摘要：高校實驗室內(nèi)放置大量實驗儀器設備，是實驗人員高度密集的場所之一。實驗室安全管理是校園安全建設的一環(huán)，其中用電安全至關重要。為此，文中設計一種實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)，通過智慧用電物聯(lián)終端和實驗室用電安全管理云平臺對實驗室配電柜進行實時監(jiān)測和異常報警，從而及時、準確地發(fā)現(xiàn)故障隱患。采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對實驗室用電監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多維度分析，提高實驗室用電安全管理效率。通過實際部署應用對系統(tǒng)的有效性進行驗證，實現(xiàn)實驗室用電安全信息化、智慧化管理。

關鍵詞：高校實驗室；用電安全；物聯(lián)網(wǎng)；信息化管理；實時監(jiān)測；物聯(lián)終端；數(shù)據(jù)分析

0引言

實驗室是高校加深在校學生對理論課程的理解和培養(yǎng)實踐動手能力的實驗場地，也是研究人員進行科學研究和相關實驗論證的科研場所。隨著國內(nèi)高校辦學規(guī)模的擴張和辦學水平的提高，實驗室建設逐漸成為學校產(chǎn)學研體系的重要組成部分。實驗室安全是各項教學活動和科學研究順利進行的基本保證，其不僅關系到實驗室實驗儀器存放安全與否，更關系到在實驗室進行教研活動的師生的人員安全。2019年中國實驗室發(fā)展大會中提到：我國高校每年發(fā)生用電安全事故約150起。由此可見，構(gòu)建健全的實驗室安全管理體系至關重要。高校實驗室安全管理大多采用人工巡查等方式進行實驗室安全方面的維護，每間實驗室配備相應的實驗室安全管理人員，定期對實驗室電力設備運行狀況進行巡查。上述“人防"方式雖然能從一定程度上保障實驗室的日常安全運行，但許多用電安全隱患不易察覺，用電安全問題發(fā)生突然，實驗室管理員不易時間知曉并處理警情，因此通過“人防"方式進行實驗室消防管理存在一定的局限性。

隨著現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高校響應號召，運用現(xiàn)代科技實現(xiàn)實驗室信息化、智能化管理勢在必行。本文利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對實驗室用電情況進行實時監(jiān)測和系統(tǒng)分析，排查實驗室用電安全隱患，發(fā)生異常情況及時報警，實現(xiàn)信息化條件下的實驗室用電安全管理工作轉(zhuǎn)型升級。此舉可以保障實驗室的財產(chǎn)安全和實驗人員的人身安全，完善校園信息化安全管理體系，為安全和諧校園建設添磚加瓦。

1高校實驗室用電安全問題分析

1.1不規(guī)范用電

實驗室實驗人員進行教研任務的不規(guī)范用電行為是造成實驗室火災事故的主要原因之一。近年來，高校逐漸重視對實驗人員的實驗室用電安全教育，但在實驗室飲食、實驗儀器工作時無人在旁值守等安全意識薄弱現(xiàn)象屢見不鮮。除了實驗儀器，接線板也是實驗室常見也容易被忽視的用電設備。使用非國標的接線板，將接線板隨意放置于實驗儀器旁，同時使用多個接在同一個接線板的大功率電器造成接線板過載等不規(guī)范用電行為，都大大增加了實驗室消防安全隱患。

1.2維護缺失

現(xiàn)如今，高校在實驗室用電安全方面的科技支撐不足，對實驗室安全進行維護管理時大多采用安全管理人員定期定點巡查等方式。但部分實驗室管理人員對實驗室安全管理重視程度不足，對實驗室的定期巡查和維護流于形式，缺乏規(guī)范有效的監(jiān)督，缺崗、漏崗現(xiàn)象時有發(fā)生。實驗室安全監(jiān)管人員不能及時發(fā)現(xiàn)實驗室內(nèi)用電安全問題，為火情等危險情況的發(fā)生埋下了巨大隱患。另一方面，高校校園中部分老舊實驗樓用電線路過于陳舊，電力線路檢修難度大，安全管理人員檢查不到位，極易產(chǎn)生監(jiān)管死角。一旦用電不慎，極易導致線路短路或線路功率過大引起火災。

