崔 琳, 丁 立, 陳定江, 楊 睿

(清華大學 化學工程系, 北京 100084)

高校實驗室是高等學校進行實踐教學和科學研究的重要場所,高校實驗室的規(guī)模、軟硬件配置也從一個方面反映了實驗室的層次和水平。隨著我國高等教育事業(yè)的近年來的快速發(fā)展,各高校的教學及科研實驗室的設備投入普遍都逐年增加,隨之而來的是大多數(shù)高校實驗室的資產(chǎn)的價值和數(shù)量都在快速增長[1]。

高校實驗室中的資產(chǎn)中以儀器設備為主,大多數(shù)具有價值高、數(shù)量大、使用頻率不均衡、存放分散等特點。而且隨著設備資源共享等管理方式在一些高校中的推行[2-3],還出現(xiàn)了資產(chǎn)流動、多方共享使用等新的特點。實驗室資產(chǎn)的持有和使用狀況復雜,與之相對應的實驗室資產(chǎn)管理卻普遍存在諸多滯后不足之處[4]。在管理層角度,高校實驗室資產(chǎn)管理制度不完善、跟不上實際使用需求,人員配置不足是普遍現(xiàn)象,常導致資產(chǎn)物帳不符、維護不力、管理效率低等不良后果。在技術層角度,信息化的應用大多不足,資產(chǎn)雖然在財務系統(tǒng)中有帳可查,但是信息化很少具體應用到實際場所,電子表格(Excel)手工記賬、粘貼條碼標簽等傳統(tǒng)手工管理方式仍占很大比例[5],準確程度、查詢便利性等均不理想。

在此現(xiàn)狀下,借助現(xiàn)有的成熟物聯(lián)網(wǎng)技術,進一步提高高校資產(chǎn)管理的信息化水平進而提高資產(chǎn)管理效率,尚有很大的可改善空間。一方面可以提高常規(guī)的諸如資產(chǎn)清查、設備共享等資產(chǎn)管理活動的效率[6-9],另一方面也可以在降低能耗、提升實驗室安全等方面做出新的貢獻。

1 物聯(lián)網(wǎng)及 RFID 技術發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,簡稱IoT)是互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體[10],是讓所有能行使獨立功能的普通物體實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。Peter T. Lewis早在 1985年提出這個概念,在2005 年 11 月國際電信聯(lián)盟發(fā)布了“ITU 互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)”,指出物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨[11]。

物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)需要給每個物體分配唯一的標識或地址。最早的可定址性想法就是基于 RFID 標簽和電子產(chǎn)品唯一編碼來實現(xiàn)的。用現(xiàn)有的命名協(xié)議,如統(tǒng)一資源標志符來訪問所有物品(不僅限于電子產(chǎn)品,智能設備和帶有 RFID 標簽的物品)。這些物品本身可能不能通信,但通過這種方式它們可以被其他節(jié)點訪問。物聯(lián)網(wǎng)中并不是所有節(jié)點都必須運行在全球層面上,它們一般也不具備全球性的地址標識,但是他們可以通過近場無線通信,射頻通信,現(xiàn)場總線等多種方式接入各種子網(wǎng),視需要可以有限制分層次地接入全球互聯(lián)網(wǎng)。

在物聯(lián)網(wǎng)上,每個人都可以應用電子標簽將真實的物體上網(wǎng)聯(lián)結,通過物聯(lián)網(wǎng)可以用中心計算機對機器、設備、人員進行集中管理、控制,也可以對家庭設備、汽車進行遙控,以及搜索位置、防止物品被盜等,類似自動化操控系統(tǒng),同時通過收集這些小事的數(shù)據(jù),最后可以聚集成大數(shù)據(jù),可以進行諸如節(jié)能降耗分析,風險預測以及更加宏觀的控制和分析。

物聯(lián)網(wǎng)相關的多種技術中,射頻識別(RFID)[12]是無線通信技術的一種,是物聯(lián)網(wǎng)概念中重要的技術基礎之一。RFID可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù),而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸。 它依靠物品上附著的射頻標簽實現(xiàn)該功能。

