LPWAN技術(shù)在石化企業(yè)智能安全中的應(yīng)用研究

李緒延 劉超 張志鋒 羅忠軍 王輝 穆波 徐楊 袁志祥

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 山東青島 266071； 2.中國石油集團(tuán)電能有限公司 黑龍江大慶 163453； 3.中國石油吉林石化公司乙烯廠 吉林吉林 132022； 4.山東齊旺達(dá)石油化工有限公司 山東淄博 255400； 5.中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司 山東青島 266500)

0 引言

石油煉化行業(yè)生產(chǎn)具有易燃易爆、高溫高壓、有毒有害特點(diǎn)，近年來火災(zāi)、爆炸、中毒等事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對社會(huì)產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響[1-2]。為保障石化企業(yè)安全生產(chǎn)，國家要求大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化的不斷融合，加強(qiáng)智能化技術(shù)在安全管理方面的應(yīng)用[3-4]。

目前國內(nèi)很多石化企業(yè)基于物聯(lián)網(wǎng)、智能分析、大數(shù)據(jù)等技術(shù)加強(qiáng)智能化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，解決現(xiàn)場安全監(jiān)管復(fù)雜、監(jiān)護(hù)效率低等問題。莫然等[5]利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立針對現(xiàn)場危險(xiǎn)氣體檢測的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；朱亮等[6]將多傳感器融合、精確定位和無線傳輸技術(shù)進(jìn)行集成，開發(fā)了現(xiàn)場氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)；張宏等[7]基于智能安全帽實(shí)現(xiàn)對施工人員不安全行為監(jiān)測與管理。多種智能化監(jiān)管監(jiān)控技術(shù)已在油田無人值守、煉化裝置區(qū)監(jiān)控、加油站監(jiān)控、施工現(xiàn)場監(jiān)控等場景下得到了有效應(yīng)用。但石油煉化行業(yè)的現(xiàn)場智能化監(jiān)管依然存在較多問題：①現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)復(fù)雜多樣，目前的監(jiān)控設(shè)備功能單一，缺少多種監(jiān)控預(yù)警信息的有效融合；②裝置區(qū)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場嘈雜，人員無法及時(shí)收到聲光報(bào)警提示，造成報(bào)警失效；③密集裝置區(qū)或受限空間信號(hào)遮擋嚴(yán)重，監(jiān)測設(shè)備的報(bào)警信號(hào)無法有效傳達(dá)，導(dǎo)致最佳救援時(shí)機(jī)的延誤。

為解決企業(yè)現(xiàn)場報(bào)警失效問題，本文介紹了一種移動(dòng)分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，基于LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功率廣域網(wǎng)絡(luò))技術(shù)研究傳感設(shè)備的模塊化，提高密集裝置區(qū)等復(fù)雜場景報(bào)警信息的傳輸效率，并集成視頻監(jiān)控及智能分析、無線傳感、精準(zhǔn)定位等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境多維數(shù)據(jù)融合分析和設(shè)備自組網(wǎng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能，提升現(xiàn)場安全監(jiān)管和事故應(yīng)急預(yù)警能力，有效防控安全事故的發(fā)生。

1 LPWAN技術(shù)

1.1 LPWAN技術(shù)的優(yōu)選

LPWAN是可以使用低比特率進(jìn)行長距離通訊的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。LPWAN技術(shù)的主要特點(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)部署簡單、運(yùn)營成本低等[8-10]。與WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等其他通信技術(shù)相比，LPWAN技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)低成本全覆蓋，因此在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市環(huán)境取得了廣泛應(yīng)用，例如共享單車、氣象監(jiān)測、智能儀表、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控等[11]。

