基于物联网+大数据技术的实验室创新管理模式分析

马 振

(江苏师范大学科文学院 江苏 徐州 221132)

0 引言

信息化时代下,“互联网+”战略引领着各行业领域长效发展。互联网具备的强大信息资源共享能力,为高校实验室管理创新、效率提升创造了良好条件。实验室管理中,物联网和大数据等技术的应用,能够为用户提供丰富的数据服务,支持用户快捷处理各项管理事业,同样也为管理者提供了新的管理手段。目前,国内各高校不断增加对实验室的投入,实验室设备采购、仪器添置、器材管理等变得更加复杂,以人工为主的信息记录方式,已满足不了新时期实验室管理的需求。信息化时代下,高校在推进实验室建设的过程中,怎样采取创新手段实现高质量的实验室管理,需要引起各大高校的重视。

1 物联网与大数据概述

1.1 物联网技术

物联网技术是互联网技术不断发展、延伸的产物,物联网技术的应用涉及物与物之间的通信。应用物联网技术时,用户通过识别技术、感知技术获取信息,利用相应网络协议对感知到的信息进行交换、通信,实现物理世界与信息世界的连接,实现对相关物体的辨别、检测、控制等。物联网的结构通常被分为三层,如图1所示[1]。

图1 物联网结构

在物联网结构中,不同传感器相互作用组成传感网络,形成物联网的感知层、网络层和应用层。在物联网的感知层,传感器是最基本的硬件设施,主要作用是感知事物、识别信息,它可以实现与其他元件的数据传输、通信,将传感器感知到的信息传递给相应的元件。网络层承担传送数据信息的作用,属于感知层和应用层的纽带,主要由Internet、通信网、专用网、通信协议等组成,负责将感知层获取的信息安全地传输至应用层。应用层是物联网三层结构中的最顶层,“处理”是应用层的主要功能,该层级能对感知层采集的数据进行计算、处理、挖掘,以此实现对物理世界的控制、管理和决策。

1.2 大数据技术

互联网技术的发展,给人们带来了海量数据。数据量的爆发式增长,导致传统数据分析、数据处理等技术,已满足不了对海量复杂数据的处理要求,大数据技术应运而生。大数据不是简单代表海量数据或者数据量大小,最重要的是能对各类数据、海量数据进行深度处理,具备强大的数据收集和数据挖掘能力,能帮助用户在海量数据中找到有用的价值信息。用户应用大数据技术,旨在获取大量数据,通过数据分析,将复杂数据转化为研究成果,或者在价值密度较低的数据中,挖掘自身所需的价值数据。

2 “物联网+大数据”应用于高校实验室管理的重要性

从物联网和大数据的价值来看,两者协同应用于高校实验室管理,能为管理者提供更便捷的管理服务,在强大技术感知、传输、处理、挖掘等功能支持下,能够有效推动高校实验室管理模式的创新。在功能定位上,高校实验室能满足高校日常教学需求。在大数据不断推广的过程中,实验室需要在数字化资源共享的同时,进一步提高各类数据资源的管理能力。管理者应用物联网、大数据等技术手段,建构良好实验室环境,使得实验室的功能变得更加强大。例如,应用大数据技术,能更快速地完成实验室数据的处理、分析和编辑,在数据处理过程中,可以采用服务集群的方式,在大数据技术支持下开展专项项目管理,提高实验室管理的整体效率。应用大数据技术,实验室可以为全校师生提供针对性服务,如数据处理平台、实验室资源等。大数据帮助用户创设良好实验环境,满足不同实验室对数据处理的需求。实验室根据高校教研、科研的现实需求,应用大数据技术整合各领域资源。在教学领域中,通过对不同课程的整合,进一步提高实验室的教学服务能力,最大限度满足高校教育教学工作的需求。

3 “物联网+大数据”下实验室创新管理模式建构

3.1 系统架构

“物联网+大数据”下实验室创新管理模式,由实验室管理者采用物联网技术、大数据技术,搭建一个信息化管理系统,图2为系统架构,该系统由数据层、物联层两个部分构成。

图2 实验室管理系统架构

该系统架构中,物联层承担数据采集、数据存储等功能,由各类传感器设备、智能手机终端、无线通信技术、射频识别技术(radio frequency identification,RFID)、摄像头等组成。数据层在实验室管理中,主要承担各项数据处理功能。物联层和数据层之间具有相互作用机制,通过网络通信协议由物联层将采集到的数据信息处理、传递给数据层后,由数据层负责处理数据信息,再将数据层提取的价值信息传递回物联层,在物联层的应用层为用户提供各种功能选择。

