无人值守实验室网络化智能管理教学系统构建
丁宇
(南京信息工程大学 自动化学院，江苏 南京)
摘 要： 为提升实验室资源的利用效率，本文提出了一种针对实验室开放运行的智能管理系统。该系统结合门禁管理、身份信息识别、仪器指纹开关、记录转发、信息网络化等技术，实现了对开放运行实验室的全方位管理。本文优化了对仪器有效使用率的统计方法，并且实现复杂权限变更的网络化，为实验室的无人值守、开放运行提供先进的管理手段，能够有效提升实验室开放运行时间和管理效率；同时信息网络化也使仪器使用情况更加便于查询。
关键词： 实验室；开放运行；无人值守；有效使用率；智能管理
一 引言
科学仪器是科学研究和技术创新的基础条件，是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。近年来，通过知识创新工程、211工程、985工程以及863、973、仪器重大专项等多项科技计划和项目，我国科研院所和高校的实验室研发和购置了相当数量的大型科学仪器，据不完全统计5000台以上，为推动我国科技进步发挥了重要的作用。但与此同时，由于存在管理手段和运行机制多方面的原因，相当一部分实验室的仪器资源的利用率不高，资源浪费严重，长此下去，不利于国家整体科研水平的提高和科技创新。
为了解决上述问题，国家鼓励高校实验室实施开放运行，将已有的实验室资源更好的利用起来，而实验室开放运行的有效管理逐渐成为人们关注的焦点。近年来，很多研究团队针对这一问题开展了诸多的研究[1-3]，提出了多种开放运行的技术手段。清华大学等单位联合承担的高等学校仪器设备和优质资源共享系统(CERS)的建设，在实验室资源建设整合、开放服务、共享运行和管理机制等方面开展了有益的探索。而现阶段的实验室管理系统主要侧重于安防门禁方面[4,5]，忽视了进出人员信息的网络化和对实验室内仪器使用权限、使用信息的管理。
本文主要研制了一种针对无人值守实验室的综合管理系统，集成了门禁管理、身份信息识别、仪器指纹开关、信息记录转发、信息网络化等功能。本系统为实验室的开放运行提供了一种自动化、智能化的先进管理手段，使实验室在无人值守的情况下也能24小时全天候开放，提高了实验室开放运行的时间和管理效率，使科学仪器设备在科研工作中的支持作用得到更好的发挥。
二 系统设计
系统框架如图1所示。本系统同时管理多个实验室，服务器通过网络与各个实验室保持通信。
马尔科夫转移矩阵修正过的灰色模型平均预测误差率仅为 1. 1%，远远低于 5%，精度更高。预测第10个考核期相对误差率：
现有的开放实验室管理系统，当实验人员的权限发生变化时，需要实验人员到现场通过射频读卡器重新设置权限。这个过程花费实验人员和管理人员大量的时间，给管理带来许多不必要的麻烦。
本系统为了更加科学的统计仪器有效使用率，添加了仪器指纹开关。当实验人员准备完毕，需要录入指纹开启仪器；实验结束后需录入指纹关闭仪器。这一措施保证了开启仪器的人员都是获得授权、能够正确操作仪器的，同时很好的区分开做样准备时间和实际操作时间，准确地记录了仪器有效的工作时间。
⑩蒋晓平:《城市社区业主维权研究中的理论与进路:一个文献综述》，《中共福建省委党校学报》2014年第3期。
转发记录器主要负责信息的存储和转发：由门禁控制板产生的进出人员信息、开关门信息以及由指纹开关产生的操作人员信息、开关仪器信息都在转发记录器先做本地存储(SD卡存储)，再通过以太网传输至总服务器。
依据上述方案，本文对仪器的有效使用率划分两个方面：仪器自身有效使用率的统计及实验人员对仪器有效使用率的统计。仪器自身有效使用率的统计：在统计时间段内，获取仪器有效的工作时间，按照此时间在统计时间段内所占的比例，计算仪器自身有效使用率；实验人员对仪器有效使用率的统计：该实验人员在申请实验时间段内，仪器的有效运行时间所占的比例，即为实验人员对仪器的有效使用率。以拉曼分析仪器为例，区别与常规仪器有效运行时间统计方法，即仪器开关机时间，本系统通过消息机制的方式精准获取仪器中激光光源开启和关闭的时间信息作为仪器有效的运行时间，能够客观记录这类仪器的有效时间。
三 系统管理方法的两点优化
