基于智能穿戴设备的高校实验室人员安全管理创新

张聪瑞，李 宁，王其洲，任高峰*

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070；2.武汉理工大学矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，武汉 430070；3.武汉理工大学关键非金属矿产资源绿色利用教育部重点实验室，武汉 430070）

近年来，我国高等教育事业蓬勃发展，高校实验室建设也迅速推进，与此同时，随着学校办学规模和科研任务的增长，实验室内人员和设备数量明显增加，人员流动性加剧，随之带来的实验室安全隐患也同步增加[1-2]，这也给实验室安全管理人员带来了更高的要求和更大的挑战。

实验室安全工作一直以来都以“安全管理”为主体[3]，例如：清华大学提出了包含人、法、防、保、育、查六要素组成的实验室安全管理模式[4]；南开大学[5]以大型仪器实验室为对象，构建了制度完善、人员有序、队伍专业、宣传到位、环境安全的大型仪器实验室安全管理体系。浙江大学[6]、天津大学[7]、北京科技大学[8]利用信息化手段建成了“实验室安全管理系统”，完善了实验室安全信息数据库，推进落实学校-学院（系）-课题组-实验室四级实验室安全责任体系。

由此可见，各高校都从顶层设计、规章制度等方面建设了相关机制，也正逐步提高实验室安全管理的信息化水平。但是，2019 年全国高校实验室安全电视电话会议中通报：近年来我国共发生各类实验室安全事故14 543 起，死亡29 人[9]。由此可见，高校安全事故仍层出不穷，实验室安全管理工作仍有尚未解决的痛点。

人员流动性大，实验室准入制难以动态落实。从以往的实验室准入管理可以发现，实验室安全准入制度的核心就是个人安全习惯的养成[10]，主要通过“培训-考试-认证”的准入体系完成，但在人员准入管控的“最后一公里”难题尚未解决。现有实验室安全准入管理无法掌握人员实时位置、无法统计人员出入实验室精确时间、无法有效获取人员使用设备情况，准入管理存在盲点。

实验场景复杂，人员身体机能状态无法及时获取。武汉理工大学矿物资源加工与环境湖北省重点实验室开展实验项目涉及矿业工程、环境工程、安全科学与工程3 个学科，包括高温/高压实验、化学类、机电类实验等高危实验场景。据研究，高温、噪声环境会导致人员的心率、呼吸率和出错次数增加、反应时间延长，降低人体安全行为能力，大大增加了不安全行为发生概率[11-12]。因此，实时监测实验人员的心率、血压等身体机能指标，能有效反映人员安全状态，保障实验过程中的人员安全。

事故发生后，应急救援工作开展不及时。应急救援工作是实验室安全事故发生后减少人员伤亡、降低事故损失的最后屏障。然而，各高校虽已制定了实验室管理规定，但所制定的应急预案多以电话告知、逐级上报为主[13]，且师生在面临安全事故时仍旧不知如何采取救援措施，往往错失救援时机，不能有效减少事故危害。

面对上述痛点，传统的管理模式已然不能满足新形势下的高校实验室安全管理需求，因此，针对实验室人员安全管理中的关键问题，从“人员位置精确感知、身体机能动态掌握、应急救援定向分发”3 个角度出发，基于智能穿戴式设备，围绕信息化与智能化开展研究，开发实验室人员安全管理系统势在必行。

1 系统总体设计

为满足系统时效性、可靠性等方面的需求，系统采用3 层B/S 架构，从逻辑层面分为运行支撑平台、数据服务平台和可视化展现层，如图1 所示。

图1 系统架构图

系统在所需软件和硬件共同构成运行支撑平台；数据服务平台选用阿里云服务器，用于为系统提供数据存储、数据访问等功能；可视化展现层将人员信息管理、人员动态定位显示、应急呼救与处置、电子围栏设置等各类功能模块化，形成WEB 客户端，为用户提供操作界面。

在终端硬件方面，由于智能穿戴设备具有便携性好、测量精度高、操作方便等特点，被广泛用于各种状态下的人体生理指标检测[14-15]。所设计的智能穿戴终端由PPG 心率测定模块[16]、血压测定模块、运动传感模块、BDS/GPS 双模定位模块、低功耗蓝牙模块、4G 通信模块、SOS 紧急呼救模块、数据采集模块和供电模块等组成，配套的室内定位基站由单片机、低功耗蓝牙模块、电源模块等组成。

