基于物联网的高校智慧型实验中心建设探索.pdf
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1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 基于物联网的高校智慧型实验中心建设探索祁 丽1,桂祖晟2,张新波1,田 浩3,温海涛1(1.天津城建大学 环境与市政工程学院,天津 300384;2.瑞坤工程咨询(杭州)有限公司,浙江 杭州 310012;3.天津大学 环境科学与工程学院,天津 300072)摘 要:随着物联网技术和移动技术的发展,高校实验室建设也在不断地发生变革,对实验室环境、设备、安全等管理的智能化升级要求越来越高。在工科类高校实验中
2、心运行管理中会遇到一些典型问题,由此引出物联网技术及智慧型实验中心的概念与发展,并详细介绍了物联网 Niagara 技术与传统实验中心运行管理间的具体结合与实践,同时对未来智慧型实验中心的建设前景进行了展望,以期为国内工科类高校智慧型实验中心建设工作提供参考。关键词:物联网;智慧型实验中心;Niagara 技术;工科中图分类号:G647 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.038Exploration on the construction of intelligent experimental center in universities
3、 based on Internet of Things technologyQI Li1,GUI Zusheng2,ZHANG Xinbo1,TIAN Hao3,WEN Haitao1(1.School of Environmental and Municipal Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.Ruikun Engineering Consulting(Hangzhou)Co.,Ltd,Hangzhou 310012,Chi-na;3.School of Environmental Scienc
4、e&Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:With the rapid development of Internet of Things technology and mobile technology,the construction of laboratory in colleges and universities is changing constantly,which requires more and more intelligent upgrading of laboratory environ
5、ment,equipment,safety and other management.Based on the typical problems encountered in the operation and management of the experimental center in en-gineering colleges and universities,this paper introduces the concept and development of the Internet of Things technology and the intelligent experim
6、ental center,and expounds in detail the combination and practice between the Niagara technology and the operation management of the traditional experi-mental center.Furthermore,the future construction of intelligent experimental center is prospected in order to make a contribution to the constructio
7、n of“intelligent experimental center”in domestic engi-neering colleges and universities.Key words:Internet of Things;intelligent experimental center;Niagara technology;engineering 收稿日期:2021-09-06 修改日期:2022-10-12作者简介:祁丽,硕士,实验师,研究方向为膜法水处理技术。E-mail:qili_77 通讯作者:张新波,博士,教授,研究方向为新型污水生物处理技术。E-mail:zxbcj200
