赵文静， 刘 葵
（广州大学实验中心，网络与现代教育技术中心，广州 510006）
实践教学是高校人才培养工作的关键环节，高校实验室则是学校培养学生实践能力和创新意识的重要平台。［1］教育部《关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》中提出，高校的人才培养应进一步加强实践教学工作，不断提高实践教学质量。高校实验室承担全校各专业的实验和实践教学任务。近年来，随着信息技术的高速发展，学校人才培养方案和培养模式都进行了较大的革新，高校实验室承担的实验教学任务与日俱增。但是，在人员紧缺、信息化管理不足的情况下，逐渐呈现出安全事故频发、管理效率低下、资源共享不足等问题。如何实现高校实验室的安全有效管理？在学校智慧校园建设不断推进的背景下，实现实验室安全管理的数字化转型，成为改变管理现状、提高管理效率的有效途径。
近年来，随着各高校信息化建设的持续推进，均已基本完成中心机房、校内高速网络，无线全覆盖等基础设施建设，建有以数据中心为核心，覆盖学校行政服务、教学、科研管理、师生校园生活的各项业务平台及系统［2］。随着IT技术及物联网技术的成熟和应用的普及，更加有条件进一步深化教育信息化，打造更加完善的智慧校园环境。
然而，高校实验室的建设和管理现状目前整体落后于学校的信息化水平［3］，常常因为跨校区管理、占地面积大、学科品类繁多、专业性强，管理人员紧缺等情况出现“拖学校后腿”的情况。以广州大学为例，校实验中心负责管理3 个公共实验室，跨2 个校区，6 栋楼宇，十几个楼层。实验用房达152 间，总计实验面积达26 000 m2。
随着学校的快速发展，各学科对人才培养、实验教学、实训环境以及实验室开放要求不断提高。当前的实验室管理和建设已无法满足师生的教学需求，主要表现在：
（1）安全防范难保障。目前除了简单的安全措施上墙、日常巡检等模式，缺少智能化的手段。对物理环境、使用过程、环境异常等情况缺少有效的跟踪、处置，难以做到防患于未然。
（2）设备管控太烦琐。现有管理模式下，实验室管理员需要到每一个实验室进行开／关门、电及设备检查工作，并且无法了解门禁、电源、多媒体、空调等设备的当前状态。遇到上下课高峰期时，管理压力更是急剧增加，以传统人力管理的模式很难保证实验室服务的效率和质量提升。
（3）教学资源管理难。缺乏统一的管理平台，导致临时调课易冲突、开放预约难调度、实验设备维保难、项目管理节奏乱，费时费力还无法保证效果。
（4）实验室开放不灵活。现有的实验室开放以人工管理为主，耗时费力的同时不仅无法做到按需开放，也难以实现资源共享。
（5）设备管理效率低。中心现有152 间实验室，设备资产数量多、金额大、变更周期短。现有的统计、管理模式无法应对设备管理员变更、地址变更等需求。
（6）数据统计易错漏。日常使用数据依靠人工填写，时间跨度大、工作强度高、漏报／错报现象多，管理者难以得到准确的数据来进行相关的管理决策。
智慧实验室（Smart Laboratory）是基于分布式协同集中式统筹规划的思想［4］，以实验室为基础，结合信息技术、机器视觉、模式识别等人工智能技术共同协作，打造一个集业务系统、中台管理、智能预测的三位一体式智慧实验室生态圈［5］。
对高校实验室进行智能化建设和改造，实现实验室业务的全面管理、实验室环境的安全控制和管理、实验大数据的建设和共享，逐步打造高校智慧实验室综合管理平台，将有利于推动学校在实验教学和实训等人才培养模式上的变革，进而利用信息化打破传统管理手段，为学校的新文科、新工科建设提供支撑，也为学校管理、科学决策提供更高效和准确的数据支撑和技术支撑［6］。
广州大学智慧实验室建设项目拟对20 间电工电子实验室、30 间计算机实验室进行智能化管理建设。通过智慧实验室支撑平台，将实验室业务管理与物联网控制系统相融合，通过统一平台及入口，使学校各级用户获取相应的使用及管理服务，实现实验室运行状况数字化管控，实验教学过程数据化整理，资产设备数字化清点，开放实验室数字化预约，将会极大地提升实验室管理效率，进而为师生提供更加友好以及便捷的服务。
2.1 建设总体框架
智慧实验室系统采用标准化的物联网多层架构，支持多样化的系统操作方式及良好的数据扩展性，满足学校不同实验室管理需求［7］。
通过实验室智能中控箱、智能电源控制器、多媒体控制终端、门禁控制器等感知设备实现对实验室门禁、多媒体设备、电源设备的智能控制［8］；
通过校园网将相关信息传输至平台服务器，继而反馈至各业务应用系统。学生、教师、管理者等用户可通过互联网、校园网、4G网络实现对各业务应用系统的访问和使用［9］。
