基于AI_物联网的高校智慧实验室建设_赵文静.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022实验教学示范中心建设DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 031基于 AI/物联网的高校智慧实验室建设赵文静，刘葵(广州大学 实验中心，网络与现代教育技术中心，广州 510006)摘要:高校实验室是学校培养学生实践和创新能力的重要场所，承担着科学实验和实践教学任务。然而，目前实验室管理呈现出安全防范难保障、设备管控太烦琐、教学资源管理难等问题。以人工智能和物联网技术为基础，利用分布式协同和集中式统筹的思想提出高校智慧实验室建设方案。通过建设物联网控制系统和智慧实验室综合管理平台，实现实验环境的安全控制、实验业务的全面管理、实验数据的建设和共享。高校实验室的数字化转型和智能化改造，有利于推动学校的实践教学优化改革，改善师生的实验教学体验，为学校的科学管理和决策提供高效、准确的数据和技术支撑，进而助力学校智慧校园建设和人才培养模式的创新。关键词:人工智能;物联网;智慧实验室;物联网控制系统中图分类号:G 642文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0163 05AI/IoT-based Smart Laboratory Construction in UniversitiesZHAO Wenjing，LIU Kui(Experimental Center，Network and Modern Educational Technology Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China)Abstract:As an important place for developing studentspractical and innovative skills，laboratories in universityprovide experimental and practical teaching courses However，laboratory management has recently presented severalproblems such as difficult security precautions，too cumbersome equipment control and difficult teaching resourcemanagement Based on artificial intelligence and the Internet of Things(IoT)technology，this paper proposes a schemefor the construction of intelligent laboratories using the idea of distributed collaboration and centralized co-ordination Bybuilding an IoT control system and a comprehensive management platform for intelligent laboratories，it realizes the safecontrol of the experimental environment，the comprehensive management of experimental operations，and theconstruction and sharing of experimental data The digital and intelligent transformation of university laboratories isconducive to promoting the reform of practical teaching，improving the experimental teaching experience of teachers andstudents It can provide efficient data and technical support for scientific management and decision-making，and thushelps the construction of smart campuses and the innovation of talent training mode in universitiesKey words:artificial intelligence;Internet of Things;smart labs;IoT control systems收稿日期:2022-04-20基金项目:教育部人文社科青年基金项目(18YJC880141);教育部2021 年第一批产学合作协同育人项目(202101293072);教育部 2021 年第二批产学合作协同育人项目(202102111049)作者简介:赵文静(1981 )，女，甘肃金昌人，硕士，实验师，主要从事学习技术、实验室管理与建设。Tel:13342884215;E-mail:zhaowenjing gzhu edu cn0引言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。高校实验室第 41 卷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。1高校实验室管理现状近年来，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。2基于 AI/物联网的高校智慧实验室建设智慧实验室(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。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461第 12 期赵文静，等:基于 AI/物联网的高校智慧实验室建设图 1智慧实验室系统架构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)。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。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图 3门禁智能控制拓扑图员身份认证;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。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