划提供科学的依据，同时为构建高水平的高校专业大型实验仪器共享平台的管理模式和管理机制提供了新的思路。