高校高危實驗數字孿生預案分析與遙操作安全技術

［摘 要］ 在高校化學化工等高危實驗的教學、科研與管理工作中，很少從新技術應用層面研究其安全性保障問題。數字化、智能化、信息化是未來化學化工高危實驗教學與實驗室建設的必然技術趨勢。從實驗教學安全性角度出發，提出高校化學化工高危實驗數字孿生技術、遙操作技術與實時操作監控預警系統的安全保障綜合技術體系。其中，數字孿生技術在科技創新中用于探索性或前期實驗教學的預案分析，人機交互遙操作技術是高風險實驗現場操作規避人員安全性問題的新技術，實時操作監控預警系統提供教學環節監測與安全預警，以期根除化學化工高危實驗教學與科研中事故頻發的痼疾。

［關鍵詞］ 高校實驗教學與管理；高危實驗安全性；數字孿生；遙操作；實時監控

［作者簡介］ 鄧玲玲（1977—），女，湖南衡陽人，碩士，燕山大學實驗室與資產管理處初級科員，主要從事實驗教學與管理研究。

［中圖分類號］ G647 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0044-04 ［收稿日期］ 2023-11-22

一、高校高危實驗安全保障綜合技術體系

安全是高?；瘜W化工高危實驗教學與實驗室管理的核心，不僅關系到師生生命安全和學校財產安全，也涉及社會和諧與校園穩定問題。在教學與科研活動中，化學化工高危實驗安全問題包括人員安全、實驗操作安全、化學品與生物安全、危險廢棄物及環保、消防等諸多方面。例如，高危實驗教學及科研工作中使用的危險化學品，包括易燃易爆或有毒的有機溶劑、氧化劑、有機過氧化物等氣液固體、壓縮或液化氣體、腐蝕品等，均具有高危險系數。

化學化工高危實驗室安全管理制度建設是實驗室安全管理與安全保障的重要基礎［1-2］。在高校高危實驗室安全工作中，堅持“安全第一，預防為主，綜合治理，教育先行”的原則，首要任務是構建更加完善、更加科學合理的安全管理體系，最大限度地消除安全隱患，避免安全事故發生。然而，我們注意到，在高校高危實驗室運行過程中，無論安全制度如何完善、措施如何嚴格，還是難以杜絕事故偶發，甚至發生重大事故。一方面，高校科研型專業實驗與中小學成熟的基礎實驗存在不同之處，由于涉及科技創新，有些本身就是摸索過程中的新實驗，存在一些未知因素或不確定性；另一方面，有些單位仍然存在安全教育流于形式的現象，師生安全意識淡薄，對安全的重視程度不足。此外，高危實驗室建設不僅要管理標準化、規范化及有序性，還要技術化。例如，很多高校建設了實驗室信息化網絡管理平臺，但高危實驗室對數字化、智能化、信息化等領域的高新技術應用不足。例如，實驗操作規范與流程通常是在實驗方案已經充分論證、實驗技術相對成熟的基礎上才能完善，但在科技創新過程中，新實驗的首次操作可能本身就缺少成熟的實驗規范與流程，需要數字化模擬系統進行預案分析；在易燃易爆或高危實驗中，若通過遙操作技術，實現人員遠離現場的操作，人員安全肯定更有保障；針對一些依賴嫻熟手法的精密實驗，危險性帶來的緊張感，使手一抖就可能導致安全問題的誤操作，或觀察與主觀判斷難以實現精細化操作時，機械手可以實現更精準或穩定的操作；針對實驗步驟特別嚴格，稍有差池就會產生安全問題的實驗，新手操作實驗時需要實時監控與預警系統。本文提出基于數字孿生技術、遙操作技術與實時操作監控系統的高?；瘜W化工高危實驗安全保障綜合技術體系。其中，數字孿生技術是探索性或前期高危實驗的預案分析方法，人機交互遙操作技術是高風險實驗中規避人員危險性的現場操作的新技術，實時操作監控預警系統提供重要實驗細節與環節的監測與預警。

二、高危實驗數字孿生技術

數字孿生［3］作為一項虛實結合的數字化轉型技術，充分利用物理模型、傳感器信息更新、運維歷史數據等，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，以虛映實，實現物理層與信息層之間的雙向映射、動態交互、實時迭代優化，從而實現對復雜系統的可視化、可控制和可預測。特別是該技術使人們能夠及時洞察并發現潛在的問題，推演響應有效措施，以最大限度地避免問題的產生，規避可能帶來的損失。

