基于云平台的高校化工实验室安全预警系统研究

张 旭，张龙吉

（1.长江大学化学与环境工程学院 湖北 荆州 434023；2.湖北金楚染料中间体产业技术研究院 湖北 荆州 434499；3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二钻井工程分公司 河北 廊坊 065000）

高校实验室既是大学生开展实验的必要场所，也是培养学生创新思维与实践能力的重要基地[1]。高校实验室内项目覆盖面广，使用频率高，人员密集且流动性大，存在一些安全隐患，其复杂性和危险性都是难以预测的[2]。近年来，高校实验室安全事故频发，一次次敲响实验室安全的警钟，实验室安全的重要性也日益凸显[3]。

长江大学化学与环境工程学院（以下简称“我院”）化工实验中心长期以来牢固树立“安全第一，预防为主”的理念，始终坚持把安全放在第一位，从制度管理、人员配备、应急救援、安全保障等方面不断加强实验室的安全管理建设，有效保障了学校的实验教学任务和科研工作。目前，化工实验中心安全管理仍沿用传统的以人工管理为主的安全管理模式，高科技管理技术和现代化管理手段还未普及，各管理系统间互不兼容，导致了化工实验中心的监管盲区与漏洞，存在极大的安全隐患。针对我院化工实验中心目前在安全管理方面的实际状况，课题组提出了一套基于智慧校园云平台下的化工实验中心安全预警系统，这不仅是智慧校园信息化建设的重要组成部分，也有利于实现建设一流实验室的目标，积极响应了学校“双一流”建设[4]。

1 化工实验中心现状及存在的问题

通过对化工实验中心的实地调查和数据收集，我院化工实验中心针对目前在安全管理方面的实际状况，选择从“人”“物”“环”“事”四个方面对目前化工实验中心存在的问题展开分析。

1.1 化工实验中心在“人”的方面存在的问题

化工实验中心随着学科交叉融合的要求提高，进一步提升实验室资源的开放性及仪器设备的共享性[5]，接待学生人数多、服务专业广、开设课程种类和项目多，每年要为全校11 个学院27 个专业的3400 名本科生和研究生开设8 门不同层次的实验课程。实验中心坐落在长江大学东校区14 教北楼，有东西两个出入口，每层楼还有与14 教东、西两楼相连的通道；各学院师生和校内外来访人员每天进出实验室都没有实名登记，学校仅在每层楼的东西两头安装了一个固定位置的视频监控，既无法有效识别进出人员的身份信息，也无法做好楼层内和出入口处的360 度无死角监控；并且实验室内未安装监控系统，无法实时掌握师生在实验操作过程中的安全状况。

1.2 化工实验中心在“物”的方面存在的问题

化工实验中心依托“中石油HSE重点实验室长江大学分室”和“石油石化污染物控制与处理国家重点实验室”每年承担了国家、省部级和企业研究项目20 余项；因此在开展科学研究、本科生和研究生实验教学环节，将经常涉及高精密度或危险性的仪器设备、危险化学品和压缩气体等危险源。实验中心虽在一些重要实验室的入口安装了红外线监控器，但未建立针对重要仪器设备、重大危险源的24 小时无死角监控体系，目前的管理模式仍是以手工登记的台账管理和实验员人工管理为主，安防设备与管理系统之间无法兼容，缺少现代化应急手段。

1.3 化工实验中心在“环”的方面存在的问题

化工实验中心的实验室虽安装了通风橱，保证实验过程中的废气或有害气体能及时排除，但通风橱的抽风效果目前无法用定量的手段来监测，实验室没有安装有毒有害气体的自动监测系统，也未安装空气中有毒有害气体含量超标的自动报警与自动排除的装置。另外，实验中心为每个实验室配备了烟雾报警及喷淋装置，但这套装置对减轻有毒有害气体污染环境的效果有限。实验中心对实验中产生的废水、废渣的处理和排放也未真正做到实时监测和集中安全处理，急需完善环境安全的监测和应急系统。

1.4 化工实验中心在“事”的方面存在的问题

化工实验中心每年承担着繁重的教学和科研任务，经常会用到危险化学品和各种特种设备。目前，还未建立完善的危险源报告和登记制度；实验任课教师虽然对进入实验室的本科生和研究生都进行了系统的安全教育培训及考核，但学生常出现对反应中可能发生的副反应和副反应产物的危害认知参差不齐的情况，这也是高校实验室安全事故频发的一个重要原因，归根结底还是缺乏针对每个危险实验的个性化、分层次的安全教育体系[6]。

