基于物联网的高校院级大型仪器设备开放共享实践

摘"要：以华中科技大学机械科学与工程学院为例，阐述院级大型仪器设备开放共享在相关制度、技术队伍、信息化平台平稳运行的前期基础上，运用物联网、人工智能等新技术进行制度创新、机制创新、平台优化，打造更加便捷高效且符合学院特色的开放共享机制，以提高仪器设备利用率，满足高校“双一流”学科建设、高层次应用型与创新型人才培养需求，为企业科技创新和技术转型升级提供更好的支撑和保障。深化高校院级仪器设备开放共享的举措有：1）开发符合学院特点的仪器设备开放共享信息化服务平台，客户端增加手机预约和审批功能；2）构建基于物联网的7×24小时无人值守的仪器设备开放共享服务机制，方便师生随时实验；3）建立院级大实验中心，整合公共资源，更好地服务教学、科研和提供社会服务；4）院校部多级开放共享平台数据对接，入驻省级共享平台，拓宽开放渠道。关键词：物联网；仪器设备开放共享；大型仪器设备0"引言创新驱动发展，科技引领未来。为加快建设科技强国、实现高水平科技自立自强，一方面国家持续加大科技投入，据全国教育事业发展统计公报年度数据显示，2019年，全国普通高校生均教学科研仪器设备值为16264元[1]，2020年，全国普通高校生均教学科研仪器设备值为16522元[2]，2021年，全国普通、职业高等学校生均教学科研实习仪器设备值为17091.23元[3]；另一方面，科技部、财政部、教育部等部门相继发布系列相关文件，引导和激励国家重大科研设施与大型仪器设备开放共享，提高科技资源的利用效率和效益，为科技创新提供有力支撑。自《国家重大科研基础设施和大型科研仪器开放共享管理办法》发布以来，各大高校借鉴国内、国外先进的经验，积极筹划仪器设备开放共享，探索适合学校的仪器设备开放共享管理模式，初步实现了大型仪器设备开放共享[4]。“双一流”建设背景下，落实“以学生为中心”的教育理念，进一步深化高校仪器设备开放共享建设，更大程度地发挥仪器设备在实验教学、科学研究、人才培养、社会服务、成果转化等方面的支撑作用，助力一流大学和一流学科建设，具有重要的研究意义。本文以华中科技大学机械科学与工程学院为例，进行基于物联网的高校院级大型仪器设备开放共享实践研究，有效提高了仪器设备利用率，满足了高校“双一流”学科建设、高层次应用型与创新型人才培养需求，为企业科技创新和技术转型升级提供了有力支撑。1"开发符合学院特点的仪器设备开放共享""信息化服务平台，客户端增加手机预约""和审批功能华中科技大学机械科学与工程学院（以下简称机械学院）仪器设备开放共享主要面临三大问题。1）50%以上的共享仪器设备由学生助理承担设备日常维护和测试服务工作，学生助理在高校仪器设备开放共享运行中发挥着重要的作用，是对实验机组人员的有力补充，但学生助理在校级共享平台中没有完整的机组负责人的执行权限，无法响应预约完成审批。2）设备众多，但专职实验教师数量有限，一位教师要管理十几台乃至几十台设备，有的教师甚至还承担教学实验任务，及时通过电脑响应预约很难实现。3）很多实验区域涉密，因而屏蔽了校园局域网，专职实验教师不能及时到有网络的PC机上审批预约信息。中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的第52次《中国互联网络发展状况统计报告》显示：截至2023年6月，我国网民规模为10.79亿，互联网普及率达76.4%，我国网民使用手机上网的比例达99.8%；使用台式电脑、笔记本电脑、电视和平板电脑上网的比例分别为34.4%、32.4%、26.8%和28.6%[5]。学院综合评估自身特点和现状后决定升级仪器设备开放共享服务系统，增加手机端微信预约、审批和消息传递功能，开发符合学院特点的大型仪器设备开放共享信息化服务平台（简称院级大仪预约平台），如图1所示。