數字孿生技術在高校實驗室安全管理中的實踐

徐 文   杜 坤 李 江   吳 俊   張正華   成 翔   段中霞    張惠芹

(揚州大學)

摘 要:該文介紹了基于數字孿生技術的實驗室安全管理智慧平臺。平臺基礎框架包括物理層、技術層、數據層、應用層和交互層，實現實驗室安全相關物理實體和硬件系統的虛擬孿生，并以實驗室安全大數據為基礎開展虛擬仿真安全管理，有效解決?；啡芷诠芾?、用電回路與大功率電器預警、氣體鋼瓶監測、安全數字資產、安全數字統計等問題。數字孿生技術將推動高校實驗室管理的數字化轉型，探索可復制、可推廣和可規?；陌l展模式，開啟高校實驗室安全管理的新生態。

關鍵詞:數字孿生;實驗室安全管理;虛擬仿真;數字轉型

中圖分類號:G482;X923;TP301.6

文獻標識碼:A

文章編號:1002-4956(2024)04-0222-06

數字孿生是在虛擬環境中創造出和現實運行環境一致的雙胞胎系統,數字孿生是一種實時仿真的模型。揚州大學近年來探索將數字孿生技術應用于實驗室安全管理，是國內較早開展相關研究和應用的高校。揚州大學數字孿生實驗室安全管理平臺對全校的中高風險等級實驗室所在樓宇及周邊環境進行三維建模，在此基礎上，配合智能化軟硬件平臺的建設，對上述實驗室的?；?、高溫設備、大功率設備、特種設備、實驗室廢棄物等危險源進行數字孿生開發，借助物理模型、云傳感器、系統數據庫等技術，在虛擬空間完成映射、數據采集分析，提供了一種虛實結合的實驗室安全管理模式。依托數字孿生技術構建數字孿生實驗室安全管理平臺是未來的發展方向之一，能較好地解決高校實驗室安全管理的痛點問題,為高校實驗室安全數字化轉型的建設和發展提供參考。

1 數字孿生研究現狀

美國密歇根大學的邁克爾·格里夫教授于2003年提出數字孿生的雛形概念，將其稱為“產品全生命周期管理模型"，后被命名為“鏡像空間"或“信息鏡像模型";2010年美國航空航天局(NASA）Shou Ci將其引進太空技術研究;2011年NASA聯合美國空軍研究實驗室(AFR)將其列為驅動未來發展的關鍵技術之一，并正式命名為數字孿生(Digital Twin)。從本質上說，數字孿生代表了一種將物質事件轉化為數碼形式的模式，它能夠再現事件在真實世界里的情況，并且在物質和數字雙胞胎之間存在多重相互影響。

國外學者對數字孿生的研究主要集中在數字孿生的定義、生產系統穩定性與抗風險能力、故障診斷策略、仿真系統的應用等。國內學者對數字孿生的概念、數字建模、產品、生產線和數字孿生車間、故障預測與健康管理、應用環境及相關規范等進行了深入研究。當前對數字孿生的探索主要集中于理論構造、核心科技及產業實踐等領域。

2 數字孿生在高校的運用

目前，高校對數字孿生技術的運用多集中在智慧教育、大智慧校園。文獻提出一種基于RFID和傳感器的監控系統，用于監測師生課堂表現和出勤率;文獻提出利用數字孿生技術建設三維全息虛擬教室。近年來，數字孿生技術在高校的應用逐步擴展到其他場景，如數字孿生智慧學習空間、數字孿生講臺、智慧校園、教學輔助系統、智慧圖書館、智能實驗室、產學研合作基地等。但是數字孿生技術在高校的運用遠不如工業產業界,對于數字孿生技術在高校實驗室安全管理領域的研究更是缺乏。

3 數字孿生應用于高校實驗室安全的優勢

數字孿生由物質元素、數碼映射以及相互作用的數碼線程組成，運作流程涵蓋了建模、交流、推斷、共智等多個步驟，包含了建模、AI、虛擬仿真、云計算、大數據等技術?；跀底謱\生技術以下三點優勢，可以解決高校實驗室安全管理的難題。

(1)復制性。數字孿生體就像給實驗室的風險源創建了一個副本，通過采集物理實體數據復制了一個虛擬數字化模型，實驗室實體的數字模型便于管理員觀察和操作。

(2)實時性。通過監控、報警器、傳感器、二維碼等方式獲取和分析數據，數字孿生體能直觀形象地模擬實驗室的物理實體，能即時地對物理實體的安全狀態做出判斷、預測、處理和優化。

(3)虛實結合性?；趯嵨锏难芯糠椒ㄐ枰獙嶋H的設備和場地，而數字孿生通過虛擬現實技術，將實驗室安全管理從傳統的物理空間解放出來，由此可對高校實驗室安全智慧化、數字化的管理方法、管理過程、管理手段等有更深層次的認識。

