本發(fā)明涉及數(shù)字孿生，特別涉及一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)研究和檢驗(yàn)檢測的重要場所，其中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)常常涉及到各種危險(xiǎn)化學(xué)品、生物試劑以及高精尖的儀器設(shè)備。因此，保障實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境安全、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定以及人員的安全至關(guān)重要。然而，目前對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)督和管理仍然停留在傳統(tǒng)的安全教育和通過傳統(tǒng)的巡邏監(jiān)測的方式進(jìn)行。這種傳統(tǒng)的巡邏監(jiān)測方式通常需要安排專門的巡邏人員在規(guī)定的時(shí)間完成對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、環(huán)境、人員、材料等信息進(jìn)行記錄和監(jiān)測。巡邏人員會(huì)按照預(yù)定的路線和時(shí)間表進(jìn)行巡視，檢查各種儀器設(shè)備是否運(yùn)行正常，環(huán)境條件是否穩(wěn)定等。依賴于人工巡邏的方式存在明顯的局限性。巡邏人員的數(shù)量和精力有限，可能無法實(shí)現(xiàn)全天候、全方位的監(jiān)控。即使巡邏人員發(fā)現(xiàn)了異常情況，也需要通過一系列的匯報(bào)和溝通流程才能將信息傳遞給負(fù)責(zé)處理的工作人員。這個(gè)過程中的時(shí)間延遲可能導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，從而留下安全隱患。

2、雖然傳統(tǒng)的巡邏監(jiān)測方式在一定程度上能夠提供基本的監(jiān)控和管理，但其實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性不足以滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室對(duì)安全管理的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差的問題。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:?一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，包括相互電連接的模型創(chuàng)建模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、模型管理模塊和中央控制模塊；模型創(chuàng)建模塊用于根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和物理設(shè)備數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生模型；數(shù)據(jù)采集模塊用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集到的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；模型管理模塊用于根據(jù)預(yù)處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行更新；中央控制模塊用于根據(jù)得到的處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到分析結(jié)果，并根據(jù)分析結(jié)果生成對(duì)應(yīng)的控制指令，中央控制模塊還用于根據(jù)生成的控制指令對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行控制。

3、本方案的有益效果是：本發(fā)明提出了一種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況構(gòu)建數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型是實(shí)驗(yàn)室在虛擬空間中的精確復(fù)制品，它能夠反映實(shí)驗(yàn)室的所有關(guān)鍵特征和運(yùn)行狀態(tài)。這一模型與設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集模塊緊密關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步和更新。

4、數(shù)據(jù)采集模塊由多種傳感器、探測器和度量設(shè)備組成，它們分布于實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)關(guān)鍵位置，能夠持續(xù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、人員活動(dòng)、材料使用情況等。這些采集到的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸至中心處理系統(tǒng)，并更新到數(shù)字孿生模型中。通過這種方式，數(shù)字孿生模型能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行狀況，為管理人員提供一個(gè)直觀、實(shí)時(shí)的監(jiān)控界面。

5、通過本發(fā)明的應(yīng)用，顯著提高了實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測的實(shí)時(shí)性水平，確保了對(duì)異常情況的快速響應(yīng)。同時(shí)，智能化控制的實(shí)施，不僅提高了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行的安全性和效率，還減輕了管理人員的工作負(fù)擔(dān)，使得實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測管理更加精準(zhǔn)、高效，并為實(shí)驗(yàn)室安全提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，同時(shí)有效降低了實(shí)驗(yàn)室能耗。

6、進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括環(huán)境監(jiān)測單元、設(shè)備監(jiān)測單元、人員監(jiān)測單元和通信傳輸單元；實(shí)驗(yàn)室所示實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)包括環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和人員監(jiān)測數(shù)據(jù)；環(huán)境監(jiān)測單元用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)備監(jiān)測單元用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各設(shè)備的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，人員監(jiān)測單元用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員監(jiān)測數(shù)據(jù)，人員監(jiān)測數(shù)據(jù)包括人員信息和人員數(shù)量；通信傳輸單元用于將采集到的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊后分別傳輸?shù)侥Ｐ凸芾韱卧椭醒肟刂颇K中，中央控制模塊根據(jù)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)提取運(yùn)行設(shè)備信息，中央控制模塊還用于根據(jù)運(yùn)行設(shè)備信息和實(shí)驗(yàn)室的人員數(shù)量、人員信息判斷進(jìn)行分析，當(dāng)運(yùn)行設(shè)備與所需要的人員數(shù)量不匹配或者運(yùn)行設(shè)備與人員信息不匹配時(shí)則控制運(yùn)行設(shè)備關(guān)閉并進(jìn)行異常使用信息上報(bào)。