系统将使用操作体系和数据交互体系相结合（见图1）。使用操作体系包括PC操作端、手机移动端、多媒体交互一体机、电子课牌、应急遥控钥匙等，实现不同端口的多通道访问［10］。数据交互体系实现各平台与校园数据中心、教务系统、一卡通系统、资产系统等应用系统的对接，实现数据共享。
图1 智慧实验室系统架构
2.2 系统组成
智慧实验室管理系统覆盖实验室管理全流程，将实验室管理中的业务应用、智能控制、安全防范、数据统计等各模块全面打通，帮助学生预约学习、管理老师提高效率，帮助学校降低实验室安全风险，帮助决策者沉淀实验室大数据，如图2 所示。
图2 智慧实验室系统组成图
2.2.1 物联网控制系统
（1）门禁智能控制。门禁管理系统能够实现开放预约和自动控制的功能，使实验室无人值守、安全可靠。通过远程PC 及移动端远程控制，形成实验室状态实时反馈。实验室管理员通过PC端或APP端实时查看门禁状态，进而实时掌控实验室使用情况，消除安全隐患（见图3）。①控制方式。智能控制方式有如下几种：课表控制，根据系统内已有的课表，结合师生身份信息实现门禁的自动控制，从而达到无人值守的目的；
开放预约控制，根据已有的开放预约信息，结合人员的身份认证情况，实现门禁的自动控制；
策略控制，用户可自定义门禁的定时控制策略，系统根据预设策略对门禁进行自动控制；
远程控制，在用户权限允许的情况下，可通过PC 机或手机端实现对门禁的远程状态查看及控制。②身份认证方式。身份认证方式有如下几种：刷卡，通过学校IC卡刷卡的方式进行人员身份认证；
人脸识别，通过人脸识别的方式进行人员的身份认证；
学号密码，通过学号＋密码录入的方式进行人员的身份认证。③应急处理机制。应急处理机制含物理状态监测、脱机管理、断电管理、应急机制。系统能够实时反馈控制设备及门禁的物理状态，实时掌握实验室门禁状态，包括开门状态、闭门状态、门禁异常等；
一旦有网络中断、服务器死机等紧急情况，智能门禁系统能够实现脱机管理，按照原来设置的策略以及课表和开放预约信息对门禁进行应急控制；
如果临时停电时，能够断电续航，为门锁照常给电，保证系统正常运行；
如果控制设备损坏，可使用应急遥控钥匙实现门禁的一键开启，保障上课秩序的正常进行。
图3 门禁智能控制拓扑图
（2）电源智能控制。对实验室内设备的电源进行智能化控制，根据实际的设备用电情况，选配三相电、单相电、弱电的智能控制。针对电脑及一些需要先进行软关机的设备，可设置断电策略的时候先检测读取软关机信息，再执行软关机功能，设置一段时间之后再断电，给实验室用电设备双重保护（见图4）。①控制方式。电源智能控制方式有如下几种方式：课表控制，即根据系统内已有的课表，结合师生身份信息实现电源的自动控制；
开放预约控制，根据已有的开放预约信息，结合人员的身份认证情况，实现电源的自动控制。同时可根据管理精度的不同，实现总电控制、分组控制、单点控制等多种方式的电源控制；
策略控制，用户可自定义电源的定时控制策略，系统根据预设策略对电源进行自动控制；
远程控制，在用户权限允许的情况下，通过PC机或手机APP 实现对电源的远程状态查看及控制。②身份认证方式有：刷卡认证，即通过学校一卡通IC卡刷卡的方式进行人员身份认证，针对某些具备高危操作的设备，还可以设置二次刷卡；
人脸识别，通过人脸识别的方式进行人员的身份认证；
学号密码，通过学号＋密码录入的方式进行人员的身份认证。③应急机制：在控制设备损坏的极端情况下，可通过应急遥控钥匙实现门禁的一键开启，保障上课秩序的正常进行。④高压大电流管理：可支持对单相电、三相电、弱电的综合管理控制，最大支持600 V电压、435 A电流的电源管理。
图4 电源智能控制拓扑图
（3）多媒体智能控制。智能多媒体控制系统将实验室内多媒体设备集中在一个平台上进行管理，包括投影仪、电子白板、幕布、音响、话筒、教师电脑等。具体包含本地控制，即通过本地的交互一体机实现对室内多媒体设备工作状态的查看与一键控制［11］。视频信号切换，可对投影仪或一体机的视频显示信号进行按需切换，包含台式电脑、笔记本电脑、数据展台等。音频信号切换，提供两个音频信号来源的按需切换功能。输出音量调节，实现输出音量的按需调节，包括主音量与高低音调节等。幕布控制，可对电动幕布进行升、降、停的按需操作。呼叫管理员，当出现设备故障或其他需要管理员协助的情况时，可通过交互一体机，实现管理员的一键呼叫。脱机管理，当出现网络中断、服务器宕机、网络广播风暴等与服务器失去连接的情况，智能多媒体管理系统仍然能按正常的人员身份认证情况与管理策略进行正常运行（见图5）。
