基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统

摘要

本发明涉及实验室管理技术领域，具体涉及基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统，包括：实验室监测单元、实验台监控单元、编写单元、采集数据单元、行为识别分析单元和报警单元；采用实验室监测单元和实验台监控单元的两重监测体系，采集不同区域的环境数据进行对比，以确定是否发生了危险情况，既能避免因实验过程造成的空气环境变化而产生的误报警，也不会疏漏真实的危险状况，既能辨别风险发生区域，又能分辨风险源种类，有效提升安全救助效率和效果；设置报警单元，可以在出现突发事故时通过人工手段以更快的速度直接发出报警信息；设置行为识别分析单元，使得相关人员都能明晰危险位置，有效避开危险环境，又能准确施救。

说明书

技术领域

本发明属于实验室管理技术领域，尤其涉及基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统。

背景技术

随着高校化学实验室规模的不断扩大以及实验室的开放时间和使用效率的不断增加,进入实验室的人员多且流动性大,实验室安全工作面临的问题也越来越多,实验室火灾、爆炸、中毒、腐蚀、触电、机伤、辐射、伤人和环境污染等事故时有发生。高校化学实验室安全事故的发生暴露出高校化学实验室管理存在着安全责任不落实、管理制度不健全、管理方法不实用、危险物品安全管理不到位、相关部门安全监管存在薄弱环节等问题，牵制着高校科研的发展，冲击着人民群众和广大师生的安全感。

现阶段，大部分高校化学实验室的监管仍以人工为主体，采用传统门禁与监控。具体监管形式为：

1、实验室基础监控摄像头常开放；

2、教职工管理钥匙或门禁密码；

3、各实验指导教师在实验现场提供专业指导；

4、学校定期组织教师队伍进行检查；

这些监管形式虽然免去人工进行出入人员登记和在场巡查，但仍然存在以下问题：

1、信息较为离散；

2、没办法进行智能提醒和报警；

3、无法对安全隐患进行自动全面且综合的分析；

4、通过视频监控系统保证实验室的安全，并不能实现对事故的预防，只能用于事故发生后的查看。

监管形式当中的实验指导教师一对多的教学模式，存在一下问题：

1、实验现场的人工指导易出现疏忽和遗漏；

2、人工监管时间仅集中于白天，具有较大的工作时间限制；

3、定期组织教师队伍检查效率低，有盲点，且易流于形式；

该传统监管模式在事故发生前、事故发生时、事故发生后均没有较大的意义，暴露出现阶段实验室安全监管体系的短板有：

1、人力资源消耗巨大成效低；

2、灵活度低；实际监管时间短且不连贯；

3、没有形成完备系统；不具备综合分析功能；

4、无法对危险进行预警及告警。

另一方面，实验室安全管理多为人工检查，模式比较单一，受人力物力的影响，具有很多不确定性。同时，还存在时间成本高、效率低、盲点检查不全面以及无法对整个实验室安全监控预警等缺陷。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统，包括：实验室监测单元、实验台监控单元、编写单元、采集数据单元、行为识别分析单元和报警单元；

所述实验室监测单元用于监测实验室实验环境，生成实验室监测数据，并将所述实验室监测数据发送至所述采集数据单元，所述实验室监测数据包括实验室环境数据、实验室影像数据和实验室定位数据；

所述实验台监控单元用于监控实验台安全环境，生产实验台监控数据，并将所述实验台监控数据发送至所述采集数据单元，所述实验台监控数据包括实验台环境数据、实验台影像数据和实验台定位数据；

所述编写单元用于实验室监测数据与实验台监控数据的建立，所述采集数据单元用于实验室监测数据与实验台监控数据的收集，所述行为识别分析单元用于根据所述实验台监控数据判断实验室的安全情况，以及根据所述实验室监测数据的安全情况，当所述行为识别单元发现所述实验台的安全情况出现异常时，或所述实验室的安全情况出现异常时，通过所述报警单元发出报警信息。

