馬 振

(江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院 江蘇 徐州 221132)

0 引言

信息化時代下,“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略引領(lǐng)著各行業(yè)領(lǐng)域長效發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)具備的強大信息資源共享能力,為高校實驗室管理創(chuàng)新、效率提升創(chuàng)造了良好條件。實驗室管理中,物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用,能夠為用戶提供豐富的數(shù)據(jù)服務(wù),支持用戶快捷處理各項管理事業(yè),同樣也為管理者提供了新的管理手段。目前,國內(nèi)各高校不斷增加對實驗室的投入,實驗室設(shè)備采購、儀器添置、器材管理等變得更加復(fù)雜,以人工為主的信息記錄方式,已滿足不了新時期實驗室管理的需求。信息化時代下,高校在推進實驗室建設(shè)的過程中,怎樣采取創(chuàng)新手段實現(xiàn)高質(zhì)量的實驗室管理,需要引起各大高校的重視。

1 物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展、延伸的產(chǎn)物,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用涉及物與物之間的通信。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時,用戶通過識別技術(shù)、感知技術(shù)獲取信息,利用相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對感知到的信息進行交換、通信,實現(xiàn)物理世界與信息世界的連接,實現(xiàn)對相關(guān)物體的辨別、檢測、控制等。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)通常被分為三層,如圖1所示[1]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,不同傳感器相互作用組成傳感網(wǎng)絡(luò),形成物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在物聯(lián)網(wǎng)的感知層,傳感器是最基本的硬件設(shè)施,主要作用是感知事物、識別信息,它可以實現(xiàn)與其他元件的數(shù)據(jù)傳輸、通信,將傳感器感知到的信息傳遞給相應(yīng)的元件。網(wǎng)絡(luò)層承擔傳送數(shù)據(jù)信息的作用,屬于感知層和應(yīng)用層的紐帶,主要由Internet、通信網(wǎng)、專用網(wǎng)、通信協(xié)議等組成,負責將感知層獲取的信息安全地傳輸至應(yīng)用層。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層,“處理”是應(yīng)用層的主要功能,該層級能對感知層采集的數(shù)據(jù)進行計算、處理、挖掘,以此實現(xiàn)對物理世界的控制、管理和決策。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,給人們帶來了海量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長,導(dǎo)致傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等技術(shù),已滿足不了對海量復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理要求,大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)運而生。大數(shù)據(jù)不是簡單代表海量數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)量大小,最重要的是能對各類數(shù)據(jù)、海量數(shù)據(jù)進行深度處理,具備強大的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)挖掘能力,能幫助用戶在海量數(shù)據(jù)中找到有用的價值信息。用戶應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù),旨在獲取大量數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析,將復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為研究成果,或者在價值密度較低的數(shù)據(jù)中,挖掘自身所需的價值數(shù)據(jù)。

2 “物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”應(yīng)用于高校實驗室管理的重要性

從物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的價值來看,兩者協(xié)同應(yīng)用于高校實驗室管理,能為管理者提供更便捷的管理服務(wù),在強大技術(shù)感知、傳輸、處理、挖掘等功能支持下,能夠有效推動高校實驗室管理模式的創(chuàng)新。在功能定位上,高校實驗室能滿足高校日常教學(xué)需求。在大數(shù)據(jù)不斷推廣的過程中,實驗室需要在數(shù)字化資源共享的同時,進一步提高各類數(shù)據(jù)資源的管理能力。管理者應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段,建構(gòu)良好實驗室環(huán)境,使得實驗室的功能變得更加強大。例如,應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù),能更快速地完成實驗室數(shù)據(jù)的處理、分析和編輯,在數(shù)據(jù)處理過程中,可以采用服務(wù)集群的方式,在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下開展專項項目管理,提高實驗室管理的整體效率。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù),實驗室可以為全校師生提供針對性服務(wù),如數(shù)據(jù)處理平臺、實驗室資源等。大數(shù)據(jù)幫助用戶創(chuàng)設(shè)良好實驗環(huán)境,滿足不同實驗室對數(shù)據(jù)處理的需求。實驗室根據(jù)高校教研、科研的現(xiàn)實需求,應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)整合各領(lǐng)域資源。在教學(xué)領(lǐng)域中,通過對不同課程的整合,進一步提高實驗室的教學(xué)服務(wù)能力,最大限度滿足高校教育教學(xué)工作的需求。

