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

(揚州大學(xué))

摘 要:該文介紹了基于數(shù)字孿生技術(shù)的實驗室安全管理智慧平臺。平臺基礎(chǔ)框架包括物理層、技術(shù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和交互層，實現(xiàn)實驗室安全相關(guān)物理實體和硬件系統(tǒng)的虛擬孿生，并以實驗室安全大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展虛擬仿真安全管理，有效解決危化品全生命周期管理、用電回路與大功率電器預(yù)警、氣體鋼瓶監(jiān)測、安全數(shù)字資產(chǎn)、安全數(shù)字統(tǒng)計等問題。數(shù)字孿生技術(shù)將推動高校實驗室管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，探索可復(fù)制、可推廣和可規(guī)模化的發(fā)展模式，開啟高校實驗室安全管理的新生態(tài)。

關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生;實驗室安全管理;虛擬仿真;數(shù)字轉(zhuǎn)型

中圖分類號:G482;X923;TP301.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1002-4956(2024)04-0222-06

數(shù)字孿生是在虛擬環(huán)境中創(chuàng)造出和現(xiàn)實運行環(huán)境一致的雙胞胎系統(tǒng),數(shù)字孿生是一種實時仿真的模型。揚州大學(xué)近年來探索將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實驗室安全管理，是國內(nèi)較早開展相關(guān)研究和應(yīng)用的高校。揚州大學(xué)數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺對全校的中高風(fēng)險等級實驗室所在樓宇及周邊環(huán)境進(jìn)行三維建模，在此基礎(chǔ)上，配合智能化軟硬件平臺的建設(shè)，對上述實驗室的危化品、高溫設(shè)備、大功率設(shè)備、特種設(shè)備、實驗室廢棄物等危險源進(jìn)行數(shù)字孿生開發(fā)，借助物理模型、云傳感器、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，在虛擬空間完成映射、數(shù)據(jù)采集分析，提供了一種虛實結(jié)合的實驗室安全管理模式。依托數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺是未來的發(fā)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(shù)字化轉(zhuǎn)型的建設(shè)和發(fā)展提供參考。

1 數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀

美國密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫教授于2003年提出數(shù)字孿生的雛形概念，將其稱為“產(chǎn)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(jìn)太空技術(shù)研究;2011年NASA聯(lián)合美國空軍研究實驗室(AFR)將其列為驅(qū)動未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，并正式命名為數(shù)字孿生(Digital Twin)。從本質(zhì)上說，數(shù)字孿生代表了一種將物質(zhì)事件轉(zhuǎn)化為數(shù)碼形式的模式，它能夠再現(xiàn)事件在真實世界里的情況，并且在物質(zhì)和數(shù)字雙胞胎之間存在多重相互影響。

國外學(xué)者對數(shù)字孿生的研究主要集中在數(shù)字孿生的定義、生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗風(fēng)險能力、故障診斷策略、仿真系統(tǒng)的應(yīng)用等。國內(nèi)學(xué)者對數(shù)字孿生的概念、數(shù)字建模、產(chǎn)品、生產(chǎn)線和數(shù)字孿生車間、故障預(yù)測與健康管理、應(yīng)用環(huán)境及相關(guān)規(guī)范等進(jìn)行了深入研究。當(dāng)前對數(shù)字孿生的探索主要集中于理論構(gòu)造、核心科技及產(chǎn)業(yè)實踐等領(lǐng)域。

2 數(shù)字孿生在高校的運用

目前，高校對數(shù)字孿生技術(shù)的運用多集中在智慧教育、大智慧校園。文獻(xiàn)提出一種基于RFID和傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)測師生課堂表現(xiàn)和出勤率;文獻(xiàn)提出利用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)三維全息虛擬教室。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)在高校的應(yīng)用逐步擴(kuò)展到其他場景，如數(shù)字孿生智慧學(xué)習(xí)空間、數(shù)字孿生講臺、智慧校園、教學(xué)輔助系統(tǒng)、智慧圖書館、智能實驗室、產(chǎn)學(xué)研合作基地等。但是數(shù)字孿生技術(shù)在高校的運用遠(yuǎn)不如工業(yè)產(chǎn)業(yè)界,對于數(shù)字孿生技術(shù)在高校實驗室安全管理領(lǐng)域的研究更是缺乏。

