物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航天安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

王亮潔，胡大偉，董 皓，張澍裕

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航天安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

王亮潔，胡大偉，董 皓，張澍裕

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

航天事業(yè)的發(fā)展關(guān)系國計(jì)民生，其安全生產(chǎn)管理問題則是重中之重，如何形成一套高水準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)，是即將要解決的問題。首先分析了研究整個系統(tǒng)的必要性，進(jìn)而提出了解決方案，具體分析了系統(tǒng)的架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约跋到y(tǒng)功能。重點(diǎn)介紹了關(guān)鍵技術(shù)，主要在于集成、虛擬技術(shù)和光纖傳感三大類，最后分析了系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

安全生產(chǎn)；物聯(lián)網(wǎng)；光纖傳感；集成；虛擬化

0　引言

隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，安全生產(chǎn)問題日益凸顯。除了進(jìn)一步完善安全生產(chǎn)制度、加大安全生產(chǎn)監(jiān)管力度外，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，保證航天產(chǎn)品的質(zhì)量，加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場的管理，迅速而有效地處理突發(fā)性事件［1］，已成為航天事業(yè)亟待解決的問題。

1　系統(tǒng)研發(fā)必要性

航天企業(yè)的安全生產(chǎn)模式相對復(fù)雜，生產(chǎn)品種較多、批量少、生產(chǎn)過程要求嚴(yán)格，涉及各種設(shè)備設(shè)施的監(jiān)測、維修、維護(hù)，生產(chǎn)操作人員的規(guī)范操作、防護(hù)設(shè)備的正確使用，特種作業(yè)過程中的環(huán)境監(jiān)測等。航天各生產(chǎn)工業(yè)區(qū)之間地理位置較分散，生產(chǎn)設(shè)備新舊不一，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，加大了統(tǒng)一監(jiān)測管理的難度。而傳統(tǒng)的航天安全生產(chǎn)管理通常采用人工、巡檢監(jiān)測方式，在安全監(jiān)測處理上有一定的空白，已無法滿足航天事業(yè)迅猛發(fā)展的需求［2］。

物聯(lián)網(wǎng)中傳感和有線技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了上述的空白。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞和智能處理等特性［3］，可提高航天企業(yè)安全生產(chǎn)管理的能力和水平，促進(jìn)航天企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高，減少安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)通過搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制平臺，實(shí)時采集待監(jiān)測設(shè)備的聲、光、熱、電等各種信息，實(shí)現(xiàn)對物體和過程的智能化感知、識別和管理。航天安全生產(chǎn)管理的關(guān)鍵問題在于安全事故的提前預(yù)防、預(yù)警，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可使安全生產(chǎn)具有先知先決的預(yù)知能力，顯著的提高航天企業(yè)的管理水平和安全防范能力。同時，在能源管理監(jiān)測上，也具有統(tǒng)籌兼?zhèn)洹⒑侠硪?guī)劃的能力。

2　系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)分為三個層次，分別為物理層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。其中，物理層主要是一些基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括：各種傳感器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和上傳；數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)把各種采集數(shù)據(jù)匯聚存儲、備份，并上傳給應(yīng)用層；應(yīng)用層即業(yè)務(wù)層，主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)、設(shè)備與環(huán)境數(shù)據(jù)展示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

1）設(shè)備監(jiān)控及能源優(yōu)化：改善環(huán)境的舒適性、節(jié)能及提升建筑系統(tǒng)的操作效率；

2）預(yù)警報警機(jī)制：為確保人員、財(cái)產(chǎn)及信息安全，設(shè)置了預(yù)警機(jī)制，如出現(xiàn)異常，可及時提醒相關(guān)人員采取措施；

3）系統(tǒng)集成：對所有的系統(tǒng)及信息進(jìn)行融合，全局的高效監(jiān)控管理、減少系統(tǒng)風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)智慧型物業(yè)管理；

4）生命周期服務(wù)：確保樓宇設(shè)施及系統(tǒng)得到完善的維護(hù)管理和運(yùn)營支持，包括日常性及應(yīng)急性的服務(wù)。

2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)采用分布式的管理方式，每一個生產(chǎn)廠區(qū)對應(yīng)一個子系統(tǒng)。在每個子系統(tǒng)中，采用傳感器—控制器—服務(wù)器的方式對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和信息采集。數(shù)個子系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)的方式相連接。系統(tǒng)充分考慮了冗余設(shè)計(jì)，擁有極高容錯性，子系統(tǒng)之間相對獨(dú)立，在遇到突發(fā)事件時，不會影響到其他子系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅保證了每個子系統(tǒng)能不間斷正常運(yùn)行，而且預(yù)留了足夠的延時來處理故障，以確保在發(fā)生意外故障和突發(fā)事件時，系統(tǒng)能正常運(yùn)行，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology of the system

2.3系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要由3D全景展示、智能設(shè)備監(jiān)測和報警、3D虛擬救援培訓(xùn)等模塊組成。