7、在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用時(shí)，部分設(shè)備需要人員監(jiān)守才能進(jìn)行運(yùn)行，以保證設(shè)備的安全使用，例如高溫設(shè)備，按照設(shè)備安全操作要求，在使用時(shí)通常需要2個(gè)及以上的工作人員在場；若在高溫設(shè)備運(yùn)行時(shí)無人值守則存在較大安全隱患；因此通過設(shè)備監(jiān)測和人員監(jiān)測，獲取此類設(shè)備運(yùn)行時(shí)在場人員情況，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。其次，由于實(shí)驗(yàn)室存在大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作要求不同；使得在系統(tǒng)內(nèi)不同工作人員對(duì)不同設(shè)備的配置的使用權(quán)限不同；因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用權(quán)限以外的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用時(shí)需要進(jìn)行申請(qǐng)，當(dāng)監(jiān)測到使用設(shè)備與使用人員權(quán)限不符時(shí)，使用人員容易對(duì)設(shè)備誤操作從而損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更嚴(yán)重則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)室爆炸或起火，引發(fā)安全事故，存在極大安全隱患；因此，對(duì)此類使用情況進(jìn)行監(jiān)控并報(bào)警以減小安全事故發(fā)生概率，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室使用安全。

8、進(jìn)一步，還包括數(shù)據(jù)庫模塊；數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和物理設(shè)備數(shù)據(jù)，以及環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)位置信息，數(shù)據(jù)庫模塊還用于對(duì)獲取的歷史實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)管理。

9、進(jìn)一步，所述中央控制模塊包括數(shù)據(jù)分析單元，設(shè)備控制單元，區(qū)域管控單元和警告單元；所述數(shù)據(jù)分析單元用于將獲取到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)分別與數(shù)據(jù)庫記錄的環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值進(jìn)行比較得到分析結(jié)果，所述設(shè)備控制單元根據(jù)分析結(jié)果生成對(duì)應(yīng)的控制指令，并根據(jù)控制指令對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行控制，所述區(qū)域管控單元用于根據(jù)設(shè)備當(dāng)前位置信息與數(shù)據(jù)庫記錄的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)位置信息進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果生產(chǎn)對(duì)應(yīng)警告指令；所述警告單元用于根據(jù)警告指令發(fā)出報(bào)警。

10、部分設(shè)備在使用時(shí)對(duì)環(huán)境的溫度濕度與其他設(shè)備要求數(shù)值不同，因此會(huì)將此類劃分在不同空間進(jìn)行使用；其次，部分設(shè)備在使用時(shí)容易造成環(huán)境污染，如粉塵、煙霧等；同樣需要在不同空間使用；通過區(qū)域控制單元對(duì)設(shè)備位置進(jìn)行監(jiān)控，保證設(shè)備在規(guī)定區(qū)域內(nèi)使用，避免設(shè)備使用異?；蛘邔?duì)其他設(shè)備使用造成影響。

11、進(jìn)一步，所述環(huán)境監(jiān)測單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器和生物傳感器，環(huán)境監(jiān)測單元用于采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)包括溫度、相對(duì)濕度、懸浮粒子數(shù)、微生物含量以及氣壓差；所述中央控制模塊還用于控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)；環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備包括溫度調(diào)節(jié)器、濕度調(diào)節(jié)器、排風(fēng)機(jī)和空氣凈化機(jī)。通過關(guān)聯(lián)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備智能化管理，從而減少調(diào)節(jié)設(shè)備能耗。

