基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室智能管理系統(tǒng)的績效評估研究.doc

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室智能管理系統(tǒng)的績效評估研究 魏忠冷國慧王丹丹 摘要：基于高校智能實驗室系統(tǒng)的實驗室智能管理系統(tǒng)評估是高校教育領(lǐng)域的重要組成部分。信息技術(shù)為實驗室建設(shè)的跨越式發(fā)展提供了機遇，高校智能實驗室建設(shè)應(yīng)運而生。一個先進和創(chuàng)新的智能實驗室系統(tǒng)，可以提供全新的學習機制和先進的管理環(huán)境，實現(xiàn)一種全新的高校實驗室的管理模式。 關(guān)鍵詞：bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；智能實驗室；績效評估；管理信息系統(tǒng) 引言 智能實驗室管理系統(tǒng)由硬件平臺、管理軟件系統(tǒng)和基于信息控制技術(shù)的實驗室管理控制系統(tǒng)個部分組成。通過網(wǎng)絡(luò)電源控制器監(jiān)管儀器設(shè)備，將預約、門禁刷卡連用進行身份識別，并通過高清晰視頻監(jiān)控系統(tǒng)對實驗過程進行監(jiān)控。實驗用戶可以直接進入實驗室使用權(quán)限內(nèi)的儀器設(shè)備，實現(xiàn)實驗室對學生的全面開放，進一步提高實驗室管理水平和實驗教學質(zhì)量。 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，實驗室智能管理系統(tǒng)是一種新型的實驗室建設(shè)方式，在實驗室管理實踐中優(yōu)勢在于：確保實驗室開放時間與空間，以確保有效的操作和設(shè)備的安全使用，加強實驗室規(guī)范化管理，減少實驗室專門團隊的工作量，保證實驗室運行數(shù)據(jù)的準確性和科學。實驗室智能管理系統(tǒng)產(chǎn)生大量真實可靠的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行篩選和后，以指標可視化形式在系統(tǒng)中展現(xiàn)，能為實驗室各級管理人員提供支持，更好地規(guī)劃實驗室的建設(shè)。 實驗室績效是衡量實驗室建設(shè)成果的一個重要指標，通過實驗室智能管理系統(tǒng)獲取的大量真實可靠的數(shù)據(jù)信息，集中在大數(shù)據(jù)中的核心問題：教育數(shù)據(jù)的應(yīng)用，由此智能實驗室管理系統(tǒng)的實驗室績效評估，優(yōu)化出對實驗室績效影響最大的因素，也是資金投入方向，為實驗室管理人員提供支持，更好地規(guī)劃實驗室的建設(shè)，合理配置實驗室資源，提高實驗室資源利用率，減少不必要的投資，逐步改變高校實驗室建設(shè)與管理理念。 1、實驗室績效評估指標理論 本文在東華大學智能實驗室系統(tǒng)建設(shè)項目中績效評估指標的基礎(chǔ)上，初步擬定提出了一套實驗室績效分析的指標體系，在一級指標的基礎(chǔ)上再分別進行細化，得到二級指標15項，該體系一級指標包括實驗設(shè)備、實驗教學和實驗室管理三大項，二級指標包括實驗室利用率、人才培養(yǎng)投入產(chǎn)出比等15項指標，以此作為高校教學實驗室評估體系的指標集合。 為推動實驗室的高效發(fā)展，提高實驗室的使用效率，對高校實驗室進行績效分析是一項非常重要的工作。為檢驗各學院實驗室用于實驗教學和對學生開放使用的效率，在對實驗室進行科學客觀的績效評價基礎(chǔ)上，探索實驗室建設(shè)投入分配的新機制，東華大學開發(fā)了實驗室績效分析模塊。以智能實驗室管理系統(tǒng)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用績效分析數(shù)學模型對各學院實驗室進行績效分析。 東華大學實驗室智能管理系統(tǒng)通過物聯(lián)技術(shù)捕獲在線數(shù)據(jù)，通過與校管理層用戶的溝通與交流后，得到一致的需求，最終由吳良老師提供可以形成數(shù)據(jù)信息報表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型，即可對i個學院的績效值的可視化展示，以此來考核實驗室管理和實驗室教學的效率。下面對東華大學實驗室智能管理系統(tǒng)中績效評估指標可視化展現(xiàn)形式做簡單介紹。 依托實驗實訓智能管理平臺收集的數(shù)據(jù)，出實驗室工作投入部分數(shù)據(jù)和實驗室工作產(chǎn)出部分數(shù)據(jù)，并據(jù)此對實驗室的績效進行分析。 1.1實驗室工作投入部分數(shù)據(jù) 1)實驗室專職管理、工作人員數(shù)和人員結(jié)構(gòu)； 2)當年投入的實驗室日常運行經(jīng)費（分學院、學科）； 3)當年投入的實驗室建設(shè)項目經(jīng)費和累計近5年投入的建設(shè)經(jīng)費（分學院、學科）； 4)實驗室現(xiàn)有的設(shè)備臺數(shù)和設(shè)備額總值； 5)實驗室用于學科實驗教學的面積。 1.2實驗室工作產(chǎn)出部分數(shù)據(jù) 1)實驗開出率：實際開出的實驗數(shù)教學計劃規(guī)定的實驗數(shù)（分學院、學科）； 2)學生參加實驗情況及效率：參加實驗的人時數(shù)，實驗室開放的人時數(shù)，大型儀器設(shè)備使用人數(shù)和使用機時數(shù)（分學院、學科）； 3)教師參加指導實驗的人數(shù)（分學院、學科） 4)學院實驗室接待外學院教師、學生人數(shù)和人時數(shù)（分學院、學科） 1.3實驗室效率計算指標 1)生均實驗人時數(shù)。計算每個當量學生進實驗室的人時數(shù)。（分基礎(chǔ)、專業(yè)、學科和學院）； 2)實驗室大型設(shè)備儀器利用率（對每臺10萬元以上的儀器設(shè)備進行統(tǒng)計計算）； 3)大型儀器設(shè)備的平均利用率； 4)專職管理人員人均接待學生、教師的人時數(shù)； 5)實驗設(shè)備完好率； 6)教師參加指導實驗占實驗指導人員總?cè)藬?shù)的比例； 7)實驗項目開出率（分基礎(chǔ)、專業(yè)、學科和學院）。 2、基于在線數(shù)據(jù)誘導作用的實驗室管理系統(tǒng)建設(shè)智能實驗室管理系統(tǒng)是基于績效分析計算指標的。由于學院實驗中心的管理水平有待提高，以及實驗室建設(shè)投入分配的新機制需要探索。在此情況下，采用綜合指數(shù)法計算實驗室綜合效率值是比較客觀合理的。