3 “物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”下實驗室創(chuàng)新管理模式建構(gòu)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”下實驗室創(chuàng)新管理模式,由實驗室管理者采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù),搭建一個信息化管理系統(tǒng),圖2為系統(tǒng)架構(gòu),該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、物聯(lián)層兩個部分構(gòu)成。

圖2 實驗室管理系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)中,物聯(lián)層承擔數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等功能,由各類傳感器設(shè)備、智能手機終端、無線通信技術(shù)、射頻識別技術(shù)(radio frequency identification,RFID)、攝像頭等組成。數(shù)據(jù)層在實驗室管理中,主要承擔各項數(shù)據(jù)處理功能。物聯(lián)層和數(shù)據(jù)層之間具有相互作用機制,通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物聯(lián)層將采集到的數(shù)據(jù)信息處理、傳遞給數(shù)據(jù)層后,由數(shù)據(jù)層負責處理數(shù)據(jù)信息,再將數(shù)據(jù)層提取的價值信息傳遞回物聯(lián)層,在物聯(lián)層的應(yīng)用層為用戶提供各種功能選擇。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在確定實驗室的管理功能后,技術(shù)人員要考慮怎樣利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù),將實驗室、各類設(shè)備、智能終端連接起來,用戶通過怎樣的方式介入系統(tǒng),形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理、設(shè)備接入、綜合處理的網(wǎng)絡(luò)信息中心,實現(xiàn)教育信息資源的有效采集、分析、服務(wù)與應(yīng)用等。完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅可以支持各類接入設(shè)備的相互聯(lián)通,還能模擬各類應(yīng)用場景,幫助用戶搭建更高效、靈活的實驗環(huán)境[2]。

3.3 功能開發(fā)

(1)用戶管理功能

管理者對實驗室使用者的管理,包括教師管理、學(xué)生管理,主要涉及對使用者的授權(quán)管理、信息修改等。

(2)信息管理功能

實驗室管理是高校實驗室管理系統(tǒng)的核心部分,不僅要管理實驗室的信息,還需要對實驗室內(nèi)部的各類設(shè)備實施管理。主要管理功能如實驗室設(shè)備信息錄入、新增實驗設(shè)備錄入、設(shè)備狀態(tài)實時更新、設(shè)備保養(yǎng)記錄和報修等[3]。高校要想實現(xiàn)對實驗室的有效管理,為教研、科研等工作的順利開展提供保障,加強對實驗室信息管理功能的開發(fā)非常重要。

(3)智能終端管理功能

實驗室的智能終端管理屬于系統(tǒng)功能模塊的重要組成部分,主要涉及對實驗室環(huán)境的監(jiān)測,如溫濕度、光照度等,實驗室智能終端控制,包括開發(fā)窗簾控制、燈光控制、門禁控制等功能。

(4)在線預(yù)約功能

在線預(yù)約功能是用戶對實驗室功能的基本需求,特別是在高校實驗室的開放程度不斷提升的過程中,實驗室不再以管理者或教師為主導(dǎo),學(xué)生擁有更多實驗室使用權(quán)。但實驗室場地空間、設(shè)備數(shù)量有限,普遍存在“供不應(yīng)求”的情況,開發(fā)在線預(yù)約功能,可支持學(xué)生在線預(yù)約使用實驗室,可以最大限度提高實驗室的使用價值。

(5)身份認證

身份認證是維護系統(tǒng)安全的技術(shù),是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)價值的體現(xiàn)。例如,技術(shù)人員在系統(tǒng)功能開發(fā)中,可以采用RFID智能卡進行認證,由高校投入適量經(jīng)費,選擇專業(yè)廠商生產(chǎn)智能卡,用戶在登錄系統(tǒng)時必須將智能卡插入專用讀卡器,通過這種方式驗證用戶的身份。

也可以采用“用戶名+密碼”的方式,這是目前最常用、最簡單的身份驗證方法。所有用戶的用戶名、密碼都是由用戶設(shè)定,用戶登錄系統(tǒng)時必須輸入密碼,用戶才擁有系統(tǒng)操作的權(quán)限。

3.4 功能實現(xiàn)