12、進(jìn)一步，還包括顯示模塊；顯示模塊包括顯示大屏，顯示大屏與中央控制模塊電連接，用于接收中央控制模塊傳輸?shù)膶?duì)數(shù)字孿生模型和得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果、實(shí)驗(yàn)室綜合分析結(jié)果并進(jìn)行大屏展示。采用大屏展示便于實(shí)驗(yàn)室管理人員直觀地獲得實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行數(shù)據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，其特征在于：包括相互電連接的模型創(chuàng)建模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、模型管理模塊和中央控制模塊；模型創(chuàng)建模塊用于根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和物理設(shè)備數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生模型；數(shù)據(jù)采集模塊用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集到的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；模型管理模塊用于根據(jù)預(yù)處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行更新；中央控制模塊用于根據(jù)得到的處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到分析結(jié)果，并根據(jù)分析結(jié)果生成對(duì)應(yīng)的控制指令，中央控制模塊還用于根據(jù)生成的控制指令對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集模塊包括環(huán)境監(jiān)測單元、設(shè)備監(jiān)測單元、人員監(jiān)測單元和通信傳輸單元；實(shí)驗(yàn)室所示實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)包括環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和人員監(jiān)測數(shù)據(jù)；環(huán)境監(jiān)測單元用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)備監(jiān)測單元用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各設(shè)備的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，人員監(jiān)測單元用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員監(jiān)測數(shù)據(jù)，人員監(jiān)測數(shù)據(jù)包括人員信息和人員數(shù)量；通信傳輸單元用于將采集到的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊后分別傳輸?shù)侥Ｐ凸芾韱卧椭醒肟刂颇K中，中央控制模塊根據(jù)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)提取運(yùn)行設(shè)備信息，中央控制模塊還用于根據(jù)運(yùn)行設(shè)備信息和實(shí)驗(yàn)室的人員數(shù)量、人員信息判斷進(jìn)行分析，當(dāng)運(yùn)行設(shè)備與所需要的人員數(shù)量不匹配或者運(yùn)行設(shè)備與人員信息不匹配時(shí)則控制運(yùn)行設(shè)備關(guān)閉并進(jìn)行異常使用信息上報(bào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，其特征在于：還包括數(shù)據(jù)庫模塊；數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和物理設(shè)備數(shù)據(jù)，以及環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)位置信息，數(shù)據(jù)庫模塊還用于對(duì)獲取的歷史實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)管理。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，其特征在于：所述中央控制模塊包括數(shù)據(jù)分析單元，設(shè)備控制單元，區(qū)域管控單元和警告單元；所述數(shù)據(jù)分析單元用于將獲取到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)分別與數(shù)據(jù)庫記錄的環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍值進(jìn)行比較得到分析結(jié)果，所述設(shè)備控制單元根據(jù)分析結(jié)果生成對(duì)應(yīng)的控制指令，并根據(jù)控制指令對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行控制，所述區(qū)域管控單元用于根據(jù)設(shè)備當(dāng)前位置信息與數(shù)據(jù)庫記錄的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)位置信息進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果生產(chǎn)對(duì)應(yīng)警告指令；所述警告單元用于根據(jù)警告指令發(fā)出報(bào)警。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，其特征在于：所述環(huán)境監(jiān)測單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器和生物傳感器，環(huán)境監(jiān)測單元用于采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)包括溫度、相對(duì)濕度、懸浮粒子數(shù)、微生物含量以及氣壓差；所述中央控制模塊還用于控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)；環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備包括溫度調(diào)節(jié)器、濕度調(diào)節(jié)器、排風(fēng)機(jī)和空氣凈化機(jī)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，其特征在于：還包括顯示模塊；顯示模塊包括顯示大屏，顯示大屏與中央控制模塊電連接，用于接收中央控制模塊傳輸?shù)膶?duì)數(shù)字孿生模型和得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果、實(shí)驗(yàn)室綜合分析結(jié)果并進(jìn)行大屏展示。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種基于數(shù)字孿生的實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)，模型創(chuàng)建模塊用于根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和物理設(shè)備數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生模型；數(shù)據(jù)采集模塊用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集到的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；模型管理模塊用于根據(jù)預(yù)處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行更新；中央控制模塊用于根據(jù)得到的處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成對(duì)應(yīng)的控制指令，根據(jù)生成的控制指令對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行控。本專利的目的在于解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差的問題，同時(shí)通過智能化的設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，降低實(shí)驗(yàn)室能耗。

技術(shù)研發(fā)人員：朱朝清,蒲勇,王恩群,廣楊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：貴州博銳科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/24