基于数字孪生的高校实验室高温设备智能化监管体系的探究

张惠芹，章小卫，杜 坤，李 江

（扬州大学a.实验室与设备管理处；b.科技处，江苏扬州 225009）

0 引言

实验室是高校开展教学和科研的重要场所，也是高校综合实力的重要体现。近年来，高校实验室安全事故时有发生，给学校及社会造成不良影响，实验室安全问题已成为社会关注的焦点。教育部《高等学校实验室安全检查项目表（2022 年）》明确指出：危险性实验（如高温、高压、高速运转等）时必须有两人在场；烘箱、电阻炉等高温设备须制定安全操作规程，温度较高的实验需有人值守或有实时监控措施等。但在实际工作中，由于部分师生安全意识淡薄、违规操作、实验室线路老化等因素，常会导致实验室发生火灾类安全事故。据不完全统计，高校实验室燃烧爆炸类安全事故占68%，其中80%来自科研实验室。同时，高校的事业发展以及疫情常态化管理等因素，给实验室安全管理工作带来新挑战。得益于新一代信息技术的发展和工业信息系统的推动，数字孪生技术正逐渐向各个行业拓展应用。目前，国内外许多学者从多角度对基于数字孪生技术及应用进行了研究，但涉及高校实验室安全管理的研究还很少。本文基于数字孪生技术构建实验室高温设备安全管理的动态模型，探讨实现实验室安全风险源智能化监管的新途径。

1 数字孪生与高校实验室高温设备智能化监管体系耦合度分析

数字孪生也称为数字镜像、映射，也可以理解为现实世界中的物理实体的数字“克隆体”或“影子”，是以物理模型和数据为基础，通过多学科、多尺度、多物理量等耦合仿真方法，完成现实世界的物理实体精准映射到虚拟世界中的镜像数字体（孪生体，数字化模型），形成物理维度的实体世界与信息维度的数字世界协同共存、虚实交融的场景，简称“会思考的影子”。数字孪生技术从早期用于构建未来飞行器，在虚拟空间建立飞行器模型，并利用传感器与真实飞行器实时同步来计算飞行器的载荷和飞行能力，到城市管理、智慧医疗、工业、农业等行业，通过可视化技术便捷地认知和管理现实世界物理实体以及关联。数字孪生系统主要由实体、数据、服务和连接组成，其数字孪生结构模型如图1 所示，其中服务系统主要包含数字孪生技术应用过程中所涉及各类模型、算法、数据等封装，以工具组件、模块、微服务等呈现，支撑数字孪生技术实现功能性服务［1-3］。

图1 数字孪生系统结构模型

如果想对整幢实验楼宇建立数字孪生系统，需要对楼宇、走廊、实验室、实验台、实验设备、人物等所有要素进行数字化建模。高校实验室常用的高温设备主要包括烘箱、马弗炉、高温管式炉、培养箱等。需要重点监管的主要内容包括电源负荷、设备主体、测温单元、设备周边环境以及实验过程中学生的实验行为。这些都需要在对设备及人物进行充分了解后，搭建一套基于真实场景实验室的虚拟场景，对实验室、设备及人物等进行3D建模，将3D模型放置到线上虚拟场景内，实现真实实验场景和虚拟实验场景一一对应，也就是设备需要同步。

实验室的真实设备通过智能空开、传感器和PLC等使设备实现既定的动作。通过采集各类数据，驱动虚拟系统里的设备，进行同样的既定动作，就能够实现真实设备与虚拟设备的实时联动，从而对实验室设备特别是高温设备进行实时监控。除设备数据外，还需要安装摄像头、传感器等其他数据采集设备，以实现对实验室更多数据的采集，如设备温度、电流、电压和视频、音频等运行过程中产生的动态数据、设备位置数据、人员数据、人员位置数据、行为数据等数据也需要同步到系统中，也就是数据同步。

经过充分调研及实地考察，将高校实验室及其具有安全隐患的高温设备进行数字孪生，其耦合度与投入成正比，是可以实现的，也是实验室智能化管理的趋势。

2 基于数字孪生的高校实验室高温设备智能化监管体系的功能需求

有了对实验室和高温设备高度仿真的三维建模，将三维建模接入实验室的实时数据后，教师或安全督导等人员在监控室、电脑或移动端，就可以看到虚拟的实验室，并能实时了解真实实验室的工作状态。通过虚拟实验室的数字空间信息，能够达到实时监控的效果，要求主要功能包括：

（1）设备管理。整个实验室的运行状况可一目了然，哪几台设备处于疲劳运转状态、即将达到阈值或经常处于闲置状态，哪个烘箱的加热管温度超标，哪个高温设备的高温油泵负载超标、温度感应器失灵，高温设备周边是否有易燃物、警示标识、安全操作规程、消防设施等；这些数据应能进行实时分析，准确预判设备的运行状态，系统将有问题的部位通过3D 可视化手段直观呈现，方便管理人员排查隐患。

