疫情期间机电平台智慧实验室安全体系的改进设计

刘梦轩， 苏 晨， 刘杰君

（东南大学电气工程学院，南京 210018）

0 引 言

近年来随着教育事业的不断创新与改革，传统理论课与实验教学相结合的教学模式得到了广泛应用，实验教学对学生的动手能力、科技创新、实践能力培养起到了至关重要的作用。为了给学生提供更优良的教学平台，有效提高实验教学质量，针对实验室的建设与改进成为高教研究的重点课题［1-3］。而机电平台承担了大量基础公共课及专业课实验的教学任务，机电平台的强电实验室发展和建设在高校教学中扮演了不可或缺的角色［4-5］。

机电平台等强电实验中心的建设、对教学体系的完善、对教学内容的不断创新、对教学设备的维护与更新、对师资队伍的优化、对实验室的管理强化等有了质的飞跃。机电平台是强电实验室，所开课程与实验都为强电实验，电压等级高、电流大，因此对安全性的要求更高。为了保障学生及老师在教学过程中的人身安全，以及实验设备、教学平台的稳定安全工作，必须加强机电平台的安全体系建设。近几年，许多高校及科研机构对于强电实验室的安全建设做了广泛研究，例如文献［6］中从运行管理、维修体制和故障情况研究了机电实验室设备的管理方法，但其管理方法相对松散，未形成安全体系；文献［7］的设计院机电一体化实验室管理中仅制定相关制度和政策以进行设备管理和人员管理，未体现硬件管理措施，管理效果难以有效实现；文献［8］中分析了机械数控实验室目前存在的安全问题并提出了安全问题解决对策，但其还延续传统的改进操作规程、完善安全设施、建立应急预案等改进方法，对于目前智慧实验室安全建设已经不再使用。并且由于2020年初爆发的新冠肺炎（COVID-19）疫情至今仍未结束，对如何科学系统地管理实验室，如何加强实验室安全管理体系提出了新的疑问。文献［9］提出了在新冠疫情下多样性实验教学模式，以及文献［10］中提出的“3+2”层次化体系智慧实验室建设，对于制定疫情下的实验室安全管理体系提出了新的发展方向。

因此，为解决疫情常态化情况下校机电平台强电实验室的安全管理，本文从硬件安装、软件支持和安全管理要求研究了机电平台强电实验室安全体系建设，分析了机电实验室在安全管理工作中存在问题，并结合目前最前沿的“智慧实验室”理念，对强电实验室安全体系的建设提出了改进设计，增加了实验室预约及登记系统、RFID设备管理系统和智慧实验室可视化设计，提出结合智慧实验室可视化设计与“线上实验+线下多平台”的“智慧+”新实验教学方式，为今后实验室改造设计提供了理论依据。

1 机电平台强电实验室简介

1.1 机电平台强电实验室基本情况

校机电平台共有4个实验室，都属于强电实验室，分别是电机、电力电子及电力传动、电能及微特电机实验室。

电机实验室现有面积160 m2，固定资产150万元，实验设备约132台（套）。现有实验台、三相变压器、交流异步电动机-直流发电机组、直流电动机—直流发电机组、直流电动机—三相同步机组各12台。

电力电子及电力传动实验室现有面积150 m2，固定资产120万元，实验设备约86台（套），现有实验台12台。

电能实验室现有面积130 m2，固定资产110万元，实验设备约36台（套）。现有实验台6套（一拖五）。

微特电机实验室现有面积70 m2，固定资产66万元，实验设备约48台（套），现有实验台6台。

1.2 机电平台强电实验室所开设实验课程

电机实验室承担《电机学》课程的实验和《电机设计与CAD》课程的实习，面向全校2个专业，实验人数300余人/学年。

电力电子及电力传动实验室承担《电力电子基础》《电力传动技术》《电力电子装置及系统》课程的实验，可开设22个实验项目，面向全校2个专业，实验人数300余人/学年。

电能实验室承担《电力系统基础》《电力系统稳态分析》《电力系统暂态分析》课程的实验，可开设21个实验项目，面向全校2个专业，实验人数190余人/学年。

微特电机实验室承担《微特电机》课程的实验，面向全校1个专业，实验人数80余人/学年。

1.3 机电平台强电实验室安全性要求

因机电平台强电实验室所开课程都为强电专业课程，所做实验都为强电实验，电压等级高、电流大，在实验过程中，每台实验台的三相交流电流幅值超过400V，三相交流电流大于10 A，则整个实验室线路总线上电流超过120 A，因此对于机电平台强电实验室有更高的安全性要求。

