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

(揚(yáng)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發揮作用。平臺基礎(chǔ)框架包括物理層即將展開、技術(shù)層估算、數(shù)據(jù)層交流研討、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)的虛擬孿生多樣性，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性能穩定，有效解決危化品全生命周期管理規模、用電回路與大功率電器預(yù)警數字化、氣體鋼瓶監(jiān)測、安全數(shù)字資產(chǎn)加強宣傳、安全數(shù)字統(tǒng)計等問題敢於監督。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)制互動式宣講、可推廣和可規(guī)慕M建；陌l(fā)展模式，開啟高校實驗室安全管理的新生態(tài)結構。

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深入交流研討。揚(yáng)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)用的高校效果較好。揚(yáng)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)行三維建模集聚效應，在此基礎(chǔ)上，配合智能化軟硬件平臺的建設(shè)設施，對上述實驗室的喂濣c；贰⒏邷卦O(shè)備要求、大功率設(shè)備、特種設(shè)備通過活化、實驗室廢棄物等危險源進(jìn)行數(shù)字孿生開發(fā)開放以來，借助物理模型、云傳感器防控、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等技術(shù)組合運用，在虛擬空間完成映射、數(shù)據(jù)采集分析高質量，提供了一種虛實結(jié)合的實驗室安全管理模式研究與應用。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)展方向之一適應性，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)字孿生的雛形概念有效保障，將其稱為“產(chǎn)品全生命周期管理模型"激發創作，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)稍有不慎。從本質(zhì)上說探索，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全面協議，并且在物質(zhì)和數(shù)字雙胞胎之間存在多重相互影響重要作用。

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)險能力帶動產業發展、故障診斷策略工藝技術、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)字建模系統、產(chǎn)品、生產(chǎn)線和數(shù)字孿生車間更加廣闊、故障預(yù)測與健康管理系統性、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)域損耗。

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長遠所需、大智慧校園形式。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)三維全息虛擬教室非常完善。近年來傳遞，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)空間不斷完善、數(shù)字孿生講臺發揮效力、智慧校園、教學(xué)輔助系統(tǒng)勞動精神、智慧圖書館穩定發展、智能實驗室、產(chǎn)學(xué)研合作基地等明顯。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)域的研究更是缺乏更好。

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)碼線程組成基礎上，運作流程涵蓋了建模安全鏈、交流行業分類、推斷、共智等多個步驟增持能力，包含了建模應用領域、AI、虛擬仿真醒悟、云計算深入開展、大數(shù)據(jù)等技術(shù)⌒枨?；跀?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)制性各方面。數(shù)字孿生體就像給實驗室的風(fēng)險源創(chuàng)建了一個副本堅定不移，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占。

(2)實時性技術的開發。通過監(jiān)控、報警器更讓我明白了、傳感器健康發展、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飛躍，能即時地對物理實體的安全狀態(tài)做出判斷堅實基礎、預(yù)測、處理和優(yōu)化大數據。

(3)虛實結(jié)合性前景。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)長效機製，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重要部署、數(shù)字化的管理方法等地、管理過程、管理手段等有更深層次的認(rèn)識數字技術。

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(yáng)州大學(xué)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實驗室安全管理大大提高，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完成的事情，包括物理層、技術(shù)層為產業發展、數(shù)據(jù)層研究成果、應(yīng)用層發展契機、交互層，并確定了各層級的功能機製性梗阻。

(1)物理層講故事。數(shù)字孿生平臺的基礎(chǔ)是物理層，它是平臺創(chuàng)建求索、保存置之不顧、解讀以及使用各種數(shù)據(jù)的載體，包含實驗室各類監(jiān)控性能穩定、報警器試驗、傳感器、二維碼等數字化。

(2)技術(shù)層新格局。技術(shù)層負(fù)責(zé)加工、分析開展攻關合作、處理物理層獲取的數(shù)據(jù)特點，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)情況正常、設(shè)備和用戶的管理技術(shù)等製度保障。

(3)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)主要包括實驗室基本信息各領域、用戶基本信息顯示、安全數(shù)字資產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層的功能是獲取自行開發、儲存模樣、集成大數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生體系提供數(shù)據(jù)支撐處理方法。

(4)應(yīng)用層數據顯示。應(yīng)用層以數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)服務、人工智能為支撐實現，與數(shù)字孿生實驗室安全管理平臺深度融合，為用戶提供闻e行；奉I(lǐng)用、廢液存量和烘箱使用情況上報等具體應(yīng)用功能。

(5)交互層習慣。交互層為用戶提供數(shù)字孿生體的互動服務(wù)記得牢，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)等適應性。

4.2技術(shù)路線

文獻(xiàn)構(gòu)建了一個五維的數(shù)字孿生模型迎難而上，這個模型涵蓋了物理實體有效保障、虛擬模型、服務(wù)更高效、孿生數(shù)據(jù)以及它們之間的聯(lián)系稍有不慎，是廣為接受的模型?；诖嗽O(shè)計了揚(yáng)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）全面協議，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

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(1)物理實體堅持先行。實驗室安全相關(guān)物理對象講實踐、硬件系統(tǒng)。

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

(3)服務(wù)系統(tǒng)的必然要求。集成評估、控制物聯與互聯、優(yōu)化等各類信息系統(tǒng)狀況。

(4)孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動取得了一定進展，包括物理實體(實驗室房間業務、危化品柜有所增加、氣體鋼瓶完善好、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)供給、危險源監(jiān)控管理子系統(tǒng)全過程、實驗室可視化管理平臺)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(5)連接積極參與。將以上四個部分連接起來優勢領先，實現(xiàn)迭代優(yōu)化。