8、6 基金项目:天津城建大学校级教育教学改革与研究项目(项目编号:JG-YBZ-1934)。高等院校是我国高层次人才培养的重要基地。对于工科类专业而言,实验与实践教学环节在人才培养中的作用十分关键,工科类实验中心丰富的科研设备与充足的教学资源更是人才培养与科学研究的先决条件1。近年来,随着高校各级示范中心建设工作的开展,一些具有鲜明特色的专业实验室已经开始发挥其自身的示范及引领作用,同时,在运行实践过程中也逐渐发现了一些新问题2,引发了一些新的思考与实践。下面以天津城建大学(以下简称:学校)环境祁丽,等:基于物联网的高校智慧型实验中心建设探索与市政市级实验教学示范中心(以下简称:中心)为例,集中
9、阐述在中心运行管理过程中以物联网技术为依托形成的高效集约化管理模式。1 工科类高校实验中心运行管理工作的典型问题经过多年的投资建设,尤其是国家自“十五”以来对各级高校持续不断的经费投入,目前国内工科类高校实验室与上世纪九十年代相比已经整体焕然一新,仪器设备从基础性简单分析仪器向“高精尖”进口设备领域大踏步迈进,在一定程度上已经达到甚至超越了国外发达国家同类院校实验室的硬件水平3。这既是改革开放带来的深刻巨变,又是中华民族伟大复兴的一个侧影。在这个建设发展过程中,又恰逢以互联网+物联网为代表的“第四次技术革命”浪潮席卷全球,这既对我国高等教育的发展带来了前所未有的挑战,更对工科类高校实验室建设工
10、作提出了新的要求4。如何利用好改革开放带来的发展红利与科技进步赋予的方便快捷,在实验室安全、运行管理及共享共用等具体问题上切实有效地取得突破与提升,是摆在实验管理者面前的重要课题。以中心建设为例,由于学校自身隶属天津市地方院校,在重点学科建设之初就确定了以构建大型仪器平台为主的“集约化”发展思路,有针对性地将所购置的大型仪器设备(十万元及以上)汇集在共享平台上开放使用以形成设备合力,同时指派专职实验教师从事设备使用及管理的相关工作,这样既发挥了投资的拉动效力,又最大限度地避免了“按头制帽、人走机停”的冷僻购置和分散投资导致的各课题组间重复建设弊端,节约了投资经费,发挥了投资拉动的实效,在实践中
11、取得了良好的效果。目前中心大型仪器平台现有十万元以上设备 62 台套,专职管理教师 13 人,已经形成了覆盖环境领域水、气、声、固体废弃物等多参数指标检测的科研实践型大型仪器平台。虽然实验室硬件水平的持续提升带来了科研与教学手段的长足进步,但也应该看到,在中心实验平台的运行与管理方面仍然存在一些突出问题,制约了作为工科类实验中心在实验室安防、实验室管理以及设备开放共享等方面综合能力的提升,具体表现如下。1.1 设备安防空白,保障设施不足实验室安全工作是一切工作的重中之重。近年来,实验室安全工作的重点是化学试剂尤其是危化品的使用管理5。应该看到,经过中心与学校国资部门多年的协作建设,已经实现了“
12、电子化、全流程”管理模式的化学试剂,对中心使用的每一瓶化学试剂及药品从购置、使用到最终的空瓶回收均实现了网络信息化动态管理;同时,中心建设有专门的危化品集中管理库房,内设防爆试剂柜、气体报警器以及房间排风设施,保证了危化品的安全储存。但在仪器设备,尤其是中心大型仪器设备的安全管理方面,在相当长的一段时期内,没有相应的安防手段对设备的开放使用安全予以保障,存在着使用及管理上的风险控制盲区,不可避免地影响到设备共享共用工作的稳步进行。例如,中心曾经发生过总有机碳测定仪(TOC-VCPH型)自动进样针折损的问题,初步分析是学生样品盘放置不当所致,但由于没有直接证据,无法确认责任主体,难以按管理制度启
13、动后续的相关赔偿程序。此外,由于中心现有大型仪器多是专门从事教学或科研的免税进口设备,按海关要求不能转借其他单位或个人使用。在现行的管理模式中,一旦大型仪器发生挪用或出借情况,中心难以在第一时间发现问题并予以纠正,难免造成管理疏漏甚至国有资产的隐形损失。1.2 设备开放受限,使用效益不高中心参与开放使用的仪器设备中,除部分教学设备以外,主要以本校教师与研究生使用仪器设备的大型仪器测试为主。参与使用的师生需提前经过设备使用培训,具备独立操作能力后,再经预约环节方能完成的上机操作。但在开放使用过程中,或因为样品量较多需要延长测试时间,或因为测试要求紧急当天必须完成,不免与设备管理教师正常的作息时间
14、发生冲突,这无形中加大了设备管理工作的复杂性。虽然中心就此问题采取过多种方式进行协调,但由于各种因素的制约仍然难以充分调动设备管理教师的积极性,大多仍是采取下班停机的处理方式,虽然一定程度上利于安全管理,但也使平台大型仪器设备使用效益的发挥受到较大限制。1.3 设备管理封闭,信息手段落伍长期以来,由于不同大型仪器设备的管理教师不尽相同,参与开放实验的师生无法根据样品测试需求快速进行多台设备的实验预约,往往需要多次联系不同管理教师以确定设备状态与预约时间。这种设备管理之间互不通气的“孤岛化”倾向既造成师生在使用仪器设备的过程中整体学研时间的碎片化,又为设备管理工作带来了较多重复工作量;同151时