2 机电平台强电实验室安全体系建设

2.1 机电平台安全体系硬件安装

（1）实验室强电供电系统。机电平台实验室强电供电系统主要包括照明用电和设备仪器用电。每台实验台加断路器设置一条单独供电回路，与房间照明电路或其他插座分开串联，所有电源插座回路设有漏电保护装置。每个实验室房间设置单独的终端配电箱，电箱中给每个实验台回路配备专用限流开关，其实验台电流过大可单独跳闸断电。每个楼层配备专用的配电房，设置门锁并派专人管理，如图1所示。

图1 实验室终端配电箱及实验台断路器设置

（2）实验室接地系统。机电平台强电实验室采用综合接地方案，从共同接地体分别引两组地线进实验室，一组为交流工作地，另一组为安全保护地。交流工作地进实验室专用配电柜，安全保护地与实验室均压接地环相联。每一个实验台和大功率电气设备都单独接地。

（3）实验室紧急拉闸系统。每一个强电实验室都安装前后2个紧急开关，通过拉线合闸的方式切断实验室所有实验台的供电，达到紧急切断目的，见图2。

（4）实验室危险地区隔离设置。对实验室中有裸露的电机或电线区域，装设隔离栏进行区域隔离，阻止无关人员的进出货靠近，如图2所示。

图2 实验室紧急拉闸开关及危险隔离栏

（5）实验室消防安全设备。实验室前后墙上各悬挂一个灭火毯，并配备干粉灭火器，楼道里再配备消防栓和灭火器。消防安全设备每隔半年检查一次，见图3。

图3 实验室灭火毯及消火栓灭火器

2.2 机电平台安全体系软件安装

（1）门禁人员管理系统。每个实验室门口装有门禁系统，教师及学生凭校园卡刷卡进入实验室，对人员进出实验室及在实验室中停留时间做好监控。

（2）设备管理系统。实验室里重要实验设备都贴有实验室专用设备标签，标签上包含设备号及条码，通过扫描条码可以进行设备管理，对设备购买日期、存放地点、保管人以及设备信息变更可以进行管理。

（3）消防管理系统。实验室安装烟感探测器及火灾自动报警系统，与学校保卫处系统相连，与119火警系统联动，当实验室发生紧急情况能及时探测报警。

（4）监控管理系统。实验室装有闭路电路监控系统，采用全数字视频方案，对实验室进行实时、全方位监控。

2.3 机电平台安全管理制度

（1）实验教师职责［11-12］。①强电实验必须满足2个实验教师在场的情况下才可以开课并开始实验，实验开始前仔细检查实验设备，确保设备正常工作；②学生进入实验室时做好人员登记，合理分配实验器材，实验期间严禁离开实验室，如有特殊情况需要离开，必须安排好接班的教师，并将情况做好记录；③在实验过程中遇到任何紧急情况，及时切断电源并做好人员疏散，排除故障后才可恢复实验；④实验结束后检查设备是否完好，打扫实验室并做好验收记录。

图4 实验室教师职责

（2）上课学生安全守则。①进入强电实验室前做好人员登记，严禁携带食品和饮料进入实验室。必须在实验教师指导下，严格按照实验操作进行实验，任何人未经允许不得随意使用实验设备或挪动仪器；②实验过程中认真分析电路，熟悉实验操作步骤，严禁将强电接入弱电电路，在进行强电操作时，必须经实验教师同意才可以接通电源；③实验过程中遇到任何紧急情况，应先切断电源或紧急拉闸，报告实验教师，排除故障后，才可以恢复供电；④实验结束后检查电源及各旋钮是否回零，关闭电源，离开实验室需做好人员登记。

3 机电平台强电实验室现存问题

由于2020年初爆发的新冠肺炎（COVID-19）疫情大大增加了高校实验室的安全管理难度与风险，各高校都面临着新冠肺炎疫情带来的困扰。我校机电平台在疫情背景下存在以下问题［13-14］：

（1）空间隔离不符合要求。由于实验室面积不足，对于实验室人均面积不小于2.5 m2的空间隔离要求无法满足，受空间限制，当发生学生聚集拥挤、交头接耳时，隔离和防护达不到理想效果。