1.3安全管理體系和手段不健全

基于往年高校實驗室發(fā)生火災等事故留下的慘痛教訓，近年來各大高校逐步建立起實驗室安全管理體系。受人力成本高等因素制約，實驗室安全管理員大多由實驗員、任課老師或安保等人員兼任。然而以上監(jiān)管人員存在時間精力有限和缺乏專業(yè)火災防控知識等問題，使得實驗室安全管理人員責任范圍模糊，造成“不愿管、不會管、不敢管"的監(jiān)管亂象。另一方面，學校對監(jiān)管人員和實驗人員的實驗室安全教育培訓過于形式化，實驗室安全管理制度流于紙面，未能落實到具體的實驗室安全管理上。長此以往，會造成實驗人員對實驗室用電安全隱患的排查與處理不到位、不合理的問題，存在巨大的監(jiān)管漏洞。一旦發(fā)生因用電安全引發(fā)的火災等事故，會對人員生命和實驗室財產(chǎn)安全造成不可挽回的損失。

2系統(tǒng)設計

運用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)實現(xiàn)高校實驗室用電安全監(jiān)測和管理，十分迫切且可行。為了解決上述用電安全問題，提升實驗室用電安全管理問題的效率和效果，實現(xiàn)實驗室安全管理方式從“人防"向“技防"的轉(zhuǎn)變，建設信息化、智慧化實驗室，本文開發(fā)了實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智慧用電物聯(lián)終端和實驗室用電安全管理云平臺構(gòu)成。

智慧用電物聯(lián)終端是基于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算和“移動互聯(lián)網(wǎng)+"等新技術(shù)研發(fā)的硬件設備，包括物聯(lián)終端及配套部署的各類傳感器。根據(jù)實驗室職能、規(guī)模和所在區(qū)域等實驗室信息可設置終端參數(shù)，終端和傳感器對實驗室的配電箱進行24h數(shù)據(jù)監(jiān)控，并將電路和溫度等實時數(shù)據(jù)通過無線通信動態(tài)上傳至云平臺。

實驗室用電安全管理云平臺是一個綜合性的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，能夠?qū)χ腔塾秒娢锫?lián)終端設備進行監(jiān)測、定位和跟蹤，及時獲取實驗室終端設備數(shù)據(jù)和運行狀況，并將終端上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)批量存儲在云平臺數(shù)據(jù)庫中。同時通過數(shù)據(jù)挖掘分析，對實驗室用電安全狀況和用電行為進行評估分析，提高實驗室安全管理人員監(jiān)管質(zhì)量和效率。

實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)主要實現(xiàn)當實驗室配電箱內(nèi)電路出現(xiàn)過流、過壓、漏電等異常情況，并在引發(fā)電氣火災等更嚴重的后果前及時向?qū)嶒炇夜芾砣藛T報警，大限度做到實驗室消防警情的早預判、早發(fā)現(xiàn)、早除患和早撲救，減少實驗室用電隱患的滋生，強化實驗室用電安全預防工作，建立高校實驗室的防火墻，構(gòu)筑校園實驗室安全管理體系。

智慧用電物聯(lián)終端部署于各實驗室配電箱內(nèi)部，與之連接的傳感器布置于箱內(nèi)的線纜和箱體等部位，終端以無線的方式（NB-IoT/4G/5G）入網(wǎng)，與實驗室用電安全管理云平臺進行數(shù)據(jù)交互。當某路監(jiān)測數(shù)據(jù)達到相應閾值時，終端本地會進行蜂鳴報警，同時將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，在云平臺推送報警具體信息，并向發(fā)生報警實驗室的安全負責人通過打電話、發(fā)送短信和微信平臺推送等方式進行通知。實驗室用電安全管理中的用電數(shù)據(jù)分析、事件電子臺賬、安全隱患定位等其他功能主要通過云平臺實現(xiàn)。

3智慧用電物聯(lián)終端

智慧用電物聯(lián)終端是可以檢測實驗室配電箱內(nèi)線路各項電力數(shù)據(jù)的設備，是實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)的主要監(jiān)測終端設備。物聯(lián)終端通過傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通道包括一路剩余電流、四路線路溫度、一路箱體溫度、三路電壓、三路電流。