射頻標簽可以無源工作，也可以內置電池,其工作方式取決于實際應用場合。射頻識別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是非接觸識別,它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽,并且閱讀速度極快,大多數(shù)情況下不到100 ms。對射頻標簽的閱讀可以以一對多的方式進行,可以短時間內讀取大量標簽內容。射頻識別技術目前已經(jīng)基本成熟,已經(jīng)有空中接口協(xié)議規(guī)范,數(shù)據(jù)標準,實時定位標準等各項已經(jīng)被標準化的規(guī)范,在圖書館、倉儲、物流等領域得到廣泛使用。

一個射頻識別系統(tǒng)應有兩個必備組成部分:標簽和讀寫器。標簽用于標識物品。讀寫器一般包括讀寫電路和外置天線,可以完成對標簽的非接觸式閱讀和寫入。視實際需求,可以固定式部署也可以便攜式部署。有了標簽和讀寫器,輔以計算機和網(wǎng)絡即可構成最基礎的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),可以實現(xiàn)物品的跟蹤、定位、清查等基礎管理。

雖然RFID技術是物聯(lián)網(wǎng)概念中最常被提到的技術,但是RFID并不是物聯(lián)網(wǎng)的唯一技術選擇,它只適合部分應用場景。除此之外還有例如 UWB高精度定位技術,ZigBee短距雙向通信技術,智能傳感器陣列等多種技術可以用于其他各種特定的物聯(lián)網(wǎng)應用場景中。

本文所關注的實驗室資產(chǎn)管理類似于已經(jīng)很成熟的倉儲管理,需要對實驗室資產(chǎn),主要是設備,進行監(jiān)管和監(jiān)控。資產(chǎn)管理的需求包括基本的小規(guī)模數(shù)據(jù)讀寫能力,以及資產(chǎn)的粗略定位能力,因此RFID是比較適合的技術方案。

2 物聯(lián)網(wǎng)在資產(chǎn)管理中的應用

2.1 資產(chǎn)的數(shù)字化管理

實驗室資產(chǎn)管理在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的支持下,首先可以改善的是資產(chǎn)的數(shù)字化管理能力。現(xiàn)有的高校大多在校級管理層有基本的與財務系統(tǒng)關聯(lián)的信息化固定資產(chǎn)賬,但是到實驗室層一般仍采用比較原始的人工記賬方式管理資產(chǎn),例如使用Excel做電子表格,使用紙質條碼標簽進行粘貼甄別資產(chǎn)等方式[8]。這些方式在實際工作中需要的人工操作繁瑣、效率低下、查詢統(tǒng)計困難,不利于有效地管理資產(chǎn)。

而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所附帶的管理軟件系統(tǒng)本質上就是一種資產(chǎn)管理系統(tǒng),其中包含人員及權限管理、資產(chǎn)信息管理、資產(chǎn)動態(tài)管理等基礎功能,完全覆蓋了實驗室需要的資產(chǎn)管理基礎需求。除了基礎的軟件模塊功能以外,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件一般還會包括:異常情況報警,實驗室資產(chǎn)使用狀況分析,能耗分析,安全評估等高級管理及分析功能。物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)的豐富的信息處理能力比簡單的電子記賬系統(tǒng)能提供更強的信息記錄、檢索、統(tǒng)計、分析等功能。

物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)為了便于使用,一般都設計為可以多平臺使用,如在PC機、移動終端、平板電腦等多種用戶終端上使用。也有故障恢復、災備等高容錯能力和高可用性的設計,以保證系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定運行。

因此僅從軟件方面,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實施即可為實驗室的資產(chǎn)管理提供高效可用的工具。

2.2 資產(chǎn)清查

目前在有些信息化程度較好的高校實驗室中已經(jīng)部署了自己的固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)[13-14],可以登記自有資產(chǎn)的出入庫、維修、增值等活動。但是不管使用信息系統(tǒng)還是原始的電子表格進行管理,在沒有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)支持的情況下,都做不到賬物的直接關聯(lián),例如資產(chǎn)清查盤點等操作還是要完全依靠人工處理。