（2）实验室人员进出管理困难。疫情背景下，对于进出实验室人员的体温、身体健康情况无法及时检测与追踪，无法对有发热或感冒等其他症状的学生及时发现并隔离，任其进出实验室对实验室的公共卫生及人员安全问题带来巨大隐患。

（3）管理系统分散混乱。在疫情期间，学校高层忙于针对理论课进行线上或线下教学管理，难以兼顾实验室基层的安全管理。在疫情防控的同时，难以对实验室设备管理、安全管理统筹兼顾，实验室设备管理系统仍为线上申报线下人工手动清点、管理设备，管理系统陈旧且方式分散混乱，未建立从学校到实验室基层三级安全管理网络，缺少线上完整的设备管理系统。

（4）安全硬件无法配合软件系统使用。机电平台强电实验室已经安装有全套的硬件安全设施，但其设备之间相互独立，无法联网与软件安全管理体系同步使用，对于突发状况的发生，仍需要手动报警及解除故障，不够快速及时。对于实验室关闭期间及寒暑假期间，实验室无管理老师值班，对于实验室的安全管理存在一定漏洞。

4 机电平台强电安全体系的改进方案设计

结合目前最前沿的“智慧实验室”理念［15-19］，针对机电平台强电实验室的安全体系建设提出进一步的改进方案设计。

4.1 实验室预约及登记系统

因实验室实验台数量有限，为了合理利用学生课余时间，应增加机电平台强电实验室预约系统，学生可以自主在校园APP或其他网络平台上进行实验室预约，给学生更多的开放实验时间。

将强电实验室预约系统与人脸识别访客登记系统相结合，组成实验室完整的人员预约与管理系统，如图5所示，可以实现实验室预约、人员统计、进出管理、活动轨迹查询、考勤、离岗等功能的实现。在通道闸机旁还应增设红外体温检测仪，实时监测实验室进出人员的体温健康状况，及时排查出体温异常人员，禁止其进入实验室，并及时隔离并上报。

图5 实验室预约及人脸识别访客登记系统

4.2 RFID设备管理系统

RFID设备管理系统是由手持式电子阅读器（Reader）、电子标签及（Tag）和应用软件系统（Application Software System）组成，如图6所示。

解决了目前设备管理不灵活、申请过程繁琐、申请周期时间长等缺陷，可以实现设备台账管理、设备使用记录管理、设备维修管理、设备进出管理等功能，可以实时查看资产档案、盘点管理、盘点报表等，操作灵活，管理迅速，如图7所示。

图7 资产档案、盘点管理、盘点报表

4.3 智慧实验室可视化设计

将实验室的人员管理系统、监控系统、设备管理、安防系统等统筹设计，形成机电平台强电实验室的智慧实验室可视化设计［15-19］，如图8所示。其中包括人员检测、访客记录、产能检测、实验内容、实验设备检测、实验环境、实验波形等，功能全面，视觉效果清晰。

图8 智慧实验室可视化设计

结合智慧实验室可视化设计可以实现“线上实验+线下多平台”的“智慧+”新实验教学方式，如图9所示。指导老师在课前布置实验预习任务，学生可通过中国大学慕课平台（MOOC）［9，17］或班级QQ群获取教学参考资源，通过仿真软件、“个人实验室”“在线实境实验”等平台完成预习预做。学生通过实验室预约与登记系统做好预约后在满足疫情防控的条件下，进入实验室进行实际实验教学内容。之后学生自行整理预习设计、数据处理、实验总结等过程作为实验报告内容，及时提交至电子报告平台，由实验室老师进行报告批改并给出成绩［9，15-19］。

图9 线上线下相结合的“智慧+”新教学方式

5 总结与展望

本文从硬件安装、软件支持和安全管理要求介绍了学校机电平台强电实验室安全体系的现状及构成。由于在2020年初新冠肺炎（COVID-19）疫情的爆发，针对校机电平台强电实验室在安全管理工作中存在的问题，结合目前最前沿的“智慧实验室”理念，针对强电实验室安全体系的建设提出了改进设计，加入了实验室预约及登记系统、RFID设备管理系统，提出了结合智慧实验室可视化设计与“线上实验+线下多平台”的“智慧+”新实验教学方式，为今后实验室改造设计提供了理论依据。下一步，将与校外其他科研机构合作，进一步推进实验室安全体系改进方案的实施，尽快落实智慧实验室的设计与建设，改进教学方法，推动实验教学改革创新。