本发明涉及数字孪生，特别涉及一种基于数字孪生的实验室控制管理系统。
背景技术：
1、实验室是科学研究和检验检测的重要场所，其中进行的实验常常涉及到各种危险化学品、生物试剂以及高精尖的仪器设备。因此，保障实验室的环境安全、设备运行稳定以及人员的安全至关重要。然而，目前对于实验室的监督和管理仍然停留在传统的安全教育和通过传统的巡逻监测的方式进行。这种传统的巡逻监测方式通常需要安排专门的巡逻人员在规定的时间完成对实验室设备、环境、人员、材料等信息进行记录和监测。巡逻人员会按照预定的路线和时间表进行巡视，检查各种仪器设备是否运行正常，环境条件是否稳定等。依赖于人工巡逻的方式存在明显的局限性。巡逻人员的数量和精力有限，可能无法实现全天候、全方位的监控。即使巡逻人员发现了异常情况，也需要通过一系列的汇报和沟通流程才能将信息传递给负责处理的工作人员。这个过程中的时间延迟可能导致无法及时发现和处理异常情况，从而留下安全隐患。
2、虽然传统的巡逻监测方式在一定程度上能够提供基本的监控和管理，但其实时性和准确性不足以满足现代实验室对安全管理的高标准要求。
技术实现思路
1、针对现有技术不足，本发明解决的技术问题是提供一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，解决现有实验室设备管理实时性和准确性较差的问题。
2、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是: 一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，包括相互电连接的模型创建模块、数据采集模块、数据预处理模块、模型管理模块和中央控制模块；模型创建模块用于根据已有的实验室基础数据和物理设备数据创建数字孪生模型；数据采集模块用于实时采集实验室监测数据，并将采集到的实验室监测数据实时传输到数据预处理模块进行处理；数据处理模块用于对获取的实验室监测数据进行数据预处理成标准化数据；模型管理模块用于根据预处理后的监测数据对数字孪生模型进行更新；中央控制模块用于根据得到的处理后数据进行分析得到分析结果，并根据分析结果生成对应的控制指令，中央控制模块还用于根据生成的控制指令对实验室设备进行控制。
3、本方案的有益效果是：本发明提出了一种创新的实验室监测管理系统，该系统能够根据实验室的实际情况构建数字孪生模型。数字孪生模型是实验室在虚拟空间中的精确复制品，它能够反映实验室的所有关键特征和运行状态。这一模型与设置在实验室现场的数据采集模块紧密关联，实现数据的实时同步和更新。
4、数据采集模块由多种传感器、探测器和度量设备组成，它们分布于实验室的各个关键位置，能够持续监测实验室内的环境参数、设备运行状态、人员活动、材料使用情况等。这些采集到的数据被实时传输至中心处理系统，并更新到数字孪生模型中。通过这种方式，数字孪生模型能够实时呈现实验室的运行状况，为管理人员提供一个直观、实时的监控界面。
5、通过本发明的应用，显著提高了实验室监测的实时性水平，确保了对异常情况的快速响应。同时，智能化控制的实施，不仅提高了实验室设备运行的安全性和效率，还减轻了管理人员的工作负担，使得实验室监测管理更加精准、高效，并为实验室安全提供了强有力的技术支持，同时有效降低了实验室能耗。
6、进一步，所述数据采集模块包括环境监测单元、设备监测单元、人员监测单元和通信传输单元；实验室所示实验室监测数据包括环境监测数据和设备监测数据和人员监测数据；环境监测单元用于采集实验室内各区域的环境监测数据，设备监测单元用于采集实验室内各设备的设备监测数据，人员监测单元用于采集实验室内人员监测数据，人员监测数据包括人员信息和人员数量；通信传输单元用于将采集到的实验室监测数据经过数据预处理模块后分别传输到模型管理单元和中央控制模块中，中央控制模块根据设备监测数据提取运行设备信息，中央控制模块还用于根据运行设备信息和实验室的人员数量、人员信息判断进行分析，当运行设备与所需要的人员数量不匹配或者运行设备与人员信息不匹配时则控制运行设备关闭并进行异常使用信息上报。
7、在实验室设备使用时，部分设备需要人员监守才能进行运行，以保证设备的安全使用，例如高温设备，按照设备安全操作要求，在使用时通常需要2个及以上的工作人员在场；若在高温设备运行时无人值守则存在较大安全隐患；因此通过设备监测和人员监测，获取此类设备运行时在场人员情况，保证设备的安全运行。其次，由于实验室存在大量实验设备，不同实验设备的操作要求不同；使得在系统内不同工作人员对不同设备的配置的使用权限不同；因此在实验设备使用权限以外的实验设备使用时需要进行申请，当监测到使用设备与使用人员权限不符时，使用人员容易对设备误操作从而损坏实验设备，更严重则会造成实验室爆炸或起火，引发安全事故，存在极大安全隐患；因此，对此类使用情况进行监控并报警以减小安全事故发生概率，保护实验室使用安全。
8、进一步，还包括数据库模块；数据库模块用于存储实验室基础数据和物理设备数据，以及环境参数标准范围值、设备运行参数标准范围值和设备标准位置信息，数据库模块还用于对获取的历史实验室监测数据进行分类存储管理。
