数字孪生技术在高校实验室安全管理中的实践
徐 文 杜 坤 李 江 吴 俊 张正华 成 翔 段中霞 张惠芹
(扬州大学)
摘 要:该文介绍了基于数字孪生技术的实验室安全管理智慧平台。平台基础框架包括物理层、技术层、数据层、应用层和交互层，实现实验室安全相关物理实体和硬件系统的虚拟孪生，并以实验室安全大数据为基础开展虚拟仿真安全管理，有效解决危化品全生命周期管理、用电回路与大功率电器预警、气体钢瓶监测、安全数字资产、安全数字统计等问题。数字孪生技术将推动高校实验室管理的数字化转型，探索可复制、可推广和可规模化的发展模式，开启高校实验室安全管理的新生态。
关键词:数字孪生;实验室安全管理;虚拟仿真;数字转型
中图分类号:G482;X923;TP301.6
文献标识码:A
文章编号:1002-4956(2024)04-0222-06
数字孪生是在虚拟环境中创造出和现实运行环境一致的双胞胎系统,数字孪生是一种实时仿真的模型。扬州大学近年来探索将数字孪生技术应用于实验室安全管理，是国内较早开展相关研究和应用的高校。扬州大学数字孪生实验室安全管理平台对全校的中高风险等级实验室所在楼宇及周边环境进行三维建模，在此基础上，配合智能化软硬件平台的建设，对上述实验室的危化品、高温设备、大功率设备、特种设备、实验室废弃物等危险源进行数字孪生开发，借助物理模型、云传感器、系统数据库等技术，在虚拟空间完成映射、数据采集分析，提供了一种虚实结合的实验室安全管理模式。依托数字孪生技术构建数字孪生实验室安全管理平台是未来的发展方向之一，能较好地解决高校实验室安全管理的痛点问题,为高校实验室安全数字化转型的建设和发展提供参考。
1 数字孪生研究现状
美国密歇根大学的迈克尔·格里夫教授于2003年提出数字孪生的雏形概念，将其称为“产品全生命周期管理模型"，后被命名为“镜像空间"或“信息镜像模型";2010年美国航空航天局(NASA）Shou Ci将其引进太空技术研究;2011年NASA联合美国空军研究实验室(AFR)将其列为驱动未来发展的关键技术之一，并正式命名为数字孪生(Digital Twin)。从本质上说，数字孪生代表了一种将物质事件转化为数码形式的模式，它能够再现事件在真实世界里的情况，并且在物质和数字双胞胎之间存在多重相互影响。
国外学者对数字孪生的研究主要集中在数字孪生的定义、生产系统稳定性与抗风险能力、故障诊断策略、仿真系统的应用等。国内学者对数字孪生的概念、数字建模、产品、生产线和数字孪生车间、故障预测与健康管理、应用环境及相关规范等进行了深入研究。当前对数字孪生的探索主要集中于理论构造、核心科技及产业实践等领域。
2 数字孪生在高校的运用
目前，高校对数字孪生技术的运用多集中在智慧教育、大智慧校园。文献提出一种基于RFID和传感器的监控系统，用于监测师生课堂表现和出勤率;文献提出利用数字孪生技术建设三维全息虚拟教室。近年来，数字孪生技术在高校的应用逐步扩展到其他场景，如数字孪生智慧学习空间、数字孪生讲台、智慧校园、教学辅助系统、智慧图书馆、智能实验室、产学研合作基地等。但是数字孪生技术在高校的运用远不如工业产业界,对于数字孪生技术在高校实验室安全管理领域的研究更是缺乏。
3 数字孪生应用于高校实验室安全的优势
数字孪生由物质元素、数码映射以及相互作用的数码线程组成，运作流程涵盖了建模、交流、推断、共智等多个步骤，包含了建模、AI、虚拟仿真、云计算、大数据等技术。基于数字孪生技术以下三点优势，可以解决高校实验室安全管理的难题。
(1)复制性。数字孪生体就像给实验室的风险源创建了一个副本，通过采集物理实体数据复制了一个虚拟数字化模型，实验室实体的数字模型便于管理员观察和操作。
(2)实时性。通过监控、报警器、传感器、二维码等方式获取和分析数据，数字孪生体能直观形象地模拟实验室的物理实体，能即时地对物理实体的安全状态做出判断、预测、处理和优化。
(3)虚实结合性。基于实物的研究方法需要实际的设备和场地，而数字孪生通过虚拟现实技术，将实验室安全管理从传统的物理空间解放出来，由此可对高校实验室安全智慧化、数字化的管理方法、管理过程、管理手段等有更深层次的认识。
4 数字孪生技术在高校实验室安全管理平台的运用实践