目前LPWAN技術(shù)應(yīng)用最多的為LoRa、SigFox和NB-IoT，用戶一般根據(jù)自身領(lǐng)域和需求選擇適合的通訊技術(shù)。其中，LoRa作為重要的低功耗長距離無線通信技術(shù)，由美國Semtech公司深化研發(fā)并進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，而LoRaWAN是LoRa物理層技術(shù)傳輸技術(shù)之上的MAC(介質(zhì)訪問控制)層的組網(wǎng)協(xié)議。LoRa技術(shù)通過特殊的線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù)提供了雙向通信，可將窄帶跳變?yōu)閷拵?，并通過編碼增益增強(qiáng)了抗干擾和噪聲能力，提升了信號(hào)傳輸可靠性，具有更優(yōu)越的理論特性[12]。表1為LoRa與其它兩種應(yīng)用比較廣泛的LPWAN技術(shù)之間的對比[13-14]，相比之下LoRa技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢：① 基于Sub-GHz的頻段可使其在低功耗情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，較低頻率的信號(hào)受到障礙物引起的信號(hào)衰減較少，具有較高的穿透性，利于現(xiàn)場信息的采集傳輸；② LoRa工作在非授權(quán)頻段，不必依賴運(yùn)營商的基礎(chǔ)設(shè)施，自行組網(wǎng)提高建設(shè)的靈活性，同時(shí)LoRa模塊成本較低，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方便且運(yùn)營成本低，更適合工業(yè)環(huán)境的區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)部署[15]；③ 較低的數(shù)據(jù)速率使得電池供電設(shè)備的能耗低，有效延長了LoRa的電池壽命，減少了設(shè)備維護(hù)的精力和費(fèi)用；另一方面，低能耗也使得設(shè)備具有更好的防爆性能。

表1 LoRa、SigFox和NB-IoT技術(shù)對比

1.2 LoRa信號(hào)傳輸效果測試

利用基于標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN無線通信協(xié)議的信號(hào)質(zhì)量測試儀器，在某企業(yè)變換甲烷化-氨吸收制冷密集裝置區(qū)對LoRa信號(hào)的傳輸效果進(jìn)行測試：①2個(gè)信號(hào)測試儀均置于裝置區(qū)，相互收發(fā)信號(hào)；②測試點(diǎn)的選取應(yīng)均勻分布，能夠反映該區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況；③記錄不同距離下的信號(hào)強(qiáng)度RSSI、信噪比SNR和丟包率PLR，反映信號(hào)傳輸效果。實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)頻因子SF為12，信號(hào)頻率為480 MHz，發(fā)射功率為6 dBm，數(shù)據(jù)包大小為10 Byte，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 密集裝置區(qū)LoRa信號(hào)傳輸效果測試結(jié)果

從圖1中可以看出，在信號(hào)遮擋嚴(yán)重的密集裝置區(qū)，隨著傳輸距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度RSSI和信噪比SNR雖均有所降低，但100 m范圍內(nèi)丟包率PLR最高僅為0.1%。因此，利用LoRa技術(shù)可有效解決密集裝置區(qū)域或受限空間預(yù)警監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸受限的問題。本文研制了具有LoRa信號(hào)傳輸功能的分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中設(shè)備之間監(jiān)控報(bào)警信息的有效傳輸，為多設(shè)備自組網(wǎng)和設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)報(bào)警奠定基礎(chǔ)。

2 分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)對石化企業(yè)現(xiàn)場全方位的智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用本文所研發(fā)的分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備，基于LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭融合無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的部署，結(jié)合氣體傳感監(jiān)測、精準(zhǔn)定位、視頻監(jiān)控及智能分析等技術(shù)，形成現(xiàn)場的全方位安全監(jiān)管和監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對現(xiàn)場多維信息進(jìn)行高效采集、傳輸、分析和管理。監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)智能化識(shí)別分析，根據(jù)異常事件類別進(jìn)行聯(lián)動(dòng)報(bào)警和在線提醒，提升應(yīng)急響應(yīng)時(shí)效性和應(yīng)急處置能力。LoRa通訊技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了氣體監(jiān)測、GPS/BD定位、視頻監(jiān)控功能的模塊化和設(shè)備的分體式，擴(kuò)大了單臺(tái)設(shè)備的監(jiān)測覆蓋范圍，同時(shí)降低了設(shè)備能耗，使其具有EX d IIC T4 Gb的防爆等級(jí)，可在更廣泛的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。

