秦淑芳，嚴(yán)士常*，陳文昊，李清秋，陳鈺

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

有關(guān)水流、波浪、泥沙與結(jié)構(gòu)物之間相互作用的研究一直是水利工程、水運工程、海洋工程及船舶工程等相關(guān)學(xué)科的經(jīng)典研究內(nèi)容。由于動力環(huán)境復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)物的多樣性，該方向仍然存在著大量懸而未決的問題[1-2]。物理模型實驗是針對該問題的重要研究手段[3-4]，實驗水槽是涉水專業(yè)科研和教學(xué)都離不開的重要實驗設(shè)施，實驗水槽的結(jié)構(gòu)和功能直接關(guān)系著實驗成果的質(zhì)量，而先進(jìn)的管理模式則是實驗順利及高效開展的必要保障。實驗水槽的建設(shè)和管理工作，一直是研究型高等院校關(guān)注的重點。

河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院實驗中心（以下簡稱“實驗中心”）設(shè)計和建設(shè)的彎道變坡水槽，正是集科學(xué)研究與教育教學(xué)于一體、新型集約設(shè)計理念和現(xiàn)代高效管理理念于一體的典型實踐案例。在實驗中心大量調(diào)研[5]和廣泛研討的基礎(chǔ)上，該水槽在硬件建設(shè)方面，實現(xiàn)了高效利用有限空間的多功能性；在管理層面，引入了“7S”管理體系，建設(shè)了設(shè)備動態(tài)共享管理系統(tǒng)，保證了實驗室管理的先進(jìn)性和實驗操作的便利性。下面從水槽結(jié)構(gòu)與功能實現(xiàn)、管理模式與主要工作、動態(tài)管理與建設(shè)成效3 個方面，對這一典型案例進(jìn)行探析，希望能為相關(guān)的實驗室建設(shè)工作提供設(shè)計思路和參考依據(jù)。

1 直段和彎段可拆分的U 形實驗變坡水槽

在一條水槽內(nèi)同時考慮水流、波浪、泥沙、地形和結(jié)構(gòu)物的相互作用對于模擬真實的動力環(huán)境具有重要意義[6]，然而受實驗場地和經(jīng)費所限，多功能水槽的實現(xiàn)困難重重。河海大學(xué)實驗中心通過建設(shè)直段和彎段可拆分的U 形實驗變坡水槽。水槽上下游直段各長15 m，彎段長8 m，水槽內(nèi)寬1.0 m，內(nèi)深0.6 m，可作為單獨變坡直水槽使用，也可用于針對彎道研究的U 形水槽使用，實現(xiàn)了滿足現(xiàn)代化觀測需求且高效利用有限空間的多功能性。

1）直段和彎段可拆分的U 形實驗水槽。水槽彎段對直段水流具有反射作用，影響直段水流流態(tài)，當(dāng)水槽直段長度較短時，水槽彎道對水流流態(tài)的影響較大，計算出的紊流及層流運動機理失真。為了解決該問題，水槽在建設(shè)時引用了一種U 形水槽彎段可移動裝置，該裝置由鋼軌、蓋板、推板、真空半球體及驅(qū)動裝置組成，驅(qū)動裝置推動水槽彎段最大斷面的2 條推板在軌道上移動，實現(xiàn)了水槽彎段與直段分離。

水槽直段末端直接與尾門或排水消能設(shè)施相連，水槽中的水流不會進(jìn)入水槽彎段，實現(xiàn)水槽直段獨立工作。在直線段尾端設(shè)置尾水門和蓋板，用于排放單獨選用直線段水槽的試驗用水。當(dāng)河床沖刷演示等實驗需要彎段水槽工作時，水槽彎段與直段閉合。這樣實現(xiàn)了根據(jù)實驗需要，靈活使用水槽。水槽直段與彎段分離，減小了水槽彎道附近紊流段的長度，增加水槽有效工作段的距離，提高水槽實驗的效率和測量系統(tǒng)穩(wěn)定性。

直段和彎段可拆分的U 形實驗水槽，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，場地面積要求低，并且提高了水流流速場參數(shù)研究的精度。

2）水槽自動升降多段變坡裝置。為了滿足實驗中流場的需求，往往會設(shè)計不同的水槽形式來創(chuàng)造不同的水力條件，尤其是通過改變水槽的坡度，研究坡面流水動力學(xué)參數(shù)隨坡度的變化規(guī)律，模擬實際水流條件。水槽變坡范圍為0~1.5%，以往的智能變坡水槽控制系統(tǒng)大多采用一段式多點支撐整體變坡，多點變坡不同步和長期點受力造成水槽主結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)誤差較大。自動升降的多段變坡水槽裝置，包括信號傳輸模塊，升降支撐模塊和變坡監(jiān)控模塊。通過變坡監(jiān)控模塊反饋水槽變坡高度，并對每個升降支撐模塊單獨控制，避免水槽整體傾斜產(chǎn)生剛度變形，并減小單個支撐的工作載荷；同時升降支撐模塊配備限位裝置，既保證升降調(diào)節(jié)的精度和便捷，也能有效地保證水槽整體的安全性。通過多學(xué)科和多種先進(jìn)技術(shù)手段相結(jié)合，并進(jìn)行技術(shù)集成，實現(xiàn)了水槽升降、多段變坡的智能化自動控制，控制系統(tǒng)操作簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好。

