摘要：高校實(shí)驗室內放置大量實(shí)驗儀器設備，是實(shí)驗人員高度密集的場(chǎng)所之一。實(shí)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(guān)重要。為此，文中設計一種實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統，通過(guò)智慧用電物聯(lián)終端和實(shí)驗室用電安全管理云平臺對實(shí)驗室配電柜進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和異常報警，從而及時(shí)、準確地發(fā)現故障隱患。采用大數據分析技術(shù)對實(shí)驗室用電監測數據進(jìn)行多維度分析，提高實(shí)驗室用電安全管理效率。通過(guò)實(shí)際部署應用對系統的有效性進(jìn)行驗證，實(shí)現實(shí)驗室用電安全信息化、智慧化管理。

關(guān)鍵詞：高校實(shí)驗室；用電安全；物聯(lián)網(wǎng)；信息化管理；實(shí)時(shí)監測；物聯(lián)終端；數據分析

0引言

實(shí)驗室是高校加深在校學(xué)生對理論課程的理解和培養實(shí)踐動(dòng)手能力的實(shí)驗場(chǎng)地，也是研究人員進(jìn)行科學(xué)研究和相關(guān)實(shí)驗論證的科研場(chǎng)所。隨著(zhù)國內高校辦學(xué)規模的擴張和辦學(xué)水平的提高，實(shí)驗室建設逐漸成為學(xué)校產(chǎn)學(xué)研體系的重要組成部分。實(shí)驗室安全是各項教學(xué)活動(dòng)和科學(xué)研究順利進(jìn)行的基本保證，其不僅關(guān)系到實(shí)驗室實(shí)驗儀器存放安全與否，更關(guān)系到在實(shí)驗室進(jìn)行教研活動(dòng)的師生的人員安全。2019年中國實(shí)驗室發(fā)展大會(huì )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(jiàn)，構建健全的實(shí)驗室安全管理體系至關(guān)重要。高校實(shí)驗室安全管理大多采用人工巡查等方式進(jìn)行實(shí)驗室安全方面的維護，每間實(shí)驗室配備相應的實(shí)驗室安全管理人員，定期對實(shí)驗室電力設備運行狀況進(jìn)行巡查。上述“人防"方式雖然能從一定程度上保障實(shí)驗室的日常安全運行，但許多用電安全隱患不易察覺(jué)，用電安全問(wèn)題發(fā)生突然，實(shí)驗室管理員不易時(shí)間知曉并處理警情，因此通過(guò)“人防"方式進(jìn)行實(shí)驗室消防管理存在一定的局限性。

隨著(zhù)現今物聯(lián)網(wǎng)、大數據等新興科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高校響應號召，運用現代科技實(shí)現實(shí)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、大數據等技術(shù)對實(shí)驗室用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和系統分析，排查實(shí)驗室用電安全隱患，發(fā)生異常情況及時(shí)報警，實(shí)現信息化條件下的實(shí)驗室用電安全管理工作轉型升級。此舉可以保障實(shí)驗室的財產(chǎn)安全和實(shí)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(shí)驗室用電安全問(wèn)題分析