相比于现有技术，解决了高校实验室的管理制度不健全、管理方法不实用、危险物品安全管理不到位、安全监管存在薄弱环节等问题，并通过实验室监测单元、实验台监控单元、编写单元、采集数据单元、行为识别分析单元和报警单元，采集不同区域的环境数据进行对比，以确定是否发生了危险情况，既能避免因实验过程造成的空气环境变化而产生的误报警，也不会疏漏真实的危险状况，既能辨别风险发生区域，又能分辨风险源种类，有效提升安全救助效率和效果。

进一步的，所述实验室监测单元包括实验室环境监测模块、实验室影像模块和实验室定位模块；

所述实验室环境监测模块用于实时检测实验室区域内外的空气环境数据，生成所述实验室环境数据；所述实验室影像模块用于实时查看实验室区域内外的图像，生成所述实验室影像数据；所述实验室定位模块用于实验室定位，生成所述实验室定位数据。

进一步的，所述实验台监控单元包括实验台环境监控模块、实验台影像模块和实验台定位模块；所述实验台环境监控模块用于实时监控实验台表面的空气环境数据，生成所述实验台环境数据；所述实验台影像模块用于实时查看实验人员在实验台上操作的图像，生成实验台影像数据；所述实验台定位模块用于实验台定位，生成所述实验台定位数据。

进一步的，所述编写单元包括课程分类模块和制定条例模块；所述课程分类模块用于分类课程的课程数据，生成课程分类数据；所述制定条例模块用于实验安全的条例数据，生成实验安全条例数据。

优选的，所述编写单元还包括数据交互接口，所述数据交互接口用于更新所述课程分类模块和制定条例模块。

进一步的，所述采集数据单元包括采集数据模块，所述采集数据模块将实验室环境数据、实验室定位数据、实验台环境数据、实验台定位数据、课程分类数据和实验安全条例数据进行收集，生成汇总数据。

进一步的，所述行为分析单元包括判断行为模块、通知信息模块和录像模块；

所述判断行为模块进行对汇总数据进行分析，生成判断行为信号；所述通知信息模块将判断行为信号进行转化，生成输出电信号；所述录像模块对实验台影像数据和实验室影像数据进行保存。

优选的，所述行为分析单元采用STM32互联型。

进一步的，所述报警单元包括报警信号设备和报警定位设备；所述报警信号设备用于发出报警声；所述报警定位设备用于标识报警位置；所述报警位置包括出现异常情况时的所述实验台与实验室的位置。

优选的，所述报警单元还包括电源控制器；所述电源控制器用于控制在报警信号设备发出的同时关闭所述实验室的电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过设置实验室监测单元、实验台监控单元、编写单元、采集数据单元、行为识别分析单元和报警单元，采用实验室监测单元和实验台监控单元的两重监测体系，采集不同区域的环境数据进行对比，以确定是否发生了危险情况，既能避免因实验过程造成的空气环境变化而产生的误报警，也不会疏漏真实的危险状况，既能辨别风险发生区域，又能分辨风险源种类，有效提升安全救助效率和效果；设置报警单元，可以在出现突发事故时通过人工手段以更快的速度直接发出报警信息；设置行为识别分析单元，使得相关人员都能明晰危险位置，有效避开危险环境，又能准确施救；有效规避监管方案不现实的、不实际的问题提供保障。

2、通过设置编写单元，按照无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等基础类别进行编写，查阅出版的化学实验手册，查找国家或地方或权威机构发表的有关化学实验室安全的公示文件，询问多位具有长期实验基础的同学，访问具有多年实验教学经验的教师，采访学校实验室安全管理处的负责老师，利用互联网访问全国知名高校的设备与实验室管理处网页等多种途径以修改和完善实验安全条例。

3、通过设置行为识别分析单元和报警单元，能够识别人员违规现象、仪器设备管理规范、水电的安全使用、卫生检查等，并及时发出警告或反映给相关负责人。实时数据库负责告警的判断、通知和存储，发现违规情况即进行告警，在收到告警信息的时候，通知摄像头启动录像功能，同时通过平台信息系统和移动端设备把消息第一时间推送给相关管理人员。

附图说明

图1为本申请实施例基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，为本申请实施例基于人的行为分析的高校化学实验室安全实验管理系统，包括：实验室监测单元、实验台监控单元、编写单元、采集数据单元、行为识别分析单元和报警单元；

