基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化安全仿真實訓研究

蘇國勝,王洪雨

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

安全仿真實訓又稱為體驗式安全培訓，是一種在模擬或真實環(huán)境中親身感受和體驗，掌握相關(guān)的安全知識和技能，具備相應(yīng)的安全能力并應(yīng)用于實際工作中的培訓活動[1]。Kubias的研究指出[2]，在不同培訓方式下，學員能夠記住閱讀內(nèi)容的10%，聆聽內(nèi)容的20%，觀察內(nèi)容的30%，觀察并聆聽內(nèi)容的50%，述說內(nèi)容的70%，在完成任務(wù)過程中進行述說內(nèi)容的90%。Andrew Stuart的研究表明[3]，在實踐中開展的專業(yè)能力繼續(xù)教育，顯著改善了工人的安全操作行為，而長期的系統(tǒng)培訓是提升企業(yè)安全文化的重要條件。劉奕等對救援人員實戰(zhàn)心理影響分析的研究表明[4]，實戰(zhàn)訓練能夠幫助救援人員克服緊張和恐懼心理，提高現(xiàn)場救援能力。

通過綜合分析當前國內(nèi)外應(yīng)用情況，安全仿真實訓在實踐中仍存在安全仿真實訓項目關(guān)聯(lián)度低、實訓結(jié)果考核的客觀性不足、實施效率不能適應(yīng)工作要求等問題。在培訓需求不斷擴大的形勢下，安全仿真實訓有必要通過信息化技術(shù)和智能控制技術(shù)，建立客觀評估機制，提高培訓水平和實施效率。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點

物聯(lián)網(wǎng)是指利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策目的[2]。經(jīng)過近20年的迅速發(fā)展，當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整體上具有以下特點。

1.1 感知技術(shù)的海量應(yīng)用

感知層是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制[3]。當前物聯(lián)網(wǎng)采用的感知設(shè)備主要包括傳感器、RFID、二維碼、電子標簽等。為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)既定功能，需要綜合應(yīng)用大量各種類型的感知設(shè)備，以達到實時、準確獲取物體信息的目的。

1.2 近距離無線通信技術(shù)已經(jīng)成熟

互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中感知層獲取的海量物體信息，需要通過網(wǎng)絡(luò)及時傳遞。為了保障龐大信息流的精確、及時傳輸，近距離無線通信技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，這種技術(shù)是距離限制在幾十米范圍內(nèi)的各種通信終端間無線電波信息直接傳輸。近距離無線通信技術(shù)的成熟，為物聯(lián)網(wǎng)體系中大量通信終端間互聯(lián)互通，提供了可靠的技術(shù)支持[4]。

當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在各個行業(yè)得到了推廣應(yīng)用，為解決當前安全仿真實訓存在的問題，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化安全仿真實訓技術(shù)方案。

2 智能化安全仿真實訓技術(shù)方案

智能化安全仿真實訓技術(shù)由三部分組成：感知控制層、邏輯控制與數(shù)據(jù)傳輸層、智能管理系統(tǒng)。

2.1 感知控制層設(shè)計方案

感知控制層負責采集各個安全仿真實訓項目的基本過程信息，并執(zhí)行智能管理系統(tǒng)發(fā)送的控制指令。

為采集實訓項目中各種工具、設(shè)備及環(huán)境條件的狀態(tài)信息，需要大量應(yīng)用各種感知元件。以安全帽為例，作為最基本的個體防護裝備，在安全仿真實訓過程頻繁使用。為采集不同學員的安全帽佩戴狀態(tài)，其智能感知設(shè)計方案如圖1所示。安全帽是否正確佩戴，可通過安全帽與頭部的各個接觸點受力狀態(tài)進行判斷，因此，主要采用壓力傳感器和拉力傳感器實現(xiàn)智能狀態(tài)感知。實訓項目基本過程信息可根據(jù)過程要素特點，優(yōu)選傳感器、RFID、二維碼等技術(shù)。