服务端为共享设备层，包括服务端管理软件、设备信息数据库、安全系统等；客户端为终端用户层，含移动终端用户和PC终端用户；服务端与客户端通过校园局域网和公网连接。1.1"对接校园信息化平台，绑定统一身份认证华中科技大学校园信息化建设卓有成效，已实现全校一张网、基础一平台、数据一个库、上网一个号等“十个一”工程。院级大仪预约平台App构建于校园信息化平台之上，绑定统一身份认证，与校园人事系统、学生库系统等对接，可实名预约和审批，信息可经“华中大微校园”及时推送。1.2"支持PC端网上预约和移动端手机微信预约两种预约方式1.2.1"移动端预约在手机端打开微信，打开“华中科技大学”（首次打开需要进行统一身份认证并绑定手机号），点击“学院应用”“机械学院共享资源预约”“大仪预约”，进入院级大仪预约平台界面，选择仪器设备、预约时间、导师等信息，提交后完成预约申请。师生通过统一身份认证后登录预约，既方便快捷，又提高了安全性。1.2.2"PC端预约进入机械学院实验室开放及实验教学综合管理系统（http：//）进行网上预约，登录后选择仪器设备、实验方式、实验时间等信息，提交后完成预约申请。1.3"微校园审批便捷高效预约信息自动通过短信或“华中大微校园”的“消息中心”发送给共享仪器设备的实验负责人，实验负责人点击审批通知消息界面，浏览预约实验详情后，点击“同意”或“拒绝”按钮完成审批。实验负责人可以随时随地在手机端完成审批，便捷高效。1.4"审批结果通知更及时院级大仪预约平台通过短信或在“华中大微校园”的“消息中心”将审批结果发送给实验人员，并在预约实验时间开始前24小时提醒实验人员。1.5"全流程管理预约、审批、预约单下载、记录查询和导出可以对接校级仪器设备开放服务系统，乃至对接国家网络平台，构建较为科学、完整的二级学院开放共享服务信息化管理体系，也即将虚拟对接财务系统，在系统中实现测试费核算、双方核对、自动扣除。1.6"支持学生助理成为实验技术负责人[6]基于移动端的院级大仪预约平台是对基于PC端的仪器设备开放共享信息化平台的创新式升级，一经推出就得到师生的高度评价，具有极高的易用性，可以增强实验人员的体验感，支持学生助理成为实验技术负责人，大大提升了大型仪器设备开放共享服务的水平和质量。同时，院级大仪预约平台仍然具备传统的基于PC端的大型仪器设备预约平台功能，支持从PC端登录系统，进行预约、审批、后台共享仪器设备增减、开放参数设置、使用数据检索和导出等。2"构建基于物联网的7×24小时无人值守""的仪器设备开放共享服务机制，方便师""生随时实验基于物联网的院级大型仪器设备预约流程如图2所示。实验人员在院级大仪预约平台预约，通过审批后，在预约时间内可以刷校园卡进/出实验室，刷校园卡打开仪器，自主完成实验，再刷校园卡关闭仪器，离开实验室。学院首批选择了扫描电子显微镜、拉曼显微镜、蒸镀、磁控溅射镀膜机等操作简单且使用率高的仪器设备，部署了安全可控、信息化、标准化、智能化的开放共享实验基础环境，为具有操作资质的实验人员提供7×24小时全天候开放共享实验环境。基于物联网的7×24小时无人值守的仪器设备开放共享服务机制可以最大限度地满足师生个性化的实验需求，满足高校“以学生为中心”的创新型人才培养的需要。科研时间紧迫的师生可以在周末或下班后的非工作时间段自主开展实验；学有余力的学生可以在课余时间开展创新型实验；基础较差的学生可以反复预约，多次实验，巩固实验技能技巧。管理人员能够可视化地远程管理实验，能够客观、准确地获取仪器设备的使用数据，为客观评估大型仪器设备的绩效、运维提供真实可靠的数据支撑。基于物联网的7×24小时无人值守的仪器设备开放共享服务机制具有鲜明的互联网时代特色，是大型仪器设备开放共享的典范。2.1"实验室门禁系统为了保障实验室消防安全、人员安全、设备安全，为师生提供更安全的实验环境，实验中心对所有实验区域统一部署新门禁系统。新门禁系统与校园一卡通绑定，师生通过安全准入考试后，在获批的预约实验时间段内可以刷校园卡通过实名鉴权后进入实验室。