實驗室管理系統(tǒng)中,物聯(lián)層采用RFID將實驗室內(nèi)部的儀器設(shè)備、常用工具等各種設(shè)施錄入系統(tǒng),實現(xiàn)對實驗室內(nèi)部資產(chǎn)的電子化管理,系統(tǒng)定期對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行更新,保證系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的時效性,在實驗室內(nèi)部設(shè)備發(fā)生租借、遷移等情況時,系統(tǒng)可以自動追蹤設(shè)備。物聯(lián)層的應(yīng)用,能幫助管理者處理經(jīng)常出現(xiàn)的登記和實際不相符的情況,有利于保障實驗室資產(chǎn)的安全性。物聯(lián)層中,通過在實驗室內(nèi)安裝傳感器、攝像頭,可以實時留存實驗室的人員進出資料,避免在實驗室可能出現(xiàn)問題后無法追溯責任人的情況[4]。利用攝像頭,可以幫助管理者實時監(jiān)控實驗室內(nèi)部人員,包括師生的實驗全過程,及時發(fā)現(xiàn)實驗過程中存在的安全隱患,及時預(yù)警,在規(guī)范師生實驗行為的同時,提高實驗室運行的安全性。手機APP即系統(tǒng)連接的智能終端,可以支持用戶在線預(yù)約實驗室,最大限度提高實驗室的開放水平,有利于發(fā)揮實驗室助推高校人才培養(yǎng)水平提升的作用,最大限度滿足廣大師生對實驗室的使用需求。后臺數(shù)據(jù)形成日志流,可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù),圍繞實驗室使用情況、用戶興趣點等,為實驗室分析創(chuàng)造良好條件,為管理者進行管理創(chuàng)新提供決策依據(jù),有效提高實驗室的管理水平、服務(wù)水平。系統(tǒng)對實驗室管理者開放更高級權(quán)限,管理者可以通過手機APP,在線填報實驗室管理情況,包括實驗室損耗情況、采購情況等,由系統(tǒng)后臺將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,以便為管理者后續(xù)進行實驗室情況分析、耗材庫存分析等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。通過在實驗室內(nèi)設(shè)置各類傳感器,管理者可以更好地管理實驗室內(nèi)部環(huán)境,如溫度傳感器、濕度傳感器等;管理者也可以設(shè)置傳感器,對設(shè)備進行監(jiān)測,重點監(jiān)測設(shè)備的啟停、運行情況,在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障,便于相關(guān)人員快速對實驗室設(shè)備進行保養(yǎng)和維護。

在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層,主要采用現(xiàn)下較為流行的Hadoop平臺,技術(shù)人員在該平臺中可以使用Sqoop第三方插入工具,實現(xiàn)物聯(lián)層數(shù)據(jù)庫中實驗室數(shù)據(jù)和分布式文件系統(tǒng)(hadoop distributed file system,HDFS)數(shù)據(jù)的交流,利用平臺內(nèi)的采集服務(wù)器將物聯(lián)層的日志流中存儲的各項信息,傳出到數(shù)據(jù)層的Hadoop中。對HDFS中的數(shù)據(jù),由MapReduce進行清洗、篩選等操作,隨后將清洗后的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)倉庫Hive。存儲于Hive中的實驗室數(shù)據(jù),可以采用模糊推理、深度學(xué)習(xí)等算法進行處理,主要獲取實驗室的使用情況,為后續(xù)開展的實驗室管理工作提供重要決策依據(jù),并且也為高校后勤處采購實驗室設(shè)備、實驗室用地決策等提供強大數(shù)據(jù)支撐[5]。管理者可以登錄系統(tǒng),利用數(shù)據(jù)層的功能,對攝像頭采集數(shù)據(jù)、用戶登錄記錄數(shù)據(jù)等展開分析,及時掌握用戶的興趣點。管理者根據(jù)平臺對實驗室的耗材、設(shè)備等數(shù)據(jù)展開分析,可以支持管理者實時掌握實驗室舍內(nèi)狀態(tài),為設(shè)備的保養(yǎng)、維修等提供可靠依據(jù),此外耗材分析還能為學(xué)校預(yù)算編制工作提供依據(jù)。各種數(shù)據(jù)處理、分析結(jié)果,都可以通過瀏覽器、手機APP等終端進行顯示,為管理者提供實時查詢的功能。

4 “物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”實驗室創(chuàng)新管理模式的應(yīng)用建議

