張惠芹，章小衛(wèi)，杜 坤，李 江

（揚州大學(xué)a.實驗室與設(shè)備管理處；b.科技處，江蘇揚州 225009）

0 引言

實驗室是高校開展教學(xué)和科研的重要場所，也是高校綜合實力的重要體現(xiàn)。近年來，高校實驗室安全事故時有發(fā)生，給學(xué)校及社會造成不良影響，實驗室安全問題已成為社會關(guān)注的焦點。教育部《高等學(xué)校實驗室安全檢查項目表（2022 年）》明確指出：危險性實驗（如高溫、高壓、高速運轉(zhuǎn)等）時必須有兩人在場；烘箱、電阻爐等高溫設(shè)備須制定安全操作規(guī)程，溫度較高的實驗需有人值守或有實時監(jiān)控措施等。但在實際工作中，由于部分師生安全意識淡薄、違規(guī)操作、實驗室線路老化等因素，常會導(dǎo)致實驗室發(fā)生火災(zāi)類安全事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，高校實驗室燃燒爆炸類安全事故占68%，其中80%來自科研實驗室。同時，高校的事業(yè)發(fā)展以及疫情常態(tài)化管理等因素，給實驗室安全管理工作帶來新挑戰(zhàn)。得益于新一代信息技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)信息系統(tǒng)的推動，數(shù)字孿生技術(shù)正逐漸向各個行業(yè)拓展應(yīng)用。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者從多角度對基于數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用進行了研究，但涉及高校實驗室安全管理的研究還很少。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建實驗室高溫設(shè)備安全管理的動態(tài)模型，探討實現(xiàn)實驗室安全風(fēng)險源智能化監(jiān)管的新途徑。

1 數(shù)字孿生與高校實驗室高溫設(shè)備智能化監(jiān)管體系耦合度分析

數(shù)字孿生也稱為數(shù)字鏡像、映射，也可以理解為現(xiàn)實世界中的物理實體的數(shù)字“克隆體”或“影子”，是以物理模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多學(xué)科、多尺度、多物理量等耦合仿真方法，完成現(xiàn)實世界的物理實體精準映射到虛擬世界中的鏡像數(shù)字體（孿生體，數(shù)字化模型），形成物理維度的實體世界與信息維度的數(shù)字世界協(xié)同共存、虛實交融的場景，簡稱“會思考的影子”。數(shù)字孿生技術(shù)從早期用于構(gòu)建未來飛行器，在虛擬空間建立飛行器模型，并利用傳感器與真實飛行器實時同步來計算飛行器的載荷和飛行能力，到城市管理、智慧醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，通過可視化技術(shù)便捷地認知和管理現(xiàn)實世界物理實體以及關(guān)聯(lián)。數(shù)字孿生系統(tǒng)主要由實體、數(shù)據(jù)、服務(wù)和連接組成，其數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，其中服務(wù)系統(tǒng)主要包含數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用過程中所涉及各類模型、算法、數(shù)據(jù)等封裝，以工具組件、模塊、微服務(wù)等呈現(xiàn)，支撐數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)功能性服務(wù)［1-3］。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

如果想對整幢實驗樓宇建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，需要對樓宇、走廊、實驗室、實驗臺、實驗設(shè)備、人物等所有要素進行數(shù)字化建模。高校實驗室常用的高溫設(shè)備主要包括烘箱、馬弗爐、高溫管式爐、培養(yǎng)箱等。需要重點監(jiān)管的主要內(nèi)容包括電源負荷、設(shè)備主體、測溫單元、設(shè)備周邊環(huán)境以及實驗過程中學(xué)生的實驗行為。這些都需要在對設(shè)備及人物進行充分了解后，搭建一套基于真實場景實驗室的虛擬場景，對實驗室、設(shè)備及人物等進行3D建模，將3D模型放置到線上虛擬場景內(nèi)，實現(xiàn)真實實驗場景和虛擬實驗場景一一對應(yīng)，也就是設(shè)備需要同步。