2 “7S”和設(shè)備動態(tài)管理模式

2.1 “7S”管理

高校實驗室在實驗室安全和信息化方面投入了大量精力進(jìn)行建設(shè)和管理，傳統(tǒng)的高校實驗室由于設(shè)備的兼容性較低，改造費用過高，所以在信息化方面難以快速展開。秦淑芳等[7]曾以河海大學(xué)一流學(xué)科建設(shè)中的實驗室建設(shè)為例，在介紹了“7S”管理理念和基本原則的基礎(chǔ)上，從實驗室效率、安全和師資建設(shè)3 個方面，分析了當(dāng)前高校實驗室推行“7S”管理的必要性，探討了整理、整頓、清掃、清潔、安全、素養(yǎng)和節(jié)約7 個要素在實驗室中的實施要領(lǐng)。實驗中心在彎道變坡水槽的建設(shè)、運行和維護(hù)各環(huán)節(jié)的管理工作中，全方位引入了“7S”這一高效的管理理念。

傳統(tǒng)的實驗室儀器設(shè)備存放混亂、貨架無標(biāo)識、操作不規(guī)范等現(xiàn)象。引入“7S”管理體系后，首先從最簡單的整理、整頓、清掃、清潔入手，對實驗室?guī)旆吭O(shè)備進(jìn)行全面檢查和分類，制定了可用設(shè)備的判斷標(biāo)準(zhǔn)，將不可用設(shè)備及時報廢，并存放在庫房報廢區(qū)。對可用設(shè)備張貼標(biāo)識和二維碼，補充完善設(shè)備資料，對設(shè)備基本信息和設(shè)備操作視頻制作二維碼，通過掃碼即可查閱。其次，通過制度固化，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)監(jiān)督，改變實驗環(huán)境，潛移默化地培養(yǎng)員工認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ魉仞B(yǎng)，將“7S”管理模式逐步引入到實驗設(shè)備管理、實驗場地管理等方面。

2.2 實驗設(shè)備動態(tài)管理

“7S”管理過程中，每套設(shè)備均張貼了標(biāo)識，設(shè)計了配套二維碼，為設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)的微信小程序應(yīng)用提供了條件。

設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)的實施方式有電腦網(wǎng)絡(luò)版和微信小程序，用戶通過手機掃描設(shè)備二維碼或者打開微信小程序，即可實時查看設(shè)備運行狀態(tài)。通過微信小程序可以實現(xiàn)儀器設(shè)備的預(yù)約、借還、報修、交費等申請工作[8-10]，也可以在電腦網(wǎng)絡(luò)版直接提交申請信息，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、實驗中心負(fù)責(zé)人和管理人員可以通過微信小程序直接審核與批示，不再需要紙質(zhì)版現(xiàn)場簽字，節(jié)約了師生的實驗準(zhǔn)備時間。

設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式而言，庫存設(shè)備信息更加透明，信息來源更及時，掃描設(shè)備（或場地）二維碼，或者打開微信小程序，或者登錄電腦網(wǎng)站，均可查詢或跟蹤設(shè)備可借用信息、基礎(chǔ)信息、實驗操作指南（或視頻）等，對實驗計劃安排或?qū)嶒炃捌跍?zhǔn)備均具有指導(dǎo)作用。手機系統(tǒng)操作簡單，執(zhí)行方便，對電腦的依賴性低，設(shè)備使用后具有信息反饋功能，提出相應(yīng)的評價與建議，保證設(shè)備能更好地服務(wù)于廣大師生。

2.3 實驗場地管理

針對實驗場地供不應(yīng)求，安全意識薄弱、實驗設(shè)施擺放混亂等現(xiàn)象，實驗中心安排具備良好設(shè)備管理與維護(hù)能力的技術(shù)人員進(jìn)行專職管理，定期對設(shè)備使用人員進(jìn)行操作流程與注意事項等方面的培訓(xùn)，通過設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)，對實驗全過程進(jìn)行跟蹤，及時通知實驗進(jìn)度和時間節(jié)點，對實驗場地使用時間嚴(yán)格管控，每次租借時間為2 個月，超期提前續(xù)借，根據(jù)超期天數(shù)制定實驗收費上浮標(biāo)準(zhǔn)，確?？蒲腥藛T對實驗資源使用的公平公正；對于敬業(yè)和認(rèn)真負(fù)責(zé)的管理人員，在職稱晉升、年終獎勵等方面給予優(yōu)先考慮，使他們能夠安心于儀器設(shè)備的日常繁瑣管理和維護(hù)。