1.1不規范用電

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

1.2維護缺失

現如今，高校在實(shí)驗室用電安全方面的科技支撐不足，對實(shí)驗室安全進(jìn)行維護管理時(shí)大多采用安全管理人員定期定點(diǎn)巡查等方式。但部分實(shí)驗室管理人員對實(shí)驗室安全管理重視程度不足，對實(shí)驗室的定期巡查和維護流于形式，缺乏規范有效的監督，缺崗、漏崗現象時(shí)有發(fā)生。實(shí)驗室安全監管人員不能及時(shí)發(fā)現實(shí)驗室內用電安全問(wèn)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(shí)驗樓用電線(xiàn)路過(guò)于陳舊，電力線(xiàn)路檢修難度大，安全管理人員檢查不到位，極易產(chǎn)生監管死角。一旦用電不慎，極易導致線(xiàn)路短路或線(xiàn)路功率過(guò)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(shí)驗室發(fā)生火災等事故留下的慘痛教訓，近年來(lái)各大高校逐步建立起實(shí)驗室安全管理體系。受人力成本高等因素制約，實(shí)驗室安全管理員大多由實(shí)驗員、任課老師或安保等人員兼任。然而以上監管人員存在時(shí)間精力有限和缺乏專(zhuān)業(yè)火災防控知識等問(wèn)題，使得實(shí)驗室安全管理人員責任范圍模糊，造成“不愿管、不會(huì )管、不敢管"的監管亂象。另一方面，學(xué)校對監管人員和實(shí)驗人員的實(shí)驗室安全教育培訓過(guò)于形式化，實(shí)驗室安全管理制度流于紙面，未能落實(shí)到具體的實(shí)驗室安全管理上。長(cháng)此以往，會(huì )造成實(shí)驗人員對實(shí)驗室用電安全隱患的排查與處理不到位、不合理的問(wèn)題，存在巨大的監管漏洞。一旦發(fā)生因用電安全引發(fā)的火災等事故，會(huì )對人員生命和實(shí)驗室財產(chǎn)安全造成不可挽回的損失。

2系統設計

運用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數據等現代信息技術(shù)實(shí)現高校實(shí)驗室用電安全監測和管理，十分迫切且可行。為了解決上述用電安全問(wèn)題，提升實(shí)驗室用電安全管理問(wèn)題的效率和效果，實(shí)現實(shí)驗室安全管理方式從“人防"向“技防"的轉變，建設信息化、智慧化實(shí)驗室，本文開(kāi)發(fā)了實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統。該系統由智慧用電物聯(lián)終端和實(shí)驗室用電安全管理云平臺構成。

智慧用電物聯(lián)終端是基于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算和“移動(dòng)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(lèi)傳感器。根據實(shí)驗室職能、規模和所在區域等實(shí)驗室信息可設置終端參數，終端和傳感器對實(shí)驗室的配電箱進(jìn)行24h數據監控，并將電路和溫度等實(shí)時(shí)數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信動(dòng)態(tài)上傳至云平臺。

實(shí)驗室用電安全管理云平臺是一個(gè)綜合性的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，能夠對智慧用電物聯(lián)終端設備進(jìn)行監測、定位和跟蹤，及時(shí)獲取實(shí)驗室終端設備數據和運行狀況，并將終端上傳的監測數據批量存儲在云平臺數據庫中。同時(shí)通過(guò)數據挖掘分析，對實(shí)驗室用電安全狀況和用電行為進(jìn)行評估分析，提高實(shí)驗室安全管理人員監管質(zhì)量和效率。

實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統結構如圖1所示。

實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統主要實(shí)現當實(shí)驗室配電箱內電路出現過(guò)流、過(guò)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(shí)向實(shí)驗室管理人員報警，大限度做到實(shí)驗室消防警情的早預判、早發(fā)現、早除患和早撲救，減少實(shí)驗室用電隱患的滋生，強化實(shí)驗室用電安全預防工作，建立高校實(shí)驗室的防火墻，構筑校園實(shí)驗室安全管理體系。

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

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(shí)驗室配電箱內線(xiàn)路各項電力數據的設備，是實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統的主要監測終端設備。物聯(lián)終端通過(guò)傳感器監測的數據通道包括一路剩余電流、四路線(xiàn)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(shí)終端不間斷監控各個(gè)通道數據，根據設定通道數據的上下限對實(shí)驗室配電箱內電力線(xiàn)路進(jìn)行異常報警和保護。當各通道數據值超過(guò)閾值時(shí)，終端蜂鳴器報警，立即控制空開(kāi)脫扣，同時(shí)上傳各個(gè)通道的數據到安全管理云平臺，并生成報警事件，通過(guò)微信（推送報警通知）、電話(huà)（收到智能來(lái)電）推送信息給管理員。并且當終端監測到數據出現異常變化或超出閾值，會(huì )頻繁上傳數據至實(shí)驗室安全管理云平臺，直到監測數據恢復正常，停止上報異常情況。當報警事件處理完畢后實(shí)驗室安全管理人員手動(dòng)消音并復位終端，進(jìn)行新一輪的實(shí)時(shí)數據監控。