3.2 网络拓扑结构

在确定实验室的管理功能后,技术人员要考虑怎样利用物联网和大数据,将实验室、各类设备、智能终端连接起来,用户通过怎样的方式介入系统,形成统一的数据处理、设备接入、综合处理的网络信息中心,实现教育信息资源的有效采集、分析、服务与应用等。完善的网络结构不仅可以支持各类接入设备的相互联通,还能模拟各类应用场景,帮助用户搭建更高效、灵活的实验环境[2]。

3.3 功能开发

(1)用户管理功能

管理者对实验室使用者的管理,包括教师管理、学生管理,主要涉及对使用者的授权管理、信息修改等。

(2)信息管理功能

实验室管理是高校实验室管理系统的核心部分,不仅要管理实验室的信息,还需要对实验室内部的各类设备实施管理。主要管理功能如实验室设备信息录入、新增实验设备录入、设备状态实时更新、设备保养记录和报修等[3]。高校要想实现对实验室的有效管理,为教研、科研等工作的顺利开展提供保障,加强对实验室信息管理功能的开发非常重要。

(3)智能终端管理功能

实验室的智能终端管理属于系统功能模块的重要组成部分,主要涉及对实验室环境的监测,如温湿度、光照度等,实验室智能终端控制,包括开发窗帘控制、灯光控制、门禁控制等功能。

(4)在线预约功能

在线预约功能是用户对实验室功能的基本需求,特别是在高校实验室的开放程度不断提升的过程中,实验室不再以管理者或教师为主导,学生拥有更多实验室使用权。但实验室场地空间、设备数量有限,普遍存在“供不应求”的情况,开发在线预约功能,可支持学生在线预约使用实验室,可以最大限度提高实验室的使用价值。

(5)身份认证

身份认证是维护系统安全的技术,是物联网技术价值的体现。例如,技术人员在系统功能开发中,可以采用RFID智能卡进行认证,由高校投入适量经费,选择专业厂商生产智能卡,用户在登录系统时必须将智能卡插入专用读卡器,通过这种方式验证用户的身份。

也可以采用“用户名+密码”的方式,这是目前最常用、最简单的身份验证方法。所有用户的用户名、密码都是由用户设定,用户登录系统时必须输入密码,用户才拥有系统操作的权限。

3.4 功能实现

实验室管理系统中,物联层采用RFID将实验室内部的仪器设备、常用工具等各种设施录入系统,实现对实验室内部资产的电子化管理,系统定期对数据库内的数据进行更新,保证系统内部数据的时效性,在实验室内部设备发生租借、迁移等情况时,系统可以自动追踪设备。物联层的应用,能帮助管理者处理经常出现的登记和实际不相符的情况,有利于保障实验室资产的安全性。物联层中,通过在实验室内安装传感器、摄像头,可以实时留存实验室的人员进出资料,避免在实验室可能出现问题后无法追溯责任人的情况[4]。利用摄像头,可以帮助管理者实时监控实验室内部人员,包括师生的实验全过程,及时发现实验过程中存在的安全隐患,及时预警,在规范师生实验行为的同时,提高实验室运行的安全性。手机APP即系统连接的智能终端,可以支持用户在线预约实验室,最大限度提高实验室的开放水平,有利于发挥实验室助推高校人才培养水平提升的作用,最大限度满足广大师生对实验室的使用需求。后台数据形成日志流,可以利用大数据技术,围绕实验室使用情况、用户兴趣点等,为实验室分析创造良好条件,为管理者进行管理创新提供决策依据,有效提高实验室的管理水平、服务水平。系统对实验室管理者开放更高级权限,管理者可以通过手机APP,在线填报实验室管理情况,包括实验室损耗情况、采购情况等,由系统后台将数据存入数据库,以便为管理者后续进行实验室情况分析、耗材库存分析等提供数据依据。通过在实验室内设置各类传感器,管理者可以更好地管理实验室内部环境,如温度传感器、湿度传感器等;管理者也可以设置传感器,对设备进行监测,重点监测设备的启停、运行情况,在数据采集的基础上,及时发现设备存在的故障,便于相关人员快速对实验室设备进行保养和维护。