實驗室的真實設(shè)備通過智能空開、傳感器和PLC等使設(shè)備實現(xiàn)既定的動作。通過采集各類數(shù)據(jù)，驅(qū)動虛擬系統(tǒng)里的設(shè)備，進行同樣的既定動作，就能夠?qū)崿F(xiàn)真實設(shè)備與虛擬設(shè)備的實時聯(lián)動，從而對實驗室設(shè)備特別是高溫設(shè)備進行實時監(jiān)控。除設(shè)備數(shù)據(jù)外，還需要安裝攝像頭、傳感器等其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以實現(xiàn)對實驗室更多數(shù)據(jù)的采集，如設(shè)備溫度、電流、電壓和視頻、音頻等運行過程中產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備位置數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、人員位置數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)也需要同步到系統(tǒng)中，也就是數(shù)據(jù)同步。

經(jīng)過充分調(diào)研及實地考察，將高校實驗室及其具有安全隱患的高溫設(shè)備進行數(shù)字孿生，其耦合度與投入成正比，是可以實現(xiàn)的，也是實驗室智能化管理的趨勢。

2 基于數(shù)字孿生的高校實驗室高溫設(shè)備智能化監(jiān)管體系的功能需求

有了對實驗室和高溫設(shè)備高度仿真的三維建模，將三維建模接入實驗室的實時數(shù)據(jù)后，教師或安全督導(dǎo)等人員在監(jiān)控室、電腦或移動端，就可以看到虛擬的實驗室，并能實時了解真實實驗室的工作狀態(tài)。通過虛擬實驗室的數(shù)字空間信息，能夠達到實時監(jiān)控的效果，要求主要功能包括：

（1）設(shè)備管理。整個實驗室的運行狀況可一目了然，哪幾臺設(shè)備處于疲勞運轉(zhuǎn)狀態(tài)、即將達到閾值或經(jīng)常處于閑置狀態(tài)，哪個烘箱的加熱管溫度超標(biāo)，哪個高溫設(shè)備的高溫油泵負載超標(biāo)、溫度感應(yīng)器失靈，高溫設(shè)備周邊是否有易燃物、警示標(biāo)識、安全操作規(guī)程、消防設(shè)施等；這些數(shù)據(jù)應(yīng)能進行實時分析，準確預(yù)判設(shè)備的運行狀態(tài)，系統(tǒng)將有問題的部位通過3D 可視化手段直觀呈現(xiàn)，方便管理人員排查隱患。

（2）運維管理。實驗指導(dǎo)老師或?qū)嶒炇夜芾砣藛T可以直觀看到實驗室各種設(shè)備的工作狀態(tài)報告，數(shù)字孿生后的實驗室，可以清晰地列出每臺設(shè)備使用情況、共享率、折舊情況以及實驗課程安排情況等，可大大提高實驗室管理效能，實現(xiàn)高效的運維管理。

（3）能源管理。系統(tǒng)可整合出整個實驗室的實驗消耗，如試劑瓶、化學(xué)試劑等耗材消耗，水電氣等能源消耗，污水廢氣粉塵等污染物排放，形成損耗和排放的綜合數(shù)據(jù)分析報告，使實驗指導(dǎo)老師和管理人員對實驗室和實驗耗材及能源等成本一目了然。

（4）人員管理。孿生的實驗室可以直觀定位并看到實驗室內(nèi)師生是否在實驗室按照既定的實驗流程開展實驗、實驗效率如何、設(shè)備工作時間、實驗步驟是否合規(guī)、實驗行為是否合規(guī)、是否有未經(jīng)準入培訓(xùn)的人員非法闖入未被授權(quán)的區(qū)域等，可通過可視化監(jiān)控對講進行實時管理。

（5）實驗室資源的統(tǒng)籌安排。根據(jù)輸入到系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)能提前預(yù)判實驗室后階段實驗設(shè)備預(yù)約和使用情況，并能隨著系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，可以預(yù)判實驗室一天產(chǎn)能所需的耗材清單，預(yù)判出一周、半個月或一個月的實驗量，幫助實驗室管理人員和指導(dǎo)老師進行實驗室資源的統(tǒng)籌安排。