2.2"实验设备刷卡控制系统实验负责人不在场的情况下，如何准确判断进行自主实验的师生的实验时间是个难题。为此，实验中心给设备安装控制器，通过校园卡控制其开、关，实时记录设备开、关时间，从而准确地记录设备的使用机时，为系统自动核算测试费用和费用扣除等提供依据。2.3"实验室监控系统实验中心根据实验类别设有装备制造实验室、精密测量实验室、微纳加工及测量实验室、柔性电子制造实验室、数控技术实验室、现代制造实验室、新材料新器件化学实验室等多个开放共享实体平台，按照学校和学院要求，在实验室的出入口、走廊、仪器设备周边等安装监控摄像头，实现24小时全时段无死角视频监控，实验室各区域安全员可以在电脑或手机上随时进行线上巡检。2.4"实验室安全管理系统安全是实验室工作的基石，没有安全作保障，就无法确保仪器设备开放共享持续深入地进行。实验中心开发了实验室安全管理系统，每日安全检查现场拍照上传，整改通知及时推送反馈。实验室安全管理系统促进了安全巡查日常化、规范化，实现了安全检查与问题整改的全闭环信息化管理，提升了实验室安全管理水平。实验中心专门为化学试剂管理开发了危化品管理系统，确保危化试剂采购、取用、存储和跟踪安全规范。2.5"定期培训，规范仪器设备操作基于物联网的7×24小时无人值守的仪器设备开放共享的必要条件之一是实验人员必须具备独立操作仪器设备的能力。大型科研仪器设备的使用通常要求使用者具备一定的专业技术水平，盲目使用可能会发生误操作，造成仪器损坏或人身伤害等。国外大型科研仪器设备管理单位会要求使用者在使用前接受专业培训。例如，接受过培训的实验人员可以7×24小时访问斯坦福大学的生物材料和先进药物输送系统设施、功能基因组学设施、高通量生物科学中心等[7-8]。实验中心每学期面向全校师生组织仪器设备操作培训，培训合格者才有资格预约自主上机实验。3"建立院级大实验中心，整合公共资源，更""好地服务教学、科研和提供社会服务学院整合教学实验室和科研实验室，创建大实验中心，涵盖国家级机械基础教学实验中心、虚拟仿真实验教学中心、智能制造装备与技术全国重点实验室、制造装备数字化国家工程研究中心等多个国家级教学平台和科研平台，实现资源统筹管理。目前，大实验中心实验场所面积达8000平方米、大型仪器设备200余台（套），资产近两亿元。整合资源，推动科研成果向教学资源转化，实现科教融合，让更多的科研优质资源对本科生开放，有利于本科生拓展专业视野，尽早接触专业前沿动态，获得更多创新实践机会；教师得以从繁琐的设备运维中解脱出来，专注科学研究和人才培养；实验中心可以全面掌握全院仪器设备的运行状态，更好地平衡资源，推进仪器设备开放共享工作。例如，数控实验室每年承担本科教学实验课后，有近半年的空闲时间，因此，数控实验室的教学设备可优先满足教学，阶段性完全服务教学，空余时间对外开放共享，提供社会服务。4"院校部多级开放共享平台数据对接，入驻""省级共享平台，拓宽开放渠道2023年，院级大仪预约平台成功对接校级仪器设备共享服务平台，同时对接国家网络平台，实现了院校部多级信息化窗口的开放共享。院校部三级共享平台对接的意义重大，从管理上讲，方便数据实时上传，能客观、准确地反馈大型仪器设备的使用情况；从共享宣传上看，有助于让学院的仪器设备走向全校、全国，打破信息孤岛。学院实验中心首批入驻省级科技创新劵服务平台，成为其优质服务机构，为当地高校院所、企业等社会用户提供服务。5"结束语华中科技大学机械科学与工程学院根据自身特点，开发支持手机预约和审批的院级大仪预约平台和安全管理系统等；构建基于校园一卡通的实验室门禁、监控、仪器设备控制器等智慧物联终端，构建简单便捷、高效智能、7×24小时无人值守的仪器设备开放共享服务机制，最大限度地释放大型仪器设备的潜能；构建大实验中心，推动科研资源向教学资源的转化，实现科教融合、产教贯通；院校部多级开放共享平