高校高危实验数字孪生预案分析与遥操作安全技术

邓玲玲     

燕山大学实验室与资产管理处，河北秦皇岛066004

[摘  要]：在高校化学化工等高危实验的教学、科研与管理工作中，很少从新技术应用层面研究其安全性保障问题。数字化、智能化、信息化是未来化学化工高危实验教学与实验室建设的必然技术趋势。从实验教学安全性角度，本文提出高校化学化工高危实验数字孪生技术、遥操作技术与实时操作监控预警系统的安全保障综合技术体系。其中，数字孪生技术在科技创新中用于探索性或前期实验教学的预案分析，人机交互遥操作技术是高风险实验现场操作规避人员安全性的新技术，实时操作监控预警系统提供教学环节监测与安全预警，以期根除化学化工高危实验教学与科研中事故频发的痼疾。

[关键词]：高校实验教学与管理; 高危实验安全性; 数字孪生; 遥操作; 实时监控

[基金项目]： 无

[作者简介]：邓玲玲（1977-），女，湖南衡阳，硕士，燕山大学实验室与资产管理处，初级科员，研究方向：实验教学与管理。

[中图分类号]：G647    [文献标识码]：A   

1、 高校高危实验安全保障综合技术体系

安全是高校化学化工高危实验教学与实验室管理的核心，不仅关系到师生生命和学校财产安全，也涉及社会和谐与校园稳定问题。在教学与科研活动中，化学化工高危实验安全问题包括人员安全、实验操作安全、化学品与生物安全、危险废弃物及环保、消防等诸多方面。例如，高危实验教学及科研工作中使用的危险化学品，包括易燃易爆或有毒的有机溶剂、氧化剂、有机过氧化物等气液固体、压缩或液化气体、腐蚀品等，均具有高危险系数。

化学化工高危实验室安全管理制度建设是实验室安全管理与安全保障的重要基础^[1,2]。在高校高危实验室安全工作中，坚持“安全第一，预防为主，综合治理，教育先行”的原则，首要任务是构建更加完善、更加科学合理的安全管理体系，最大限度地消除安全隐患，避免安全事故发生。然而，我们注意到，在高校高危实验室运行过程中，无论安全制度如何完善、措施如何严格，还是难以杜绝事故偶发，甚至发生重大事故。一方面，高校科研型专业实验与那些中小学成熟的基础实验存在不同之处，由于涉及到科技创新，有些本身就是摸索过程中的新实验，存在一些未知因素或不确定性；另一方面，有些单位仍然存在安全教育流于形式，师生安全意识淡薄，对安全的重视程度不足。此外，高危实验实验室建设，除了管理标

准化、规范化及有序性，还有技术化。例如，很多高校建设了实验室信息化网络管理平台，但高危实验室在数字化、智能化、信息化等领域的高新技术应用不足。例如，实验操作规范与流程通常是在实验方案已经充分论证、实验技术相对成熟的基础才能完善，但在科技创新过程，新实验的首次操作可能本身就缺少成熟规范与流程，需要数字化模拟系统进行预案分析；在易燃易爆或高危实验中，若通过遥操作技术，实现人员远离现场的操作，人员安全肯定更有保障；针对一些依赖娴熟手法的精密实验，危险性带来紧张感，手一抖就可能导致安全问题的误操作，或观察与主观判断难以实现精细化操作时，机械手可以实现更精准或稳定操作；针对实验步骤特别严格，稍有差池就是安全问题的实验，新手操作实验时需要实时监控与预警系统。本文提出基于数字孪生技术、遥操作技术与实时操作监控系统的高校化学化工高危实验安全保障综合技术体系。其中，数字孪生技术是探索性或前期高危实验的预案分析方法，人机交互遥操作技术是高风险实验中规避人员危险性的现场操作新技术，实时操作监控预警系统提供重要实验细节与环节的监测与预警。

2、高危实验数字孪生技术

数字孪生^[3]作为一项“虚实结合”的数字化转型技术，充分利用物理模型、传感器信息更新、运维历史数据等，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，以虚映实，实现物理层与信息层之间的双向映射、动态交互、实时迭代优化，从而实现对复杂系统的可视化、可控制和可预测。特别是，该技术使得人们能够即时洞察并发现潜在的问题，推演响应的有效措施，以最大程度地避免问题的产生，规避可能带来的损失。

