劉毅 丁然

關(guān)鍵詞：智慧實驗室，標(biāo)準(zhǔn)化，物聯(lián)網(wǎng)，體系，安全

0 引言

實驗室在高校肩負著科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的重要作用，在企業(yè)則是產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量檢驗的關(guān)鍵部門，實驗室建設(shè)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。傳統(tǒng)實驗室資源共享率較低，大部分仍是人工操作記錄，實驗用儀器設(shè)備及用品無法做到實時監(jiān)管。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備間的感知與互聯(lián)得以實現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動了智慧實驗室的誕生。目前智慧實驗室仍處于探索階段，各項技術(shù)的發(fā)展相對獨立，無法實現(xiàn)復(fù)用與共享。智慧實驗室建設(shè)應(yīng)著眼于標(biāo)準(zhǔn)先行，在充分利用新技術(shù)的基礎(chǔ)上，做好自上而下的頂層設(shè)計和規(guī)劃。建立智慧實驗室的標(biāo)準(zhǔn)體系，將有助于智慧實驗室向智能化、開放化、規(guī)范化、安全化方向發(fā)展。

1 智慧實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀

1.1 背景

智慧概念最早源自I BM公司提出的“智慧地球”，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)勢，在各行各業(yè)實現(xiàn)物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化，全球的醫(yī)院、電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩和油氣管道，通過嵌入感應(yīng)器與互聯(lián)網(wǎng)形成“物聯(lián)網(wǎng)”，運用超級計算機和云計算技術(shù)，提升全球的“智慧水平”，形成智能互聯(lián)的“智慧地球”[1]。智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療等概念都來自于此，智慧實驗室同樣也是運用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)儀器設(shè)備的智能感知，再通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智慧化管理和應(yīng)用，如實時監(jiān)控實驗室溫濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境情況，實時獲取實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行對比分析，實時監(jiān)控儀器設(shè)備運行情況，管理實驗用品損耗等。

1.2 智慧實驗室建設(shè)存在的問題

（1）資源共享率較低。根據(jù)學(xué)科獨立建設(shè)的實驗室，在智慧升級過程中仍未能對實驗室之間的資源進行整合，缺乏合理的共享利用，造成資源浪費；實驗數(shù)據(jù)相對獨立存儲，未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交換，實驗數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理和大數(shù)據(jù)分析。

（2）缺乏有效運維監(jiān)管。對設(shè)備儀器、實驗室環(huán)境缺少實時監(jiān)控，設(shè)備使用、運行、損耗大多還是人工管理，不能實現(xiàn)智能化運維。

（3）安全管理問題突出。設(shè)備運行安全、實驗操作安全等問題還不能進行智能化的安全監(jiān)控和預(yù)警。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實驗室智能感知和實驗數(shù)據(jù)的實時獲取共享的同時，信息傳遞可靠性等問題也同樣需要引起重視。

1.3 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)情況

目前國內(nèi)外智慧實驗室相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定仍處于研究階段，其中美國材料測試學(xué)會計算機分會制定了《實驗室信息管理系統(tǒng)指南》《實驗室信息管理系統(tǒng)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則》[2]，提出了實驗室管理信息化方面的指導(dǎo)性文件。全國實驗室儀器及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 526）成立于2011年，主要致力于實驗室儀器與裝置領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定與修訂工作。該委員會于2018年在智能實驗室儀器設(shè)備方面開展國家標(biāo)準(zhǔn)制訂計劃，包括《智能實驗室信息管理系統(tǒng) 功能要求》《智能實驗室 儀器設(shè)備氣候、環(huán)境試驗設(shè)備的數(shù)據(jù)接口》《智能實驗室 儀器設(shè)備 通信要求》《智能實驗室 微生物質(zhì)譜鑒定平臺》等，截至2023年上半年，以上標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布。

現(xiàn)有實驗室標(biāo)準(zhǔn)大部分是在儀器、檢測及檢測安全方面的標(biāo)準(zhǔn)，還沒有形成可參照的，規(guī)范行業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)體系框架，尤其是在實現(xiàn)設(shè)備感知互聯(lián)，人機交互等功能中，還缺少不同傳輸協(xié)議間的規(guī)范與接口，以及與智慧實驗室建設(shè)相關(guān)的信息系統(tǒng)、信息安全等方面的標(biāo)準(zhǔn)。