針對首次、探索性或前期高危實驗普遍缺少成熟的實驗流程與規范等問題，建立實驗儀器設備的虛擬樣機，其物理實體與虛擬模型的功能參數映射是數字孿生實驗模型的核心要素。結合化學化工實驗計劃的科學問題和目標任務，采用大數據、同步工作、虛擬現實技術等，發展針對化學化工高危實驗的數字孿生實驗系統，深入開展任務對接與實驗過程的數字化虛擬仿真分析。針對上述缺少成熟的實驗流程與規范的首次、探索性或其他類型的新實驗任務，開展實驗操作全過程的數字化“兵棋推演”，論證實驗方案的可行性，讓實驗操作人員以數字化模擬的方式練練手，提前規劃或熟悉實驗流程與操作細節，提前摸排后續現場實驗中可能出現的難點或誤操作，掌握關鍵環節的重點注意事項，尤其是可能引發實驗事故的危險性預判，并提出改進措施的預案。簡單來說，發展數字孿生仿真技術的核心是將現場實驗操作潛在的安全性、部分實驗缺少規范與流程等問題在數字樣機階段提前解決。數字孿生實驗“兵棋推演”本身是無安全問題的，也是從理論向實踐跨越的重要手段，事先可以進行高還原性的化學化工實驗安全性預測與預判，也可以有效提高操作者動手之前的臨場感，成為動手后的重要安全保障措施。

三、化學化工高危實驗人機交互遙操作技術

人機交互遙操作技術結合了人的知識智慧和機器人的適應性，操作人員可以遠離對人身安全造成威脅的作業現場，遠程操控機械手，完成危險或未知環境中的復雜的作業任務，已經被廣泛用于遠程醫學手術、深空探測、水下勘探等領域［4］。東南大學宋愛國教授指出，“人機交互遙操作機器人”就是指依托于高速通信網絡的機器人工作在遠端作業環境，人在本地。通過各種傳感設備，測量人的操作過程信息及肢體運動信息，作為控制指令去控制機器人的運動與操作；同時，將機器人的視覺、力覺、觸覺等各種感知信息反饋給人，實現人與機器人的深度耦合。

在化學化工等專業領域的高危實驗示范教學或科研活動中，如果實驗人員進行了不規范的操作或在外界因素干擾下，一旦發生易燃易爆或有毒氣體等事故，很可能會造成重大人員傷亡。若采用人機交互遙操作技術，萬一發生了這類高危實驗事故，由于實驗操作人員遠離了現場［5］，可以規避事故中人員傷亡的問題。此外，遙操作技術也是實驗設備共享的重要新手段。另外需要注意的是，科學實驗還涉及精準性、時效性。為了順利完成遙操作過程，通常需要基于實驗任務，建立基于虛擬現實的機器臂或靈巧手遙操作模擬實驗系統，將模擬機器人遙操作的情境作為規劃預案與驗證。人機交互遙操作實驗系統通常包含機械、控制硬件及軟件設計，本項目主要涉及了靈巧機械手技術、力覺臨場感技術等人機交互接口與傳感、機器人運動學建模、時延理論與方法、虛擬環境建模等。技術含量高、研發難度大，遺憾的是目前高校還做不到所有的高危實驗均能實現遙操作。

四、化學化工實驗操作實時監控預警系統

目前在高校的科研與教學實驗中，很多高危實驗是由人員直接動手操作，必然存在主觀能動性帶來的潛在危險，尤其是化學化工實驗。人與人之間，就像拿手術刀的外科醫生，動手能力和手法熟練程度總是存在差異性。例如，學生在化學實驗中，新手上路，容易進行不規范操作，可能會使實驗室內的化學品之間產生不同程度的危害反應，所以化學實驗室的?；凡僮靼踩珕栴}尤為重要。除了嚴格的管理制度、熟練的專業操作人員，還需要現代信息化、智能化技術介入，發展實時操作監控預警系統，以期最大限度地避免事故或徹底根除事故。

在高危實驗安全領域，信息化技術的應用是必須的，目前主要用于開發設備或實驗信息化網絡管理平臺。這里所述的實時操作監控預警系統已超出常用的信息化網絡管理平臺范疇。該系統的重點是實驗過程中防患于未然的重要措施，通過實時檢測與感知現場操作的各類重要信息與狀態變化，基于系統的智能決策，及時提醒重要操作步驟與關鍵注意事項，提前提供違規操作預警或及時阻斷危險實驗。該系統與設備運轉狀態信息互聯，與環境檢測信息互通，監測現場操作的人機交互信息以及實驗樣品、過程反應、實驗演化與結果等實時信息。

實時操作監控預警系統不只是安全保障措施，與設備自身數字化模型連通后，也可提供更加精準的操作輔助。例如，不同于人的觀察或主觀判斷，有些實驗效果的精細化評價數據可以結合實時操作監測預警系統，予以判斷、提醒、配合改進，可實現高危實驗的全方位、全過程、精細化、規范化、信息化管理，確保提高安全性，減少誤操作與失敗率。