在系统的数据层,主要采用现下较为流行的Hadoop平台,技术人员在该平台中可以使用Sqoop第三方插入工具,实现物联层数据库中实验室数据和分布式文件系统(hadoop distributed file system,HDFS)数据的交流,利用平台内的采集服务器将物联层的日志流中存储的各项信息,传出到数据层的Hadoop中。对HDFS中的数据,由MapReduce进行清洗、筛选等操作,随后将清洗后的数据存储于数据仓库Hive。存储于Hive中的实验室数据,可以采用模糊推理、深度学习等算法进行处理,主要获取实验室的使用情况,为后续开展的实验室管理工作提供重要决策依据,并且也为高校后勤处采购实验室设备、实验室用地决策等提供强大数据支撑[5]。管理者可以登录系统,利用数据层的功能,对摄像头采集数据、用户登录记录数据等展开分析,及时掌握用户的兴趣点。管理者根据平台对实验室的耗材、设备等数据展开分析,可以支持管理者实时掌握实验室舍内状态,为设备的保养、维修等提供可靠依据,此外耗材分析还能为学校预算编制工作提供依据。各种数据处理、分析结果,都可以通过浏览器、手机APP等终端进行显示,为管理者提供实时查询的功能。

4 “物联网+大数据”实验室创新管理模式的应用建议

4.1 转变实验室管理观念

社会不断进步的背景下,教育改革不断深化,社会发展对人才、科技的需求不断提升。高校实验室承担着科研、教研等多重职能,高校要想充分发挥实验室的功能与价值,需要及时革新实验室管理理念,引进新的实验室管理方法。高校应主动创新实验室管理模式,明确物联网、大数据等技术在实验室管理模式创新中的价值,重视实验室智能化水平的提升,打造具备强大信息传输、数据挖掘和开放共享功能的智能化实验室,最大限度满足师生对实验室的使用需求。例如,高校可以将身份认证功能与物联层的摄像头监控功能结合起来,师生通过刷卡进入实验室,由实验室内设置的网络摄像头对实验全过程实施监控,在系统的作用下自动记录实验操作全过程,自动存储实验过程中产生的各类数据。师生离开实验室后,也需要通过刷卡离开,系统自动记录师生使用实验室的时间,采取自动化、智能化的操作方式,实现对实验室的全方位管理。

4.2 完善实验室管理功能

高校根据物联网技术、大数据技术,开发实验室创新管理模式,要重视实验室管理功能的完善,大体可以从实验室信息管理、设备管理两个层面入手。高校在系统开发的基础上,由管理者登录管理系统,直接通过手机APP,添加实验室信息、实验室资料,利用手机APP实现对实验室信息的集成管理。设备管理中,高校可以将实验室设备管理关联到多个用户数据表,实验室表、设备信息表、设备故障表等,一个实验室可以有多重设备,但一个设备的信息只能在一个实验室的目录下。

实验室信息管理、实验室设备管理,只是实验室创新管理模式中的基础功能模块。高校利用智能终端,开发各项管理功能,各项功能模块主要实现对无线节点的控制。例如,开发智能窗帘控制功能模块,支持管理者、用户使用手机APP控制实验室内的窗帘。管理者和用户通过登录系统,操作手机APP控制实验室内窗帘的开闭。由智能终端下达指令,系统服务器在接受指令后,将开关动作发送至网关,再由最终节点控制实现,随后对数据库内的信息作出更改。在实验室环境管理中,开发温湿度监测功能模块,通过在实验室内的特定位置设置温湿度传感器,传感器按时采集实验室内的温湿度信息,将采集到的信息通过网络发送至服务器,由服务器将接收的数据信息写入相应数据表,并将信息返回,通过手机APP显示实验室的温湿度信息。总之,实验室创新管理模式中,高校在开发功能模块的过程中,要根据实验室使用需求、管理需求确定,尽量采用物联网、大数据等技术,提高实验室的自动化、智能化水平。

4.3 实验室教学模式创新

高校要想真正发挥实验室创新管理模式的作用,除了要及时革新管理观念外,还需要采用实验室教学模式创新的方式,最大限度发挥出实验室在学术研究等方面的强大影响力,利用实验室创新管理模式的优势,带动高校教学质量提升。高校可以运用系统功能,为学生的实验项目的开展提供有力保障,学生可以登录系统浏览实验项目相关的资料、观看实验视频,便于学生正确掌握实验室操作流程、操作方法。系统给学生的自主学习提供广阔空间,让学生随时都能通过手机APP浏览实验室发布的实验项目、实验讲义等,为学生后期实验,或者实验预习与复习创造良好条件。

5 结语

综上所述,本文基于“物联网+大数据”研究了一种新的实验室管理模式,该模式可以有效解决传统实验室管理中存在的弊端,有利于最大化发挥实验室的功能与价值。本文基于 “物联网+大数据”支持下的实验室管理模式开发,需要高校尽快转变自身观念,利用物联网技术实现数据线上化,对各类实验设备进行跟踪、管理,随后应用大数据技术对物联层所采集的数据进行深度处理,通过智能化分析,为高校实验室管理提供更有力的保障。