2 智慧實驗室標(biāo)準(zhǔn)體系框架

2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系初探

標(biāo)準(zhǔn)的缺失將影響整個領(lǐng)域在規(guī)則上的統(tǒng)一，無法實現(xiàn)智慧實驗室在管理、技術(shù)和應(yīng)用等層面的協(xié)同共享，而標(biāo)準(zhǔn)化工作正是對一定范圍內(nèi)獲得最佳秩序和社會效益的活動[3]。智慧實驗室需要制定哪些標(biāo)準(zhǔn)，這就需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展、規(guī)劃和共性需求來建立標(biāo)準(zhǔn)的集合即標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)體系是一定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)按其內(nèi)在聯(lián)系形成的科學(xué)有機整體[3]，是自上而下的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃。本文借鑒逐漸成熟的智慧城市標(biāo)準(zhǔn)體系框架，重點關(guān)注智慧實驗室中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵因素，即設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、人員，從技術(shù)、管理、安全三個維度構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系，對目前還沒有成型的智慧實驗室標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)提供參考。

2.2 新技術(shù)在智慧實驗室領(lǐng)域的應(yīng)用

2.2.1 環(huán)境感知技術(shù)應(yīng)用

環(huán)境感知技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新技術(shù)的核心發(fā)展方向，實驗室成為重要的應(yīng)用場景之一。

基于傳感器的環(huán)境感知技術(shù)，如紅外線感知、聲學(xué)感知、光照感知等，通過傳感器實現(xiàn)對實驗室環(huán)境進行實施監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄，包括溫度、濕度、氣壓、空氣質(zhì)量、振動、噪聲，還可以對實驗器具、實驗樣品、實驗人員穿戴設(shè)備等進行監(jiān)測和記錄，以確保實驗環(huán)境的穩(wěn)定和安全。

基于圖像識別的環(huán)境感知技術(shù)，利用搭建的攝像頭視頻設(shè)備，多角度捕捉實驗室內(nèi)部的實驗設(shè)備、人員及實驗過程和結(jié)果，來感知實驗狀態(tài)，利用視覺識別算法對圖像進行分析，實現(xiàn)實驗過程的自動化監(jiān)測和實驗結(jié)果的智能分析。

此外還有基于生物技術(shù)的環(huán)境感知技術(shù)，利用生物分子對環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物參數(shù)進行感知和檢測。新的環(huán)境感知技術(shù)的應(yīng)用提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精度，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時獲取和響應(yīng)，進一步提升監(jiān)測的可靠性。

2.2.2 短距離通信技術(shù)應(yīng)用

RFID（無線射頻識別）技術(shù)，一種非接觸式自動識別技術(shù)，它利用射頻信號實現(xiàn)對靜止或移動物品的自動識別。僅需要在物品上標(biāo)記電子標(biāo)簽，閱讀器即可讀取物品信息，實現(xiàn)對物品的追蹤和管理，掃描識別快捷，精準(zhǔn)度和安全性較高。

NFC（近場通信）技術(shù)，一種短距離高頻無線電技術(shù)，可以在10厘米內(nèi)實現(xiàn)設(shè)備間的快速數(shù)據(jù)傳輸。與RFID相比，NFC傳輸速度更快，可實現(xiàn)設(shè)備間雙向主動對接和數(shù)據(jù)傳輸。在實驗室領(lǐng)域主要用于樣品識別、身份認(rèn)證和門禁管理。

ZigBee（紫峰）技術(shù)，一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗、構(gòu)建簡單的無線通信技術(shù)。用于無線傳感器等電子設(shè)備的組網(wǎng)，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的連接和監(jiān)控，具有低成本、高可靠性的特點。

新技術(shù)在實驗室領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提升了實驗室的自動化和智能化水平，提高了實驗的效率、準(zhǔn)確性和安全性。如何實現(xiàn)新技術(shù)的兼容和互聯(lián)互通，更好地為實驗室智慧化提供技術(shù)支撐，建立標(biāo)準(zhǔn)化體系則是長期有效的途徑。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)體系參考模型