其中，实验室监测单元用于监测实验室实验环境，生成实验室监测数据，并将实验室监测数据发送至采集数据单元，实验室监测数据包括实验室环境数据、实验室影像数据和实验室定位数据；

其中，实验台监控单元用于监控实验台安全环境，生产实验台监控数据，并将实验台监控数据发送至采集数据单元，实验台监控数据包括实验台环境数据、实验台影像数据和实验台定位数据；

其中，编写单元用于实验室监测数据与实验台监控数据的建立，采集数据单元用于实验室监测数据与实验台监控数据的收集，行为识别分析单元用于根据实验台监控数据判断实验室的安全情况，以及根据实验室监测数据的安全情况，当行为识别单元发现实验台的安全情况出现异常时，或实验室的安全情况出现异常时，通过报警单元发出报警信息。

一个学校内存在无机化学、有机化学、分析化学和物理化学实验室，而每一个实验实验又存在多个实验台，实验过程中，可能会因为实验人员的失误，在其实验台上发生危险，此时，就需要对该实验台进行准确定位，既有助于其他人躲避危险地点，也有助于精准施救。对于如何定位一个实验台，可以采用实验台编号的方式，例如实验室号+实验台号。

在一些实施例中，实验室监测单元包括实验室环境监测模块、实验室影像模块和实验室定位模块；

其中，实验室环境监测模块用于实时检测实验室区域内外的空气环境数据，生成实验室环境数据；

其中，实验室影像模块用于实时查看实验室区域内外的图像，生成实验室影像数据；

其中，实验室定位模块用于实验室定位，生成实验室定位数据。

在本实施例中，实验室定位模块的功能与实验台定位模块相同，用于定位一个具体的实验室。实验室环境监测模块与实验台环境监测模块类似，通常设置烟气感应即可，如果是实验台发生了危险，实验室内的报警信号设备就已经发出了报警，所以，实验室环境监测模块主要以应对实验室内无人时出现安全风险为主，一般是失火事故；

其次，实验室影像模块采用动态图像识别技术，通过在实验室内安装多个摄像头，摄像头实时采集实验室空间动态影像，如果出现异常动作内容，例如，有人移动，或者有物体移动时，发出报警；对于这类动态移动，需要经过判断之后才能确定是否产生报警。

在一些实施例中，实验台监控单元包括实验台环境监控模块、实验台影像模块和实验台定位模块；

其中，实验台环境监控模块用于实时监控实验台表面的空气环境数据，生成实验台环境数据；

其中，实验台影像模块用于实时查看实验人员在实验台上操作的图像，生成实验台影像数据；

其中，实验台定位模块用于实验台定位，生成实验台定位数据。

在本实施例中，实验台环境监控模块包含多种环境感应装置，例如：空气温度、烟气、湿度等。实验过程中，通常会伴随着化学气体的挥发，而这些化学气体可能会对身体产生影响，但却会因为不易发觉而被忽略。因此，为了保证身体健康安全，需要监控实验台区域的空气状况，将危险限制在一个很小的范围内。相应的，实验台处安装的环境感应装置，不限于空气温度、烟气等，也包括诸如化学烟气监测、化学物质监测等专业监测装置，实现对烟、气、粉尘类、颗粒类等多种易浮于空气中的化学物质的监测；实验台影像模块与实验室影像模块的功能一样，通过在实验台端面上安装一个或多个摄像头，学生可通过保存下来的影响观看自己的实验操作是否有失误；当实验室内的某实验台发生安全故障时，通过实验台定位模块能迅速找到该实验台的位置。

在一些实施例中，编写单元包括课程分类模块和制定条例模块；

其中，课程分类模块用于分类课程的课程数据，生成课程分类数据；

其中，制定条例模块用于实验安全的条例数据，生成实验安全条例数据。

在一些实施例中，编写单元还包括数据交互接口，数据交互接口用于更新课程分类模块和制定条例模块。

课程分类模块是通过根据不同类型的实验课程归类到无机化学、有机化学、分析化学和物理化学的课程，制定条例模块是通过查阅出版的化学实验手册、查找国家或地方或权威机构发表的有关化学实验室安全的公示文件做参考，如国家公安部发表的《易制爆危险化学品名录》、中国化学品安全协会发布的《化学化工实验室安全管理规范》等，从而得到符合实验课程的安全条例。