3 數(shù)字孿生應(yīng)用于高校實驗室安全的優(yōu)勢

數(shù)字孿生由物質(zhì)元素、數(shù)碼映射以及相互作用的數(shù)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(shù)據(jù)等技術(shù)。基于數(shù)字孿生技術(shù)以下三點優(yōu)勢，可以解決高校實驗室安全管理的難題。

(1)復(fù)制性。數(shù)字孿生體就像給實驗室的風(fēng)險源創(chuàng)建了一個副本，通過采集物理實體數(shù)據(jù)復(fù)制了一個虛擬數(shù)字化模型，實驗室實體的數(shù)字模型便于管理員觀察和操作。

(2)實時性。通過監(jiān)控、報警器、傳感器、二維碼等方式獲取和分析數(shù)據(jù)，數(shù)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(tài)做出判斷、預(yù)測、處理和優(yōu)化。

(3)虛實結(jié)合性。基于實物的研究方法需要實際的設(shè)備和場地，而數(shù)字孿生通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將實驗室安全管理從傳統(tǒng)的物理空間解放出來，由此可對高校實驗室安全智慧化、數(shù)字化的管理方法、管理過程、管理手段等有更深層次的認(rèn)識。

4 數(shù)字孿生技術(shù)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(xué)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實驗室安全管理，設(shè)計了數(shù)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(shù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、交互層，并確定了各層級的功能。

(1)物理層。數(shù)字孿生平臺的基礎(chǔ)是物理層，它是平臺創(chuàng)建、保存、解讀以及使用各種數(shù)據(jù)的載體，包含實驗室各類監(jiān)控、報警器、傳感器、二維碼等。

(2)技術(shù)層。技術(shù)層負(fù)責(zé)加工、分析、處理物理層獲取的數(shù)據(jù)，在物理層的基礎(chǔ)上構(gòu)建實驗室安全管理基礎(chǔ)設(shè)施，包括虛實融合的處理技術(shù)、設(shè)備和用戶的管理技術(shù)等。

(3)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)主要包括實驗室基本信息、用戶基本信息、安全數(shù)字資產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層的功能是獲取、儲存、集成大數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生體系提供數(shù)據(jù)支撐。

(4)應(yīng)用層。應(yīng)用層以數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能為支撐，與數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺深度融合，為用戶提供危化品領(lǐng)用、廢液存量和烘箱使用情況上報等具體應(yīng)用功能。

(5)交互層。交互層為用戶提供數(shù)字孿生體的互動服務(wù)，如虛擬仿真實驗室安全應(yīng)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(shè)備)等。

4.2技術(shù)路線

文獻(xiàn)構(gòu)建了一個五維的數(shù)字孿生模型，這個模型涵蓋了物理實體、虛擬模型、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及它們之間的聯(lián)系，是廣為接受的模型。基于此設(shè)計了揚州大學(xué)數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺的技術(shù)路線（圖1），該技術(shù)路線包含了實驗室安全相關(guān)的五維模型。

圖1 數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺技術(shù)路線圖

編輯搜圖

(1)物理實體。實驗室安全相關(guān)物理對象、硬件系統(tǒng)。

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

(3)服務(wù)系統(tǒng)。集成評估、控制、優(yōu)化等各類信息系統(tǒng)。

(4)孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動，包括物理實體(實驗室房間、危化品柜、氣體鋼瓶、高溫高壓高速設(shè)備等)和與之對應(yīng)的虛擬模型，以及服務(wù)系統(tǒng)(實驗室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、危險源監(jiān)控管理子系統(tǒng)、實驗室可視化管理平臺)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(5)連接。將以上四個部分連接起來，實現(xiàn)迭代優(yōu)化。

