基于數字孿生的高校實驗室高溫設備智能化監管體系的探究

張惠芹，章小衛，杜 坤，李 江

（揚州大學a.實驗室與設備管理處；b.科技處，江蘇揚州 225009）

0 引言

實驗室是高校開展教學和科研的重要場所，也是高校綜合實力的重要體現。近年來，高校實驗室安全事故時有發生，給學校及社會造成不良影響，實驗室安全問題已成為社會關注的焦點。教育部《高等學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、高速運轉等）時必須有兩人在場；烘箱、電阻爐等高溫設備須制定安全操作規程，溫度較高的實驗需有人值守或有實時監控措施等。但在實際工作中，由于部分師生安全意識淡薄、違規操作、實驗室線路老化等因素，常會導致實驗室發生火災類安全事故。據不完全統計，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，高校的事業發展以及疫情常態化管理等因素，給實驗室安全管理工作帶來新挑戰。得益于新一代信息技術的發展和工業信息系統的推動，數字孿生技術正逐漸向各個行業拓展應用。目前，國內外許多學者從多角度對基于數字孿生技術及應用進行了研究，但涉及高校實驗室安全管理的研究還很少。本文基于數字孿生技術構建實驗室高溫設備安全管理的動態模型，探討實現實驗室安全風險源智能化監管的新途徑。

1 數字孿生與高校實驗室高溫設備智能化監管體系耦合度分析

數字孿生也稱為數字鏡像、映射，也可以理解為現實世界中的物理實體的數字“克隆體”或“影子”，是以物理模型和數據為基礎，通過多學科、多尺度、多物理量等耦合仿真方法，完成現實世界的物理實體精準映射到虛擬世界中的鏡像數字體（孿生體，數字化模型），形成物理維度的實體世界與信息維度的數字世界協同共存、虛實交融的場景，簡稱“會思考的影子”。數字孿生技術從早期用于構建未來飛行器，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、智慧醫療、工業、農業等行業，通過可視化技術便捷地認知和管理現實世界物理實體以及關聯。數字孿生系統主要由實體、數據、服務和連接組成，其數字孿生結構模型如圖1 所示，其中服務系統主要包含數字孿生技術應用過程中所涉及各類模型、算法、數據等封裝，以工具組件、模塊、微服務等呈現，支撐數字孿生技術實現功能性服務［1-3］。

圖1 數字孿生系統結構模型

如果想對整幢實驗樓宇建立數字孿生系統，需要對樓宇、走廊、實驗室、實驗臺、實驗設備、人物等所有要素進行數字化建模。高校實驗室常用的高溫設備主要包括烘箱、馬弗爐、高溫管式爐、培養箱等。需要重點監管的主要內容包括電源負荷、設備主體、測溫單元、設備周邊環境以及實驗過程中學生的實驗行為。這些都需要在對設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、設備及人物等進行3D建模，將3D模型放置到線上虛擬場景內，實現真實實驗場景和虛擬實驗場景一一對應，也就是設備需要同步。

實驗室的真實設備通過智能空開、傳感器和PLC等使設備實現既定的動作。通過采集各類數據，驅動虛擬系統里的設備，進行同樣的既定動作，就能夠實現真實設備與虛擬設備的實時聯動，從而對實驗室設備特別是高溫設備進行實時監控。除設備數據外，還需要安裝攝像頭、傳感器等其他數據采集設備，以實現對實驗室更多數據的采集，如設備溫度、電流、電壓和視頻、音頻等運行過程中產生的動態數據、設備位置數據、人員數據、人員位置數據、行為數據等數據也需要同步到系統中，也就是數據同步。

經過充分調研及實地考察，將高校實驗室及其具有安全隱患的高溫設備進行數字孿生，其耦合度與投入成正比，是可以實現的，也是實驗室智能化管理的趨勢。

2 基于數字孿生的高校實驗室高溫設備智能化監管體系的功能需求

有了對實驗室和高溫設備高度仿真的三維建模，將三維建模接入實驗室的實時數據后，教師或安全督導等人員在監控室、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。通過虛擬實驗室的數字空間信息，能夠達到實時監控的效果，要求主要功能包括：

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

（2）運維管理。實驗指導老師或實驗室管理人員可以直觀看到實驗室各種設備的工作狀態報告，數字孿生后的實驗室，可以清晰地列出每臺設備使用情況、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，實現高效的運維管理。

（3）能源管理。系統可整合出整個實驗室的實驗消耗，如試劑瓶、化學試劑等耗材消耗，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據分析報告，使實驗指導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、設備工作時間、實驗步驟是否合規、實驗行為是否合規、是否有未經準入培訓的人員非法闖入未被授權的區域等，可通過可視化監控對講進行實時管理。

（5）實驗室資源的統籌安排。根據輸入到系統的相關數據，數字孿生系統能提前預判實驗室后階段實驗設備預約和使用情況，并能隨著系統的自我學習，可以預判實驗室一天產能所需的耗材清單，預判出一周、半個月或一個月的實驗量，幫助實驗室管理人員和指導老師進行實驗室資源的統籌安排。