针对首次、探索性或前期高危实验普遍缺少成熟的实验流程与规范等问题，建立实验仪器设备的虚拟样机，其物理实体与虚拟模型的功能参数映射是数字孪生实验模型的核心要素。结合化学化工实验计划的科学问题和目标任务，采用大数据、同步工作、虚拟现实技术，发展针对化学化工高危实验的数字孪生实验系统，深入开展任务对接与实验过程的数字化虚拟仿真分析。针对上述缺少成熟的实验流程与规范的首次、探索性或其他类型的新实验任务，开展实验操作全过程的数字化“兵棋推演”，论证实验方案的可行性，让实验操作人员以数字化模拟方式练练手，提前规划或熟悉实验流程与操作细节，提前摸排后续现场实验中可能出现的难点或误操作，掌握关键环节的重点注意事项，尤其是可能引发实验事故的危险性预判，并提出改进措施的预案。简单点讲，发展数字孪生仿真技术,核心是将现场实验操作潜在的安全性、部分实验缺少规范与流程等问题在数字样机阶段提前解决。数字孪生实验“兵棋推演”本身是无安全问题，也是从理论向实践跨越的重要手段，事先可以起到高还原性的化学化工实验安全性预测与预判，也可以有效提高操作者动手之前的临场感，成为动手后的重要安全保障措施。

3、化学化工高危实验人机交互遥操作技术

人机交互遥操作技术结合了人的知识智慧和机器人的适应性，操作人员可以远离对人身安全造成威胁的作业现场，远程操控机械手，完成危险或未知环境中复杂的作业任务，已经被广泛用于远程医学手术、深空探测、水下勘探等领域^[4]。东南大学宋爱国教授指出，“人机交互遥操作机器人”就是指依托于高速通信网络的机器人工作在远端作业环境，人远离现场。通过各种传感设备，测量人操作过程信息及肢体运动信息，并作为控制指令，去控制机器人的运动与操作；同时，再将机器人的视觉、力觉、触觉等各种感知信息反馈给人，实现人与机器人的深度耦合。

在化学化工等专业领域的高危实验示范教学或科研活动中，如果实验人员进行了不规范操作或是外界因素干扰下，一旦发生易燃易爆或有毒气体等事故，很可能会造成重大人员伤亡问题。若采用人机交互遥操作技术，万一发生了这类高危实验事故，由于实验操作人员远离了现场^[5]，显然可以规避事故中人员伤亡问题。此外，遥操作技术也是实验设备共享的重要新手段。

注意到，科学实验还涉及精准性、时效性。为了顺利完成遥操作过程，通常需要基于实验任务，建立基于虚拟现实的机器臂或灵巧手遥操作模拟实验系统，模拟机器人遥操作的情境作为规划预案与验证。人机交互遥操作实验系统通常包含机械、控制硬件及软件设计，本项目具体涉及灵巧机械手技术、力觉临场感技术等人机交互接口与传感、机器人运动学建模、时延理论与方法、虚拟环境建模等。技术含量高、研发难度大，遗憾的是目前高校还做不到所有的高危实验均能实现遥操作。

4、化学化工实验操作实时监控预警系统

目前在高校的科研与教学实验中，很多高危实验是由人员直接动手操作，必然存在主观能动性带来的潜在危险性，尤其是化学化工实验。人与人之间，就像拿手术刀的外科医生，动手能力和手法熟练程度总是存在差异性的。例如，学生在化学实验中, 新手上路，容易进行不规范操作,可能使实验室内的化学品互相之间发生不同程度的危害反应，所以化学实验室的危化品操作安全问题显得尤其重要。除了严格的管理制度，熟练的专业操作人员，还需要现代信息化智能化技术介入，发展实时操作监控预警系统，以期最大限度避免事故或彻底根除事故。

在高危实验安全领域，信息化技术的应用是必需的，目前主要用于开发设备或实验信息化网络管理平台。这里所述实时操作监控预警系统超出常用的信息化网络管理平台范畴。该系统重点是实验过程中防患於未然的重要措施，通过实时检测与感知现场操作的各类重要信息与状态变化，基于系统的智能决策，即时提醒重要操作步骤与关键性注意事项，提前提供违规操作预警或及时阻断危险实验。该系统与设备运转状态信息互联，与环境检测信息互通，监测现场操作的人机交互信息以及实验样品、过程反应、实验演化与结果等实时信息。