在一些实施例中，采集数据单元包括采集数据模块，采集数据模块将实验室环境数据、实验室定位数据、实验台环境数据、实验台定位数据、课程分类数据和实验安全条例数据进行收集，生成汇总数据。

通过学生进入实验室，开始记录实验室监测单元中的实验室环境数据和实验室定位数据，按照编写单元中的课程分类模块，学生开始对应的实验操作，并按照制定条例模块中的实验安全条例数据，正确完成实验操作步骤，当实验台发生安全故障时，实验室定位数据与实验台定位数据均产生定位数据，从而在报警单元的报警定位设备中得到。

在一些实施例中，行为分析单元包括判断行为模块、通知信息模块和录像模块；

其中，判断行为模块进行对汇总数据进行分析，生成判断行为信号；

其中，通知信息模块将判断行为信号进行转化，生成输出电信号；

其中，录像模块对实验台影像数据和实验室影像数据进行保存。

在一些实施例中，行为分析单元采用STM32互联型。

采用STM32互联型作为行为分析单元，可以从外部存储器读取、解码和输出音频信号，这样可以对不同的危险源发出不同的报警音；行为分析单元装载在边缘AI盒子，边缘AI盒子为智能感知算法提供AI计算能力，能同时支持多路高清视频的违规行为检测和识别，边缘AI盒子与校园网相连，将实时监控画面及识别结果经校园网传输至智能感知平台和云端服务器；同时，边缘AI盒子支持5G模组配置，支持LTE无线回传，为布线不方便的室内外环境提供便利。

对实验者在实验室内的实验操作的进行分析，包含事件和告警的分类、聚类、异常发现等多种场景，通过实验安全条例数据、实验室环境数据和实验台环境数据的组合分析，对实验者行为进行分类判断，形成告警信息报表，实现安全情况的全面掌控。边缘AI盒子在收到告警信息的时候，通知摄像头启动录像功能，同时通过通知信息模块把消息第一时间推送给相关管理人员。

在一些实施例中，报警单元包括报警信号设备和报警定位设备；

其中，报警信号设备用于发出报警声；

其中，报警定位设备用于标识报警位置；

其中，报警位置包括出现异常情况时的实验台与实验室的位置。

在一些实施例中，报警单元还包括电源控制器；

其中，电源控制器用于控制在报警信号设备发出的同时关闭实验室的电源。

报警信号设备为如音响、警报器等，当发现严重违规行为时，行为分析单元通过联动报警信号设备对违规信息进行告警。即时进行记录并弹出界面、推送告警消息至管理员，管理员第一时间通过报警定位设备了解违规时间、类型、地点等信息，并可查看相关影像；支持邮件、短信、微信、App协作工具等多种通知方式，告警必达。除信息通知告警，平台还支持现场实时的语音告警；触发告警后，联动相应的音响对违规情况附近的人员发出语音信息，提示在场人员。

进一步的，鉴于实验室内特殊的设备、物品因素，一旦发生危险事故，有可能会触发电气事故，因此，在必要的时候，需要通过电源控制器关闭实验室的电力电源。也因此，在本实施例中，所有的实验室监测单元、实验台监控单元、编写单元、采集数据单元、行为识别分析单元和报警单元全部采用独立电源供电，可以是单独的供电线路，也可以是自身储能电池。

进一步的，在本实施例中，只要整套安全管理系统处于安全监控状态，管理主机中的数据处理单元都要将接收到的实验台安监数据、实验室安监数据及报警信息存入存储单元进行保存，以便于实验室安全状态查询。

综上，本实施例的高校化学实验室安全实验管理系统，在工作状态下，首先，所述实验室监测单元监测实验室实验环境，生成实验室监测数据传至行为识别分析单元，所述实验台监控单元监控实验台安全环境，生产实验台监控数据传至行为识别分析单元。行为识别分析单元接收两个数据，分别根据当前状态下的实验安全条例数据进行判断，判断实验台和实验室的安全状态。

当行为识别分析单元发现有危险情况时，通过报警单元发出报警信号，电源控制器关闭实验室电力电源。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。