將終端安裝在配電箱中，正常工作時終端不間斷監(jiān)控各個通道數(shù)據(jù)，根據(jù)設定通道數(shù)據(jù)的上下限對實驗室配電箱內(nèi)電力線路進行異常報警和保護。當各通道數(shù)據(jù)值超過閾值時，終端蜂鳴器報警，立即控制空開脫扣，同時上傳各個通道的數(shù)據(jù)到安全管理云平臺，并生成報警事件，通過微信（推送報警通知）、電話（收到智能來電）推送信息給管理員。并且當終端監(jiān)測到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化或超出閾值，會頻繁上傳數(shù)據(jù)至實驗室安全管理云平臺，直到監(jiān)測數(shù)據(jù)恢復正常，停止上報異常情況。當報警事件處理完畢后實驗室安全管理人員手動消音并復位終端，進行新一輪的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。

智慧用電物聯(lián)終端基本構(gòu)成如圖2所示。

終端的控制部分為一個嵌入式系統(tǒng)，主要用于基本功能邏輯實現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信等功能。接口電路部分主要用于電流互感器、溫度傳感器等傳感器與控制電路的連接和驅(qū)動；指示電路則主要通過數(shù)碼管、LED燈形式指示終端的運行狀態(tài)和報警信息；報警電路中的蜂鳴器則主要用于產(chǎn)生報警聲音和上電提示音等。終端內(nèi)置4G通信模塊（可根據(jù)信號覆蓋情況更換為NB?IoT模塊或5G模塊），通過運營商網(wǎng)絡實現(xiàn)終端接入，與云平臺進行雙向通信。

由于終端使用的是無線網(wǎng)絡通信，不需要布置信號線，在供電方面終端從配電箱內(nèi)部取電，不需要額外進行電源布線，因此終端安裝的施工難度和成本大大降低，可以根據(jù)實驗室配電箱內(nèi)部情況靈活部署。由于終端使用的傳感器均為線路外部安裝，無需破壞原有電路結(jié)構(gòu)，不會對原有線路產(chǎn)生影響。智慧用電物聯(lián)終端實物如圖3所示，終端配電箱內(nèi)實際安裝部署如圖4所示。

4實驗室用電安全管理云平臺

實驗室用電安全管理云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室用電安全隱患、事故的早發(fā)現(xiàn)、早報警、早補救，全面解決實驗室用電安全監(jiān)督難點。云平臺接收、顯示、處理、存儲終端設備動態(tài)實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，且根據(jù)設計主要用于智慧用電物聯(lián)終端的接入，但不于此。云平臺不受物聯(lián)網(wǎng)設備類型的限制，能夠接入多種物聯(lián)網(wǎng)設備，基于多類型標準協(xié)議和API開發(fā)滿足海量設備的高并發(fā)快速接入，實現(xiàn)對終端設備的實時監(jiān)控、報警推送、數(shù)據(jù)分析、詳細定位等功能。目前所實現(xiàn)的主要功能具體如下。

4.1實時監(jiān)控

云平臺實時監(jiān)控智慧用電物聯(lián)終端上線時上傳各通道數(shù)據(jù)，生成上線事件推送至云平臺，同時實時推送動態(tài)到用戶Web端。用戶端可根據(jù)物聯(lián)終端所在位置查看每個終端設備的詳細信息，如設備狀態(tài)、通道數(shù)據(jù)、所屬類別等。云平臺24h監(jiān)控已上線的物聯(lián)終端狀態(tài)，對關乎實驗室用電安全的主要因素，如線纜溫度、配電箱溫度、剩余電流、電路電壓、電流等信息進行實時在線監(jiān)測，上報排查各類安全隱患。部分數(shù)據(jù)監(jiān)測頁面如圖5、圖6所示。

4.2報警推送

當實驗室的智慧用電物聯(lián)終端發(fā)生告警情況，可通過Web網(wǎng)頁、短信、電話、微信等多種方式將報警通知及報警地址實時推送給對應實驗室管理員，管理員能夠時間收到報警推送消息，即可及時聯(lián)系相關工作人員進行處大限度地保障實驗室生命財產(chǎn)安全。同時，管理員可針對重點監(jiān)管區(qū)域的終端進行高優(yōu)先級設置，實現(xiàn)終端分級管理，設立多道監(jiān)管防線，避免因個人疏漏所導致的嚴重事故。