實驗室智能管理系統(tǒng)就是指通過計算機網(wǎng)絡(luò)將實驗室的分析儀器連接起來，通過建立以實驗室為中心的分布式管理體系，根據(jù)科學的實驗室管理理論和計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立完善的質(zhì)量保證體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化共享、無紙化記錄與辦公、資源與成本管理、人員量化考核，為實驗室管理水平的整體提高和實驗室的全面管理提供先進的技術(shù)支持。 通過實驗室智能管理系統(tǒng)的建設(shè)，將各實驗室進行數(shù)字化改造，建成網(wǎng)絡(luò)化、智能化的實驗室管理平臺，實現(xiàn)設(shè)備的遠程管理、實驗預約與設(shè)備管理互動、門禁系統(tǒng)與實驗系統(tǒng)聯(lián)動，并通過信息采集單元來感知、獲取整體實驗室的相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)、實驗室監(jiān)控畫面等等資料，通過原有系統(tǒng)和新系統(tǒng)的整合，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的模式，形成在實驗室管理過程中全新的智能化管理模式。 本文的創(chuàng)新點在于，將對實驗室的理論計算結(jié)果實驗室綜合指數(shù)，作為實驗室績效的評估指標。在衡量實驗室績效時，一般是對實驗室績效的實測值即理論計算結(jié)果（例如：功效系數(shù)法、綜合指數(shù)法等）。 實驗室智能管理系統(tǒng)通過物聯(lián)技術(shù)捕獲在線數(shù)據(jù)，通過與校管理層用戶的溝通與交流后，得到一致的需求，最終提供可以形成數(shù)據(jù)信息報表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型，即利用可視化技術(shù)，實現(xiàn)實驗室智能管理系統(tǒng)實驗設(shè)備（儀器設(shè)備在用率、儀器設(shè)備預約使用率），實驗教學（實驗項目開出率、實驗綜合比率、人才培養(yǎng)投入產(chǎn)出比），實驗室管理（實驗室利用率、實驗室開放率），對i個學院的績效值的可視化展示，以此用來考核實驗室管理和實驗室教學。 3、利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實驗室績效評估指標 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的好處在于，可以發(fā)現(xiàn)模式中數(shù)據(jù)的規(guī)律，并能夠處理多種類型的數(shù)據(jù)。故高校實驗室的績效考核使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，克服了傳統(tǒng)評估程序來創(chuàng)建復雜的數(shù)學模型和數(shù)學解析式的問題，同時也使評估更加準確。因此，充分合理地利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論來建立實驗室績效評價模型是績效評估的有效方法。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于描述信息的特征為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，在本研究中，影響實驗室績效的因素是輸入向量，實驗室綜合績效是輸出向量；輸出的幅值之間以及如果預期的幅度有誤差，并且誤差在預定范圍之外時，誤差調(diào)整層之間的連接權(quán)重的閾值，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層和輸出層的節(jié)點按一定的方法，該誤差，直到系統(tǒng)是可以接受的，而在此時，權(quán)重，閾值不變化。 基于實驗室智能管理系統(tǒng)的績效評價模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量為實驗室績效的影響因素，實驗室綜合績效指標為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量，系統(tǒng)誤差，設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓練樣本輸入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)性能評價模型后，直到滿足規(guī)定要求后所產(chǎn)生的需求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱功能是完美的，它提供了多種功能，通過網(wǎng)絡(luò)，初始化函數(shù)，訓練和仿真。 4、結(jié)論 本研究對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行了模擬訓練，得出的結(jié)果表明： 1)根據(jù)上述研究可以看出用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練后，再通過網(wǎng)絡(luò)泛化，即可得出較好的結(jié)果。此外，測試樣本的誤差普遍不大于學習樣本，基本滿足了教學實驗室績效評估的精度要求。 2)上述數(shù)據(jù)說明，在教學實驗室評估及相關(guān)問題上使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好的完成評估問題。 3)從模型的輸出結(jié)果來看，其仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果非常接近。實驗室智能管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，各項指標提供數(shù)據(jù)抽取、分析，可以直接在系統(tǒng)中可視化展示，各項指標數(shù)據(jù)的得到后，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，這些數(shù)據(jù)輸入后，可以直接得出各實驗室綜合指標，起到預測功能。 實驗教學（實驗項目開出率）影響該高校智能實驗室績效，是因為高校資金投入、高校實驗室建設(shè)希望教師、學生真正利用實驗室建設(shè)的實驗教學，對實驗項目開出情況統(tǒng)計，真正對高校人才培養(yǎng)產(chǎn)生意義，因此高校資金再投入、實驗室再建設(shè)時，要注重實驗室建設(shè)的實驗教學，關(guān)注實驗項目開出情況，落實在高校實驗室建設(shè)的人才培養(yǎng)上。 參考文獻： 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