3 基于數(shù)字孿生的高校實驗室高溫設(shè)備智能化監(jiān)管體系設(shè)計

鑒于以上耦合度分析和功能需求，為實現(xiàn)與實驗室高溫設(shè)備同步和數(shù)據(jù)同步的要求，設(shè)計基于數(shù)字孿生的高校實驗室高溫設(shè)備智能化監(jiān)管系統(tǒng)由感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層架構(gòu)組成（見圖2），實現(xiàn)高溫設(shè)備數(shù)字孿生體系的數(shù)據(jù)采集／融合、傳輸與建模仿真、功能交互等過程。

圖2 基于數(shù)字孿生的高校實驗室高溫設(shè)備智能化監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

其中，①感知層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)的來源，主要通過對風(fēng)險源部署異構(gòu)傳感器以獲取多源實時數(shù)據(jù)，并加以預(yù)處理，包括設(shè)備信息采集、人體行為感知、設(shè)備信息感知、設(shè)備狀態(tài)感知和環(huán)境感知等，感知層硬件結(jié)構(gòu)主要由各類傳感器、儀器儀表、現(xiàn)場控制系統(tǒng)、移動終端、設(shè)備標(biāo)簽、上位機和各類執(zhí)行單元組成。實驗室開放過程中，通過高溫設(shè)備附近的各類數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，將信號發(fā)送到上位機，上位機接受參數(shù)和指令，按照既定的要求完成分析、存儲、決策等功能，實現(xiàn)實時監(jiān)控高溫設(shè)備的運行狀態(tài)和人員操作情況的監(jiān)管，通過人機交互，實現(xiàn)各類監(jiān)管數(shù)據(jù)的可視化和實時交互功能。②傳輸層通過各種通信協(xié)議，如：Zigbee、Wifi、4／5G、485、232 等，將多品牌、多接口及多協(xié)議的設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。③服務(wù)層負責(zé)對感知層數(shù)據(jù)進行虛擬映射，構(gòu)建面向真實物理實體高仿真映射的虛擬仿真環(huán)境，實現(xiàn)物理設(shè)備與虛擬設(shè)備同步映射，并封裝各類算法、模型等［4-5］。④應(yīng)用層基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬設(shè)備，實現(xiàn)對高溫設(shè)備資源的三維可視化導(dǎo)航以及物理動作的仿真和實時監(jiān)控，在三維模型上顯示、分析和管理實驗室高溫設(shè)備狀態(tài)信息、參數(shù)、故障的管理診斷信息等，形成面向高校實驗室高溫設(shè)備的虛擬監(jiān)控平臺，實現(xiàn)透明化運行、故障問題重現(xiàn)與仿真，滿足實驗室管理者對高溫設(shè)備的追溯分析、實時監(jiān)控和故障診斷等需求。［6-7］

4 基于數(shù)字孿生的實驗室高溫設(shè)備智能化監(jiān)管的探索與實現(xiàn)

通過數(shù)字孿生建立的監(jiān)控體系，實現(xiàn)其可視化仿真模型，分析設(shè)備運行狀態(tài)和人員操作行為的動態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)動態(tài)監(jiān)控、自我運算及預(yù)判提醒和對人員進出及實驗行為的監(jiān)管等功能。也可實現(xiàn)高溫設(shè)備報廢提醒及年檢提醒功能，實現(xiàn)對高溫設(shè)備定位監(jiān)管、設(shè)備周邊安全警示及防護設(shè)備巡檢，達到實驗室狀態(tài)可視、實驗室安全可控、師生安全行為可管的目標(biāo)。

