高校智慧实验室信息化平台

智慧实验室作为智慧校园的重要组成部分，是学校信息化发展到一定程度的内在诉求。基于新一代信息技术，从基础设施、网络环境、硬件、软件四要素出发，搭建了一个由设备感知层、智能控制层、网络层、服务层、业务应用层、用户层组成的系统体系结构，展示了智慧实验室系统的构建思路，目的是帮助实验室实现智慧化、精细化与规范化的全时空管理、全要素管理、全生命周期管理。

实验教学是高校课程学习的重要组成部分，是学生获取、掌握知识的重要途径，是深化课堂教学的重要环节。《*关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》指出,要“打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的智慧课堂、智慧实验室、智慧校园。大力推动互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等现代技术在教学和管理中的应用”。智慧实验室作为“智慧校园”的重要组成部分，是学校信息化发展到一定程度的内在诉求。

一、高校实验室信息化管理的现状

在前期建设过程中，由于大部分的实验室分布在二级学院，相关人员较为关注实验教学硬件设备购置,忽略对设备的开放使用、安全管理等方面的建设，导致在后期使用过程中暴露出了诸多问题。比如：(1)仪器、设备分布在各个实验室，尽管有专人管理，但是缺乏集中统一的管理平台，学校很难快速准确定位、跟踪设备。(2)室内照明、设备供电无法智能化管理，造成资源和能源的浪费。(3)温湿度、有害气体浓度、颗粒物浓度、烟雾浓度、粉尘浓度、噪声等指标无法实时监测，对各类潜在的威胁和危险无法提前预知并发出警告。(4)不同院系实验室之间资源利用分配不协调, 存在“信息孤岛”现象，资源共享难以实现。(5)实验教学资源分散实验案例资源缺乏收集和整理，无法共建共享随着大量开放式实验教学的开展，如何有效解决实验室的高效运行与管理成为实验室管理中亟待探讨研究的问题之一，对实验室的智慧化、安全化建设与管理成为领域内人士关注的热点问题。

二、智慧实验室的内涵

智能化的技术正时时刻刻被应用到生活的方方面面，如医疗、交通、电力、教育等，基于此，一系列的智慧化的行业解决方案很快被衍生出来，其中就包括智慧教育、智慧校园。

为智慧实验室是以物联网技术为核心，借助新一代信息技术实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联与信息共享，人员的互动协作等全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台。智慧实验室以物联网、云计算、大数据、智能化控制和移动互联等信息技术应用为主线，将实验室中的物理设施、信息设施、学习生活设施和科研设施连接起来，通过感知、物联、智能化的方式，达到智能自动化管理和监控，保证实验室的安全，创造一个绿色环保、智能舒适的实验环境。

智慧实验室是以现代教育思想与理念为指导，以提高学生实践能力和创新能力为目标，将物联网、互联网、云计算、大数据、智能技术等新一代信息技术有机融合于实验室的管理和教学过程中，建设成具有全面感知物理环境、智能化管理与控制、教学过程可视化记录与评价、资源和信息互联共享、师生协作与互动一体化的实验室学习空间和“一站式”服务平台，实现实验室建设的进一步精细化动态化管理、全时空管理、全要素管理、全生命周期管理。智慧实验室通过将新一代信息技术和智能化设备与实验室有机融合，以现代教育思想与理念为指导，基于物联网技术构建全面感知的物理环境，基于互联网构建开放、互动、共享的综合实验信息服务平台，基于智能控制技术构建可视化、智能化的自动化管理和监控，基于云计算、大数据等技术实现实验教学过程的可视化采集、传输、交互、评价、应用和服务。

三、智慧实验室的系统架构模型

在对智慧实验室内涵分析的基础上，秉承模块化设计理念，笔者认为在基础硬件设施上，可将物联网、云计算、大数据、移动互联等信息技术与实验室的基础设备和应用系统进行有机融合，从基础设施、网络环境、硬件、软件四要素出发，搭建一个由设备感知层、智能控制层、网络层、服务层、业务应用层、用户层组成的系统体系结构（如图1所示）。

（一）设备感知层

利用各种物联网技术和智能感应技术，通过 IC 卡、二维条码、射频标签、摄像机、各类传感器等自动标识，实时获取各种监测信息，实现对实验室环境的全面感知、设备的识别及信息的采集等，并可以依据采集的大数据智能预测一般规律和发展趋势。实验室设备感知层的设备主要包括门禁系统、多媒体设备、照明系统 RFID 标签、二维码、摄像头、空调与新风系统、各类传感器（二氧化碳浓度传感器、有害气体浓度传感器、水浸传感器、温湿度传感器、光敏传感器）等。如：利用低频和高频的RFID设备进行门禁管理、刷卡考勤、设备盘点与统计等，利用摄像头和智能录播设备实现无感知考勤、实验教学全过程视频采集及实验室安全监控等功能。

（二）智能控制层

智能控制单元是智慧实验室管理系统的核心支撑系统，具备精准控制、智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策等功能，是实验室系统互联网、物联网应用的控制和执行终端，能够执行各种管理指令，从而使实验室达到系统化的智能运行管理。智能控制层主要包含三种类型设备：智能电源控制系统、实验室智能中控系统、多媒体智能控制系统。

（三）网络层

网络层相当于人体的中枢神经，实现人与人、设备与设备、人与设备之间全面的互联互通，承载智慧实验室所有的软件平台、硬件设备、基础设施、人等信息之间的传输，为师生提供可靠、稳定的泛在基础网络环境和持续的服务会话及感知数据的接入和传输。网络层所涉及的网络有有线网络、无线网络、物联网等，各网络之间协调工作，使信息空间与物理空间能够无缝对接、全面联通。

（四）服务层

为消除各学院及各应用系统之间的“信息孤岛” 现象 , 利用云计算、数据挖掘等技术为基础，深度整合数据资源，统一信息管理，建立一个统一的、共享的、标准的数据融合综合服务平台。主要包括统一身份认证、云计算与云存储、统一数据库服务平台、虚拟化桌面、直播和录播、大数据挖掘、服务器集群等基础服务，为实验室的数据融合和服务融合奠定基础。

（五）业务应用层和用户层

业务应用层旨在构建一个多服务综合管理平台，实现教学管理、实验教学、资源管理、环境监控等诸多应用，使得它们集成于统一的管理平台之上，形成开放的实验室系统，并为实验室评估、实验室建设及实验教学质量管理等方面的决策提供数据支持。在实际建设过程中，可以根据学校的实际需求，以“业务支撑平台”为基础，灵活搭配丰富多样的拓展应用模块，大限度满足学校、学院、实验中心、教师和学生等使用方和管理方的需求，LIMS系统可实现实验室相关工作智能化、规范化、信息化管理，把管理工作从粗放式向精细化管理转变，从而达到减少资源浪费的目的。