图5 多媒体智能控制拓扑图
2.2.2 智慧实验室综合管理平台
（1）教学排课。提供实验教学的二次排课功能，利用教务系统现有的课程，根据实验室管理的实际情况进行灵活调整，更加贴近实际管理需求。实现课表获取，可通过与教务系统数据对接或EXCEL表格导入的方式实现相关课表的获取；
手动排课，按实验室实际的管理需求，对导入到系统的课表进行手动调整（包括实验室名称、周次课节、课程、项目、主讲教师、辅导教师、上课班级等条件设置）；
临时调整，遇到特殊情况时，可对已有的课程进行临时调整，调整后系统可自动判断是否存在课程冲突情况，进而进行信息提示；
课程查询，学生及老师可对自己所涉及到的课程进行在线查询。
（2）权限设置。对系统中的使用权限进行指定与划分，实现不同用户的精准使用和角色定义。对系统内不同的角色进行属性划分，包括但不限于管理员、学生、老师、领导等，并对每个角色的系统初始权限进行设置。将各个账号归属到相应的角色中，同时在该角色已有权限范围内，对各个账号进行差异化设置。角色内最高权限拥有者可指定某个账号进行后续的权限分配［12］。
（3）开放预约。提供实验室从开放预约申请、审批、查看全过程的信息化管理，如图6 所示，包括预约申请、信用关联、预约审批、预约查看等功能。
图6 开放预约流程
（4）设备和耗材管理。提供设备采购申报、出入库管理、维修管理、报修报废管理、基础信息管理、采购申购、设备入库、设备领用、设备借用、设备归还、设备维保、库存查询等功能，使实验室设备分类清晰、名目清楚，有效降低仪器管理人员的工作量，切实提高设备的利用率，进而提升实验室的整体信息化管理水平。对实验室耗材进行统一管理，包括基础信息管理、耗材使用计划、耗材领用、耗材验收入库、库存查询等功能。
（5）PC管控。在计算机上安装PC 管控程序，实现计算机使用的精细化管理。不依赖课表，任课老师在教师机登录后点击解锁，系统自动对所有学生机进行解锁，教师机关机后所有学生机自动锁屏。学生通过开放预约服务进行电脑的预约使用，预约成功后通过学号＋密码的方式进行身份认证后进行正常使用。预约时间结束后将自动锁屏，本次预约过程的使用系统自动记录并上传，提供记录查询。在限制时间段内，所有的电脑无法接入外设使用，接入外设后系统将自动提示，多次提示无效后，系统将自动锁屏。当电脑一直处于锁屏状态时，系统将自动进行软关机，避免造成能源浪费。当键盘、鼠标一定时间处于无响应状态时，系统将自动对其进行锁屏，教师可通过教师机对任意一台学生机的使用情况进行查看。
根据实验室的课程安排，结合云桌面自动调用课程对应的操作系统。对电脑硬件（包括CPU、内存、硬盘、网卡等）进行监测，数据进行实时上传。监测系统的内存使用，并自动优化，进一步提升电脑的使用性能。对计算机网络状态进行监测，当网络连接不畅或掉包时，自动检测网络相关设置，并进行优化。
（6）信息交互。能够对电子课牌显示资源进行设置，并配置电子课牌定时开关策略。对语音播报内容进行编辑、设置，同时对网站内容、链接、栏目等进行设置。
（7）安全学习。在使用实验设备前，对学生进行考核，提高学生的技能操作水平和安全意识，同时提供快速检验平台。按题目的分类和数量生成随机试卷，并设置试卷适用的实验项目。学生根据当前需要进行实验项目，获取对应的考试试卷进行答题。
（8）安全巡检。将智能标签、GPS 等技术有机结合，实现安全巡检。实时记录安保人员巡查工作的路线、检查点、检查时间等信息，上报安全隐患及安全设施设备的状态。根据学校相关规定对存在安全隐患且未整改合格的高危区域联动门禁系统关闭相关区域，实现巡查过程的实时监督和巡查记录的数字化。［13-14］
（9）实验室数据可视化。通过对系统日常使用数据的自动抓取，对实验室日常使用及管理过程中的关键指标进行综合分析。［15］借助图形化手段，清晰有效地进行数据传达和沟通，实现关键数据的直观体现和多种用户展板选择，进而对决策者提供有力的数据依据。
高校智慧实验室建设以人工智能、物联网技术为基础，以学校智慧校园建设目标为依托，通过搭建三大架构“数据资源架构、业务应用架构、基础支撑架构”，实现高校宜学、宜教、宜研、易管的智慧实验和实践空间。通过数据可视化带动管理精细化，随时随地全方位动态感知数据资源信息，使实验室数据、流程之间充分解耦，逐步实现了高校实验室的“多维服务”、实验室数据的“全面感知”、实验室业务流程的“深度融合”，为学校“德才兼备、家国情怀、视野开阔、实践和创新能力强”的人才培养目标推波助力。
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