4.1 實驗室狀態(tài)可視

在實驗室及重點監(jiān)管的高溫設(shè)備安裝視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等硬件設(shè)備，以便實時采集與傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，完成涵蓋實驗室概況、線路引導(dǎo)、當(dāng)前位置、資訊發(fā)布、呼叫中心等功能的監(jiān)控可見、資產(chǎn)可視的基于GIS 的實驗室三維實體模型（見圖3～5）；對設(shè)備加裝溫度、電力、環(huán)境監(jiān)測等傳感器、呼叫器等硬件設(shè)備，完成設(shè)備運行狀態(tài)可見、安全態(tài)勢可見、實驗室環(huán)境狀態(tài)可見、能效狀況可見的智能化數(shù)據(jù)圖譜（見圖6）；在實驗室加裝紅外感應(yīng)裝置，實現(xiàn)人員熱力可見的智能化監(jiān)管方式。通過虛擬仿真與實時的交互，實現(xiàn)“數(shù)字化”實驗室管理的目標(biāo)。

圖3 校區(qū)三維模型圖

圖4 樓宇三維模型

圖5 烘箱數(shù)字孿生場景

圖6 烘箱運行數(shù)據(jù)

4.2 實驗室安全風(fēng)險源可控

（1）設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測。設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測前提是做好動態(tài)數(shù)據(jù)的孿生，這是實現(xiàn)實時映射的關(guān)鍵部分。在高溫設(shè)備使用環(huán)節(jié)中，通過安裝不同的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測相關(guān)的溫度、壓力、氣體濃度等參數(shù)。①設(shè)備運行故障排除。當(dāng)因人、機誤操作或設(shè)備故障引起某項指標(biāo)出現(xiàn)異常時，監(jiān)測控制系統(tǒng)啟動相應(yīng)的裝置工作，并自動向平臺發(fā)出預(yù)警信號，實現(xiàn)各類監(jiān)管數(shù)據(jù)的可視化。第1 關(guān)：預(yù)警，暴露可能出現(xiàn)的事故隱患，防患于未然，如與智能空開的日常數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)異常即預(yù)警。第2 關(guān)：達到閾值，自動斷路（智能空開的應(yīng)急響應(yīng)，可能在事故苗頭的前后時期）。第3 關(guān)：紅外檢測，事故發(fā)生初期的應(yīng)急響應(yīng)，防止事故進一步擴大（對實驗室空間進行紅外特征掃描，實驗室內(nèi)部溫度超過設(shè)定閾值即報警）［8-10］。②設(shè)備運行情況預(yù)判。對實驗室及高溫設(shè)備的運行情況進行可視化實時監(jiān)管不只是對高溫設(shè)備的單項映射，也可在不斷積累實時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，推理設(shè)備運行規(guī)律并演化實驗過程，實現(xiàn)耗能預(yù)測、智能分析、智能診斷、安全預(yù)警和設(shè)備管理等功能。③設(shè)備日常維護提醒。系統(tǒng)建立時將孿生的監(jiān)管系統(tǒng)與現(xiàn)有的“國有資產(chǎn)管理系統(tǒng)”對接，從中抓取高溫設(shè)備的名稱、設(shè)備編號、投用時間、生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號、功率、服役年限、檢驗周期等信息，程序設(shè)計思路：當(dāng)高溫設(shè)備的報廢年限或年檢時間等其中某項指標(biāo)到達預(yù)設(shè)閾值或出現(xiàn)異常時，通過平臺直接向設(shè)備安全負責(zé)人、學(xué)院分管領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)校職能部門發(fā)送提醒信息。超期服役、逾期不檢驗或檢查過程中發(fā)現(xiàn)問題整改不到位的設(shè)備，可直接通過平臺控制高溫設(shè)備的電源智能開關(guān)，遠程關(guān)閉高溫設(shè)備電源供應(yīng)按鈕［11-12］。同時在可視化平臺上用異色標(biāo)注正常使用、預(yù)警和關(guān)停設(shè)備的不同狀態(tài)。④設(shè)備自我維護。將設(shè)備維護或體檢的數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，還可以根據(jù)數(shù)字孿生的計算，提出相應(yīng)的使用建議，延長設(shè)備的使用壽命，提升使用效能［13-15］。

