基于“智慧实验室”的高校实验室信息化探究与实践

石 磊， 庄志洪， 李 博

（南京理工大学国有资产与实验室管理处，南京 210094）

0 引言

高校实验室是承担实践教学、科学研究、社会服务等多重任务的重要场所，是展现高校办学实力的重要窗口，更是高校推进“三全育人”的重要平台。实验室汇集了学校重要的教学科研仪器设备等资源，与单纯提升学生理论知识储备的课堂教学相比，实验室在实践育人方面具有天然优势，对全面提升学生的综合素质与创新能力具有关键作用，因此，实验室被称之为“现代化大学的心脏”［1-2］。

作为实践创新人才培养的主阵地，实验室涉及资产、人员、安全、开放共享等众多管理要素，历来是高校监管的重点场所。近年来，高校实验室规模、数量快速发展，学科交叉、国际交流不断深入，同时随着国内科研水平的快速提升，部分高校的实验室研究方向已经从“跟跑”“并跑”步入“领跑”阶段，实验室内的大型设备不断增多，人员构成日趋复杂，科研风险不断升高，给实验室管理工作带来严峻的挑战，监管部门所面临的管理压力不断增大。高校传统的实验室管理模式，条块分割较为明显，资产管理、安全管理、开放共享管理等各自成块，监管方面不能有效联通，造成实验室管理效能低下，这既不利于实验室的高效安全运行，也不利于实践创新人才的培养［3-4］。因此，深度推进信息化技术与实验室管理融合，通过综合集成建设智慧实验室，已成为高校实验室管理工作的重要任务和迫切需求。

1 国内外高校实验室信息化建设现状

欧美等发达国家对高校实验室管理研究较为深入，已完成由“各自为政式”管理模式向“以师生用户为本、部门协同服务”的转变，部分高校依托先进的管理模式配套建设了实验室信息化管理手段［5-7］。

美国高校通常采用CIO（首席信息官）管理体制对全校信息化系统建设及发展规划进行统筹管理，并设立EHS（环保、健康、安全）总部负责全校实验室规划设计、管理政策制定、监管协调等工作，信息化建设与实验室管理融合程度较深，如麻省理工学院建设了集设备、气体监测、消防报警、危废管理等功能于一体的实验室信息化管理系统，实验室管理效能较高。

英国高校实验室管理体系层级较为分明，以基础设施和资源建设为重点，深入促进信息化技术与实验室管理融合，如利兹大学建设了涵盖包括实验室准入培训、仪器设备管理、实验室人员登记授权、监控监测及事故通报等功能的实验室信息化管理系统，用于保证实验室正常运行及高效管理。

德国高校实验室管理机制较为灵活，一般未设立专门的实验室管理机构，实验室独立运行、资源共享。实验室在建设时注重规划论证，其配套设备不追求先进、一流，一切以实际教学科研需求为基础，不以实验室开放、仪器设备利用率等具体指标为运行原则。

新加坡南洋理工大学继承英国高校实验室管理模式，结合学校自身情况，增加了实验室管理的灵活性，并以校内网为依托，建立了具备可视化分级培训考试、危险品全流程管理等功能的实验室管理系统。

国内部分高校已建立了各类实验室信息化管理系统，但与发达国家高校相比，国内高校实验室信息化系统存在整体性不强、条块化明显等缺点，系统间难以进行协调联动，导致“信息孤岛”的情况时有出现［8-9］。

基于实验室开放共享，北京大学通过建设实验室与设备共享查询系统，实现了实验室与设备共享查询信息的访问控制功能和实验室三维图景展示等功能，为有仪器设备使用需求的师生员工提供仪器设备服务的对接窗口，建立了实验室与共享仪器设备对外开放使用的桥梁［10］。西南交通大学通过建立大型设备预约管理系统，提升了实验设备的共享程度和使用效率，减少了师生对实验设备的使用障碍［11］。

