基于物聯(lián)網(wǎng)的冶金企業(yè)事故預(yù)警體系研究

劉祖德，李鵬飛

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

冶金企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，作業(yè)線長且具有較強(qiáng)的連續(xù)性，在生產(chǎn)過程中既有高溫、高壓、高能量的自身作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，又涉及到石油化工生產(chǎn)中的有毒有害、易燃易爆物質(zhì)，同時(shí)還潛藏著在高層建筑、機(jī)械加工等作業(yè)中易發(fā)生的高處墜落、物體打擊等機(jī)械傷害危險(xiǎn)性。隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，冶金企業(yè)得到了高速發(fā)展，但與此同時(shí)火災(zāi)爆炸、中毒、泄漏等重大事故發(fā)生的概率也在逐年加大。當(dāng)事故不能絕對(duì)避免時(shí)，從事故發(fā)生的規(guī)律入手，對(duì)事故征兆進(jìn)行有效的預(yù)警，已成為降低事故損失的關(guān)鍵手段。

隨著科技的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)得到越來越多的關(guān)注，已經(jīng)被納入到國家“十二五”技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，目前已在國防軍事、智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的示范工程中發(fā)揮了積極的作用。在冶金企業(yè)事故預(yù)警體系中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，必定能發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，通過建立一套適用于冶金企業(yè)的快速、科學(xué)的事故預(yù)警體系［1-2］，從制度預(yù)防到技術(shù)預(yù)警，徹底改變“靠天吃飯”的落后管理現(xiàn)狀，最大程度地降低事故發(fā)生的概率，保障冶金企業(yè)安全生產(chǎn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）的概念最早由麻省理工學(xué)院的Auto-ID 研究中心于1999年提出，雖然只經(jīng)歷了短暫的發(fā)展，但已經(jīng)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次信息科技革命。由于不同領(lǐng)域的專家學(xué)者思考的角度各異，至今對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義尚未統(tǒng)一［3］。通常人們將物聯(lián)網(wǎng)看作是在傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、GPS定位等感知技術(shù)之上，應(yīng)用各種通信網(wǎng)絡(luò)將物品接入互聯(lián)網(wǎng)，并融合云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控、控制和管理，最終構(gòu)建一個(gè)完整的5A（Anyone，Anything，Anytime，Anywhere，Anyway）相連的物理網(wǎng)絡(luò)世界。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的物聯(lián)網(wǎng)在架構(gòu)上通常被分為三層，即具有RFID、傳感器等構(gòu)成的感知層，基于互聯(lián)網(wǎng)通信建立的網(wǎng)絡(luò)傳輸層，具有智能運(yùn)算與決策優(yōu)化的管理應(yīng)用層［4］，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of internet of things

由圖1可見，為了使物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有個(gè)更清晰的構(gòu)架，還可以從信息科學(xué)視角出發(fā)，將物聯(lián)網(wǎng)分為信息獲取、信息傳輸、信息處理三個(gè)層次。

2 物聯(lián)網(wǎng)在冶金企業(yè)事故預(yù)警體系中的應(yīng)用

2.1 冶金企業(yè)事故預(yù)警體系現(xiàn)狀分析

事故預(yù)警（Early-Warning）系統(tǒng)是指運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段在事故發(fā)生前對(duì)其預(yù)兆進(jìn)行及時(shí)的預(yù)報(bào)預(yù)警，并采取對(duì)策措施解除危險(xiǎn)，阻止事故最終形成。