彎道水槽實驗場地管理，主要是通過學(xué)院自主開發(fā)的設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)進(jìn)行場地信息查詢、預(yù)約、租借、報修、技術(shù)支持等工作。彎道水槽使用前要先預(yù)約，再根據(jù)網(wǎng)上操作培訓(xùn)進(jìn)行考核測試，測試合格方可進(jìn)行租借申請。申請?zhí)峤缓?，系統(tǒng)自動發(fā)送信息給相關(guān)管理人員，網(wǎng)上批示通過后，實驗室管理員會發(fā)送實驗室門禁密碼。實驗結(jié)束前，也需要提前在動態(tài)管理系統(tǒng)預(yù)約歸還，實驗結(jié)束后，系統(tǒng)自動生成租借費用清單，推送給實驗項目負(fù)責(zé)人，費用結(jié)清才能再次租借。該網(wǎng)絡(luò)管理方式相比傳統(tǒng)紙質(zhì)申請表租借方式，節(jié)省了師生咨詢和跑腿簽字時間，實驗場地信息動態(tài)在線共享，方便了師生實驗進(jìn)度安排，提高了實驗場地利用效率。

實驗中心非常重視實驗室面貌管理，場地要求整潔干凈，儀器安裝后布線整齊，如有實驗設(shè)施安裝或臨時放置，要求制作警示牌，提示儀器處于運行狀態(tài)，或停運狀態(tài)，消防、開關(guān)箱、材料等區(qū)域均布置標(biāo)示線和警示牌。水槽、墻角無雜物，門窗、臺架保持無灰塵、無油污的清潔狀態(tài)，管理人員每月徹底清潔一次并保持干凈，將安全事故發(fā)生的可能性降為0。

3 動態(tài)管理與建設(shè)成效

高校實驗室在設(shè)備管理方面也逐漸認(rèn)識到了設(shè)備靜態(tài)管理帶來的眾多問題，所以彎道水槽在建設(shè)過程中特別重視服務(wù)方式的創(chuàng)新?！?S”和設(shè)備動態(tài)管理模式的引入，使同類實驗使用周期明顯縮短。比如一類小型的水流流態(tài)斷面實驗，試驗前后需要的時間為7 d 左右，目前只需要3 d即可完成，設(shè)備及水槽的利用周期至少縮減50%。“7S”管理保證了良好的實驗環(huán)境，齊全的實驗工具；設(shè)備動態(tài)管理節(jié)約了師生租借設(shè)備的申請手續(xù)時間，租借流程從全紙質(zhì)1~2 d 的申請表會簽，降到1~2 h 的手機APP[11]或電腦網(wǎng)絡(luò)會簽；設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)中制定了各類設(shè)備的二維碼，通過掃碼，師生可以快速得到設(shè)備共享信息，提高了師生對實驗設(shè)備的快速認(rèn)識。這樣從實驗申請、出庫、入庫、結(jié)算等流程直接網(wǎng)上辦理，大大節(jié)約了師生跑腿簽字和信息錄入時間，提高了實驗效率。

多功能彎道變坡水槽在建設(shè)過程中引入“7S”和設(shè)備動態(tài)管理模式，充分考慮了實驗易操作性和設(shè)備信息共享性，確保實驗室信息線上線下同步開放，方便師生隨時查看設(shè)備狀態(tài)，遠(yuǎn)程統(tǒng)計和分析實驗測量成果，合理安排實驗進(jìn)度，對提高實驗效率和設(shè)備使用率有重大幫助。

4 結(jié)語

河海大學(xué)的彎道變坡水槽是研究水流、波浪、泥沙、地形和結(jié)構(gòu)物相互作用的重要基礎(chǔ)實驗設(shè)施。通過建設(shè)直段和彎段可拆分的U 形實驗變坡水槽，配置自動升降多段水槽變坡裝置，實現(xiàn)了滿足現(xiàn)代化觀測需求且高效利用有限空間的多功能性。在水槽的管理工作中，將“7S”管理和“設(shè)備動態(tài)”管理模式全方位引入到實驗設(shè)備管理、實驗場地管理、實驗安全管理、人員管理等4 個主要環(huán)節(jié)，做到了實驗設(shè)備布置規(guī)范條理、場地整潔、道路通暢、標(biāo)識醒目、資料歸檔全面及時等。設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)在彎道水槽的應(yīng)用，實時共享了實驗水槽和儀器的信息，實現(xiàn)了利用手機客戶端進(jìn)行設(shè)備預(yù)約、借用、歸還、報修等一系列工作。提高了彎道變坡水槽和相關(guān)實驗設(shè)備的利用率，節(jié)約了師生和管理人員的時間和精力，保證了科學(xué)研究和教學(xué)工作的順利開展和有序進(jìn)行。河海大學(xué)彎道變坡水槽的建設(shè)和管理理念與實踐，可為我國高校實驗室建設(shè)工作提供設(shè)計思路和參考依據(jù)。