基于实验室资产管理，天津大学以实验室仪器设备的全生命周期管理为基本设计理念，建立了资产与设备综合管理平台，保障了实验室仪器设备及实验耗材的规范化、精细化管理［12］。广州大学基于RFID 技术，建立了资产管理系统，通过RFID 电子标签的智能识别性以及无线网络的传输技术，提升了实验设备及资产的管理效率和利用率，为优化实验室资源配置提供了智慧支撑［13］。

基于实验室安全管理，清华大学在实验室安全教育与考试、危化品全生命周期管理、安全监控与报警等方面应用信息化手段较为广泛，由其自主开发的实验室安全系统，能够实现检查计划、检查审核、隐患记录、报告生成、整改下达、完成回复的闭环全流程管理［14］。浙江大学建立了实验室安全管理系统，构建了涵盖实验室人员、设备和地理位置等信息的数据池，实现了对实验室人员、化学品和仪器设备的动态管理［15］。南开大学构建了包含实验室信息管理、教育与考试、试剂商城、安全监测预警、安全文化等模块的实验室安全信息化管理体系，有效提升了实验室安全管理水平［16］。

2 “智慧实验室”建设的重要作用

在当前各类实验室信息化技术中，“智慧实验室”正在成为各大高校及科研院所研究的热点。“智慧实验室”是以“智慧化综合管理”为理念，以“互联网+”为基础，利用5G 技术、物联网、人工智能、无线传感、图像识别等信息化手段，实现对实验室的精细化、智能化管理［17-19］。

“智慧实验室”建设对提升高校实验室管理效能、推进实践育人具有重要作用［20］。①实现管理流程再造。“智慧实验室”将现有实验室信息化资源进行了充分整合与重构，大幅提升管理效能。②提升学生创新能力。利用新型信息化技术及设备，在“智慧实验室”管理人员指导下，让学生在线上线下结合、虚拟现实结合的实验室环境中充分发挥其主观能动性，全面提升学生创新实践能力。③推进管理体系健全。通过“智慧实验室”赋予不同管理层级权限，进一步明确各职能部门、各学院的实验室管理任务，推进校院两级协调联动、齐抓共管的实验室管理体系建设［21-22］。

3 “智慧实验室”建设的探索与实践

3.1 实验室信息化管理系统建设情况

我校作为一所军工特色鲜明的综合性大学，通过多年实践，在实验室信息化方面打造了一系列具有学校特色的管理信息系统，基本实现了实验室、资产、安全等方面管理信息化的全覆盖（见图1）。

图1 南京理工大学实验室相关信息化系统

（1）实验室开放预约与综合管理系统。该系统作为实验室开放的统一窗口，实现实验室开放信息发布、网上预约、网上审批、数据统计等功能，学生可结合自己的专业特点、兴趣爱好、学习状况等自主选择实验内容，通过系统预约空闲时段的实验室，在教师参与指导下自主开展相应的实验活动。

（2）大型仪器设备共享管理平台。该平台涵盖了电镜、光谱、质谱、电波暗室等多学科的400 余台套大型设备，实现查询、预约、审批、结算、核销的全流程管理，并与国家网络管理平台实现互联互通。为方便师生实时使用，平台还与学校公众号对接开发了手机端应用，有效搭建起设备管理者与用户沟通的桥梁。

（3）国有资产管理平台。该平台涵盖资产的配置申请、验收、调拨、处置、盘点、数据上报等环节，实现资产的全寿命周期线上管理。同时，充分利用资产存量以及使用年限等数据，为资产配置、处置提供重要依据，加强资产内控建设，牢牢把住“入口关”与“出口关”。

（4）公房管理信息系统。该系统以房间为基本单位，通过实施分类管理，合理区分教学实验、科研、办公等用房，明确了房屋定位、面积、使用人等相关信息，实现公房信息全覆盖，做到信息动态查询、灵活调配，通过“房-人-物”关联，为其他系统提供数据支撑。

（5）实验室安全管理信息系统。该系统通过构建实验室人员、设备、化学品等危险源、实验类型等基础信息数据库，实现实验室安全信息管理的动态化、可视化，并为实验室安全管理标准化建设提供了数据支撑。