目前，我國大部分冶金企業(yè)沒有建立科學(xué)有效的事故預(yù)警體系，缺少在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，而是過度地依賴人工經(jīng)驗(yàn)，難以及時(shí)發(fā)覺事故征兆，將事故杜絕在萌芽階段，因此一旦發(fā)生事故，往往會(huì)讓企業(yè)措手不及，造成無法挽回的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。另一方面，即使已經(jīng)建立事故預(yù)警體系的企業(yè)在實(shí)施過程中仍然存在著一些問題，如部分企業(yè)由于缺少相應(yīng)的安全投入，導(dǎo)致預(yù)警體系所需的設(shè)備設(shè)施配置不足，使體系成了“空中樓閣”，難以發(fā)揮真正的作用；還有少數(shù)企業(yè)，因?yàn)楣芾砟Ｊ疥惻f，缺乏有效的執(zhí)行力，對(duì)事故的預(yù)警還處于定性階段，導(dǎo)致應(yīng)急處理不當(dāng)，達(dá)不到防范事故于未然的目的［5］。可見，在我國冶金企業(yè)建設(shè)事故預(yù)警體系是非常必要的，也是十分緊迫的。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的冶金企業(yè)事故預(yù)警體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)作為信息技術(shù)發(fā)展的最新產(chǎn)物，能夠?yàn)橐苯鹌髽I(yè)事故預(yù)警體系提供新的思想指導(dǎo)和強(qiáng)有力的技術(shù)輔助，具有較強(qiáng)的操作性。依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的冶金企業(yè)事故預(yù)警體系架構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 預(yù)警體系感知層

感知層是整個(gè)預(yù)警體系的基礎(chǔ)。冶金企業(yè)中游離著大量的事故征兆信息，以往依靠人工采集數(shù)據(jù)的信息單一且缺乏動(dòng)態(tài)性，加上處理判斷技術(shù)落后，致使不能對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。而通過物聯(lián)網(wǎng)的RFID、傳感器、GPS定位等感知技術(shù)，可以對(duì)冶金企業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)下的人員、機(jī)器設(shè)備、作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、識(shí)別、定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)的全面感知。

對(duì)人員的感知：通過不同的感應(yīng)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)人員的生理特征和行為特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工人的不安全行為，并針對(duì)生產(chǎn)車間大、人員流動(dòng)頻繁等問題，可利用GPS對(duì)人員進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤定位。

對(duì)機(jī)器設(shè)備的感知：冶金企業(yè)的工藝流程線長，設(shè)備設(shè)施分散，將RFID 的非接觸自動(dòng)識(shí)別與傳感器的監(jiān)測感應(yīng)相結(jié)合，無須人工干預(yù)，通過技術(shù)間的相互協(xié)作就可保證即使在惡劣的環(huán)境中，仍能對(duì)設(shè)備的名稱、型號(hào)等靜態(tài)屬性和振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)屬性的參數(shù)變化進(jìn)行監(jiān)測［6-8］。

對(duì)作業(yè)環(huán)境的感知：運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)冶金企業(yè)特殊作業(yè)環(huán)境中的有毒有害氣體、粉塵濃度、溫度、濕度、噪音和照明情況進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并結(jié)合GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的遙感圖像顯示。

2.2.2 預(yù)警體系傳輸層

傳輸層在整個(gè)預(yù)警體系中具有承上啟下的作用。目前冶金企業(yè)的傳輸系統(tǒng)大都是基于有線方式，在成本和技術(shù)上都受到許多限制。另外，車間里密密麻麻的線路，不僅給人造成了恐懼感，而且任何一次調(diào)整都涉及到復(fù)雜的設(shè)備移動(dòng)甚至重新布線。由于事故的發(fā)生不是單一因素的影響，而是人的不安全行為與物的不安全狀態(tài)在一定的環(huán)境中發(fā)生結(jié)合，所以在數(shù)據(jù)采集傳輸時(shí)應(yīng)充分考慮指標(biāo)的完備性，避免“信息孤島”。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的冶金企業(yè)事故預(yù)警體系架構(gòu)Fig.2 Infrastructure of accident early-warning system for metallurgical enterprises based on IOT