分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)主要由分體式氣體監(jiān)測儀(下文簡稱監(jiān)測終端)、移動(dòng)監(jiān)控終端(下文簡稱監(jiān)控終端)、LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭融合無線網(wǎng)絡(luò)和安全監(jiān)控平臺(tái)4部分組成，系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 混搭融合網(wǎng)絡(luò)信息采集與傳輸

監(jiān)測終端和監(jiān)控終端作為系統(tǒng)的感知層，主要通過氣體傳感監(jiān)測、視頻攝像頭、GPS/BD定位等多種設(shè)備對現(xiàn)場有毒有害氣體濃度、地理位置和視頻監(jiān)控信息采集，其主要功能模塊組成如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)有效傳輸，傳輸層采用了LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭和融合組網(wǎng)方案。監(jiān)測終端一般置于受限空間、密集裝置區(qū)或其他信號(hào)遮擋嚴(yán)重區(qū)域，因此利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測終端與監(jiān)控終端之間的通信；監(jiān)控終端需向安全監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸視頻監(jiān)控信息，因此所述設(shè)備利用移動(dòng)/電信的3G/4G典型蜂窩通信技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的高效傳輸。

圖3 監(jiān)控監(jiān)測終端主要功能模塊

(1)監(jiān)測終端。氣體信息采集模塊可同時(shí)配置4種氣敏傳感器，可檢測O2、CO、H2S、CH4等26種氣體；獲取的氣體信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換接口模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再交由監(jiān)測終端處理器模塊進(jìn)行處理；處理器分析氣體信息，根據(jù)設(shè)定閾值判斷其是否到達(dá)報(bào)警極限，可激發(fā)報(bào)警模塊進(jìn)行聲光報(bào)警；LoRa模塊與處理器模塊相連，用于氣體信息或報(bào)警信息的收發(fā)。

(2)監(jiān)控終端。視頻圖像獲取信息模塊用于獲取現(xiàn)場視頻或圖像，GPS/BD定位模塊用于獲取地理位置信息，并交由監(jiān)控終端處理器模塊進(jìn)行處理；處理器分析處理LoRa模塊獲取的氣體信息或報(bào)警信息，通過無線通信模塊連接蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站向安全監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)信息傳輸；設(shè)置模塊可對各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；用戶可通過信息管理模塊進(jìn)行氣體濃度、定位和實(shí)時(shí)錄像的查看。

針對石化企業(yè)裝置區(qū)信號(hào)遮擋嚴(yán)重的情況，本文所述終端所采用的LoRa模塊為基于SX1278射頻芯片的無線串口模塊(UART)，支持LoRa直序擴(kuò)頻技術(shù)，具有更遠(yuǎn)的通訊距離和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)加密和壓縮功能減小了數(shù)據(jù)受干擾的概率，提高了可靠性、保密性和傳輸效率，表2為模塊默認(rèn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

表2 所配置LoRa模塊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

2.2 信息分析研判與聯(lián)動(dòng)報(bào)警2.2.1 多設(shè)備組網(wǎng)和設(shè)備間報(bào)警聯(lián)動(dòng)程序

(1)監(jiān)控監(jiān)測終端自組網(wǎng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警。單臺(tái)監(jiān)控終端可連接多個(gè)監(jiān)測終端，實(shí)時(shí)獲取多個(gè)監(jiān)測終端的報(bào)警信息，對區(qū)域內(nèi)多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，如圖2所示。通過建立配套監(jiān)控監(jiān)測終端的LoRaWan協(xié)議，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控監(jiān)測終端的自組網(wǎng)模式。單臺(tái)監(jiān)測終端檢測到氣體濃度異常情況時(shí)，協(xié)議綁定的監(jiān)控終端及其他監(jiān)測終端將聯(lián)動(dòng)報(bào)警。