（6）化学品管理系统。该系统从化学品的购买、库存、使用、回收等全流程环节对化学品实施在线监管，对进入校园的所有化学品张贴二维码，实行“一瓶一码”管理，在全国高校率先实现对所有化学品的全流程、全寿命管理，形成了具有学校特色的管理模式。

3.2 “智慧实验室”建设思路

在前期调研国内高校的基础上，学校以材料科学研究中心为试点，以实现实验室管理的智能化、集成化、数据化、扁平化和共享化为重点，通过利用互联网、物联网、云计算及大数据等信息化技术，整合子系统，搭建大平台，扎实推进业务集成型“智慧实验室”建设，初步实现了对实验室的场所环境、大型设备、实验人员、化学品与高压气瓶等各实验室要素的集成系统化管理（见图2）。

图2 “智慧实验室”建设思路

3.3 “智慧实验室”建设

学校“智慧实验室”构建了“数据采集层—网络传输层—技术支撑层—智能应用层—信息展示层”的系统架构，依托物联网技术、与现有系统对接进行数据实时采集，通过中控系统进行数据分析和挖掘，推送给各个业务平台，最后通过PC 端、手机端、可视化中控大屏、电子门牌等渠道直观地将业务数据呈现给师生，构建出一套既互通互联又相对独立的“智慧实验室”综合管理系统（见图3）。

图3 “智慧实验室”体系架构

（1）数据采集层。数据采集层是整个系统的数据资源保障，以人员、房间、危险源数据等为支撑，配合实验室内的监控、门禁、气体传感器、大仪终端等硬件信息，同时通过标准接口从现有实验室管理信息系统中获得基础信息，为智能应用层和信息展示层提供真实的信息资源，是整个系统的数据基础。

（2）网络传输层。采用通信网、4G/5G 技术、校园网等高效安全的网络传输手段，为信息及时、准确、可靠地收集、处理、存储和传输等提供安全可靠的网络环境。

（3）技术支撑层。中控系统将人员、房间、设备、危险源、环境参数等基础信息进行全面整合，形成一套标准数据池，供智能应用层按需取用；同时，提供标准化的数据接口，将独立的业务系统进行联接，沉淀有价值的数据进行共享复用，打破了数据孤岛和业务系统壁垒，为智能应用层提供稳健支撑。

（4）智能应用层。智能应用层是整个系统的核心部分，包括实验人员与基础信息模块、实验资源共享模块、实验室安全与环境模块、业务集成展示模块等。智能应用层与信息展示层进行信息交互，对系统运行数据进行信息处理与推送，为信息展示层提供支撑。

（5）信息展示层。信息展示层用来与用户交互，为用户提供交互式界面，把来自智能应用层的信息显示给用户。信息展示层能实时监控所有实验室和房间的运行状况，管理员可直接查看相关实验室人员、设备、安全与环境信息等，实现管理的可视化。

作为“智慧实验室”架构中最核心的智能应用层，实现集人员、设备、地理信息、环境监测、门禁准入、安全防护等管理功能于一体的业务集成型管理系统，实时对每间实验室各类数据信息的远程智能管控。智能应用层主要由实验人员与基础信息模块、实验资源共享模块、实验室安全与环境模块、业务集成展示模块等构成，分别承担不同业务功能（见图4）。

图4 “智慧实验室”智能应用层功能设计

（1）实验人员与基础信息模块。该模块是搭建“智慧实验室”综合管理平台的基础模块，承载着所有业务系统的基础数据信息，通过与学校“一卡通”系统、公房管理信息系统、校园3D 地图、实验室安全管理信息系统对接，获取基于GIS 地理信息标识的实验室人员、房间、地理位置、安全等级等基础信息，对实验室进行分类分级管理。通过角色授权，给予不同层级人员不同的管理权限，同时，还涵盖考勤打卡等个性化功能需求。

（2）实验资源共享模块。该模块与学校大型仪器设备共享管理平台、国有资产管理平台对接，对实验室和设备的共享预约信息进行实时获取，通过建设带有门禁系统的电子门牌，对有共享权限的人员进行人脸识别与房间准入。同时，该模块定制化开发了大仪智能监控终端，采用“室内蓝牙标签+室外GPS”定位的方式，对实验室的大型设备进行实时定位和移动报警，终端内置4G 模块，可通过手机端微信小程序实现大型设备的一键上下机，并将监控的大型设备使用机时及异常情况及时推送至业务集成展示终端，实现大仪智能化管理。