实时操作监控预警系统，不只是安全保障措施，与设备自身数字化模型连通之后，也可提供更加精准操作的辅助。例如，不同于人的观察或主观判断，有些实验效果的精细化评价数据可以结合实时操作监测预警系统，予以判断、提醒、配合改进，可实现高危实验的全方位、全过程、精细化、规范化、信息化管理，确保提高安全性，减少误操作与失败率。

5、技术支撑措施的难点及应对方法

上述技术支撑措施无疑可以为化学化工高危实验提供更有力的安全保障，从技术层面有效规避风险，但也涉及到很多高新技术的应用与研发，专业性强，种类多。例如，开发遥操作系统涉及灵巧机械手技术、力觉临场感技术、时延理论与方法，实时操作监控预警系统需要发展实验人员现场操作的预警算法等。 具有高危特性的化学化工专业实验室的科研团队并不一定是自动化控制、信息工程专业，而高校高危实验室的管理工作一般由实验设备与资产管理处负责。这类职能部门通常不熟悉专业技术，更缺少现代技术的开发与应用能力。有些高新技术移植到高危实验管理，单纯依靠高校实验技术人员完成也不现实。需要设立专项创新项目，支持搭建通用的实验安全保障综合技术平台。例如，数字孪生模型可以由本校或外单位专业科研团队开发。

此外，高校实验室专业队伍建设也需要及时跟进。高校实验室人员不能胜任上述保障措施的技术研发可以理解，但上述技术在实验室的应用与管理对接方面的技能提升是回避不了。高校乃至科技界要充分重视高危实验的数字化、智能化、信息化技术的研究开发与应用。当前很多高校的实验队伍建设，无论是从理念和现有的管理体制、人员专业水平都存在不匹配高新技术在实验室的推广与应用。实验人员学历比其他任课教授普遍要求低一些，平时科研要求不高甚至没有要求，还有为解决人才引进解决家属工作问题，甚至还有停留在按时开门和锁门的情况。由于高精尖的仪器设备和实验技术本身是突破前瞻性的重大基础科学问题、实现核心技术变革的制高点。在科技强国的创新体系中，建立适应科技创新发展需求的、具有高水平研发能力的实验队伍，本身是在重大实验装置与原创实验技术领域构建核心竞争力的非常重要一环。因此，高校高危实验室管理与专业队伍建设亟待与时俱进。

6、结束与展望

在高校化学化工等专业实验的教学中存在一定的危险性。本文提出基于数字孪生、遥操作和实时监控预警的高校高危实验安全保障综合技术体系，致力于打造根除高危实验操作过程的安全事故。主要论证了高校高危实验安全问题不能仅限于“管”，新技术的应用也是实验教学中非常重要的安全保障措施。智慧型实验操作技术与管理肯定是未来解决化学化工高危实验安全的重要举措，我们需要充分发挥高校多学科优势和科技创新的力量，从观念变革、体制机制改革和专业队伍建设等方面，迎难而上。

[参考文献]

[1] 阳富强，李施怡，施永乾. 高校实验室安全管理布莱德利曲线模型[J]. 实验技术与管理, 2023, 40(1): 211-215. DOI: 10.16791/j.cnki.sjg.2023.01.034

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[3] 李福, 吴益飞, 孔维一,等. 数字孪生趋势下机器人虚拟仿真实验建设[J]. 实验技术与管理, 2021, 10: 265-268,287. DOI: 10.16791/j.cnki.sjg.2021.10.049

[4] 张斌，黄攀峰，刘正雄，等. 基于虚拟夹具的交互式空间机器人遥操作实验[J]. 宇航学报,2011, 32(2): 446-450. DOI: 10.3873/j.issn.1000-1328.2011.02.033

[5] 王开宇，程春雨，金明录. 远程虚拟仿真实验教学中心建设[J].  实验技术与管理, 2016, 12: 242-245. DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.0

Digital Twin Plan Analysis and Remote Operation Safety Technology

for High Risk Experiments in Universities

                             Deng Lingling

Office of laboratory and asset management, Yanshan University, Qinhuangdao 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, 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