綜上，數(shù)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(tǒng)已有的數(shù)據(jù)(如實驗室名稱、坐落位置、負(fù)責(zé)人、安全等級等信息)，確保各系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)實時、一致、準(zhǔn)確，讓業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的作用;②對實驗室危險源實施信息化、智慧化管理，如危化品全生命周期的數(shù)字化管理，高壓滅菌器、鋼瓶等特種設(shè)備的使用和數(shù)字化管理，大功率設(shè)備的用電安全、溫度監(jiān)控管理等;③對現(xiàn)有系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整合，傳輸?shù)娇梢暬到y(tǒng)并在大屏終端顯示,實現(xiàn)實驗室安全管理相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢和預(yù)警。

4.3 軟件系統(tǒng)

數(shù)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(wù)器、智能門禁、電子班牌、網(wǎng)關(guān)等)外，還包括實驗室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、危險源監(jiān)控管理子系統(tǒng)、實驗室可視化管理平臺三個軟件系統(tǒng)。

4.3.1 實驗室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

通過前期調(diào)研和實驗室安全檢查,形成全校教學(xué)、科研實驗室的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對實驗室樓宇和房間進(jìn)行3D建模，構(gòu)建起數(shù)字孿生體。主要字段包含實驗室編號、坐落位置(國資處房產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù))、用途(教學(xué)、科研)、面積、責(zé)任人、危險源(類型及數(shù)量)、實驗項目等。將此數(shù)據(jù)庫與其他數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或應(yīng)用系統(tǒng)對接，作為全校實驗室相關(guān)管理工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)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(zhǔn)建、準(zhǔn)運"制度，解決實驗室基礎(chǔ)信息滯后的問題，確保實驗室安全運行。

4.3.2 危險源監(jiān)控管理子系統(tǒng)

構(gòu)建軟硬件結(jié)合的實驗室風(fēng)險源智能監(jiān)控系統(tǒng)，對危險源進(jìn)行實時智慧化管理，自動上報風(fēng)險預(yù)警。對學(xué)校實驗室內(nèi)的危化品、氣體鋼瓶，以及高壓滅菌鍋、高溫設(shè)備等進(jìn)行線上智能管理，當(dāng)這些設(shè)施/設(shè)備運行指標(biāo)超出所設(shè)定的閾值，自動向可視化系統(tǒng)前臺和管理員手機(jī)端發(fā)送報警，由設(shè)備處相關(guān)科室或?qū)嶒炇夜芾韱T進(jìn)一步處置。

(1)危化品管理模塊。對國家管控類的危化品實行全生命周期的信息化管理，基于采購、入庫、出庫到使用、廢棄處置等環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)上可實時查看危化品倉庫的庫存和進(jìn)出庫情況，實驗室的危化品種類和庫存，廢棄物產(chǎn)生及處置的流程等。當(dāng)某類危化品數(shù)量超出存放閾值時，會自動報警。

(2)特種設(shè)備和高溫設(shè)備管理模塊。對特種設(shè)備進(jìn)行線上備案，實時查看特種設(shè)備的檢驗情況。通過部署智能插座、ZigBee網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控探頭等自動化監(jiān)控高溫設(shè)備的運行情況，實現(xiàn)故障時自動報警、自動處置。使用者每次使用上述設(shè)備設(shè)施時，須掃描設(shè)備二維碼進(jìn)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(jìn)行線上管理,與江蘇省氣體鋼瓶檢測中心數(shù)據(jù)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(gòu)建重點管控樓宇及其內(nèi)部實驗室的數(shù)字孿生模型，對實驗室的開放情況、人員準(zhǔn)入情況、危險源等進(jìn)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(nèi)部房間進(jìn)行3D建模，利用數(shù)字孿生技術(shù)，將實驗室內(nèi)的危險源復(fù)制到實驗室3D模型中，實時查看危險源的運行情況，實現(xiàn)對風(fēng)險源的可視化管理（圖 2）。