4.1 理论框架
扬州大学将数字孪生技术应用于实验室安全管理，设计了数字孪生实验室安全管理平台框架，连接虚拟与物理世界，包括物理层、技术层、数据层、应用层、交互层，并确定了各层级的功能。
(1)物理层。数字孪生平台的基础是物理层，它是平台创建、保存、解读以及使用各种数据的载体，包含实验室各类监控、报警器、传感器、二维码等。
(2)技术层。技术层负责加工、分析、处理物理层获取的数据，在物理层的基础上构建实验室安全管理基础设施，包括虚实融合的处理技术、设备和用户的管理技术等。
(3)数据层。数据主要包括实验室基本信息、用户基本信息、安全数字资产和安全数据，数据层的功能是获取、储存、集成大数据，为数字孪生体系提供数据支撑。
(4)应用层。应用层以数字孪生、大数据、人工智能为支撑，与数字孪生实验室安全管理平台深度融合，为用户提供危化品领用、废液存量和烘箱使用情况上报等具体应用功能。
(5)交互层。交互层为用户提供数字孪生体的互动服务，如虚拟仿真实验室安全应急演练，并可拓展至虚拟仿真实验室安全教育(VR/AR可穿戴设备)等。
4.2技术路线
文献构建了一个五维的数字孪生模型，这个模型涵盖了物理实体、虚拟模型、服务、孪生数据以及它们之间的联系，是广为接受的模型。基于此设计了扬州大学数字孪生实验室安全管理平台的技术路线（图1），该技术路线包含了实验室安全相关的五维模型。
图1 数字孪生实验室安全管理平台技术路线图
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(1)物理实体。实验室安全相关物理对象、硬件系统。
(2)虚拟模型。物理实体的数字化镜像，包括安全相关物理对象的3D建模、虚拟硬件系统。
(3)服务系统。集成评估、控制、优化等各类信息系统。
(4)孪生数据。孪生数据是数字孪生的核心驱动，包括物理实体(实验室房间、危化品柜、气体钢瓶、高温高压高速设备等)和与之对应的虚拟模型，以及服务系统(实验室基础数据管理系统、危险源监控管理子系统、实验室可视化管理平台)的相关数据。
(5)连接。将以上四个部分连接起来，实现迭代优化。
综上，数字孪生实验室安全管理平台的主要功能包括:①打通实验室管理系统已有的数据(如实验室名称、坐落位置、负责人、安全等级等信息)，确保各系统的核心数据实时、一致、准确，让业务数据发挥更大的作用;②对实验室危险源实施信息化、智慧化管理，如危化品全生命周期的数字化管理，高压灭菌器、钢瓶等特种设备的使用和数字化管理，大功率设备的用电安全、温度监控管理等;③对现有系统的业务数据进行归纳整合，传输到可视化系统并在大屏终端显示,实现实验室安全管理相关数据的查询和预警。
4.3 软件系统
数字孪生实验室安全管理平台除了硬件部分(红外线热成像摄像头、智慧用电模块、专用服务器、智能门禁、电子班牌、网关等)外，还包括实验室基础数据管理系统、危险源监控管理子系统、实验室可视化管理平台三个软件系统。
4.3.1 实验室基础数据管理系统
通过前期调研和实验室安全检查,形成全校教学、科研实验室的基础数据，使用数据库系统对实验室楼宇和房间进行3D建模，构建起数字孪生体。主要字段包含实验室编号、坐落位置(国资处房产管理系统数据)、用途(教学、科研)、面积、责任人、危险源(类型及数量)、实验项目等。将此数据库与其他数据库系统或应用系统对接，作为全校实验室相关管理工作的基础数据库。在此基础上，构建实验室新建、拆分、合并、搬迁以及信息变更的线上审批流程，形成实验室“准建、准运"制度，解决实验室基础信息滞后的问题，确保实验室安全运行。
4.3.2 危险源监控管理子系统
构建软硬件结合的实验室风险源智能监控系统，对危险源进行实时智慧化管理，自动上报风险预警。对学校实验室内的危化品、气体钢瓶，以及高压灭菌锅、高温设备等进行线上智能管理，当这些设施/设备运行指标超出所设定的阈值，自动向可视化系统前台和管理员手机端发送报警，由设备处相关科室或实验室管理员进一步处置。
(1)危化品管理模块。对国家管控类的危化品实行全生命周期的信息化管理，基于采购、入库、出库到使用、废弃处置等环节，在系统上可实时查看危化品仓库的库存和进出库情况，实验室的危化品种类和库存，废弃物产生及处置的流程等。当某类危化品数量超出存放阈值时，会自动报警。
