“互联网+”背景下大型仪器平台的智慧化管理

姚青倩，卢 媛，强彦雯，展思辉，孙红文

（南开大学环境科学与工程学院，天津 300350）

0 引言

“互联网+”是指借用互联网信息技术与传统行业进行融合，利用互联网具备的优势优点加快传统产业的发展速度，对传统行业进行优化升级转型，最终实现经济增长和经济转型的目的［1］。十九大以来，科技创新发展和核心技术攻关已成为国内各大高校工作重点之一，人工智能、云技术、物联网、大数据等新兴技术的出现和校园应用为发展实验室信息化管理带来了新的契机［2］。“互联网+”时代的高校实验室信息化发展为建设更安全、舒适、高效、节能的实验室提供了更好的技术保障［3-4］。大型仪器平台是国内高校为更好提供公共服务和开展高水平科学研究，通过集中投资建设或有效的资源整合建立大型科学仪器群［5］。随着基础资源整合初见成效，公共资源开放服务逐渐社会化，大型仪器服务平台对国家自主创新的支撑作用日益明显［6］。但同时由于高等教育学生人数增多以及仪器设备数量的逐年增长，使得大型仪器实验室面临管理难度加大、设备利用率不高等问题［7］。因此，立足于“互联网+”时代的高校实验室发展，将先进互联网技术融入高校大型仪器平台管理，实现大型仪器实验室更开放、更智能化管理，推动高校科研水平增长成为当下发展的必然趋势。

1 大型仪器平台管理现有问题

“双一流”建设以来，全国各大高校购置的大型仪器设备种类和数量持续增多，仪器类型更加精密，对环境的要求也越来越高，大型仪器平台的管理机制、仪器运行效率、开放共享程度以及技术人员的服务水平都受到了前所未有的挑战［8］。除此之外，作为大型专业检测实验室，由于涉及人员、设备、耗材、环境等众多要素，实验室安全管理也变得日益复杂，危化品爆炸燃烧、废气废液泄漏、用电过载等问题都可能严重影响实验人员人身健康和大型仪器的正常运转［9］。因此既要确保大型仪器平台的高效运转又要保障实验全过程的安全成为亟待解决的问题。现代信息技术的发展给实验室科学管理提供了技术上的可能，利用物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术提高大型仪器平台管理效率、提升大型仪器实验室安全成为当下发展新趋势。

2 “互联网+”技术在大型仪器实验室管理中应用

2.1 云技术

云技术集合了计算机领域中分布式、并行处理、虚拟化技术、网络存储和计算等多种技术，具有移动性、便捷性等诸多优点［10-11］。近些年，随着大型仪器实验室的不断建设，积累了大量的文档、音视频数据，针对数据存储和共享问题，CVM（cloud vitual machine，云服务器）部署方案可以有效解决数据存储的时效性、存储容量可扩展性以及数据共享和安全性。此外，云端VDI（virtual desktop infrastructure，虚拟桌面基础架构）也可以辅助在线教学、仪器培训、虚拟仿真实验室建设等［12］。通过实现计算资源的动态分配和平衡，云技术大大提高了数据的计算性能和效率。

2.2 大数据技术

数据挖掘、数据处理和数据可视化等大数据技术的快速发展，对系统平台的设备和业务数据管理起到很好的辅助作用［13］。在长期运行过程中，大型仪器平台积累了大量的运行数据，利用数据挖掘和模型分析，不仅可以快速获取大型仪器实验室运行的各方面信息，也可以在数据驱动下对仪器设备和人员管理做出合理决策［14］。通过ETL（Extract Transform Load）技术对数据的快速整合存储和Hadoop 分布式系统架构的快速处理和分析计算，可科学快速地根据大型仪器的预约使用情况、用户数据以及不同设备间的对比等制定样品价格、确定用户等级、考核管理人员工作量，以数据为支撑的全平台管理起到客观公平的协助作用。

2.3 物联网技术

物联网技术是指通过各种现代化信息技术，如信息传感设备、射频技术等实现对需要监控的物体或过程的全方位信息采集，实现物与物、人与物、人与人之间的全面互联，从而进行智能化管理和控制［15］。利用物联网技术可以对大型仪器实验室人员、设备、耗材、安全进行全方位监管。基于物联网架构的大型仪器实验室一般由用户层、网络层、感知层、应用层和数据层组成［16］。仪器管理和使用人员可以通过无线网络、光纤环网、移动端等网络实时收集实验室内门禁、水电、监控、电力、气体的环境信息，保障实验室安全。近年来由于交叉学科的不断发展，科研实验类型逐渐增多，仪器平台实验试剂耗材管理问题日渐凸显，针对某些危化品的管理更是耗时费力，条码技术和RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）技术的出现使实验室耗材管理变得更智能。

2.4 人工智能技术

随着人工智能产业的飞速发展，人工智能和传统工程相结合辅助实验管理规划和决策已成为智能化管理趋势［17］。人工智能技术的应用一般包含计算机视觉、机器学习、自然语言处理等。其中人脸识别、虹膜识别、掌纹识别是对人体特征信息进行生物识别的智能化技术，可以与实验室管理系统对接，加强实验室安全高效管理。此外，随着大数据的发展，机器学习在仪器表征数据分析中也有着不俗的表现。其中利用CNN（Convolutional Neural Network，卷积神经网络）对测试谱图进行背景识别以及提升显微分析图像分辨率已成为当下科研热点，科研人员在尝试利用机器学习辅助仪器数据自动化处理和自处理软件的开发［18］。