(2)區(qū)域內(nèi)監(jiān)控終端聯(lián)動(dòng)報(bào)警。根據(jù)氣體異常情況波及范圍參數(shù)設(shè)置，結(jié)合多臺(tái)監(jiān)控終端設(shè)備間的組網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)范圍區(qū)域報(bào)警聯(lián)動(dòng)?；赑HP語言開發(fā)多設(shè)備間的組網(wǎng)程序，單點(diǎn)監(jiān)控終端報(bào)警后進(jìn)行報(bào)警命令傳輸，服務(wù)器根據(jù)氣體濃度異常信息、GPS/BD定位信息和內(nèi)置的波及范圍參數(shù)精確定義關(guān)聯(lián)范圍，確定聯(lián)動(dòng)監(jiān)控終端設(shè)備后發(fā)送聯(lián)動(dòng)報(bào)警指令，并對系統(tǒng)客戶端進(jìn)行異常事件的報(bào)警提醒，如圖4所示。自組網(wǎng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警可有效擴(kuò)大報(bào)警范圍，及時(shí)提醒區(qū)域內(nèi)外相關(guān)人員采取應(yīng)急處置措施。

圖4 區(qū)域聯(lián)動(dòng)報(bào)警程序流程

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析展示與應(yīng)急處置機(jī)制

安全監(jiān)控平臺(tái)可對獲取的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控信息進(jìn)行智能分析。基于圖像特征識(shí)別的深度學(xué)習(xí)算法和模塊，利用視頻智能分析技術(shù)對采集到的現(xiàn)場視頻圖像素材進(jìn)行處理。通過建立相應(yīng)的報(bào)警規(guī)則和閾值，智能識(shí)別出現(xiàn)場不戴安全帽、不穿戴安全帶、叉車危險(xiǎn)操作、抽煙等多種典型違章行為，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。最終結(jié)合現(xiàn)場多維信息的融合分析，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警數(shù)據(jù)的應(yīng)急處置措施、流程和權(quán)限進(jìn)行異常處置程序的配置，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、電子地圖和報(bào)警信息和應(yīng)急措施的通知等功能，以智能手段輔助人員識(shí)別、分析和處置現(xiàn)場多風(fēng)險(xiǎn)異常情況，如圖5所示。

圖5 報(bào)警信息分析研判與應(yīng)急處置

3 結(jié)論

針對石化企業(yè)安全監(jiān)管上的問題，提出了一種分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控、視頻智能分析、氣體監(jiān)測、報(bào)警聯(lián)動(dòng)和主動(dòng)推送功能。

(1)深入分析了LoRa技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的適用性，設(shè)備利用LoRa穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，有效解決了信號(hào)屏蔽嚴(yán)重的生產(chǎn)現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)傳輸受阻的問題，從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備的分體式模塊化，LoRa模塊的應(yīng)用使得設(shè)備具有更廣泛的監(jiān)測范圍和更高的防爆性能。

(2)基于LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭融合網(wǎng)絡(luò)方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的組網(wǎng)關(guān)聯(lián)和聯(lián)動(dòng)報(bào)警，形成區(qū)域監(jiān)測覆蓋，解決監(jiān)控設(shè)備覆蓋面廣而報(bào)警范圍小的問題，提高應(yīng)急響應(yīng)的時(shí)效性。

(3)利用視頻智能分析、多維數(shù)據(jù)融合分析研判和報(bào)警管理與處置等智能化手段，實(shí)現(xiàn)“被動(dòng)”人員監(jiān)管向“主動(dòng)”智能監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)防控和事故應(yīng)急預(yù)警能力，不斷提升石化企業(yè)智能化安全監(jiān)管水平。