3 基于數字孿生的高校實驗室高溫設備智能化監管體系設計

鑒于以上耦合度分析和功能需求，為實現與實驗室高溫設備同步和數據同步的要求，設計基于數字孿生的高校實驗室高溫設備智能化監管系統由感知層、傳輸層、服務層、應用層架構組成（見圖2），實現高溫設備數字孿生體系的數據采集／融合、傳輸與建模仿真、功能交互等過程。

圖2 基于數字孿生的高校實驗室高溫設備智能化監管系統架構

其中，①感知層是系統的基礎、數據的來源，主要通過對風險源部署異構傳感器以獲取多源實時數據，并加以預處理，包括設備信息采集、人體行為感知、設備信息感知、設備狀態感知和環境感知等，感知層硬件結構主要由各類傳感器、儀器儀表、現場控制系統、移動終端、設備標簽、上位機和各類執行單元組成。實驗室開放過程中，通過高溫設備附近的各類數據通信網絡進行傳輸，將信號發送到上位機，上位機接受參數和指令，按照既定的要求完成分析、存儲、決策等功能，實現實時監控高溫設備的運行狀態和人員操作情況的監管，通過人機交互，實現各類監管數據的可視化和實時交互功能。②傳輸層通過各種通信協議，如：Zigbee、Wifi、4／5G、485、232 等，將多品牌、多接口及多協議的設備狀態等數據上傳到服務器。③服務層負責對感知層數據進行虛擬映射，構建面向真實物理實體高仿真映射的虛擬仿真環境，實現物理設備與虛擬設備同步映射，并封裝各類算法、模型等［4-5］。④應用層基于實時數據驅動的虛擬設備，實現對高溫設備資源的三維可視化導航以及物理動作的仿真和實時監控，在三維模型上顯示、分析和管理實驗室高溫設備狀態信息、參數、故障的管理診斷信息等，形成面向高校實驗室高溫設備的虛擬監控平臺，實現透明化運行、故障問題重現與仿真，滿足實驗室管理者對高溫設備的追溯分析、實時監控和故障診斷等需求。［6-7］

4 基于數字孿生的實驗室高溫設備智能化監管的探索與實現

通過數字孿生建立的監控體系，實現其可視化仿真模型，分析設備運行狀態和人員操作行為的動態數據，實現對設備運行狀態動態監控、自我運算及預判提醒和對人員進出及實驗行為的監管等功能。也可實現高溫設備報廢提醒及年檢提醒功能，實現對高溫設備定位監管、設備周邊安全警示及防護設備巡檢，達到實驗室狀態可視、實驗室安全可控、師生安全行為可管的目標。

4.1 實驗室狀態可視

在實驗室及重點監管的高溫設備安裝視頻監控、環境監測等硬件設備，以便實時采集與傳輸相關數據，完成涵蓋實驗室概況、線路引導、當前位置、資訊發布、呼叫中心等功能的監控可見、資產可視的基于GIS 的實驗室三維實體模型（見圖3～5）；對設備加裝溫度、電力、環境監測等傳感器、呼叫器等硬件設備，完成設備運行狀態可見、安全態勢可見、實驗室環境狀態可見、能效狀況可見的智能化數據圖譜（見圖6）；在實驗室加裝紅外感應裝置，實現人員熱力可見的智能化監管方式。通過虛擬仿真與實時的交互，實現“數字化”實驗室管理的目標。

圖3 校區三維模型圖

圖4 樓宇三維模型

圖5 烘箱數字孿生場景

圖6 烘箱運行數據

4.2 實驗室安全風險源可控

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

（2）運行區域監管。將高溫設備貼上射頻（RFID）標簽以實現智能化識別和規范化管理。同時通過加裝傳感器等方式給高溫設備在實驗室劃定使用區域，方便孿生出高溫設備所在樓宇實驗具體位置。當有師生未經審批隨意將高溫設備移出指定區域時，傳感器感應到信號傳輸給系統，系統將會發出預警信號［16］。

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

（4）實驗事件上報、處置和回溯及應急預案和應急指揮。實驗室內產生的人員進出、設備操作、設備報錯、設備運行狀況等數據在孿生狀態中全部留痕，并主動上報和及時自主處置，均能實現事件回溯。在實驗室出現緊急情況時，孿生實驗室可根據設備運行和人員熱力情況出具科學有效的應急方案并能進行科學有效的現場應急指揮。

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與監管平臺連接，實時比對操作人員的安全基本知識的培訓及考試結果，考核通過者可獲取操作授權和啟用設備。結合實驗室資源情況和實驗人數智能診斷人員進入量，決策通行權限。

（2）實驗行為的智能管理。利用智能化監控系統收集學生實驗行為和設備運行數據并做好分析、研判、提醒和上報。當學生不按照操作規程，如高溫設備運行時無人值守、開展危險實驗時在場人員不足2 人、設備運行時間過長、學生實驗操作不規范等違規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 結語和展望

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