3 大型仪器平台智慧化管理实施方案

基于“互联网+”技术在大型仪器实验室管理中的应用，在原有基础上中设计了大型仪器平台特色智慧化管理系统，旨在提高大型仪器使用效率，加强实验室安全，辅助仪器平台日常维护和业务开展，全面提升大型仪器平台服务水平。大型仪器平台智慧化管理系统架构如图1 所示。

图1 基于“互联网+”的大型仪器平台智慧化管理系统架构

3.1 大型仪器设备使用管理

大型仪器设备预约系统主要用于采集用户使用数据以及平台大型仪器设备的管理和控制，通过TCP／IP协议将仪器设备接入网络并进行数据间的传输。系统从学校设备处、教务处、人事处等数据库进行数据采集，将采集到的数据上传服务器中供客户端使用。设备管理人员可以通过仪器预约系统实时快速查看仪器设备预约和使用情况、了解仪器的运行状态、配置网络参数、设置用户权限、进行远程控制、实现人机之间的交互。除此之外，大型仪器平台还配置了仪器使用数据统计和分析功能，可以对仪器使用时间、人员、社会服务等数据进行统计和科学分析，生成用户画像、统计仪器工作量。平台同时配置了GIS（Geographic Information Science）地理监控模块和基于DSP（Digital Signal Processor）处理器的视频采集系统，可以对仪器的使用进行地理分布式的直观浏览并对仪器操作界面进行实时动态监控。为了增加设备开放性，系统还加装了RFID识别模块，为设备粘贴电子标签，通过读卡器读取用户一卡通信息进行无线识别和管理。

3.2 大型仪器实验室安全管理

（1）安全与准入许可。为了提升实验室安全管理和服务水平，对原有线下安全培训模式进行了改进，采用线上与线下相结合的方式进行实验室安全准入考核，建立了在线实验安全教育培训考试系统。

（2）实验室门禁管理。利用ZigBee 无线数据传输技术控制实验室门禁系统，用户通过刷卡或特征身份识别（人脸、指纹）进出实验室，管理员可以对实验室进出记录进行追踪和溯源。

（3）远程在线监控。管理员可以通过红外网络摄像机对实验室内状态进行实时查看和回放，如出现仪器损坏等问题，也可进行相应追责。

（4）环境监测系统。实验室内配置的工业传感器可对实验室环境数据，如温湿度、气体、电力、烟雾等进行实时记录和监测，并通过计算机终端将数据推送给相关管理者。如数据出现异常情况，如气体泄漏、烟感报警等情况将第一时间响应并启动应急控制系统。

（5）危化品试剂管理。将二维码与实验试剂相结合进行危化品试剂的痕迹管理、实时追踪、等级分类和存量管控。

3.3 大型仪器平台维护管理

大型仪器管理平台设立专用基金用以设备的维修和耗材采购，基金来源于仪器测试费用的再分配，用户可以使用仪器预约系统选择所需的项目经费用于测试费用在线充值。由于耗材类型繁多、测试量大，耗材的采购管理使用很难做到精细化。传统的耗材管理多使用线下台账管理，不能对耗材的价格、数目、放置地点做到实时查询和追踪。通过在线试剂耗材管理系统和条码技术相结合，可完成从耗材选取、议价、采购、付款、入库到领用全流程管理。

3.4 大型仪器平台业务管理

随着在线教学产业的不断发展，传统授课方式逐渐由线下转到线上，大大节约了时间和空间成本。同样，腾讯会议、飞书会议等在线云视频技术也对传统会议形式作出了改变。为配合教学改革、提升师生间的沟通协作效率，仪器平台技术人员近年来采用在线视频会议的方式进行仪器操作原理讲解、仪器使用培训以及技术交流。可以做到多人在线，进行桌面和移动端共享，支持人员间多种互动、会议自动录制、纪要自动生成的功能，此外视频会议虚拟背景、沉浸式体验等智能辅助功能也增加了培训讲座的趣味性，提高了学生的积极性。此外，除了利用仪器平台系统数据库进行数据传输和备份外，云服务和虚拟桌面技术亦协助仪器操作手册、实验课电子教材、教学培训视频和虚拟仿真教学资源的存储和共享。

4 结语

大型仪器公共服务平台是高校科研工作重要的基础条件，其建设内容和管理方式也应随着科研需求和时代发展进行不断调整。借助“互联网+”智能化技术管理手段，大型仪器平台实现了对实验室的全流程监管和溯源，降低了仪器实验室的安全风险，提高了日常工作效率。此外，大型仪器开放时间延长，预约使用时间更加灵活，也为学院的科研测试工作提供了更多便捷。随着智能化的时代发展，大型仪器平台将进一步利用互联网先进技术打造智慧实验室、开展“产学研”一体化合作、打造平台特色师资培训和实践基地、助力高校“新工科”建设和创新创业教育发展，为服务国家战略发展新需求做出贡献。