（一） 仪器有效使用率的统计算法优化
图1 系统框架
式中：分别为两级最小差及两级最大差；ρ∈[0，1]为分辨系数，一般ρ取0.5，ρ越大，分辨率越大；ρ越小，分辨率越小。
另一方面，大模数齿轮常用于风电、船舶或工程车辆的变速传动中，这些齿轮的加工通常采用成形磨齿工艺。在大多数情况下，这类齿轮是小批量生产，甚至有的是单件生产。
指纹开关用于实验室内仪器的控制：实验人员做样准备工作完成后，正式开始实验需要录入指纹，通过指纹确定此人是否有权限开启仪器，验证通过后记录开机时间；实验结束后，同样需要录入指纹关闭仪器，记录关机时间。
服务器负责接收转发记录器传递来的数据，并实时显示相关信息。
（二） 权限变更方法的优化
每个实验室在门外安装射频读卡器，以STC89C51RD+为中央处理单元的门禁控制板与射频读卡器配合工作。进入实验室：当有实验人员刷卡请求进门时，门禁控制板获取卡内ID号，并确定该ID号在此时间段内是否有权限进入实验室，比对通过后打开电磁锁，记录下ID号和开门时间；离开实验室：当实验结束离开实验室时，实验人员按下开门按键，并在一定时间内刷卡锁门，门禁控制板记录下关门时间。
常规的开放实验室管理系统在统计仪器的有效使用率时，主要关注的是实验人员在实验室内所处时间这一个信息。他们往往将这个时间看作仪器运行的时间，最终统计出对应的仪器有效使用率。考虑到某些实验在进行之前所需的前处理工作等方面，这种算法不够合理，它将仪器的运行时间提高了。
本系统内，实验人员的权限全部由服务器统一管理。当实验人员预约实验后，服务器自动生成对应的权限，并立刻将该权限的变动经转发记录器通知门禁控制板。当超过实验人员预约的时间段，服务器立即通知删除该实验人员的权限。
权限修改流程：主进程中首先建立管道，并关闭写管道描述符，只保留读管道描述符。该管道是为了与修改权限子进程保持通信。主进程在建立通信管道后，打开控制无线通信模块的串口，并开始同时监听串口与管道信息。如果管道中有数据出现，则表示门禁板权限更新了，需要立刻与门禁板通信并修改其权限；如果串口中出现数据，则表示门禁板与记录器有信息交流，需要记录器进行数据处理。处理完毕后，主进程重新开始监听这两个信息通道。
在权限修改子进程中，关闭读管道描述符，保留写管道描述符，形成“子进程写，主进程读”的单向通道。该子进程就开始等待接收服务器传来的最新权限，接收完成后，通过管道发送信息，告知主进程这一事件的发生。在主进程中完成权限修改的详细工作。
四 结论
本系统能够实时记录进出实验室人员的信息，并将信息网络化；仪器指纹开关有效的控制了操作仪器的人员范围，确保只有能够正确使用仪器并获得授权的人员才能开启仪器。
由式(6)可知，l0实际上是液压缸的“等效长度”，其物理意义为：保持液压缸总容积不变，液压缸截面积等于活塞与液压介质接触面积时，计算得到的液压缸等效长度。由式(5)和式(6)可知，变截面液压缸产生的载荷特征仅与液压介质的总体积及活塞与液压介质接触面的半径相关，而与液压缸的其他尺寸无关。因此，在液压缸内设置滤波结构，不会对产生载荷的峰值、冲量产生影响。
本文研制了一种网络化的无人值守实验室综合管理系统，实现了开放实验室在无人值守情况下的正常运行。本系统改进了仪器有效使用率统计方法和修改权限方法，实验室的开放运行提供了一种自动化、智能化的先进管理手段，提高了实验室开放运行的时间和管理效率，使科学仪器设备在科研工作中的支持作用得到更好的发挥。
参考文献
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本文引用格式： 丁宇.无人值守实验室网络化智能管理教学系统构建[J]. 教育现代化,2019,6(74):118-119.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.74.051
基金项目： 南京信息工程大学人才启动项目（2243141701023）；江苏省高校自然科学研究面上项目（17KJB535002）。
作者简介： 丁宇，男，汉族，安徽人，博士，讲师，研究方向：信息融合。