（3）实验室安全与环境模块。该模块与学校化学品管理系统对接，实时监控危险化学品等危险源信息，同时，建设气体安全及环境监测系统，利用物联网技术与工业传感器相结合的方式，基于地理信息和监控显示界面实时查看实验室内的气体种类、浓度等状况，如出现突发状况系统可在第一时间进行报警并通过手机端通报系统管理员，大大缩短处理时间，降低处理风险。该模块还涵盖实验室视频监控、人流监控等功能，实现实时监控、录像回放、图片查询及人流统计等，便于实验室的安全管理。

（4）业务集成展示模块。该模块将上述模块产生的数据信息进行分类整理与深入分析，并通过管理人员的个性化设置，将最终的可视化数据推送至PC 端、中控大屏等终端予以展示，从而实现实验室信息的整合、搜索、共享和展示功能，并可以根据师生需求进行弹性扩充，避免系统间因信息不同步而造成的紊乱情况，实现实验室信息的综合管理。

3.4 “智慧实验室”建设成效

近年来，随着高等教育信息化建设的加速推进，以智慧实验室为代表的信息化与教学、科研、管理深度融合的整体解决方案成为高校信息化建设热点，极大提升了管理的效能。通过“智慧实验室”建设，完成对接化学品管理系统、大型仪器设备共享管理平台等现有业务系统，同时，新建实验人员与基础信息模块、实验资源共享模块、实验室安全与环境模块、业务集成展示模块等，构建了基于GIS 地理信息标识的业务集成展示平台，初步实现了人员与房间管理、大型仪器设备管理、化学品安全管理、高压气体管理、视频与人流管理等业务的综合集成与实时动态管理。

后期，学校将持续推进“智慧实验室”建设，在建设过程中及时针对建设情况，解决相关问题，总结经验教训，并进一步优化完善学校现有各类实验室信息化系统，加快与“智慧实验室”的对接，实现“智慧实验室”的全要素智能化管理。同时，在材料科学研究中心“智慧实验室”建设完成并运行良好的基础上，形成具有学校特色的“智慧实验室”建设标准，逐步推进“智慧实验室”在全校的建设。

4 结语

随着全球信息技术的跨越式发展，加强信息化技术支撑、推进实验室信息化建设将成为高校提升实验室管理水平的必由之路。“智慧实验室”建设实现实验室管理的动态化、智能化和可视化，打通师生、实验室、信息资源之间的桥梁，为师生打造更加智能安全、绿色环保的实验环境，实验室管理将更为科学规范，实验室安全隐患及事故将显著减少，高校育人根本任务将得到有效推进。后续，需进一步完善和丰富“智慧实验室”内涵：

（1）智慧房屋管理模块。基于学校3D 地图，准确显示实验室分布状况及地理信息，实现房屋定位精准化管理。在此基础上，通过对接实验室开放预约与综合管理系统，增加实验室开放共享信息，最大程度优化资源配置。

（2）智慧资产管理模块。快速整合并及时更新实验室内各类设备资产的相关信息及状态，进一步扩大设备定位、终端管控和移动盘点的范围，在做到资产智能化管理的同时，显著提升资产的开放共享、在线盘点、维修维保等管理效率。

（3）智慧人员管理模块。通过打造实验室人员基础数据库，赋予实验室人员准入及使用权限，通过安装人脸识别、电子门牌等设备，实现人员准入的智能化管理，避免因非实验室人员进出造成的各类隐患及事故。

（4）智慧安全管理模块。通过进一步完善化学品全流程监管、气体浓度监测、实验室视频监控等，对实验室环境及安全状况进行实时把控，对突发事件进行第一时间预警，提升应急处置效率。

（5）定制化管理模块。除常规管理模块外，依据各学院实验室承担的学科特色与实验工艺，建立定制化管理模块，对实验室特有环节进行智能化管理。