从整体来看，化工实验中心目前建有的安防监控、危化品管理等系统间彼此不兼容，信息分散，无法统一协调，管理效率低下，无法实现真正意义上的智慧校园。为了完善实验室安全管理制度，更好地保障实验室的安全运转，现急需对其进行升级与改造[7]。

2 化工实验中心安全预警系统的研究

通过对化工实验中心实地调查和数据收集，笔者全面客观地分析了化工实验中心现存的问题，并赴国内实验室安全管理先进高校和机构调研学习，积极与相关设备厂商、软件公司联系，了解最新技术和手段，并结合实际情况和现有条件，研究并设计了基于云平台下的化工实验中心安全预警系统。该系统由六个分系统组成，如图1 所示，门禁系统、监控系统、用电监测系统、烟雾监测系统、图像识别系统这五个系统通过对实验室的危险因素按照体系标准进行科学分析、分级处理[8]，对师生进出实验室以及在实验室中的各项操作实施全方位、全流程的监管，对实验室环境进行自动化的检测与管理，对实验室的不安全行为和状态进行智能预警。最后通过信息反馈系统将各个系统与学校的实验中心和现有智慧校园系统进行对接，形成功能强大的化工实验中心安全管理网络。

图1 基于云平台下的化工实验中心安全预警系统功能框图

2.1 出入口建立非接触式门禁系统

化工实验中心出入口建立人脸虹膜、指纹识别、红外测温的非接触式门禁系统的主要功能是实现实验中心出入口大门的自动开关，学生通过人脸识别并测量体温后实名制进入实验中心；当有学生进入实验室时，通过智慧校园管理系统向实验室安全管理人员推送信息；同时，实验室安全管理人员可随时通过手机在微校园APP 上查看实验室门禁的开关状态及使用人，把好出入口的安全关。

2.2 内部视频监控系统

此系统的主要作用是辅助实验室的实时管理和增强实验室安全保障，该系统在实验中心内部有人活动时会对实验中心内部走道和实验室内部的情况进行实时监控并录像，自动分析并识别非正常情况，及时发出警报。实验过程中，当管理者通过视频监控系统发现实验者操作不规范或者出现意外状况时，可通过语音通信系统与实验者进行对话，给予指导或及时制止；也可通过实验中心平台发出指令，控制设备供电，实现远程电源控制。

2.3 设备用电监测管理系统

该系统是对实验室内的部分贵重仪器设备、危险性仪器设备的用电进行实时监管。对设备的状态自动进行检测，包括开机、故障预警、关机等；有学生开启设备时，通过智慧校园管理系统向实验室安全管理人员推送信息；同时，实验室安全管理人员可以随时通过手机智慧校园APP 查看设备的开关状态以及当前设备使用者。可有效保障实验室内贵重仪器设备、危险性仪器设备的使用安全。

2.4 有毒有害气体与烟雾监测系统

此模块的主要功能是自动化监测实验过程中产生的烟雾浓度，如：一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、二氧化氮、氯气等类型的有害气体浓度，当有害气体浓度超标时，可自动联动开启排气扇进行排气，同时采用声光报警。该系统不仅能及时提醒实验人员并保障他们的安全，同时也将通过智慧校园管理系统向实验室安全管理人员推送报警信息。

2.5 危险源的图像识别系统

依据《危险化学品重大危险源辨识》标准(GB 18218-2018)，在危险化学品生产和储存单元针对不同类别进行辨识[9]，分别安装相应的传感器；然后由传感器将捕获的危险源信息实时传回实验中心预警系统，经过系统内的专业软件处理后，就能及时了解到危险源的真实状况并自动记录、建立档案，不仅保障了化工实验中心的安全，也为安全评价机构对危险源进行风险分析和确定危险源等级提供数据支持。

2.6 信息反馈系统

该系统巧妙地将化工实验中心安全预警系统中的各分系统连接在一起，形成了一张高效协调的化工实验中心安全管理网络。可及时高效地将门禁系统、监控系统、用电监测系统、烟雾监测系统、图像识别系统这五个分系统的数据和信息进行收集、整合与处理，并且通过智慧校园平台、实验中心平台、微校园APP 将这些情况反馈给实验中心管理人员，同时管理人员也可通过此系统给予学生信息提醒，并对实验中心各部分进行控制。

3 结语

高校实验室建设与管理是一项长期而复杂的工程[10]，研究并设计了基于云平台下的化工实验中心安全预警系统，通过将该系统与学校现有的智慧校园系统进行对接，形成一张功能强大的校园安全管理网络，能有效避免实验室安全事故的发生，实现对实验室安全、科学、智能、有效的管理，提高实验室安全管理水平和效率。该系统不仅可为学校建设一流实验室提供可靠保障，也可为学校争创“双一流”提供坚实的基础。