輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)研究

董志軍，陳鴻鑫，王 波，英成境，孫宇迪

(1.國(guó)家能源集團(tuán)宿遷發(fā)電有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039)

0 引言

火電廠(chǎng)輸煤系統(tǒng)是電廠(chǎng)安全管控業(yè)務(wù)的重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。輸煤系統(tǒng)具有生產(chǎn)區(qū)域大、戰(zhàn)線(xiàn)長(zhǎng)、易磨損、故障擴(kuò)散速度快等特點(diǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中故障與缺陷的排查難度大、人力成本高，制約了設(shè)備異常的早期識(shí)別及預(yù)警，降低了設(shè)備的可靠性。同時(shí)，輸煤系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，粉塵大、噪音高，易產(chǎn)生職業(yè)健康問(wèn)題，易燃易爆粉塵也易導(dǎo)致火災(zāi)事故。輸煤系統(tǒng)的工作人員中，外部人員較多，人員結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員管控難度較大。此外，輸煤區(qū)域大型機(jī)械設(shè)備較多，是機(jī)械傷害事故的高發(fā)區(qū)域。

本質(zhì)安全管理的管理理念是以事故前的檢測(cè)與預(yù)防為基礎(chǔ)，不斷健全管理措施，從根本上提高輸煤系統(tǒng)的安全性，減少電廠(chǎng)事故的發(fā)生?，F(xiàn)有輸煤系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)智能化程度有限，監(jiān)測(cè)功能單一，多系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與電廠(chǎng)原有控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合存在困難。因此，在本質(zhì)安全管理中應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)是提高火電廠(chǎng)輸煤系統(tǒng)安全性、降低事故發(fā)生率的重要方向。

1 輸煤系統(tǒng)安全運(yùn)行現(xiàn)狀

輸煤系統(tǒng)的安全運(yùn)行包括燃料的安全及時(shí)輸送、運(yùn)行人員安全及運(yùn)行設(shè)備安全。本質(zhì)安全管理體系是一套以危險(xiǎn)源辨識(shí)為基礎(chǔ),以風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控為核心,以管理員工不安全行為為重點(diǎn),以切斷事故發(fā)生的因果鏈為手段，經(jīng)過(guò)多周期的不斷循環(huán)建設(shè)，通過(guò)閉環(huán)管理，逐漸完善提高的全面、系統(tǒng)、可持續(xù)改進(jìn)的現(xiàn)代安全管理體系。

1.1 燃料輸煤系統(tǒng)安全問(wèn)題分析

(1)?輸煤皮帶異常風(fēng)險(xiǎn)：輸煤皮帶的跑偏、打滑、堵煤漏煤，輸煤皮帶工作面破損、撕裂等。皮帶運(yùn)行過(guò)程中兩側(cè)受力不均勻或是運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不合理等都有可能導(dǎo)致皮帶跑偏，皮帶跑偏就有可能引起跑煤漏煤等情況；皮帶打滑會(huì)導(dǎo)致設(shè)備磨損；若煤料中含有體積較大的煤塊或是尖銳的金屬雜質(zhì)，可能會(huì)導(dǎo)致皮帶撕裂或出料口堵煤。

(2)?火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)：輸煤區(qū)域含有煤粉等爆炸性粉塵，在密閉區(qū)域如輸煤廊道、轉(zhuǎn)運(yùn)站中濃度過(guò)高可引起爆炸;電纜、煤堆等處溫度過(guò)高也易引發(fā)火災(zāi)。

(3)?設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)：輸煤區(qū)域安裝有大量電機(jī)等機(jī)械設(shè)備，長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于分布范圍較廣且現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，若不能有效集中監(jiān)控，設(shè)備健康狀況易產(chǎn)生盲點(diǎn)，容易由此引發(fā)設(shè)備故障。

(5)?職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)：輸煤區(qū)域環(huán)境較差、粉塵濃度較高，若未能有效監(jiān)測(cè)環(huán)境變量，不能有效控制粉塵濃度，易發(fā)生職業(yè)健康問(wèn)題。

(6)?人身傷害事故風(fēng)險(xiǎn)：輸煤區(qū)域有斗輪機(jī)、清倉(cāng)吊等大型機(jī)械設(shè)備，運(yùn)行過(guò)程中周?chē)鷧^(qū)域嚴(yán)禁人員靠近，否則容易發(fā)生機(jī)械傷害事故。