智慧用電物聯(lián)終端基本構成如圖2所示。

終端的控制部分為一個(gè)嵌入式系統，主要用于基本功能邏輯實(shí)現、數據處理、數據通信等功能。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動(dòng)；指示電路則主要通過(guò)數碼管、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。終端內置4G通信模塊（可根據信號覆蓋情況更換為NB?IoT模塊或5G模塊），通過(guò)運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )實(shí)現終端接入，與云平臺進(jìn)行雙向通信。

由于終端使用的是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信，不需要布置信號線(xiàn)，在供電方面終端從配電箱內部取電，不需要額外進(jìn)行電源布線(xiàn)，因此終端安裝的施工難度和成本大大降低，可以根據實(shí)驗室配電箱內部情況靈活部署。由于終端使用的傳感器均為線(xiàn)路外部安裝，無(wú)需破壞原有電路結構，不會(huì )對原有線(xiàn)路產(chǎn)生影響。智慧用電物聯(lián)終端實(shí)物如圖3所示，終端配電箱內實(shí)際安裝部署如圖4所示。

4實(shí)驗室用電安全管理云平臺

實(shí)驗室用電安全管理云平臺能夠實(shí)現實(shí)驗室用電安全隱患、事故的早發(fā)現、早報警、早補救，全面解決實(shí)驗室用電安全監督難點(diǎn)。云平臺接收、顯示、處理、存儲終端設備動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)上傳的監測數據，且根據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(lèi)型的限制，能夠接入多種物聯(lián)網(wǎng)設備，基于多類(lèi)型標準協(xié)議和API開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足海量設備的高并發(fā)快速接入，實(shí)現對終端設備的實(shí)時(shí)監控、報警推送、數據分析、詳細定位等功能。目前所實(shí)現的主要功能具體如下。

4.1實(shí)時(shí)監控

云平臺實(shí)時(shí)監控智慧用電物聯(lián)終端上線(xiàn)時(shí)上傳各通道數據，生成上線(xiàn)事件推送至云平臺，同時(shí)實(shí)時(shí)推送動(dòng)態(tài)到用戶(hù)Web端。用戶(hù)端可根據物聯(lián)終端所在位置查看每個(gè)終端設備的詳細信息，如設備狀態(tài)、通道數據、所屬類(lèi)別等。云平臺24h監控已上線(xiàn)的物聯(lián)終端狀態(tài)，對關(guān)乎實(shí)驗室用電安全的主要因素，如線(xiàn)纜溫度、配電箱溫度、剩余電流、電路電壓、電流等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，上報排查各類(lèi)安全隱患。部分數據監測頁(yè)面如圖5、圖6所示。

4.2報警推送

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

4.3數據分析

實(shí)驗室用電安全管理云平臺可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)顯示監測線(xiàn)路中的電壓、電流、剩余電流、溫度等動(dòng)態(tài)信息，把用電情況變成可視的數字化監控，查看實(shí)時(shí)采集的數據信息以及歷史數據曲線(xiàn)，并生成統計分析數據表。運用大數據相技術(shù)分析電器設備回路的相關(guān)參數，著(zhù)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(guān)聯(lián)的參數，按照時(shí)間、地點(diǎn)、實(shí)驗室類(lèi)型進(jìn)行智慧用電物聯(lián)終端告警事件統計，生成實(shí)驗室用電安全隱患分析報告，及時(shí)排查實(shí)驗室用電安全隱患，并適時(shí)進(jìn)行提示。

4.4詳細定位

實(shí)驗室用電安全管理云平臺嵌入GIS系統（地理信息系統），能夠對每一個(gè)實(shí)驗室配置終端設備進(jìn)行定位，并將位置信息添加在終端設備管理詳情頁(yè)。管理員在全景地圖界面能夠直觀(guān)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(wèn)題，實(shí)現實(shí)驗室用電安全監管網(wǎng)絡(luò )全面覆蓋，消除安全監控死角。