圖 2 動態(tài)實驗室安全數(shù)據(jù)可視化平臺

編輯搜圖

在實驗室安全考試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建實驗室人員準(zhǔn)入制度，只有通過考核才能進(jìn)入相應(yīng)的實驗室開展實驗。實驗室內(nèi)配置門禁系統(tǒng)和人臉識別攝像頭，可智能識別人員信息，當(dāng)未授權(quán)人員進(jìn)入實驗室時發(fā)送報警。

結(jié)合客流量統(tǒng)計攝像機(jī)，查看實驗室的開放情況(尤其是教學(xué)實驗室和自主創(chuàng)新實驗室),以便更科學(xué)準(zhǔn)確地開展實驗室建設(shè)的績效評估。與大型儀器共享平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，在3D模型中查看大型儀器設(shè)備的運行情況，并可進(jìn)行報表分析。

5 建設(shè)規(guī)劃

揚州大學(xué)數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺已在化學(xué)化工學(xué)院、學(xué)科基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺試運行。2023年建設(shè)任務(wù)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(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生平臺的對接，可對單臺高功率設(shè)備或單回路的電壓、電流、功率和線溫進(jìn)行實時監(jiān)控，通過AI學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，能自動識別大功率設(shè)備上線工作，自動剔除未注冊設(shè)備。配合紅外熱成像攝像機(jī)，實現(xiàn)對高溫、大功率設(shè)備的安全風(fēng)險預(yù)警和事故回溯(如功率超負(fù)荷、線溫過高、設(shè)備表面溫度超過閾值等)，已初步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，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(xué)化工學(xué)院和學(xué)科基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺開展試點工作:使用智能秤(LoRa或IoT)精準(zhǔn)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(xiàn)廢液的信息化管理。同時，對接廢液處理企業(yè)的信息化系統(tǒng)，超過閾值自動上報廢液重量、自動預(yù)約回收，提高廢液處理效率。系統(tǒng)可實時展示實驗室各類廢液的暫存量，降低安全風(fēng)險。

現(xiàn)有的系統(tǒng)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了統(tǒng)一身份認(rèn)證登錄，系統(tǒng)之間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已經(jīng)打通，但是在部分應(yīng)用場景中仍然存在不兼容問題。因此需要建設(shè)可視化的應(yīng)用導(dǎo)航系統(tǒng):

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(yè)務(wù)系統(tǒng)，并帶入身份信息、房間信息和實驗室信息;

二是構(gòu)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(dǎo)查看實驗室孿生體相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài);

三是實施實驗室建設(shè)與運行管理的“一張網(wǎng)"工程。進(jìn)一步擴(kuò)展平臺功能:

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

②實驗室監(jiān)控按照權(quán)限接入對應(yīng)的老師和安全員的手機(jī)端，實時查看實驗室安全狀況;

③檢測用電回路中的入侵設(shè)備(如小太陽取暖器、熱水壺、卷發(fā)棒等)，精準(zhǔn)識別非入侵設(shè)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(fā)起基于真實場景和真實數(shù)據(jù)的安全教育和安全演練，在可視化大屏上顯示樓宇內(nèi)的逃生路徑和應(yīng)急通道，并調(diào)取路徑內(nèi)所有監(jiān)控，評測學(xué)生面對突發(fā)安全事故的應(yīng)急反應(yīng);

⑤利用數(shù)字孿生、 AI、大數(shù)據(jù)、云平臺等技術(shù)對數(shù)字資產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析，為實驗室安全管理部門提供科學(xué)決策。

文章來源：《實驗技術(shù)與管理 》第41卷 第4期

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