資產(chǎn)清查操作實際關注的是各個資產(chǎn)項的有無和物理存放位置,不需要時刻監(jiān)視資產(chǎn)的位置狀態(tài),因此使用離線式的管理方式即可,僅在需要的時候執(zhí)行清查工作。一般情況下RFID 技術即可滿足需求,所需要的RFID設備主要是標簽和移動式RFID讀寫設備。這類離線管理的方案的部署成本也最低,只需要粘貼標簽、配發(fā)少量移動式RFID讀寫設備和部署一個中心數(shù)據(jù)庫軟件即可。無需其他設備,無需施工安裝,資產(chǎn)管理的范圍也有很大彈性。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)支持下,即使僅僅應用這樣的離線式管理,也能夠極大地提高日常管理活動的效率。對于資產(chǎn)清查工作,以往需要逐個人工核對的大量資產(chǎn)項,可能只需要持手持機進行現(xiàn)場巡回一次就可以全部掃描完成,巡回掃描甚至不必知道資產(chǎn)的精確存放位置,只要大致接近被掃描物即可。以往受限于人工清查的效率,資產(chǎn)清查工作的周期都很長。而在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的支持下,資產(chǎn)清查的周期可以大大縮短,同時可以提高清查的準確度。

2.3 資產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測

傳統(tǒng)人工方式的資產(chǎn)管理基本以上述的離線方式進行管理,資產(chǎn)的統(tǒng)計,使用率分析等的時間單位一般為學期或學年甚至更長,很難及時反映資產(chǎn)的動態(tài)變化,對資產(chǎn)的有效利用、 合理分配、資源共享等工作都不易提供充分支持。

實驗室資產(chǎn)按其使用狀態(tài)可以分成兩類。一類是狀態(tài)基本為靜態(tài)的資產(chǎn),如安裝及使用位置固定、甚少或不能移動的儀器設備,或雖然可以移動但移動后總會回歸原位的資產(chǎn)。對這類靜態(tài)資產(chǎn)可以使用上述的離線式管理,只要定期進行人工清查掃描即可。而實際上除了這些靜態(tài)資產(chǎn)項之外,實驗室資產(chǎn)中還有部分動態(tài)資產(chǎn)項,即使用中位置可能經(jīng)常改變,或管理要求需要對其位置進行跟蹤監(jiān)視的資產(chǎn)。

對動態(tài)資產(chǎn),傳統(tǒng)資產(chǎn)清查活動基本無能為力,僅可以通過填寫資產(chǎn)使用日志等方式記錄,但實際情況無從監(jiān)控。即使使用上述的基于RFID標簽的離線掃描方式,也僅可以提高資產(chǎn)清查的頻率,部分地解決監(jiān)控問題。

對這類資產(chǎn)應該實施的更適合的管理方式應該是在線監(jiān)測,目前的RFID技術也完全能 夠支持,對應的所需RFID硬件設備是標簽和定點監(jiān)控設備。系統(tǒng)通過不間斷地輪詢各個定點設備獲取各個受控資產(chǎn)的位置信息來實現(xiàn)在線監(jiān)測。

根據(jù)管理需求的不同,可以部署不同密度的監(jiān)控設備以獲得不同的監(jiān)控精度。例如對低精度需求,可以僅在門口位置部署設備,獲取資產(chǎn)通過各個門口的信息從而大致判斷資產(chǎn)的實際位置；中等精度要求可以在室內均勻地或在重點位置部署監(jiān)控設備,監(jiān)控某個區(qū)域內的資產(chǎn)；高精度要求則可以縮小監(jiān)控設備的掃描范圍,增加部署密度,實現(xiàn)更高的監(jiān)控精度；在RFID設備精度不足的情況下還可以使用UWB等高精度定位技術做精確定位[15]。這類在線管理的方案除了標簽和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外,還需要部署較多定點讀寫設備,需要根據(jù)實際管理目標和要求,進行詳細綜合設計,成本比較高,管理范圍也缺少彈性,一般適用于高價值或高危險性的可移動資產(chǎn)。一個典型的設備部署例子可見圖1。

圖1 完成動態(tài)監(jiān)測需要的現(xiàn)場監(jiān)測設備部署

引入動態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術后,資產(chǎn)狀態(tài)的更新頻率可以提高到實時?？梢詫崟r了解到各項資產(chǎn)的動態(tài)位置,移動路徑等,對某些特定資產(chǎn)項可以實施重點管理。管理者在有實時或半實時的資產(chǎn)變化數(shù)據(jù)支持下,進行實驗室資產(chǎn)的進一步優(yōu)化就更加可行。

而如果部署了位置檢測以外的其他物聯(lián)網(wǎng)設備,具備監(jiān)測資產(chǎn)的其他溫度、能耗、使用等狀態(tài)的能力的話,進行更進一步的能耗管理、設備完整性管理、設備使用率統(tǒng)計等,就變得完全可行,也能夠使資產(chǎn)管理水平上一個新的臺階。