(2)特种设备和高温设备管理模块。对特种设备进行线上备案，实时查看特种设备的检验情况。通过部署智能插座、ZigBee网关和监控探头等自动化监控高温设备的运行情况，实现故障时自动报警、自动处置。使用者每次使用上述设备设施时，须扫描设备二维码进行使用登记，后台可实时查阅使用情况。
(3)气体钢瓶管理模块。对全校所有气体钢瓶进行线上管理,与江苏省气体钢瓶检测中心数据库对接，后台实时查看钢瓶编号、种类、检验时间，确保所有钢瓶安全有效。
4.3.3 实验室可视化管理平台
构建重点管控楼宇及其内部实验室的数字孪生模型，对实验室的开放情况、人员准入情况、危险源等进行可视化管控。对安全等级较高的(大于2级)实验室所在楼宇及其内部房间进行3D建模，利用数字孪生技术，将实验室内的危险源复制到实验室3D模型中，实时查看危险源的运行情况，实现对风险源的可视化管理（图 2）。
图 2 动态实验室安全数据可视化平台
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在实验室安全考试系统基础上，构建实验室人员准入制度，只有通过考核才能进入相应的实验室开展实验。实验室内配置门禁系统和人脸识别摄像头，可智能识别人员信息，当未授权人员进入实验室时发送报警。
结合客流量统计摄像机，查看实验室的开放情况(尤其是教学实验室和自主创新实验室),以便更科学准确地开展实验室建设的绩效评估。与大型仪器共享平台进行数据对接，在3D模型中查看大型仪器设备的运行情况，并可进行报表分析。
5 建设规划
扬州大学数字孪生实验室安全管理平台已在化学化工学院、学科基础实验教学平台试运行。2023年建设任务中，智慧用电模块在高安全等级实验室试点安装，通过试运行，完成了智慧用电模块业务数据与数字孪生平台的对接，可对单台高功率设备或单回路的电压、电流、功率和线温进行实时监控，通过AI学习大数据，能自动识别大功率设备上线工作，自动剔除未注册设备。配合红外热成像摄像机，实现对高温、大功率设备的安全风险预警和事故回溯(如功率超负荷、线温过高、设备表面温度超过阈值等)，已初步达到预期目标，今后将在更多实验室安装运行。
针对实验室废液倾倒与存储管理过程中存在的诸多问题,计划2024年度在化学化工学院和学科基础实验教学平台开展试点工作:使用智能秤(LoRa或IoT)精准称量每次倾倒的废液，在微信小程序登记废液种类、投放人，实现废液的信息化管理。同时，对接废液处理企业的信息化系统，超过阈值自动上报废液重量、自动预约回收，提高废液处理效率。系统可实时展示实验室各类废液的暂存量，降低安全风险。
现有的系统虽然已经实现了统一身份认证登录，系统之间的基础数据已经打通，但是在部分应用场景中仍然存在不兼容问题。因此需要建设可视化的应用导航系统:
一是每个实验室只赋予一个二维码，微信扫描后可登录不同的业务系统，并带入身份信息、房间信息和实验室信息;
二是构建移动端的实验室可视化界面，方便实验室管理者和安全督导查看实验室孪生体相关数据和状态;
三是实施实验室建设与运行管理的“一张网"工程。进一步扩展平台功能:
①使用AI技术自动识别监控画面中实验人员的违规操作(未穿实验服、未佩戴防护用具、未关闭试剂柜柜门、高温设备无人值守等)，并通过微信通知到个人;
②实验室监控按照权限接入对应的老师和安全员的手机端，实时查看实验室安全状况;
③检测用电回路中的入侵设备(如小太阳取暖器、热水壶、卷发棒等)，精准识别非入侵设备(烘箱、灭菌锅、冰箱、恒温箱、水浴锅等);
④对存在安全隐患的实验室，管理部门发起基于真实场景和真实数据的安全教育和安全演练，在可视化大屏上显示楼宇内的逃生路径和应急通道，并调取路径内所有监控，评测学生面对突发安全事故的应急反应;
⑤利用数字孪生、 AI、大数据、云平台等技术对数字资产和安全数据进行多维度分析，为实验室安全管理部门提供科学决策。
文章来源：《实验技术与管理 》第41卷 第4期
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