實訓項目控制指令的執(zhí)行主要采用執(zhí)行器、智能裝置等技術(shù)，用于改變實訓項目過程中涉及的壓力、流量、溫度等工藝參數(shù)，以及泄漏、火災(zāi)等異常狀況觸發(fā)。

2.2 邏輯控制與數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計方案

邏輯控制與數(shù)據(jù)傳輸層負責對感知控制層采集的信息數(shù)據(jù)進行既定邏輯判斷，并將判斷結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至智能管理系統(tǒng)，以及將智能管理系統(tǒng)發(fā)送的控制指令傳輸至感知控制層。

安全仿真實訓通常由多個實訓項目組成，每個實訓項目是安全仿真實訓的基本單元，為保證其應(yīng)用的獨立性，均設(shè)置邏輯控制模塊，如圖1所示安全帽智能感知設(shè)計方案中的邏輯判斷模塊，即設(shè)置于其所在實訓項目的邏輯控制與數(shù)據(jù)傳輸層，從而使其具備本項目范圍內(nèi)的基本過程信息采集分析功能。

圖1 安全帽智能感知設(shè)計方案

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)關(guān)鍵在于多項目間的培訓狀態(tài)數(shù)據(jù)匹配。安全仿真實訓通常包括多個實訓項目，各個項目在工具設(shè)備、培訓內(nèi)容等方面存在不同程度差異，多項目間的培訓狀態(tài)數(shù)據(jù)匹配，是實現(xiàn)智能化安全仿真實訓的技術(shù)關(guān)鍵。本方案從培訓過程控制角度出發(fā)，建立了危害因素分析、安全防控措施、過程監(jiān)管、工作目標控制等四大類關(guān)鍵控制指標，將每個實訓項目產(chǎn)生的狀態(tài)信息，分別以關(guān)鍵控制指標形式進行智能匹配。

2.3 智能化管理系統(tǒng)設(shè)計方案

智能管理系統(tǒng)是安全仿真實訓的指揮控制中心，負責安全仿真實訓項目的實時、動態(tài)、智能化管理，對實訓基本過程信息進行智能處理，并根據(jù)實訓項目的實施進度及需求發(fā)送相應(yīng)控制指令。

智能化管理的技術(shù)關(guān)鍵在于項目智能管理、人機智能匹配，以及考核智能化技術(shù)。

項目智能管理系指根據(jù)學員培訓需求，以及當前各個實訓項目的功能和使用狀態(tài)信息，自動為學員分配符合其需求的單個或多個實訓項目。同時，對該培訓項目的全流程，進行自動檔案歸集。

人機智能匹配技術(shù)主要解決實訓過程中，每個學員與其所使用的個體防護裝備、工具、設(shè)施等的匹配問題。如圖2所示，人機智能匹配技術(shù)包括人員特征采集和智能關(guān)聯(lián)兩部分。人員特征采集技術(shù)可根據(jù)情況，選擇身份證識別、人臉識別、指紋識別等技術(shù)，要求采集人員個性化信息。智能關(guān)聯(lián)是指個體防護裝備等配備的識別儀，通過對人員個性化信息進行識別，實現(xiàn)與特定人員在管理系統(tǒng)中的綁定。

智能化安全仿真實訓的考核由實踐考核和理論考核組成。實踐考核主要采集實訓項目中的關(guān)鍵信息，如個體防護裝備、安全防護措施等的正確選擇及使用。關(guān)鍵信息分為扣分項和否決項，如安全帽佩戴不規(guī)范為扣分項，而未佩戴安全帽為否決項。系統(tǒng)根據(jù)為學員智能分配的實訓項目的預(yù)定培訓目標，預(yù)置實訓關(guān)鍵信息點，并對實訓過程進行全程監(jiān)控與智能分析，如圖2所示。同時，系統(tǒng)還可以根據(jù)各實訓項目特點，預(yù)置項目間的干擾條件，在培訓過程中，根據(jù)各個項目的使用狀態(tài)及培訓需求，進行智能化的干擾指令發(fā)送、實訓項目鎖定等。