（1）3D全景展示

系統(tǒng)以BIM模型為基礎(chǔ)，采用虛擬化技術(shù)，呈現(xiàn)給用戶更直觀、更絢麗的3D畫面，如圖3所示。

（2）智能設(shè)備監(jiān)測

系統(tǒng)可監(jiān)控空調(diào)、送排風(fēng)、給排水、照明等各功能設(shè)備，設(shè)備模型以組態(tài)圖形式呈現(xiàn)，用戶無需到現(xiàn)場，即可通過操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時控制，如圖4所示。

圖3　工業(yè)園3D模型Fig.3 3D model of industrial park

圖4　設(shè)備組態(tài)圖Fig.4 Equipment configuration

（3）安防報警監(jiān)測

通過系統(tǒng)平面圖展現(xiàn)各廠房的位置，當(dāng)出現(xiàn)事故或超標(biāo)情況，相應(yīng)的廠房位置會標(biāo)紅，彈出提示框，提醒用戶可采取的措施，如事故相關(guān)負(fù)責(zé)人的聯(lián)系方式等，以達(dá)到提高管理效率、合理利用人力資源、安全防護(hù)的目的，如圖5所示。

（4）虛擬救援培訓(xùn)

以各種事故處理為主線，穿插各種救援知識和經(jīng)驗(yàn)問答，通過虛擬化技術(shù)模擬事故現(xiàn)場環(huán)境，讓救護(hù)人員熟悉救援流程，全面感受災(zāi)難的發(fā)生情景，在面臨真正的事故時，做到組織有力、判斷準(zhǔn)確、措施可靠、行動有效、安全施救、科學(xué)救援。虛擬救援培訓(xùn)如圖6所示。

3　關(guān)鍵技術(shù)與研究基礎(chǔ)

3.1多子系統(tǒng)集成

研究多子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時傳輸、交換以及數(shù)據(jù)異常報警與安全管理、現(xiàn)場或遠(yuǎn)程設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測的軟硬件集成系統(tǒng)。

由于已有設(shè)備及子系統(tǒng)存在多種通信協(xié)議，例如：RS485/LonWorks/BACnet/Modbus/TCP等，所以系統(tǒng)面臨著同時和這些子系統(tǒng)以不同通信協(xié)議通信的要求。實(shí)際情況中存在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間的可靠、快速通信［4］也是系統(tǒng)面臨的問題。

怎樣能高效、準(zhǔn)確地將各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成到上層平臺就成為了關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)一條統(tǒng)一數(shù)據(jù)總線，經(jīng)過路由算法將數(shù)據(jù)匯集到上層系統(tǒng)平臺成為了解決以上問題的方法。

圖5　報警監(jiān)測系統(tǒng)圖Fig.5 Alarm monitoring system

圖6　虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)Fig.6 Virtual training system

3.2視景虛擬化技術(shù)

（1）3D場景及檢測量展示

利用直觀的建筑及設(shè)備模型，對監(jiān)測設(shè)備及環(huán)境參量進(jìn)行展示。其中，設(shè)備、環(huán)境異常報警和預(yù)警是通過直觀的顏色變化或者界面提示。研究人性化的操作方式，結(jié)合先進(jìn)的管理流程，提高安全管理部門的工作效率。

研究已有的3D樓宇建模與管理技術(shù)（如BIM），在其基礎(chǔ)上根據(jù)航天安全生產(chǎn)管理的特殊性定制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)具有特色的管理系統(tǒng)也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

（2）基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的多地區(qū)數(shù)據(jù)整合

由于航天系統(tǒng)多場所、多地域辦公的特點(diǎn)，分布式的地理信息系統(tǒng)可以直觀地在多個地域進(jìn)行漫游，獲得直觀的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管理邏輯一致。所以系統(tǒng)立足于多點(diǎn)分布式管理方式，研究基于地理信息系統(tǒng)的多地區(qū)數(shù)據(jù)整合及統(tǒng)一管理。

（3）虛擬演練技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與實(shí)際工作環(huán)境、場景高度結(jié)合，利用此技術(shù)可以真實(shí)模擬日常生產(chǎn)流程，尤其是可以根據(jù)腳本設(shè)計(jì)事故發(fā)生現(xiàn)場。

演練培訓(xùn)在安全生產(chǎn)流程中有著舉足輕重的作用，研究運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將安全事故場景及操作規(guī)程進(jìn)行真實(shí)模擬再現(xiàn)，使培訓(xùn)人員身臨其境地完成培訓(xùn)項(xiàng)目。

虛擬培訓(xùn)演練系統(tǒng)是以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心，應(yīng)用 “交互式培訓(xùn)演練”的技術(shù)方案，以滿足安全生產(chǎn)中救援演練、事故救護(hù)培訓(xùn)以及安全生產(chǎn)知識培訓(xùn)的需求。用戶通過交互式培訓(xùn)演練分系統(tǒng)、教育培訓(xùn)管理分系統(tǒng)，開展問答式教學(xué)、演練式教學(xué)、虛擬課堂等多種教學(xué)形式，達(dá)到培訓(xùn)、展示、考核的目的。