9、进一步，所述中央控制模块包括数据分析单元，设备控制单元，区域管控单元和警告单元；所述数据分析单元用于将获取到的环境监测数据、设备监测数据分别与数据库记录的环境参数标准范围值、设备运行参数标准范围值进行比较得到分析结果，所述设备控制单元根据分析结果生成对应的控制指令，并根据控制指令对实验室设备进行控制，所述区域管控单元用于根据设备当前位置信息与数据库记录的设备标准位置信息进行对比，并根据对比结果生产对应警告指令；所述警告单元用于根据警告指令发出报警。
10、部分设备在使用时对环境的温度湿度与其他设备要求数值不同，因此会将此类划分在不同空间进行使用；其次，部分设备在使用时容易造成环境污染，如粉尘、烟雾等；同样需要在不同空间使用；通过区域控制单元对设备位置进行监控，保证设备在规定区域内使用，避免设备使用异常或者对其他设备使用造成影响。
11、进一步，所述环境监测单元包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和生物传感器，环境监测单元用于采集环境监测数据，环境监测数据包括温度、相对湿度、悬浮粒子数、微生物含量以及气压差；所述中央控制模块还用于控制环境调节设备对实验室环境按标准进行合理调节；环境调节设备包括温度调节器、湿度调节器、排风机和空气净化机。通过关联环境调节设备实现对实验室环境的自适应调节，从而可实现对实验室设备智能化管理，从而减少调节设备能耗。
12、进一步，还包括显示模块；显示模块包括显示大屏，显示大屏与中央控制模块电连接，用于接收中央控制模块传输的对数字孪生模型和得到的监测数据分析结果、实验室综合分析结果并进行大屏展示。采用大屏展示便于实验室管理人员直观地获得实验室运行数据。
1.一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，其特征在于：包括相互电连接的模型创建模块、数据采集模块、数据预处理模块、模型管理模块和中央控制模块；模型创建模块用于根据已有的实验室基础数据和物理设备数据创建数字孪生模型；数据采集模块用于实时采集实验室监测数据，并将采集到的实验室监测数据实时传输到数据预处理模块进行处理；数据处理模块用于对获取的实验室监测数据进行数据预处理成标准化数据；模型管理模块用于根据预处理后的监测数据对数字孪生模型进行更新；中央控制模块用于根据得到的处理后数据进行分析得到分析结果，并根据分析结果生成对应的控制指令，中央控制模块还用于根据生成的控制指令对实验室设备进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，其特征在于：所述数据采集模块包括环境监测单元、设备监测单元、人员监测单元和通信传输单元；实验室所示实验室监测数据包括环境监测数据和设备监测数据和人员监测数据；环境监测单元用于采集实验室内各区域的环境监测数据，设备监测单元用于采集实验室内各设备的设备监测数据，人员监测单元用于采集实验室内人员监测数据，人员监测数据包括人员信息和人员数量；通信传输单元用于将采集到的实验室监测数据经过数据预处理模块后分别传输到模型管理单元和中央控制模块中，中央控制模块根据设备监测数据提取运行设备信息，中央控制模块还用于根据运行设备信息和实验室的人员数量、人员信息判断进行分析，当运行设备与所需要的人员数量不匹配或者运行设备与人员信息不匹配时则控制运行设备关闭并进行异常使用信息上报。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，其特征在于：还包括数据库模块；数据库模块用于存储实验室基础数据和物理设备数据，以及环境参数标准范围值、设备运行参数标准范围值和设备标准位置信息，数据库模块还用于对获取的历史实验室监测数据进行分类存储管理。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，其特征在于：所述中央控制模块包括数据分析单元，设备控制单元，区域管控单元和警告单元；所述数据分析单元用于将获取到的环境监测数据、设备监测数据分别与数据库记录的环境参数标准范围值、设备运行参数标准范围值进行比较得到分析结果，所述设备控制单元根据分析结果生成对应的控制指令，并根据控制指令对实验室设备进行控制，所述区域管控单元用于根据设备当前位置信息与数据库记录的设备标准位置信息进行对比，并根据对比结果生产对应警告指令；所述警告单元用于根据警告指令发出报警。
5.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，其特征在于：所述环境监测单元包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和生物传感器，环境监测单元用于采集环境监测数据，环境监测数据包括温度、相对湿度、悬浮粒子数、微生物含量以及气压差；所述中央控制模块还用于控制环境调节设备对实验室环境按标准进行合理调节；环境调节设备包括温度调节器、湿度调节器、排风机和空气净化机。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的实验室控制管理系统，其特征在于：还包括显示模块；显示模块包括显示大屏，显示大屏与中央控制模块电连接，用于接收中央控制模块传输的对数字孪生模型和得到的监测数据分析结果、实验室综合分析结果并进行大屏展示。