在傳輸層首先運(yùn)用先進(jìn)的WLAN、ZigBee、WiMax、藍(lán)牙、Wi-Fi、超寬帶無線通信技術(shù)（UWB）等短距離無線傳輸技術(shù)，通過自組網(wǎng)與中間件，將各種工藝設(shè)備物聯(lián)成網(wǎng)，并將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成利于傳輸或者應(yīng)用的信號(hào)形式，壓縮提取出有用信息，實(shí)現(xiàn)協(xié)同感 測；然后通 過 GSM／CDMA、3G／4G、Ad Hoc、移動(dòng)、衛(wèi)星通信等長距離無線與有線網(wǎng)絡(luò)的融合，將在感知層采集到的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確、無障礙地傳輸?shù)焦芾響?yīng)用層，并將應(yīng)用層的指令回傳感知層，實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)與互聯(lián)通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。

2.2.3 預(yù)警體系應(yīng)用層

應(yīng)用層作為事故預(yù)警體系的核心支撐層，主要借助云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等后臺(tái)智能平臺(tái)對(duì)海量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和動(dòng)態(tài)反饋，起到預(yù)警決策和控制的作用。

應(yīng)用層的功能主要表現(xiàn)在以下方面：一是建立事故庫。對(duì)冶金企業(yè)的典型事故或未遂事故進(jìn)行搜集，結(jié)合數(shù)據(jù)倉庫建立冶金行業(yè)事故庫，并利用數(shù)據(jù)挖掘［9］對(duì)倉庫事故開展關(guān)聯(lián)性研究，獲取事故發(fā)生的規(guī)律特點(diǎn)，為預(yù)警指標(biāo)的確定提供有力的技術(shù)支持并輔助預(yù)警對(duì)策庫的構(gòu)建；二是24小時(shí)專家咨詢。利用人工智能技術(shù)，依靠分布在各個(gè)企業(yè)和機(jī)構(gòu)的專家，在監(jiān)測數(shù)據(jù)定量分析的基礎(chǔ)上，為冶金企業(yè)提供在線警情解除、現(xiàn)場指導(dǎo)等援助活動(dòng)；三是預(yù)警分析。以云計(jì)算技術(shù)為中心，整合資源組建計(jì)算群，結(jié)合專業(yè)知識(shí)和相關(guān)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)明確預(yù)警臨界值，根據(jù)當(dāng)前警戒狀態(tài)，確定預(yù)警等級(jí)［10］；四是演化仿真系統(tǒng)。以企業(yè)生產(chǎn)條件、作業(yè)環(huán)境為背景，對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，對(duì)警情的發(fā)展趨勢進(jìn)行演化仿真，給出定量評(píng)估；五是預(yù)警對(duì)策。一旦參數(shù)值超出預(yù)警臨界值并有增長趨勢，可通過傳感器給出聲、光等報(bào)警，應(yīng)用GPS進(jìn)行警情定位，決策指揮中心通過電話短信等手段立即通知預(yù)警小組，組織廠區(qū)、車間、班組相關(guān)人員將預(yù)警對(duì)策庫與實(shí)際警情結(jié)合［11］，實(shí)施有效的控制措施，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，在警情轉(zhuǎn)化為事故之前及時(shí)解除危機(jī)，恢復(fù)安全狀態(tài)，必要時(shí)提示企業(yè)負(fù)責(zé)人做好緊急啟動(dòng)事故應(yīng)急預(yù)案的準(zhǔn)備。

3 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)會(huì)逐步變得完善，將其與現(xiàn)代冶金生產(chǎn)工藝相結(jié)合，建立有效的事故預(yù)警體系，對(duì)冶金生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)預(yù)警的事故征兆采取合理的控制措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，從根本上降低冶金企業(yè)事故發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)“感覺—感知—控制”的科學(xué)程序化管理，保證冶金企業(yè)生產(chǎn)的快速穩(wěn)定。當(dāng)然，基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)警體系建設(shè)是一項(xiàng)長期復(fù)雜的系統(tǒng)工程，建設(shè)過程中仍然需要面對(duì)諸多問題，如物物相連之后的數(shù)據(jù)信息及網(wǎng)絡(luò)安全問題、不完善的標(biāo)準(zhǔn)化問題、需要進(jìn)一步提高的技術(shù)問題等，這些都需要企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在今后的實(shí)踐生產(chǎn)中不斷去摸索解決。

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