2.4 實驗室安全監(jiān)測

實驗室管理工作除了資產(chǎn)管理外,實驗室安全問題現(xiàn)在日益受到關注,而實驗室中的資產(chǎn)的不安全存放及使用是一個重要的危險源,包括用電器的無人值守運行,藥品、試劑等的管理不善,非法領用,過期、過保資產(chǎn)的超期服役等,這些與資產(chǎn)相關的危險源實際上都可以被物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測覆蓋到。實驗室的異常狀態(tài)也能夠被物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)偵測,尤其是在線工作的物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng),在這些方面大有可為。

例如可以通過上述的在線位置監(jiān)測發(fā)現(xiàn)資產(chǎn)的異常移動,如果 RFID 與人綁定,還可以實現(xiàn)人、物的關聯(lián)監(jiān)測。監(jiān)測內容也可以包括化學品、氣瓶等消耗性資產(chǎn),為掌握資產(chǎn)消耗使用情況,或危險源定位提供數(shù)據(jù)支持。

對實驗室環(huán)境或某個具體設備的狀態(tài)監(jiān)測,如溫濕度、可燃氣體含量等,可以使用智能傳感器實現(xiàn)。目前這類傳感器也已經(jīng)發(fā)展成熟,例如已有商品化的可以無線傳輸數(shù)據(jù)的溫濕度計,成本很低,部署安裝也毋需布線工程,只要設定好需要的參數(shù)就可以實現(xiàn)不間斷的對某個位置的溫濕度監(jiān)測,并可以將數(shù)據(jù)集成進物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),使系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)實驗室的環(huán)境異常,偵測泄漏、超溫等危險。

對需要監(jiān)測能耗的儀器設備,如果功耗較小可以使用普通智能插座產(chǎn)品；如果功耗較大或需要三相供電的,可以使用電流互感傳感器配數(shù)據(jù)采集設備。這類設備成本不高,需要少量布線工程，可以有效地監(jiān)測用電設備的能耗,為實驗室節(jié)能減排提供參考數(shù)據(jù),也能夠及時發(fā)現(xiàn)諸如大功率設備無人值守運行等危險源。

如果需要監(jiān)控資產(chǎn)的使用細節(jié),可以針對具體要求部署相應的設備。例如需要記錄所有人員對設備的使用,可以采取附加刷卡裝置的電源開關,要求刷卡才能使用；也可以使用定點攝像,人員使用時觸發(fā)攝像行為等方式進行監(jiān)控。這些方式在實際實驗室中均有案例,也取得了較好的管理效果。

雖然很難有一個通用的技術方案滿足多種多樣的監(jiān)控需求。但是在現(xiàn)在的智能化、嵌入式硬件的技術水平上,大多數(shù)管理目標都能以較低的成本實現(xiàn),并與管理信息系統(tǒng)集成。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在這些裝置的輔助下不僅僅只是資產(chǎn)管理的工具,更是保障實驗室安全的有力工具。

3 結語

針對不同的管理目標和要求,可以使用不同的硬件設備和配套軟件系統(tǒng)達到管理目的。 這些不同的設備構成的網(wǎng)絡都可以被歸于物聯(lián)網(wǎng)的范疇,在統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)中被集成,為資產(chǎn)管理活動提供支持。 在物聯(lián)網(wǎng)技術的支持下,實驗室的資產(chǎn)管理效率和準確度會有較大提升。

但是也需要注意,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)雖然改善了管理能力,但是往往也會對現(xiàn)有管理方式和管理制度產(chǎn)生新的要求。管理者必須在新的技術條件下,修改和適應新技術帶來的變化,整合技術,形成新的管理模式。這對實驗室資產(chǎn)管理也提出了新的挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最重要的能力是將互聯(lián)網(wǎng)技術與被管理對象物理上結合,不僅是資產(chǎn),也包括人。在物聯(lián)網(wǎng)的整體技術框架下,實際上實驗室內的各種活動都可以被記錄,并且隨技術的進步,可記錄和可監(jiān)測的內容會越來越多,越來越準確,最終形成實驗室的大數(shù)據(jù),為對實驗室進行多方向多角度的分析及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎,例如上述的實驗室安全課題,多個實驗室資源的整合優(yōu)化課題等,將為實驗室管理作出更多貢獻。

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