4.3數(shù)據(jù)分析

實驗室用電安全管理云平臺可以實時在線顯示監(jiān)測線路中的電壓、電流、剩余電流、溫度等動態(tài)信息，把用電情況變成可視的數(shù)字化監(jiān)控，查看實時采集的數(shù)據(jù)信息以及歷史數(shù)據(jù)曲線，并生成統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)表。運用大數(shù)據(jù)相技術(shù)分析電器設備回路的相關參數(shù)，著重于功率、突變電流和箱體溫度等與電氣火災成因有直接關聯(lián)的參數(shù)，按照時間、地點、實驗室類型進行智慧用電物聯(lián)終端告警事件統(tǒng)計，生成實驗室用電安全隱患分析報告，及時排查實驗室用電安全隱患，并適時進行提示。

4.4詳細定位

實驗室用電安全管理云平臺嵌入GIS系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)），能夠?qū)γ恳粋€實驗室配置終端設備進行定位，并將位置信息添加在終端設備管理詳情頁。管理員在全景地圖界面能夠直觀了解到當前地理位置已安裝終端設備位置分布情況，有效解決人力巡檢遺漏問題，實現(xiàn)實驗室用電安全監(jiān)管網(wǎng)絡全面覆蓋，消除安全監(jiān)控死角。

5部署應用

實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)已在山東大學青島校區(qū)的公共（創(chuàng)新）實驗教學部署使用，覆蓋各實驗室，實現(xiàn)實驗室用電安全信息化管理。系統(tǒng)的智慧用電物聯(lián)終端及傳感器部署于44個實驗室55個配電箱中，實驗室用電安全管理云平臺本地部署于的服務器。通過開通實驗主任、系統(tǒng)管理員、實驗室管理員等不同權(quán)限的賬號，系統(tǒng)使用人員可以通過Web端登錄系統(tǒng)，使用系統(tǒng)各項實驗室用電安全管理功能，使用手機通過短信、電話、微信等方式接收實驗室用電安全事件信息。另外，還專門開發(fā)了大屏信息展示頁面，應用于監(jiān)控室大屏，如圖7所示。大屏實現(xiàn)監(jiān)控室人員對實驗室用電安全數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，以及對外展示等功能。

系統(tǒng)在已經(jīng)部署應用了三年多時間，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)實時性強，用電安全事件信息推送及時，曾多次及時向電路、化學等實驗室管理員提示漏電、線路過流、過壓等情況，輔助排查原因并消除了安全隱患。系統(tǒng)應用以來，記錄和存儲了大量的實驗室用電安全數(shù)據(jù)，形成了用電安全電子臺賬，便于管理和調(diào)閱；同時可以成為大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)源，供相關實驗和科研項目使用，也可以通過開發(fā)，應用實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進一步改進和拓展系統(tǒng)功能、提升系統(tǒng)性能。

6 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平臺結(jié)構(gòu)

（4）平臺功能

• 電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

• 能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結(jié)合起來，運用的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

• 預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數(shù)進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

• 充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

• 智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

• 安全用電

安全用電采用的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

• 智慧消防

通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。原先針對“九小場所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

7結(jié)論

實驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統(tǒng)是融合終端硬件設計和物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)設計的一套高度信息化用電安全管理系統(tǒng)。系統(tǒng)管理方式從傳統(tǒng)的“人防"監(jiān)管轉(zhuǎn)向“技防"管理，側(cè)重對實驗室配電箱電力線路數(shù)據(jù)的日常監(jiān)測、異常報警和隱患分析排查，實現(xiàn)實驗室用電數(shù)據(jù)信息化管理，將電氣事故發(fā)生的可能性和實際損失降到低。系統(tǒng)部署成本低，是實現(xiàn)實驗室安全管理、信息化建設的良好途徑，在實驗室管理中具有一定的推廣價值，經(jīng)過實際部署應用也證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，有利于營造更加安全、穩(wěn)定、和諧的校園環(huán)境。