4 數字孿生技術在高校實驗室安全管理平臺的運用實踐

4.1 理論框架

揚州大學將數字孿生技術應用于實驗室安全管理，設計了數字孿生實驗室安全管理平臺框架，連接虛擬與物理世界，包括物理層、技術層、數據層、應用層、交互層，并確定了各層級的功能。

(1)物理層。數字孿生平臺的基礎是物理層，它是平臺創建、保存、解讀以及使用各種數據的載體，包含實驗室各類監控、報警器、傳感器、二維碼等。

(2)技術層。技術層負責加工、分析、處理物理層獲取的數據，在物理層的基礎上構建實驗室安全管理基礎設施，包括虛實融合的處理技術、設備和用戶的管理技術等。

(3)數據層。數據主要包括實驗室基本信息、用戶基本信息、安全數字資產和安全數據，數據層的功能是獲取、儲存、集成大數據，為數字孿生體系提供數據支撐。

(4)應用層。應用層以數字孿生、大數據、人工智能為支撐，與數字孿生實驗室安全管理平臺深度融合，為用戶提供?；奉I用、廢液存量和烘箱使用情況上報等具體應用功能。

(5)交互層。交互層為用戶提供數字孿生體的互動服務，如虛擬仿真實驗室安全應急演練，并可拓展至虛擬仿真實驗室安全教育(VR/AR可穿戴設備)等。

4.2技術路線

文獻構建了一個五維的數字孿生模型，這個模型涵蓋了物理實體、虛擬模型、服務、孿生數據以及它們之間的聯系，是廣為接受的模型?；诖嗽O計了揚州大學數字孿生實驗室安全管理平臺的技術路線（圖1），該技術路線包含了實驗室安全相關的五維模型。

圖1 數字孿生實驗室安全管理平臺技術路線圖

編輯搜圖

(1)物理實體。實驗室安全相關物理對象、硬件系統。

(2)虛擬模型。物理實體的數字化鏡像，包括安全相關物理對象的3D建模、虛擬硬件系統。

(3)服務系統。集成評估、控制、優化等各類信息系統。

(4)孿生數據。孿生數據是數字孿生的核心驅動，包括物理實體(實驗室房間、?；饭瘛怏w鋼瓶、高溫高壓高速設備等)和與之對應的虛擬模型，以及服務系統(實驗室基礎數據管理系統、危險源監控管理子系統、實驗室可視化管理平臺)的相關數據。

(5)連接。將以上四個部分連接起來，實現迭代優化。

綜上，數字孿生實驗室安全管理平臺的主要功能包括:①打通實驗室管理系統已有的數據(如實驗室名稱、坐落位置、負責人、安全等級等信息)，確保各系統的核心數據實時、一致、準確，讓業務數據發揮更大的作用;②對實驗室危險源實施信息化、智慧化管理，如?；啡芷诘臄底只芾?，高壓滅菌器、鋼瓶等特種設備的使用和數字化管理，大功率設備的用電安全、溫度監控管理等;③對現有系統的業務數據進行歸納整合，傳輸到可視化系統并在大屏終端顯示,實現實驗室安全管理相關數據的查詢和預警。

4.3 軟件系統

數字孿生實驗室安全管理平臺除了硬件部分(紅外線熱成像攝像頭、智慧用電模塊、專用服務器、智能門禁、電子班牌、網關等)外，還包括實驗室基礎數據管理系統、危險源監控管理子系統、實驗室可視化管理平臺三個軟件系統。

4.3.1 實驗室基礎數據管理系統

通過前期調研和實驗室安全檢查,形成全校教學、科研實驗室的基礎數據，使用數據庫系統對實驗室樓宇和房間進行3D建模，構建起數字孿生體。主要字段包含實驗室編號、坐落位置(國資處房產管理系統數據)、用途(教學、科研)、面積、責任人、危險源(類型及數量)、實驗項目等。將此數據庫與其他數據庫系統或應用系統對接，作為全校實驗室相關管理工作的基礎數據庫。在此基礎上，構建實驗室新建、拆分、合并、搬遷以及信息變更的線上審批流程，形成實驗室“準建、準運"制度，解決實驗室基礎信息滯后的問題，確保實驗室安全運行。

4.3.2 危險源監控管理子系統

構建軟硬件結合的實驗室風險源智能監控系統，對危險源進行實時智慧化管理，自動上報風險預警。對學校實驗室內的?；?、氣體鋼瓶，以及高壓滅菌鍋、高溫設備等進行線上智能管理，當這些設施/設備運行指標超出所設定的閾值，自動向可視化系統前臺和管理員手機端發送報警，由設備處相關科室或實驗室管理員進一步處置。