（2）运维管理。实验指导老师或实验室管理人员可以直观看到实验室各种设备的工作状态报告，数字孪生后的实验室，可以清晰地列出每台设备使用情况、共享率、折旧情况以及实验课程安排情况等，可大大提高实验室管理效能，实现高效的运维管理。

（3）能源管理。系统可整合出整个实验室的实验消耗，如试剂瓶、化学试剂等耗材消耗，水电气等能源消耗，污水废气粉尘等污染物排放，形成损耗和排放的综合数据分析报告，使实验指导老师和管理人员对实验室和实验耗材及能源等成本一目了然。

（4）人员管理。孪生的实验室可以直观定位并看到实验室内师生是否在实验室按照既定的实验流程开展实验、实验效率如何、设备工作时间、实验步骤是否合规、实验行为是否合规、是否有未经准入培训的人员非法闯入未被授权的区域等，可通过可视化监控对讲进行实时管理。

（5）实验室资源的统筹安排。根据输入到系统的相关数据，数字孪生系统能提前预判实验室后阶段实验设备预约和使用情况，并能随着系统的自我学习，可以预判实验室一天产能所需的耗材清单，预判出一周、半个月或一个月的实验量，帮助实验室管理人员和指导老师进行实验室资源的统筹安排。

3 基于数字孪生的高校实验室高温设备智能化监管体系设计

鉴于以上耦合度分析和功能需求，为实现与实验室高温设备同步和数据同步的要求，设计基于数字孪生的高校实验室高温设备智能化监管系统由感知层、传输层、服务层、应用层架构组成（见图2），实现高温设备数字孪生体系的数据采集／融合、传输与建模仿真、功能交互等过程。

图2 基于数字孪生的高校实验室高温设备智能化监管系统架构

其中，①感知层是系统的基础、数据的来源，主要通过对风险源部署异构传感器以获取多源实时数据，并加以预处理，包括设备信息采集、人体行为感知、设备信息感知、设备状态感知和环境感知等，感知层硬件结构主要由各类传感器、仪器仪表、现场控制系统、移动终端、设备标签、上位机和各类执行单元组成。实验室开放过程中，通过高温设备附近的各类数据通信网络进行传输，将信号发送到上位机，上位机接受参数和指令，按照既定的要求完成分析、存储、决策等功能，实现实时监控高温设备的运行状态和人员操作情况的监管，通过人机交互，实现各类监管数据的可视化和实时交互功能。②传输层通过各种通信协议，如：Zigbee、Wifi、4／5G、485、232 等，将多品牌、多接口及多协议的设备状态等数据上传到服务器。③服务层负责对感知层数据进行虚拟映射，构建面向真实物理实体高仿真映射的虚拟仿真环境，实现物理设备与虚拟设备同步映射，并封装各类算法、模型等［4-5］。④应用层基于实时数据驱动的虚拟设备，实现对高温设备资源的三维可视化导航以及物理动作的仿真和实时监控，在三维模型上显示、分析和管理实验室高温设备状态信息、参数、故障的管理诊断信息等，形成面向高校实验室高温设备的虚拟监控平台，实现透明化运行、故障问题重现与仿真，满足实验室管理者对高温设备的追溯分析、实时监控和故障诊断等需求。［6-7］

4 基于数字孪生的实验室高温设备智能化监管的探索与实现

通过数字孪生建立的监控体系，实现其可视化仿真模型，分析设备运行状态和人员操作行为的动态数据，实现对设备运行状态动态监控、自我运算及预判提醒和对人员进出及实验行为的监管等功能。也可实现高温设备报废提醒及年检提醒功能，实现对高温设备定位监管、设备周边安全警示及防护设备巡检，达到实验室状态可视、实验室安全可控、师生安全行为可管的目标。

4.1 实验室状态可视

在实验室及重点监管的高温设备安装视频监控、环境监测等硬件设备，以便实时采集与传输相关数据，完成涵盖实验室概况、线路引导、当前位置、资讯发布、呼叫中心等功能的监控可见、资产可视的基于GIS 的实验室三维实体模型（见图3～5）；对设备加装温度、电力、环境监测等传感器、呼叫器等硬件设备，完成设备运行状态可见、安全态势可见、实验室环境状态可见、能效状况可见的智能化数据图谱（见图6）；在实验室加装红外感应装置，实现人员热力可见的智能化监管方式。通过虚拟仿真与实时的交互，实现“数字化”实验室管理的目标。