3.3光線傳感技術(shù)

（1）分布式光纖測溫傳感器

分布式光纖溫度傳感器是基于光在光纖中產(chǎn)生的非彈性散射效應(yīng)及光時域反射原理來實(shí)現(xiàn)分布式溫度測量和定位的。光纖中的自發(fā)拉曼散射產(chǎn)生斯托克斯光（stokes）和反斯托克斯光（antistokes），而反斯托克斯光的強(qiáng)度與外部溫度存在一定關(guān)系。測量反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度并進(jìn)行解算，即可得到散射點(diǎn)處的溫度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個光纖所處溫度場的分布式溫度測量。同時采用OTDR技術(shù)，通過探測脈沖光從入射進(jìn)光纖到返回至光纖入射端面的時間可以推算出反射光產(chǎn)生的位置，從而確定出溫度信息的位置，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)整條光纖上溫度信息的長距離、分布式測量。

在電纜溝溫度監(jiān)測中，必須采用穩(wěn)定、安全、連續(xù)的測溫技術(shù)。故可選用分布式光纖測溫傳感器。

（2）全光纖電流互感器和光學(xué)電壓互感器

在配電柜電壓、電流、諧波的監(jiān)測中，必須采用電流、電壓互感器。而傳統(tǒng)的電流、電壓互感器安全性較差，甚至有爆炸危險；存在電磁諧振、二次開路等危險；存在磁飽和、動態(tài)測量精度差等問題。另外，傳統(tǒng)的互感器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大、耗材多，離自動化、數(shù)字化、智能化等要求差距大。

采用全光纖電流互感器和光學(xué)電壓互感器，全光纖電流互感器基于磁光法拉第效應(yīng)，具有安全、可靠、精準(zhǔn)、智能、低碳環(huán)保等特點(diǎn)，且大電流暫態(tài)特性完美，無二次壓降。全光纖電流互感器10kV開關(guān)柜如圖7所示。

圖7　全光纖電流互感器10kV開關(guān)柜Fig.7 Full optical current transformer 10kV switch cabinet

4　結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，十三所物聯(lián)網(wǎng)的研究工作也已取得了初步成效，但是還有很多疑難問題需要我們?nèi)ヌ剿鹘鉀Q，例如：異構(gòu)系統(tǒng)集成，信息安全保護(hù)等問題［5］。開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航天安全生產(chǎn)管理中的應(yīng)用研究，具有良好的社會效益和廣闊的經(jīng)濟(jì)前景，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的另一個突破口。

［1］ 馬軍，孫穎，穆士樂.應(yīng)需而生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電信科技，2010（4）：57-61. MA Jun，SUN Ying，MU Shi-le.The internet of things application of should be born［J］.Modern Telecommunication Technology，2010（4）：57-61.

［2］ 王顯政.安全生產(chǎn)與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展報告［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006. WANG Xian-zheng.The safety production and social economic development report［M］.Beijing：Coal Industry Press，2006.

［3］ 蔣林濤.互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，23（2）：1-5. JIANG Lin-tao.Internet and internet of things［J］.Telecommunication Engineering Technology and Standardization，2010，23（2）：1-5.

［4］ Tu Shih-Chung，Tsai Meng-Han.Technological development and process of BIM［J］.Construction News Record，2009，316：60-67.

［5］ 劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)，2010，37（6）：1-4. LIU Qiang，CUI Li，CHEN Hai-ming.Key technology and application of internet of things［J］.Computing Machine Technology，2010，37（6）：1-4.

［6］ Dakin J P.Distributedopticalfibersensors［C］. Proceedings of SPIE，The International Society for Optical Engineering，1993.

［7］ 黎學(xué)明，楊文靜，江梅.斜拉橋拉索結(jié)構(gòu)中鋼絞線腐蝕行為初探［A］.第十三次全國電化學(xué)會議論文摘要集（下集），2005. LI Xue-ming，YANG Wen-jing，JIANG Mei.Cable-stayed bridge cable structure corrosion behavior of steel strand ［A］.The 13thSession of the National Electrochemical Paper（2nd），2005.

Application of Internet of Things Technology in the Aerospace Safety Production Management System

WANG Liang-jie，HU Da-wei，DONG Hao，ZHANG Shu-yu
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

The development of aerospace industry relates to people's life，the management of production safety become probably considerable，how to form a set of high standards and standardized system，which is going to solve in this paper.Firstly，the necessity of studying the whole system is analyzed，and the solution such as system structure，network topology，system function are put forword.The key technologies are introduced which mainly includes integration，virtual technology and optical fiber sensing and so on.Finally，the application prospect of the system is analyzed.

safety production；internet of things；fiber optic sensing；integration；virtualization

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01149

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.019

2015-07-01

王亮潔，女，工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。