五、技術支撐措施的難點及應對方法

上述技術支撐措施無疑可以為化學化工高危實驗提供更有力的安全保障，從技術層面有效規避風險，但也涉及很多高新技術的應用與研發，專業性強，種類多。例如，開發遙操作系統涉及靈巧機械手技術、力覺臨場感技術、時延理論與方法；實時操作監控預警系統需要發展實驗人員現場操作的預警算法等。具有高危特性的化學化工專業實驗室的科研團隊并不一定是自動化控制專業、信息工程專業，而高校高危實驗室的管理工作一般由實驗設備與資產管理處負責。這類職能部門通常不熟悉專業技術，更缺少現代技術的開發與應用能力。將有些高新技術移植到高危實驗管理中，單純依靠高校實驗技術人員完成也不現實。高校需要設立專項創新項目，支持搭建通用的實驗安全保障綜合技術平臺。例如，數字孿生模型可以由本?；蛐Ｍ鈫挝粚I科研團隊開發。

此外，高校實驗室專業隊伍建設也需要及時跟進。高校實驗室人員不能勝任上述保障措施的技術研發可以理解，但上述技術在實驗室的應用與管理對接方面的技能提升是回避不了的。高校乃至科技界要充分重視高危實驗的數字化、智能化、信息化技術的研究開發與應用。當前很多高校的實驗隊伍建設，無論是理念還是現有的管理體制、人員專業水平等，都存在不匹配高新技術在實驗室的推廣與應用的問題。實驗人員學歷比其他任課教授普遍要求較低，平時科研要求不高甚至沒有要求，還有為引進人才解決家屬工作問題的情況，甚至還有停留在按時開門和鎖門的情況。由于高精尖的儀器設備和實驗技術本身是突破前瞻性的重大基礎科學問題、實現核心技術變革的制高點，在科技強國的創新體系中，建立適應科技創新發展需求的、具有高水平研發能力的實驗隊伍，本身是在重大實驗裝置與原創實驗技術領域構建核心競爭力的非常重要的一環。因此，高校高危實驗室管理與專業隊伍建設亟須與時俱進。

結語

在高校化學化工等專業實驗的教學中存在一定的危險性。本文提出基于數字孿生、遙操作和實時監控預警系統的高校高危實驗安全保障綜合技術體系，致力于根除高危實驗操作過程中的安全事故。主要論證了高校高危實驗安全問題不能僅限于“管”，新技術的應用也是實驗教學中非常重要的安全保障措施。智慧型實驗操作技術與管理肯定是未來解決化學化工高危實驗安全問題的重要舉措，我們要充分發揮高校多學科優勢和科技創新力量，從觀念變革、體制機制改革和專業隊伍建設等方面，迎難而上。

參考文獻

［1］陽富強，李施怡，施永乾.高校實驗室安全管理布萊德利曲線模型［J］.實驗技術與管理，2023，40（1）：211-215.

［2］王雪酈，羅小葉，俞露，等.信息化管理在理工科院校實驗室危險化學品管理中的應用［J］.化工管理，2023（4）：89-91+100.

［3］李福，吳益飛，孔維一，等.數字孿生趨勢下機器人虛擬仿真實驗建設［J］.實驗技術與管理，2021，38（10）：265-268+287.

［4］張斌，黃攀峰，劉正雄，等.基于虛擬夾具的交互式空間機器人遙操作實驗［J］.宇航學報，2011，32（2）：446-450.

［5］王開宇，程春雨，金明錄.遠程虛擬仿真實驗教學中心建設［J］.實驗技術與管理，2016，33（12）：242-245.

Digital Twin Plan Analysis and Remote Operation Safety Technology for High Risk

Experiments in Universities

DENG Ling-ling

（Office of Laboratory and Asset Management， Yanshan University， Qinhuangdao，

Hebei 066004， China）

Abstract： In the teaching， research， and management of high-risk experiments such as chemistry and chemical engineering in universities， there is little research on new technology applications to improve safety improvement. Digitization， intelligence and informatization are the inevitable technological trends for the teaching and construction of high-risk experiments in the future. From the perspective of experimental teaching safety， a comprehensive technical system integrated with digital twin technology， remote operation， real-time operation monitoring and warning system is proposed for the security guarantee of high-risk experiments in colleges and universities. Among them， digital twin technology is used for exploratory or preliminary experimental analysis in advance， remote operation technology based on human-machine interaction as one of new on-site operation technologies for high-risk experiments is used to avoid safety problems of laboratory technicians， and real time operation monitoring and warning system may provide monitoring and warning of important experimental details and links. The integrated system is available to eliminate the frequent accidents in high-risk experimental teaching and scientific research in chemistry and chemical engineering.

Key words： experimental teaching and management in universities; safety of high-risk experiments; digital twin; remote operation; real-time monitoring