人员佩戴智能穿戴终端后，首先通过低功耗蓝牙模块与室内定位基站进行通信，获取人员室内位置信息，并由数据采集模块将采集的心率信息、血压信息、运动信息与位置信息整合后，经由4G 通信模块发送至云端服务器。

当有事故倾向或发生事故时，佩戴者可通过智能穿戴终端的SOS 按键进行一键呼救，系统将显示呼救信息，并将呼救信息及时发送至导师、实验室负责人、学院负责人等相关责任人，提高救援效率。系统拓扑图如图2 所示。

2 系统功能模块设计

设计的实验室人员安全管理系统包括监控中心、健康信息管理、应急救援、平面图与网关管理、人员管理、统计分析与设置7 个模块。

2.1 监控中心

监控中心是直接面向用户的门户，通过该模块，使用者可以实时掌握各实验室中人员的实时位置，显示了位于区域内的实验人数，SOS 呼救人数，健康监测信息异常人数。

图3 监控中心模块

2.2 健康信息管理

健康信息管理通过实时监测并判别实验人员心率、血压等身体机能指标，从源头保障实验室人员生命安全。该模块主要显示所选实验室内人员的健康信息，对于健康数据异常（超出预警阈值）人员，系统将自动置顶并标红，并发出警报提示该实验人员，同时短信通知导师。

与此同时，该模块还设有“提醒”与“详情”功能：“提醒”功能可手动给人员发送短信，提醒其身体异常；“详情”按钮则可显示该人员的心率、血压监测曲线，并能够通过设置日期区间，获取人员一段时间内的心率、血压数据变化趋势。操作界面如图4 所示。

图4 健康信息管理模块

2.3 应急救援

在有事故倾向或发生事故时，人员按下智能佩戴终端的“SOS”按键，系统将及时记录该呼救信息，并将救援信息通过短信、邮件及时发送至导师及救援负责人，实现了救援信息的定向分发，改善了以往逐级上报的弊端。

当应急救援事件发生后，该模块可直接显示对应实验室的SOS 呼救信息，包括“当前SOS 求救待处理人员信息”和“已处理SOS 待处理人员信息”：“当前SOS 求救待处理人员信息”中，可以直接查看人员的最后位置，辅助救援人员搜救与救助；“已处理SOS 待处理人员信息”可记录并显示人员求救的历史地址信息。操作界面如图5 所示。

图5 应急救援模块

2.4 平面图与网关管理

平面图与网关管理是系统业务流程的基础信息模块，能实现室内实验室地图导入与蓝牙网关设置功能。

其中，蓝牙网关一般设置于实验室出入口处，通过系统设置蓝牙网关编号与实验室的对应关系，即可实现人员出入实验室的记录与管理，同时，也可在实验室内根据需求以多个蓝牙网关形式划定“禁行区域”，用于大型精密仪器使用的管理。操作界面如图6 所示。

图6 平面图与网关管理模块

2.5 人员管理

为方便人员信息管理，系统设置有人员管理模块，主要完成人员各类信息的导入和导出，其预留信息包括授权实验室、姓名、手环串号、电话号码、导师与联系方式等。

2.6 统计分析

通过各项数据统计分析，可掌握实验室人员工作时长以及历史健康状况。该模块包括区域统计与人员统计功能。区域统计模块用于查询某实验室内的历史数据，包括该区域在所选时间内进入的总人数、异常的总人数、SOS 的总人数；人员统计可查询个人历史信息，包括SOS 次数、数据异常次数、平均工作时间、平均心率和平均血压等信息。如图7 所示。

图7 统计分析模块

2.7 设置

对实验室中的一些特定位置（如危化品与气瓶存放地）和大型仪器设备、高温高压设备等重点区域，需要进行特别监管，通过设置模块，可定向在实验室内划定电子围栏，区分实验区、限定区和禁止区，实现了实验室准入的分人员、分区域管理。当非授权人员进入限定区和禁止区后，系统会发出报警，给该人员及相应负责人发送短信提示。

3 结论

1）针对高校实验室在安全管理过程中人员准入跟踪难、实验过程监管难以及应急救援不及时等问题，以智能佩戴终端为基础，创新了高校实验室安全管控技术手段与管理理念。

2）通过设计的智能穿戴终端和室内定位终端，实现了实验室内人员位置信息、身体机能信息以及应急救援信息的实时采集，推动了对实验室准入的有效管控与跟踪管理。

3）开发的实验室人员安全管理系统实现了实验室内人员位置的精确感知、身体机能的动态掌握与应急救援信息的定向分发，促进了实验室管理效率的提升，提高了安全管理信息化水平、科学决策能力与应急救援能力。