高校高危實驗數(shù)字孿生預案分析與遙操作安全技術

［摘 要］ 在高?；瘜W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(shù)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(fā)，提出高校化學化工高危實驗數(shù)字孿生技術、遙操作技術與實時操作監(jiān)控預警系統(tǒng)的安全保障綜合技術體系。其中，數(shù)字孿生技術在科技創(chuàng)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(xiàn)場操作規(guī)避人員安全性問題的新技術，實時操作監(jiān)控預警系統(tǒng)提供教學環(huán)節(jié)監(jiān)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(fā)的痼疾。

［關鍵詞］ 高校實驗教學與管理；高危實驗安全性；數(shù)字孿生；遙操作；實時監(jiān)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(wěn)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(huán)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(shù)。

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(fā)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(fā)，甚至發(fā)生重大事故。一方面，高?？蒲行蛯I(yè)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(chuàng)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(xiàn)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(guī)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(wǎng)絡管理平臺，但高危實驗室對數(shù)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(guī)范與流程通常是在實驗方案已經(jīng)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(chuàng)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(guī)范與流程，需要數(shù)字化模擬系統(tǒng)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(xiàn)人員遠離現(xiàn)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(xiàn)精細化操作時，機械手可以實現(xiàn)更精準或穩(wěn)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(jiān)控與預警系統(tǒng)。本文提出基于數(shù)字孿生技術、遙操作技術與實時操作監(jiān)控系統(tǒng)的高?；瘜W化工高危實驗安全保障綜合技術體系。其中，數(shù)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(guī)避人員危險性的現(xiàn)場操作的新技術，實時操作監(jiān)控預警系統(tǒng)提供重要實驗細節(jié)與環(huán)節(jié)的監(jiān)測與預警。

二、高危實驗數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生［3］作為一項虛實結合的數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)物理層與信息層之間的雙向映射、動態(tài)交互、實時迭代優(yōu)化，從而實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(guī)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(guī)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(shù)映射是數(shù)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(shù)據(jù)、同步工作、虛擬現(xiàn)實技術等，發(fā)展針對化學化工高危實驗的數(shù)字孿生實驗系統(tǒng)，深入開展任務對接與實驗過程的數(shù)字化虛擬仿真分析。針對上述缺少成熟的實驗流程與規(guī)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(shù)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(shù)字化模擬的方式練練手，提前規(guī)劃或熟悉實驗流程與操作細節(jié)，提前摸排后續(xù)現(xiàn)場實驗中可能出現(xiàn)的難點或誤操作，掌握關鍵環(huán)節(jié)的重點注意事項，尤其是可能引發(fā)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(fā)展數(shù)字孿生仿真技術的核心是將現(xiàn)場實驗操作潛在的安全性、部分實驗缺少規(guī)范與流程等問題在數(shù)字樣機階段提前解決。數(shù)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(yè)現(xiàn)場，遠程操控機械手，完成危險或未知環(huán)境中的復雜的作業(yè)任務，已經(jīng)被廣泛用于遠程醫(yī)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(wǎng)絡的機器人工作在遠端作業(yè)環(huán)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(xiàn)人與機器人的深度耦合。

在化學化工等專業(yè)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(guī)范的操作或在外界因素干擾下，一旦發(fā)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(fā)生了這類高危實驗事故，由于實驗操作人員遠離了現(xiàn)場［5］，可以規(guī)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(xiàn)實的機器臂或靈巧手遙操作模擬實驗系統(tǒng)，將模擬機器人遙操作的情境作為規(guī)劃預案與驗證。人機交互遙操作實驗系統(tǒng)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(huán)境建模等。技術含量高、研發(fā)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(xiàn)遙操作。

四、化學化工實驗操作實時監(jiān)控預警系統(tǒng)

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(yī)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(guī)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，所以化學實驗室的危化品操作安全問題尤為重要。除了嚴格的管理制度、熟練的專業(yè)操作人員，還需要現(xiàn)代信息化、智能化技術介入，發(fā)展實時操作監(jiān)控預警系統(tǒng)，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(fā)設備或實驗信息化網(wǎng)絡管理平臺。這里所述的實時操作監(jiān)控預警系統(tǒng)已超出常用的信息化網(wǎng)絡管理平臺范疇。該系統(tǒng)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(xiàn)場操作的各類重要信息與狀態(tài)變化，基于系統(tǒng)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(guī)操作預警或及時阻斷危險實驗。該系統(tǒng)與設備運轉狀態(tài)信息互聯(lián)，與環(huán)境檢測信息互通，監(jiān)測現(xiàn)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(jiān)控預警系統(tǒng)不只是安全保障措施，與設備自身數(shù)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(shù)據(jù)可以結合實時操作監(jiān)測預警系統(tǒng)，予以判斷、提醒、配合改進，可實現(xiàn)高危實驗的全方位、全過程、精細化、規(guī)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(guī)避風險，但也涉及很多高新技術的應用與研發(fā)，專業(yè)性強，種類多。例如，開發(fā)遙操作系統(tǒng)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(jiān)控預警系統(tǒng)需要發(fā)展實驗人員現(xiàn)場操作的預警算法等。具有高危特性的化學化工專業(yè)實驗室的科研團隊并不一定是自動化控制專業(yè)、信息工程專業(yè)，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(yè)技術，更缺少現(xiàn)代技術的開發(fā)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(xiàn)實。高校需要設立專項創(chuàng)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(shù)字孿生模型可以由本校或校外單位專業(yè)科研團隊開發(fā)。

此外，高校實驗室專業(yè)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(fā)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(shù)字化、智能化、信息化技術的研究開發(fā)與應用。當前很多高校的實驗隊伍建設，無論是理念還是現(xiàn)有的管理體制、人員專業(yè)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(xiàn)核心技術變革的制高點，在科技強國的創(chuàng)新體系中，建立適應科技創(chuàng)新發(fā)展需求的、具有高水平研發(fā)能力的實驗隊伍，本身是在重大實驗裝置與原創(chuàng)實驗技術領域構建核心競爭力的非常重要的一環(huán)。因此，高校高危實驗室管理與專業(yè)隊伍建設亟須與時俱進。

結語

在高?；瘜W化工等專業(yè)實驗的教學中存在一定的危險性。本文提出基于數(shù)字孿生、遙操作和實時監(jiān)控預警系統(tǒng)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(fā)揮高校多學科優(yōu)勢和科技創(chuàng)新力量，從觀念變革、體制機制改革和專業(yè)隊伍建設等方面，迎難而上。

參考文獻

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［3］李福，吳益飛，孔維一，等.數(shù)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.

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［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