5部署應用

實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統已在山東大學(xué)青島校區的公共（創(chuàng )新）實(shí)驗教學(xué)部署使用，覆蓋各實(shí)驗室，實(shí)現實(shí)驗室用電安全信息化管理。系統的智慧用電物聯(lián)終端及傳感器部署于44個(gè)實(shí)驗室55個(gè)配電箱中，實(shí)驗室用電安全管理云平臺本地部署于的服務(wù)器。通過(guò)開(kāi)通實(shí)驗主任、系統管理員、實(shí)驗室管理員等不同權限的賬號，系統使用人員可以通過(guò)Web端登錄系統，使用系統各項實(shí)驗室用電安全管理功能，使用手機通過(guò)短信、電話(huà)、微信等方式接收實(shí)驗室用電安全事件信息。另外，還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了大屏信息展示頁(yè)面，應用于監控室大屏，如圖7所示。大屏實(shí)現監控室人員對實(shí)驗室用電安全數據和系統狀態(tài)的監控，以及對外展示等功能。

系統在已經(jīng)部署應用了三年多時(shí)間，系統整體性能穩定，數據實(shí)時(shí)性強，用電安全事件信息推送及時(shí)，曾多次及時(shí)向電路、化學(xué)等實(shí)驗室管理員提示漏電、線(xiàn)路過(guò)流、過(guò)壓等情況，輔助排查原因并消除了安全隱患。系統應用以來(lái)，記錄和存儲了大量的實(shí)驗室用電安全數據，形成了用電安全電子臺賬，便于管理和調閱；同時(shí)可以成為大數據分析和數據挖掘的數據源，供相關(guān)實(shí)驗和科研項目使用，也可以通過(guò)開(kāi)發(fā)，應用實(shí)時(shí)數據和歷史數據進(jìn)一步改進(jìn)和拓展系統功能、提升系統性能。

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(kāi)放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供能源物聯(lián)網(wǎng)數據服務(wù)的平臺。用戶(hù)僅需購買(mǎi)安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數據服務(wù)。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、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(yǔ)言、多終端數據訪(fǎng)問(wèn)。

（2）應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、連鎖小超市、小型工廠(chǎng)、樓管系統集成商、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(lǐng)域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

• 電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現對各種監測數據的查詢(xún)、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(shí)現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進(jìn)行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢(xún)供配電室內各設備運行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數，并根據實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢(xún)或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

• 能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過(guò)程有機結合起來(lái)，運用的數據處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線(xiàn)生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現全廠(chǎng)能源系統的統一調度，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(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

3）用戶(hù)管理：對商鋪用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢(xún)等操作；

4）售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

5）售水管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售水、退水、記錄查詢(xún)等操作；

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

預付費看板

• 充電樁管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監控、運營(yíng)分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

• 智能照明

智能照明通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數據監測，也可以實(shí)現定時(shí)開(kāi)關(guān)策略配置及后臺遠程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁(yè)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(xiàn)溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發(fā)現的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實(shí)現時(shí)間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實(shí)現“防患于未然"的目的。

• 智慧消防

通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。原先針對“九小場(chǎng)所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無(wú)法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實(shí)際需求。

（5）系統硬件配置

7結論

實(shí)驗室物聯(lián)網(wǎng)用電安全系統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。系統管理方式從傳統的“人防"監管轉向“技防"管理，側重對實(shí)驗室配電箱電力線(xiàn)路數據的日常監測、異常報警和隱患分析排查，實(shí)現實(shí)驗室用電數據信息化管理，將電氣事故發(fā)生的可能性和實(shí)際損失降到低。系統部署成本低，是實(shí)現實(shí)驗室安全管理、信息化建設的良好途徑，在實(shí)驗室管理中具有一定的推廣價(jià)值，經(jīng)過(guò)實(shí)際部署應用也證明了系統的穩定性和有效性，有利于營(yíng)造更加安全、穩定、和諧的校園環(huán)境。