1.2 輸煤系統(tǒng)安全運(yùn)行有效措施

(1)?人員安全：加強(qiáng)員工安全教育培訓(xùn)，嚴(yán)格監(jiān)督員工作業(yè)規(guī)范及行為規(guī)范，對(duì)作業(yè)違章、行為違章進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄、報(bào)警。

(2)?設(shè)備安全：系統(tǒng)重要設(shè)備振動(dòng)、溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄，對(duì)設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，判斷設(shè)備健康狀態(tài)，對(duì)可能發(fā)生的設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警。通過(guò)視頻監(jiān)控、編碼器、接觸開(kāi)關(guān)等復(fù)合技術(shù)手段對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行進(jìn)行全方位監(jiān)控，監(jiān)控其撒煤、漏煤、撕裂、打滑、跑偏等情況。

(3)?作業(yè)安全：通過(guò)門(mén)禁、人員定位、視頻監(jiān)控等手段，提升作業(yè)規(guī)范性。結(jié)合工作票、操作票等管控手段，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)入權(quán)限、關(guān)鍵作業(yè)過(guò)程合規(guī)進(jìn)行全方位管控。

從當(dāng)前工業(yè)建筑設(shè)計(jì)來(lái)看，多數(shù)采用單層鋼結(jié)構(gòu)形式，也就是我們常說(shuō)的工業(yè)廠(chǎng)房，由于工業(yè)建筑與住宅建筑在使用功能和結(jié)構(gòu)形式等多方面都存在不同，它的屋面設(shè)計(jì)也比價(jià)復(fù)雜，通常情況下屋面與墻體面積差不多，甚至有時(shí)候會(huì)超過(guò)墻體面積，比如：大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房，這也給屋面設(shè)計(jì)提出較高的要求。屋面保溫設(shè)計(jì)是一種常見(jiàn)的節(jié)能技術(shù)，在選擇材料的時(shí)候需要選擇密度小、導(dǎo)熱系數(shù)高的環(huán)保材料，除此之外，屋面設(shè)計(jì)還應(yīng)該重視防水層材料的選擇，盡量不選擇吸水性強(qiáng)的材料，避免保溫層水分過(guò)多而影響保溫效果。

(4)?環(huán)境監(jiān)控：通過(guò)測(cè)溫、視頻監(jiān)控、煙感等手段，全面監(jiān)測(cè)輸煤區(qū)域火警風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)過(guò)溫、明火、暗火等情況及時(shí)報(bào)警。監(jiān)控作業(yè)場(chǎng)所溫度、噪音、粉塵濃度、有害氣體等指標(biāo)，嚴(yán)格控制其在合格范圍內(nèi)，減少職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)。

2 輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

(1)?通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備，搭建生產(chǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合圖像處理、圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)人員作業(yè)違章、行為違章進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄、報(bào)警，提升生產(chǎn)人員作業(yè)與行為規(guī)范性，保障人員安全。

(2)?通過(guò)底層傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵電機(jī)設(shè)備振動(dòng)、溫度指標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，對(duì)故障及時(shí)預(yù)警。實(shí)時(shí)監(jiān)控皮帶故障及異常情況，對(duì)撕裂等故障及時(shí)報(bào)警，提升設(shè)備安全。

(3)?通過(guò)電子兩票與人員定位、門(mén)禁、視頻監(jiān)控設(shè)備結(jié)合，對(duì)關(guān)鍵作業(yè)流程進(jìn)行全方位監(jiān)控，提升作業(yè)安全。

(4)?通過(guò)底層傳感設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、噪音、粉塵濃度、有害氣體實(shí)時(shí)監(jiān)控，針對(duì)過(guò)溫、明火、暗火等情況及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，對(duì)粉塵濃度超標(biāo)等危害職業(yè)健康情況進(jìn)行報(bào)警。

(5)?通過(guò)統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整合各項(xiàng)功能、管理底層設(shè)備、對(duì)接其他系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一展示與報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)框架