（2）運行區(qū)域監(jiān)管。將高溫設(shè)備貼上射頻（RFID）標(biāo)簽以實現(xiàn)智能化識別和規(guī)范化管理。同時通過加裝傳感器等方式給高溫設(shè)備在實驗室劃定使用區(qū)域，方便孿生出高溫設(shè)備所在樓宇實驗具體位置。當(dāng)有師生未經(jīng)審批隨意將高溫設(shè)備移出指定區(qū)域時，傳感器感應(yīng)到信號傳輸給系統(tǒng)，系統(tǒng)將會發(fā)出預(yù)警信號［16］。

（3）實驗室安全視頻識別。通過加裝多個視頻監(jiān)控，全方位記錄高溫設(shè)備。主要利用視頻監(jiān)控設(shè)備智能識別高溫設(shè)備附近是否按要求配備相應(yīng)的防護設(shè)施，配置現(xiàn)場急救用品和消防設(shè)施以及操作規(guī)程等。

（4）實驗事件上報、處置和回溯及應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急指揮。實驗室內(nèi)產(chǎn)生的人員進出、設(shè)備操作、設(shè)備報錯、設(shè)備運行狀況等數(shù)據(jù)在孿生狀態(tài)中全部留痕，并主動上報和及時自主處置，均能實現(xiàn)事件回溯。在實驗室出現(xiàn)緊急情況時，孿生實驗室可根據(jù)設(shè)備運行和人員熱力情況出具科學(xué)有效的應(yīng)急方案并能進行科學(xué)有效的現(xiàn)場應(yīng)急指揮。

4.3 師生安全行為可管

（1）人員進出的智能管控。將實驗室安全考試系統(tǒng)與監(jiān)管平臺連接，實時比對操作人員的安全基本知識的培訓(xùn)及考試結(jié)果，考核通過者可獲取操作授權(quán)和啟用設(shè)備。結(jié)合實驗室資源情況和實驗人數(shù)智能診斷人員進入量，決策通行權(quán)限。

（2）實驗行為的智能管理。利用智能化監(jiān)控系統(tǒng)收集學(xué)生實驗行為和設(shè)備運行數(shù)據(jù)并做好分析、研判、提醒和上報。當(dāng)學(xué)生不按照操作規(guī)程，如高溫設(shè)備運行時無人值守、開展危險實驗時在場人員不足2 人、設(shè)備運行時間過長、學(xué)生實驗操作不規(guī)范等違規(guī)行為時進行智能診斷并提供語音提示、啟動報警裝置和暫停實驗裝置等決策支撐，同時做好事件上報和處置工作。

5 結(jié)語和展望

實驗室內(nèi)的烘箱、電阻爐等高溫設(shè)備可看成一個個“純生命體”，他們往往因操作人員、實驗環(huán)境、使用年限等差異導(dǎo)致其在每時每刻的性能參數(shù)都在變化，因此數(shù)字孿生的實驗室高溫設(shè)備需要龐大的數(shù)據(jù)支撐方可實現(xiàn)精準預(yù)測、研判和智能化管控。本文基于數(shù)字孿生在實驗室高溫設(shè)備的智能管理開展初步研究，目前已在學(xué)校部分樓宇的一級實驗室通過數(shù)字孿生監(jiān)控實驗室內(nèi)高溫設(shè)備的溫度、電流、功率，以及通過捕捉與分析實驗人員、實驗行為和監(jiān)控實驗室高溫設(shè)備周邊環(huán)境等數(shù)據(jù)的方式探索出智能化監(jiān)控實驗室安全的新途徑。未來，隨著數(shù)字技術(shù)迭代發(fā)展，將對師生實驗過程中“人、機、料、法、環(huán)”等多要素進行感知分析，全面實現(xiàn)物理世界的真實映射，從而將實驗室安全風(fēng)險降到最低。“數(shù)字孿生”在實驗室安全領(lǐng)域不再僅僅局限于一個縹緲的概念，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用和推廣，將逐步打開實驗室安全管理的新局面，并將傳統(tǒng)的管理模式逐步向高效、柔性、智能化推進。