綜上探討，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)(如實驗室名稱新技術、坐落位置、負(fù)責(zé)人基石之一、安全等級等信息)基礎上，確保各系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)實時、一致、準(zhǔn)確保供，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能力建設、智慧化管理，如渭夹g創新；啡芷诘臄?shù)字化管理，高壓滅菌器進行部署、鋼瓶等特種設(shè)備的使用和數(shù)字化管理生產體系，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)行歸納整合重要作用，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)警高質量。

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、智慧用電模塊很重要、專用服務(wù)器、智能門禁、電子班牌保護好、網(wǎng)關(guān)等)外能力和水平，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)充足、實驗室可視化管理平臺三個軟件系統(tǒng)註入了新的力量。

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)異常狀況，使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對實驗室樓宇和房間進(jìn)行3D建模說服力，構(gòu)建起數(shù)字孿生體。主要字段包含實驗室編號更多可能性、坐落位置(國資處房產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù))深刻變革、用途(教學(xué)、科研)分析、面積至關重要、責(zé)任人、危險源(類型及數(shù)量)、實驗項目等集聚。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)庫大大提高。在此基礎(chǔ)上新的動力，構(gòu)建實驗室新建、拆分調整推進、合并為產業發展、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"制度穩定，解決實驗室基礎(chǔ)信息滯后的問題機製性梗阻，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)廣泛關註，對危險源進(jìn)行實時智慧化管理改造層面，自動上報風(fēng)險預(yù)警。對學(xué)校實驗室內(nèi)的胃黜椧?；反竺娣e、氣體鋼瓶，以及高壓滅菌鍋優勢與挑戰、高溫設(shè)備等進(jìn)行線上智能管理集成應用，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)送報警問題分析，由設(shè)備處相關(guān)科室或?qū)嶒炇夜芾韱T進(jìn)一步處置迎來新的篇章。

(1)危化品管理模塊不負眾望。對國家管控類的喂餐瑢W習；穼嵭腥芷诘男畔⒒芾恚诓少徃纳?、入庫、出庫到使用、廢棄處置等環(huán)節(jié)推廣開來，在系統(tǒng)上可實時查看慰瞻讌^；穫}庫的庫存和進(jìn)出庫情況，實驗室的蚊芏仍黾?；贩N類和庫存應用優勢，廢棄物產(chǎn)生及處置的流程等。當(dāng)某類呜熑?；窋?shù)量超出存放閾值時服務，會自動報警。

(2)特種設(shè)備和高溫設(shè)備管理模塊持續向好。對特種設(shè)備進(jìn)行線上備案舉行，實時查看特種設(shè)備的檢驗情況。通過部署智能插座不容忽視、ZigBee網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控探頭等自動化監(jiān)控高溫設(shè)備的運行情況習慣，實現(xiàn)故障時自動報警、自動處置組建。使用者每次使用上述設(shè)備設(shè)施時覆蓋，須掃描設(shè)備二維碼進(jìn)行使用登記服務體系，后臺可實時查閱使用情況。

(3)氣體鋼瓶管理模塊重要的作用。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)庫對接特點，后臺實時查看鋼瓶編號、種類搶抓機遇、檢驗時間綠色化發展，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)字孿生模型相互配合，對實驗室的開放情況統籌發展、人員準(zhǔn)入情況、危險源等進(jìn)行可視化管控積極回應。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)深化涉外，將實驗室內(nèi)的危險源復(fù)制到實驗室3D模型中全會精神，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）又進了一步。

圖 2 動態(tài)實驗室安全數(shù)據(jù)可視化平臺

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在實驗室安全考試系統(tǒng)基礎(chǔ)上智能化，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)的實驗室開展實驗拓展基地。實驗室內(nèi)配置門禁系統(tǒng)和人臉識別攝像頭綜合措施，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)送報警處理。

結(jié)合客流量統(tǒng)計攝像機(jī)攜手共進，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)對接完善好，在3D模型中查看大型儀器設(shè)備的運行情況促進進步，并可進(jìn)行報表分析。

5 建設(shè)規(guī)劃

揚(yáng)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)院全過程、學(xué)科基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺試運行更高要求。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優勢領先，通過試運行經驗分享，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)備或單回路的電壓新技術、電流培養、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)創造，能自動識別大功率設(shè)備上線工作使用，自動剔除未注冊設(shè)備。配合紅外熱成像攝像機(jī)，實現(xiàn)對高溫不難發現、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)荷合規意識、線溫過高、設(shè)備表面溫度超過閾值等)推動，已初步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)協調機製，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有效性，在微信小程序登記廢液種類高質量發展、投放人，實現(xiàn)廢液的信息化管理形勢。同時攻堅克難，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高效節能、自動預(yù)約回收相關，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基地，降低安全風(fēng)險影響力範圍。

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)打通約定管轄，但是在部分應(yīng)用場景中仍然存在不兼容問題異常狀況。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)的積極性，并帶入身份信息更多可能性、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)"工程重要意義。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(未穿實驗服問題、未佩戴防護(hù)用具、未關(guān)閉試劑柜柜門效率、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(如小太陽取暖器十大行動、熱水壺重要性、卷發(fā)棒等)，精準(zhǔn)識別非入侵設(shè)備(烘箱體系、滅菌鍋系統穩定性、冰箱、恒溫箱多種場景、水浴鍋等);

④對存在安全隱患的實驗室科技實力，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開展試點，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)控可靠保障，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)字孿生規劃、 AI、大數(shù)據(jù)共同、云平臺等技術(shù)對數(shù)字資產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析發展，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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