(1)?；饭芾砟K。對國家管控類的?；穼嵭腥芷诘男畔⒒芾?，基于采購、入庫、出庫到使用、廢棄處置等環節，在系統上可實時查看?；穫}庫的庫存和進出庫情況，實驗室的?；贩N類和庫存，廢棄物產生及處置的流程等。當某類?；窋盗砍龃娣砰撝禃r，會自動報警。

(2)特種設備和高溫設備管理模塊。對特種設備進行線上備案，實時查看特種設備的檢驗情況。通過部署智能插座、ZigBee網關和監控探頭等自動化監控高溫設備的運行情況，實現故障時自動報警、自動處置。使用者每次使用上述設備設施時，須掃描設備二維碼進行使用登記，后臺可實時查閱使用情況。

(3)氣體鋼瓶管理模塊。對全校所有氣體鋼瓶進行線上管理,與江蘇省氣體鋼瓶檢測中心數據庫對接，后臺實時查看鋼瓶編號、種類、檢驗時間，確保所有鋼瓶安全有效。

4.3.3 實驗室可視化管理平臺

構建重點管控樓宇及其內部實驗室的數字孿生模型，對實驗室的開放情況、人員準入情況、危險源等進行可視化管控。對安全等級較高的(大于2級)實驗室所在樓宇及其內部房間進行3D建模，利用數字孿生技術，將實驗室內的危險源復制到實驗室3D模型中，實時查看危險源的運行情況，實現對風險源的可視化管理（圖 2）。

圖 2 動態實驗室安全數據可視化平臺

編輯搜圖

在實驗室安全考試系統基礎上，構建實驗室人員準入制度，只有通過考核才能進入相應的實驗室開展實驗。實驗室內配置門禁系統和人臉識別攝像頭，可智能識別人員信息，當未授權人員進入實驗室時發送報警。

結合客流量統計攝像機，查看實驗室的開放情況(尤其是教學實驗室和自主創新實驗室),以便更科學準確地開展實驗室建設的績效評估。與大型儀器共享平臺進行數據對接，在3D模型中查看大型儀器設備的運行情況，并可進行報表分析。

5 建設規劃

揚州大學數字孿生實驗室安全管理平臺已在化學化工學院、學科基礎實驗教學平臺試運行。2023年建設任務中，智慧用電模塊在高安全等級實驗室試點安裝，通過試運行，完成了智慧用電模塊業務數據與數字孿生平臺的對接，可對單臺高功率設備或單回路的電壓、電流、功率和線溫進行實時監控，通過AI學習大數據，能自動識別大功率設備上線工作，自動剔除未注冊設備。配合紅外熱成像攝像機，實現對高溫、大功率設備的安全風險預警和事故回溯(如功率超負荷、線溫過高、設備表面溫度超過閾值等)，已初步達到預期目標，今后將在更多實驗室安裝運行。

針對實驗室廢液傾倒與存儲管理過程中存在的諸多問題,計劃2024年度在化學化工學院和學科基礎實驗教學平臺開展試點工作:使用智能秤(LoRa或IoT)精準稱量每次傾倒的廢液，在微信小程序登記廢液種類、投放人，實現廢液的信息化管理。同時，對接廢液處理企業的信息化系統，超過閾值自動上報廢液重量、自動預約回收，提高廢液處理效率。系統可實時展示實驗室各類廢液的暫存量，降低安全風險。

現有的系統雖然已經實現了統一身份認證登錄，系統之間的基礎數據已經打通，但是在部分應用場景中仍然存在不兼容問題。因此需要建設可視化的應用導航系統:

一是每個實驗室只賦予一個二維碼，微信掃描后可登錄不同的業務系統，并帶入身份信息、房間信息和實驗室信息;

二是構建移動端的實驗室可視化界面，方便實驗室管理者和安全督導查看實驗室孿生體相關數據和狀態;

三是實施實驗室建設與運行管理的“一張網"工程。進一步擴展平臺功能:

①使用AI技術自動識別監控畫面中實驗人員的違規操作(未穿實驗服、未佩戴防護用具、未關閉試劑柜柜門、高溫設備無人值守等)，并通過微信通知到個人;

②實驗室監控按照權限接入對應的老師和安全員的手機端，實時查看實驗室安全狀況;

③檢測用電回路中的入侵設備(如小太陽取暖器、熱水壺、卷發棒等)，精準識別非入侵設備(烘箱、滅菌鍋、冰箱、恒溫箱、水浴鍋等);

④對存在安全隱患的實驗室，管理部門發起基于真實場景和真實數據的安全教育和安全演練，在可視化大屏上顯示樓宇內的逃生路徑和應急通道，并調取路徑內所有監控，評測學生面對突發安全事故的應急反應;

⑤利用數字孿生、 AI、大數據、云平臺等技術對數字資產和安全數據進行多維度分析，為實驗室安全管理部門提供科學決策。

文章來源：《實驗技術與管理 》第41卷 第4期

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