图3 校区三维模型图

图4 楼宇三维模型

图5 烘箱数字孪生场景

图6 烘箱运行数据

4.2 实验室安全风险源可控

（1）设备运行状态监测。设备运行状态的监测前提是做好动态数据的孪生，这是实现实时映射的关键部分。在高温设备使用环节中，通过安装不同的数据采集和监测设备，实时监测相关的温度、压力、气体浓度等参数。①设备运行故障排除。当因人、机误操作或设备故障引起某项指标出现异常时，监测控制系统启动相应的装置工作，并自动向平台发出预警信号，实现各类监管数据的可视化。第1 关：预警，暴露可能出现的事故隐患，防患于未然，如与智能空开的日常数据进行比对，发现异常即预警。第2 关：达到阈值，自动断路（智能空开的应急响应，可能在事故苗头的前后时期）。第3 关：红外检测，事故发生初期的应急响应，防止事故进一步扩大（对实验室空间进行红外特征扫描，实验室内部温度超过设定阈值即报警）［8-10］。②设备运行情况预判。对实验室及高温设备的运行情况进行可视化实时监管不只是对高温设备的单项映射，也可在不断积累实时数据的基础上，推理设备运行规律并演化实验过程，实现耗能预测、智能分析、智能诊断、安全预警和设备管理等功能。③设备日常维护提醒。系统建立时将孪生的监管系统与现有的“国有资产管理系统”对接，从中抓取高温设备的名称、设备编号、投用时间、生产厂家、规格型号、功率、服役年限、检验周期等信息，程序设计思路：当高温设备的报废年限或年检时间等其中某项指标到达预设阈值或出现异常时，通过平台直接向设备安全负责人、学院分管领导和学校职能部门发送提醒信息。超期服役、逾期不检验或检查过程中发现问题整改不到位的设备，可直接通过平台控制高温设备的电源智能开关，远程关闭高温设备电源供应按钮［11-12］。同时在可视化平台上用异色标注正常使用、预警和关停设备的不同状态。④设备自我维护。将设备维护或体检的数据录入系统，还可以根据数字孪生的计算，提出相应的使用建议，延长设备的使用寿命，提升使用效能［13-15］。

（2）运行区域监管。将高温设备贴上射频（RFID）标签以实现智能化识别和规范化管理。同时通过加装传感器等方式给高温设备在实验室划定使用区域，方便孪生出高温设备所在楼宇实验具体位置。当有师生未经审批随意将高温设备移出指定区域时，传感器感应到信号传输给系统，系统将会发出预警信号［16］。

（3）实验室安全视频识别。通过加装多个视频监控，全方位记录高温设备。主要利用视频监控设备智能识别高温设备附近是否按要求配备相应的防护设施，配置现场急救用品和消防设施以及操作规程等。

（4）实验事件上报、处置和回溯及应急预案和应急指挥。实验室内产生的人员进出、设备操作、设备报错、设备运行状况等数据在孪生状态中全部留痕，并主动上报和及时自主处置，均能实现事件回溯。在实验室出现紧急情况时，孪生实验室可根据设备运行和人员热力情况出具科学有效的应急方案并能进行科学有效的现场应急指挥。

4.3 师生安全行为可管

（1）人员进出的智能管控。将实验室安全考试系统与监管平台连接，实时比对操作人员的安全基本知识的培训及考试结果，考核通过者可获取操作授权和启用设备。结合实验室资源情况和实验人数智能诊断人员进入量，决策通行权限。

（2）实验行为的智能管理。利用智能化监控系统收集学生实验行为和设备运行数据并做好分析、研判、提醒和上报。当学生不按照操作规程，如高温设备运行时无人值守、开展危险实验时在场人员不足2 人、设备运行时间过长、学生实验操作不规范等违规行为时进行智能诊断并提供语音提示、启动报警装置和暂停实验装置等决策支撑，同时做好事件上报和处置工作。

5 结语和展望

实验室内的烘箱、电阻炉等高温设备可看成一个个“纯生命体”，他们往往因操作人员、实验环境、使用年限等差异导致其在每时每刻的性能参数都在变化，因此数字孪生的实验室高温设备需要庞大的数据支撑方可实现精准预测、研判和智能化管控。本文基于数字孪生在实验室高温设备的智能管理开展初步研究，目前已在学校部分楼宇的一级实验室通过数字孪生监控实验室内高温设备的温度、电流、功率，以及通过捕捉与分析实验人员、实验行为和监控实验室高温设备周边环境等数据的方式探索出智能化监控实验室安全的新途径。未来，随着数字技术迭代发展，将对师生实验过程中“人、机、料、法、环”等多要素进行感知分析，全面实现物理世界的真实映射，从而将实验室安全风险降到最低。“数字孪生”在实验室安全领域不再仅仅局限于一个缥缈的概念，随着数字孪生技术的应用和推广，将逐步打开实验室安全管理的新局面，并将传统的管理模式逐步向高效、柔性、智能化推进。