4.1 轉(zhuǎn)變實驗室管理觀念

社會不斷進步的背景下,教育改革不斷深化,社會發(fā)展對人才、科技的需求不斷提升。高校實驗室承擔著科研、教研等多重職能,高校要想充分發(fā)揮實驗室的功能與價值,需要及時革新實驗室管理理念,引進新的實驗室管理方法。高校應(yīng)主動創(chuàng)新實驗室管理模式,明確物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在實驗室管理模式創(chuàng)新中的價值,重視實驗室智能化水平的提升,打造具備強大信息傳輸、數(shù)據(jù)挖掘和開放共享功能的智能化實驗室,最大限度滿足師生對實驗室的使用需求。例如,高?？梢詫⑸矸菡J證功能與物聯(lián)層的攝像頭監(jiān)控功能結(jié)合起來,師生通過刷卡進入實驗室,由實驗室內(nèi)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)攝像頭對實驗全過程實施監(jiān)控,在系統(tǒng)的作用下自動記錄實驗操作全過程,自動存儲實驗過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)。師生離開實驗室后,也需要通過刷卡離開,系統(tǒng)自動記錄師生使用實驗室的時間,采取自動化、智能化的操作方式,實現(xiàn)對實驗室的全方位管理。

4.2 完善實驗室管理功能

高校根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù),開發(fā)實驗室創(chuàng)新管理模式,要重視實驗室管理功能的完善,大體可以從實驗室信息管理、設(shè)備管理兩個層面入手。高校在系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上,由管理者登錄管理系統(tǒng),直接通過手機APP,添加實驗室信息、實驗室資料,利用手機APP實現(xiàn)對實驗室信息的集成管理。設(shè)備管理中,高?？梢詫嶒炇以O(shè)備管理關(guān)聯(lián)到多個用戶數(shù)據(jù)表,實驗室表、設(shè)備信息表、設(shè)備故障表等,一個實驗室可以有多重設(shè)備,但一個設(shè)備的信息只能在一個實驗室的目錄下。

實驗室信息管理、實驗室設(shè)備管理,只是實驗室創(chuàng)新管理模式中的基礎(chǔ)功能模塊。高校利用智能終端,開發(fā)各項管理功能,各項功能模塊主要實現(xiàn)對無線節(jié)點的控制。例如,開發(fā)智能窗簾控制功能模塊,支持管理者、用戶使用手機APP控制實驗室內(nèi)的窗簾。管理者和用戶通過登錄系統(tǒng),操作手機APP控制實驗室內(nèi)窗簾的開閉。由智能終端下達指令,系統(tǒng)服務(wù)器在接受指令后,將開關(guān)動作發(fā)送至網(wǎng)關(guān),再由最終節(jié)點控制實現(xiàn),隨后對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息作出更改。在實驗室環(huán)境管理中,開發(fā)溫濕度監(jiān)測功能模塊,通過在實驗室內(nèi)的特定位置設(shè)置溫濕度傳感器,傳感器按時采集實驗室內(nèi)的溫濕度信息,將采集到的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器,由服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)信息寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)表,并將信息返回,通過手機APP顯示實驗室的溫濕度信息?？傊?實驗室創(chuàng)新管理模式中,高校在開發(fā)功能模塊的過程中,要根據(jù)實驗室使用需求、管理需求確定,盡量采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù),提高實驗室的自動化、智能化水平。

4.3 實驗室教學(xué)模式創(chuàng)新

高校要想真正發(fā)揮實驗室創(chuàng)新管理模式的作用,除了要及時革新管理觀念外,還需要采用實驗室教學(xué)模式創(chuàng)新的方式,最大限度發(fā)揮出實驗室在學(xué)術(shù)研究等方面的強大影響力,利用實驗室創(chuàng)新管理模式的優(yōu)勢,帶動高校教學(xué)質(zhì)量提升。高?？梢赃\用系統(tǒng)功能,為學(xué)生的實驗項目的開展提供有力保障,學(xué)生可以登錄系統(tǒng)瀏覽實驗項目相關(guān)的資料、觀看實驗視頻,便于學(xué)生正確掌握實驗室操作流程、操作方法。系統(tǒng)給學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供廣闊空間,讓學(xué)生隨時都能通過手機APP瀏覽實驗室發(fā)布的實驗項目、實驗講義等,為學(xué)生后期實驗,或者實驗預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)創(chuàng)造良好條件。

5 結(jié)語

綜上所述,本文基于“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”研究了一種新的實驗室管理模式,該模式可以有效解決傳統(tǒng)實驗室管理中存在的弊端,有利于最大化發(fā)揮實驗室的功能與價值。本文基于 “物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”支持下的實驗室管理模式開發(fā),需要高校盡快轉(zhuǎn)變自身觀念,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)線上化,對各類實驗設(shè)備進行跟蹤、管理,隨后應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對物聯(lián)層所采集的數(shù)據(jù)進行深度處理,通過智能化分析,為高校實驗室管理提供更有力的保障。