根據(jù)現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及建設(shè)模型[4]和新技術(shù)的應(yīng)用，參考智慧實驗室的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，本文從技術(shù)角度給出了一種較為完善可行的智慧實驗室建設(shè)模型，模型分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、支撐層、應(yīng)用層四個層次。智慧實驗室建設(shè)模型見圖1。

（1）感知層。通過RFID射頻技術(shù)等無線短距離通信技術(shù)，傳感器、攝像頭等感知設(shè)備，來獲取實驗室中環(huán)境、人員、儀器設(shè)備的實時數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。感知層獲取的數(shù)據(jù)通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)，利用Int er net、W I F I、移動通信（4G/5G）、藍牙、衛(wèi)星通信，自組網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將數(shù)據(jù)建立網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)各個節(jié)點視頻、音頻、環(huán)境參數(shù)、實驗參數(shù)等數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通。

（3）支撐層。利用云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)建立數(shù)據(jù)管理中心，對獲取的數(shù)據(jù)信息進行交換整合，對不同協(xié)議間建立接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，通過大數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)對比分析、安全預(yù)警等。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層分為管理端、實驗端、安全端。管理方面包括流程、課程、人員、設(shè)備和環(huán)境的管理；實驗端是對實驗的過程管理，包括作業(yè)、數(shù)據(jù)、用品、環(huán)境、遠程實驗等；安全端包括環(huán)境安全監(jiān)控和預(yù)警，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控及實驗事故響應(yīng)等。

2.4 智慧實驗室標(biāo)準(zhǔn)體系框架

在智慧實驗室建設(shè)技術(shù)模型基礎(chǔ)上，參照智慧城市標(biāo)準(zhǔn)體系框架[7]、實驗室相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、信息安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立形成智慧實驗室標(biāo)準(zhǔn)體系框架，包括基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用管理標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)四個方面，如圖2所示。

（1）基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)是智慧實驗室基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的集合，是智慧實驗室在建設(shè)、研制、管理等方面的基本要求和指導(dǎo)性文件，包括術(shù)語與定義、體系結(jié)構(gòu)和參考模型、評價方法與指標(biāo)。

（2）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括智慧實驗室感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、支撐層在智能感知、信息互聯(lián)、數(shù)據(jù)支撐方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)集合，是建立智慧實驗室所依托的技術(shù)基礎(chǔ)，指導(dǎo)規(guī)范信息采集、傳輸、共享和反饋，實現(xiàn)資源的綜合利用，包括物聯(lián)感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲與處理、數(shù)據(jù)接口。

（3）應(yīng)用管理標(biāo)準(zhǔn)。智慧實驗室應(yīng)用層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)智慧實驗室應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與維護，保障信息系統(tǒng)在功能、性能、架構(gòu)、技術(shù)等方面具備先進性和可擴展性，另外在人員、設(shè)備、實驗環(huán)境等維度的管理進行規(guī)范，包括信息系統(tǒng)、人員管理、設(shè)備管理和實驗管理。

（4）安全標(biāo)準(zhǔn)涉及安全管理和安全技術(shù)兩大方面，實現(xiàn)在物理環(huán)境、運行環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和數(shù)據(jù)環(huán)境等全方位的智慧安全監(jiān)管和預(yù)警機制，包括環(huán)境安全、設(shè)備安全、系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全。

3 結(jié)語

綜上所述，智慧實驗室是科研的前沿陣地，智能感知、深度融合、共享安全將是發(fā)展趨勢，按照標(biāo)準(zhǔn)先行的理念，構(gòu)建規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系將有助于解決智慧實驗室所面臨的問題。下一步參照標(biāo)準(zhǔn)體系所包含的范圍，組織科研單位對智慧實驗室相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展研究，提出標(biāo)準(zhǔn)項目立項工作，通過標(biāo)準(zhǔn)的制定、實施和應(yīng)用，促進技術(shù)融合、完善標(biāo)準(zhǔn)體系，服務(wù)于智慧實驗室的建設(shè)和發(fā)展。