15、,在预约和使用过程中均需要填写不同纸质版记录表格,这既造成了日常检查落实工作的重复性与疲劳性,在设备使用效益定期统计过程中又面临着信息源分散与工作量交叉繁复的问题,已经难以适应网络时代的实验设备管理要求。1.4 楼宇安全缺位,疏散手段陈旧由于中心所在实验楼建成于 1990 年,在实验室基础设施建设尤其是安全设施方面仍然存在着“功能简单、设施陈旧”的问题。虽经中心改造新增有实验房间通风系统,且自 2006 成立至今未发生一起实验安全事故,但实验安全重于泰山,仍然需要居安思危,防患于未然,不能等待事故上门方行亡羊补牢之举。目前最突出的安全问题是一旦中心个别实验室出现火灾等消防事故,无法及时有效地通
16、知其他实验房间内正在实验的师生进行快速疏散,仅依靠事故发生时以微信群或挨门逐户通知的方式既不安全、又无保障,这在中心整体实验安全防护体系中留下了一道裂隙。这些问题的产生一方面是衍生自中心硬件建设的快速发展,是实验室建设发展过程中难以回避的新问题;另一方面也源自现代网络技术日新月异的现实投射,是互联网信息技术的蓬勃发展与传统实验室管理手段之间的错位与碰撞。如何在信息化、智能化手段日益丰富的今天,采取合理有效的措施对上述安全及管理问题进行有效改进与充分提升,是摆在实验管理者面前的一道难题。2 物联网技术与智慧实验室物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载
17、体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网是将无处不在的末端设备和设施,包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”的,如贴上RFID 标签的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”,通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络连接物联网域名实现互联互通以及应用大集成,在内网、专网、和/或互联网环境下,采用适当的信息安全保障机制,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能,
18、实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化6-7。在近期颁布的工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知中 8指出:“围绕产业数字化、治理智能化、生活智慧化三大方向推动移动物联网创新发展。”已经明确了物联网技术在当今社会应用中的突出作用与今后一段时间的发展方向。教育要面向现代化,面向世界,面向未来 9。科技的日新月异离不开教育事业的大力推动,也必然带动教育事业的持续发展。当物联网技术与教育部在教育信息化十年发展规划(2011-2020 年)10中所大力倡导的“教育管理信息化”理念碰撞相融时,高校智慧实验室建设工作的开展便如瓜熟蒂落,水到渠成。所谓“智慧实验室
19、”,是指在信息化物联网技术的协助下,涵盖了实验实践教学、实验室开放、实验室安全管理、仪器设备管理及危化品安全管理等多种实验要素,不仅要实现实验室信息层面的智能化,而且在实验室环境层面乃至实验室仪器设备层面均实现智能化管理与运行的现代化实验室。智慧实验室是当今智慧校园建设中的一个重要环节,也是目前工科类高校实验室发展的潮流所在,更是当今世界网络技术革命对传统实验室建设管理模式的创新化发展11。正是基于这样的认识,2018 年中心寻求在智慧实验室建设方面有所进展,与美国霍尼韦尔全资子公司 Tridium 建立了良好的沟通与合作,利用 Tridi-um 公司的开放式软件框架平台Niagara Fra
20、me-work 提供的物联网新技术与自身管理实际相结合,在天津市高校物联网智慧型实验中心建设领域率先迈出了第一步。3 工科类高校智慧型实验中心建设的具体实践工科类高校实验中心建设的核心目标是通过强化实践与实验环节,努力提高人才培养质量,为创新型人才的培育保驾护航12。这就不仅要求具备科学合理的创新人才培养体系、积极先进的创新实验教学理念,同时更需要务实高效的实验管理与运行模式。以中心为例,目前已经成功构建了“基础为根、综合为干、创新为冠”的多层次实验教学体系,形成了“实验教学与科研、与专业实践、与本地实际问题”三结合的创新型实验教学模式,取得了满意的实验教学效果,尤其是对学生创新型实践能力的培
21、养方面,截止到 2019 年,已连续 17 年在“大学生挑战杯”等国家及市级科技竞赛上有所斩获。成绩固然可喜,但长期以来中心在日常实验管理与运行方面仍然手段陈旧,与其他方面的发展相251 祁丽,等:基于物联网的高校智慧型实验中心建设探索比渐呈脱节与反差之势。智慧型实验中心建设正是着眼于实验管理与日常运行方面,以务实高效的科技手段与管理模式充分保障实验室环境安全,提升实验室教研信息的处理能力,扩大仪器设备的开放共享率,为创新型人才培养提供更大的助力。下面以中心 Niagara 平台为例,对智慧型实验中心的建设与运行予以详细阐述。3.1 平台建设专业化智慧型实验中心建设的根本目标是利用物联网技术解
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