圖2 智能集散控制式實訓管理系統(tǒng)架構(gòu)示意

3 技術(shù)特點分析

與當前企業(yè)普遍應(yīng)用的安全仿真實訓相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化安全仿真實訓技術(shù)在培訓的各個階段均有明顯差異，具體如表1所示。

表1 兩種安全仿真實訓技術(shù)實施流程對比

通過培訓實施流程的對比分析，智能化安全仿真實訓在培訓考核客觀性、培訓實施效率等方面具有顯著優(yōu)勢。

3.1 有效提升培訓考核客觀性

智能化安全仿真實訓技術(shù)通過對培訓關(guān)鍵控制指標的篩選以及感知元件應(yīng)用，形成了對學員培訓表現(xiàn)智能化判斷機制，整個過程按照既定標準，不需要培訓師的人工干預(yù)，使培訓考核更具客觀性。

3.2 大幅提升安全仿真實訓的效率

該技術(shù)的應(yīng)用使得安全仿真實訓的全流程實現(xiàn)智能化管理，培訓師僅需做好系統(tǒng)后臺維護和培訓現(xiàn)場安全監(jiān)管等工作。大量培訓管理與檔案維護工作的自動化實施，必然使安全仿真實訓的效率大幅提升，從而更好的滿足企業(yè)全面應(yīng)用安全仿真實訓的需求。

3.3 減輕安全培訓管理工作量

傳統(tǒng)意義上的安全培訓通常需要較多專業(yè)培訓師分工合作完成，同時，學員注冊、培訓考核、培訓檔案管理等方面的工作也需要投入大量人員和時間。本技術(shù)的應(yīng)用使培訓全流程實現(xiàn)了智能化，有效減少了安全管理部門和培訓機構(gòu)的工作量。

4 結(jié)語

智能化安全仿真實訓技術(shù)通過引入物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，能夠有效克服當前安全仿真實訓存在的各種問題，符合當前企業(yè)在安全仿真實訓方面的迫切需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

與此同時，在當前安全培訓體制和形勢下，本技術(shù)的推廣應(yīng)用仍存在一些限制因素：

a)在應(yīng)用過程將形成電子化培訓記錄，在當前安全法律法規(guī)體系下，其有效性需要進行確認，并建立配套管理機制。

b)參加安全培訓的學員素質(zhì)參差不齊，部分文化水平較低的學員在新技術(shù)應(yīng)用方面會存在困難。

盡管還存在上述限制因素，但毋庸置疑的是，通過深入研發(fā)和技術(shù)進步，智能化安全仿真實訓技術(shù)必將日益成熟，在企業(yè)安全培訓中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1] 王林,蘇國勝,李欣,等.石化企業(yè)體驗式安全培訓模式探討[J].安全、健康和環(huán)境,2012,12(12): 52-54.

[2] F.O.Kubias．Tools and Techniques for Chemical Safety Training，in Safety and accident investigation in chemical operations[M]

[3] Andrew Stuart. A blended learning approach to safety training Student experiences of safe work practices and safety culture[J]. Safety Science, 62 (2014): 409-417.

[4] 劉奕，甘勇，陳建國，等.知識和經(jīng)驗對救援人員實戰(zhàn)心理的影響分析[J].中國安全科學學報,2009(10): 36-41.

[5] 工業(yè)和信息化部電信研究院. 物聯(lián)網(wǎng)白皮書(2011年)[R]. 北京：工業(yè)和信息化部電信研究院, 2011.1-2.

[6] 皇甫偉. 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 信息通信,2016(11): 131-132.

[7] 李云潔.新興低速近距離無線通信技術(shù)簡介[J]. 移動通信,2008(6): 10-13.