古河数字孪生实验室建设方案

在科研创新高速发展的时代，实验室作为科研活动的核心阵地，其安全性、连续性和高效性愈发重要。南京古河软件有限公司凭借在智慧建筑、物联网及行业数字化领域的丰富经验，推出 《古河数字孪生实验室》 系统，以数字孪生、物联网、大数据、人工智能和BIM技术为核心，打造可感知、可分析、可预测、可联动的智慧实验室生态体系，全面支撑高校、科研院所、医疗机构及企业实验室的现代化建设。

一、方案总体定位

古河数字孪生实验室旨在构建真实实验室的虚拟数字镜像，实现设备、环境、安全、能耗等全要素的实时同步与智能管理，打造一个具备：

• 可视化运营中心
• 智能决策引擎
• 预测性安全体系
• 绿色低碳运行模型

的下一代智慧实验室平台，推动实验室管理从传统模式迈向数字化、智能化、可持续的新阶段。

二、核心建设价值

1. 从传统管理到虚实融合的智能管理

古河数字孪生实验室通过 3D 数字场景与实时数据融合，实现实验室运行状态的可视、可控、可分析、可预测，构建数字化运营的统一入口。

2. 从事件响应到风险预测

AI 预测模型基于设备历史曲线、环境数据风控模型，实现：

• 风机故障趋势预测
• 滤网堵塞提前预警
• 温湿度偏移趋势识别
• 有害气体泄漏扩散模拟

将实验室安全从“事后处置”提升为“提前预判”。

3. 从系统孤岛到一体化协同

平台打通新风、排风、通风柜、危化品柜、空调、能耗、安防等子系统，实现真正的跨系统协同：

• VOC 超标 → 自动联动排风系统
• 温度升高 → 自动调节空调工况
• 危化品异常开启 → 触发报警并联动视频
• 压差异常 → 自动调节风量

实现实验室“自适应运行”。

4. 数据驱动实验室全生命周期管理

平台提供：

• 设备生命周期档案
• 运行健康度评分
• 能耗追踪与节能建议
• 运维成本分析
• 安全事件趋势分析

帮助管理者实现科学运营。

三、古河数字孪生实验室总体架构

平台采用“1引擎、3中心、4应用”的体系架构：

1. 一套数字孪生引擎（TwinEngine）

由南京古河软件有限公司自主研发，包含：

• BIM/三维模型渲染引擎
• 实时数据绑定引擎
• 场景模拟算法
• 空气流场模拟（风量、流线、压差）
• 事件推演引擎（火灾、泄漏、故障扩散）

实现实验室的“虚实等比例映射”。

2. 三大核心中心

（1）数据采集与治理中心

• 兼容 MQTT、OPC UA、Modbus、BACnet 等
• 数据清洗、融合、建模
• 构建实验室统一数据标准

（2）实时监控与联动中心

• 设备实时监控
• 环境质量监控
• 动作联动规则引擎（IFTTT）
• 安防一体化管理

（3）分析与决策中心

• AI预测性维护模型
• 能耗分析模型
• 风险评估模型
• 安全合规智能检测

3. 四大业务应用模块

（1）智慧设施管理（设备侧）

• 新风系统
• 排风系统
• 通风柜
• 风机盘管
• 废气处理系统
• 设备状态实时同步
• 故障预测与维保计划

（2）智慧环境管理（场景侧）

• 温湿度、压差、PM2.5、VOC、CO₂
• 环境大数据趋势分析
• 环境云图、热力图
• 自动调节 HVAC 运行策略

（3）智慧安防管理（安全侧）

• 视频融合、门禁联动
• 危化品柜监测
• 人员定位
• 安全事件自动联动与通知

（4）智慧运营管理（管理侧）

• 工单系统
• 自动巡检
• 实验资源共享管理
• 资产管理与寿命预测
• 三维态势大屏

四、数字孪生核心应用功能

1. 三维实验室全景可视化

• 实验室整体布局一目了然
• 设备可点击查看实时运行状态
• 管线、风道、压力流向清晰呈现

2. 风险预测与智能预警

基于古河智能算法模型：

• 风机振幅变化预测轴承损坏
• 压差趋势监控预测过滤棉堵塞
• VOC 异动预测排风故障
• 压差失衡预测气流方向异常

3. 场景推演与应急模拟

平台可模拟：

• 火灾烟雾扩散
• 有害气体泄漏路径
• 排风系统失效后的空气流场
• 疏散路线规划

为实验室的安全规划提供科学模型支撑。

4. 能耗优化与运行策略推演

• 通风系统节能算法
• 能量利用效率分析
• 节能控制策略自动生成

高校与科研机构实施后，节能率可达 10%～30%。

五、建设实施路径（南京古河软件有限公司交付体系）

阶段一：基础部署（1–2个月）

• 设备与环境传感器适配
• IoT 接入网关部署
• BIM 模型复刻与处理

阶段二：平台构建（2–3个月）

• 数字孪生三维场景搭建
• 数据中心建设
• 模型绑定
• 实时渲染上线

阶段三：业务应用上线（1–2个月）

• 设备运维系统
• 环境监控系统
• 安防联动系统
• 能耗管理系统

阶段四：优化与培训（1个月）

• AI 模型训练
• 联动策略调优
• 管理人员操作培训

六、预期成效（结合成熟项目经验）

1. 科研效率提升 20%+

• 实验环境稳定性增强
• 故障率降低
• 实验连续性增强

2. 安全事件减少 50%+

• 多维度实时监控
• 联动自动化处理
• 应急响应提速

3. 节能降耗 10%～30%

• 通风系统优化
• HVAC 运行策略调整
• 低能耗模式自动启停

4. 管理效率提升 40%+

• 自动巡检
• 智能工单
• 三维态势总览

七、未来演进方向（古河创新路线）

未来版本的“古河数字孪生实验室”将融合：

• 行业大模型（实验室专业问答与策略生成）
• 自动控制闭环（AI→策略→设备执行）
• 远程 VR 维护与操作
• 跨机构虚拟共享实验平台
• 基于区块链的安全合规与数据确权

推动实验室从数字化 → 智能化 → 自主化的持续进化