智能管控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，分為5層結(jié)構(gòu)。底層的感知層匯聚系統(tǒng)中各類(lèi)采集終端設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一接入和分類(lèi)管理。終端設(shè)備主要包括定位基站、定位標(biāo)簽、高清攝像機(jī)、各類(lèi)傳感器等。感知層向上將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層以滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等方式完成數(shù)據(jù)的高效傳輸，并通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接口設(shè)備、服務(wù)器等構(gòu)成完備統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)層作用是匯聚經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要，形成各類(lèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)，主要包括：用以實(shí)現(xiàn)智能圖像分析的監(jiān)控視頻圖像數(shù)據(jù)；用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備同步及操作的設(shè)備數(shù)據(jù)；身份信息、人臉信息等人員數(shù)據(jù)。平臺(tái)層為定制開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為前端感知設(shè)備和業(yè)務(wù)應(yīng)用起到數(shù)據(jù)接入、管理和傳輸?shù)闹袠凶饔?。平臺(tái)通過(guò)對(duì)接傳感器、門(mén)禁、攝像頭、人員定位等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同協(xié)議的各類(lèi)終端的統(tǒng)一管理，同時(shí)對(duì)接上層業(yè)務(wù)應(yīng)用以接口的形式提供數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，以滿(mǎn)足其他對(duì)接系統(tǒng)對(duì)于設(shè)備的控制需求。本平臺(tái)主要包含設(shè)備的接入與管理、數(shù)據(jù)分析管理與服務(wù)支撐、設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制、任務(wù)指令下發(fā)等功能。頂層的應(yīng)用層可以根據(jù)電廠(chǎng)的實(shí)際業(yè)務(wù)，模塊化定制應(yīng)用功能。

2.3 應(yīng)用功能模塊

應(yīng)用層結(jié)合算法服務(wù)、流媒體服務(wù)、統(tǒng)一認(rèn)證服務(wù)等一系列技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐。上層應(yīng)用體系主要包括生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境監(jiān)控與識(shí)別、人臉識(shí)別、設(shè)備異常識(shí)別等應(yīng)用模塊，整個(gè)智能管控系統(tǒng)涉及7個(gè)方面的主要功能模塊，如圖1中應(yīng)用層所示。

(1)?違章與異常識(shí)別報(bào)警模塊是通過(guò)監(jiān)控?cái)z像頭與圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各類(lèi)違章與異常情況進(jìn)行辨識(shí)并及時(shí)報(bào)警，分為5個(gè)方面的子功能，各部分功能描述如表1所示。

表1 違章與異常識(shí)別報(bào)警模塊功能

(2)?設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊是集中監(jiān)控各傳感器測(cè)量信息，對(duì)設(shè)備故障、環(huán)境指標(biāo)異常等情況進(jìn)行報(bào)警，具體功能設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊功能

(3)?職業(yè)健康模塊通過(guò)溫度、噪音、粉塵濃度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境中可能對(duì)人員健康產(chǎn)生危害的上述指標(biāo)情況并集中展示，對(duì)超標(biāo)情況進(jìn)行報(bào)警。

(4)?人員定位模塊是通過(guò)定位基站、定位電子標(biāo)簽等設(shè)備組建定位網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人員實(shí)時(shí)定位功能，集中、直觀地展示作業(yè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員數(shù)量、位置及人員信息，并將定位信息與電子化兩票系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)作業(yè)人員作業(yè)期間跨出作業(yè)區(qū)域、非作業(yè)人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)域、巡檢作業(yè)不到位等行為進(jìn)行識(shí)別與報(bào)警，并可即時(shí)聯(lián)動(dòng)視頻攝像頭查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

(5)?門(mén)禁模塊是通過(guò)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域增加門(mén)禁讀卡器，并對(duì)員工卡進(jìn)行授權(quán)，管理重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)入權(quán)限，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入重點(diǎn)區(qū)域。

(6)?輸煤區(qū)域易積灰電纜目前常用的沖洗方式是人工持水管、水槍清洗。該系統(tǒng)智能水沖洗模塊將沖洗工作由人工改為自動(dòng)，通過(guò)傳感器、攝像頭等智能終端設(shè)備，及時(shí)反饋電纜橋架信息，并敷設(shè)沖洗水管，通過(guò)遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗，解放相關(guān)工作人員，減輕了工作人員職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)，消除了人身傷害事故風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)省人工成本、水費(fèi)成本，提升工作效率。

(7)?輸煤皮帶自動(dòng)巡檢機(jī)器人可以針對(duì)輸煤皮帶實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)智能自主地選擇巡檢模式，通過(guò)搭載視覺(jué)系統(tǒng)以及其他復(fù)合傳感器系統(tǒng)，保持對(duì)運(yùn)行皮帶的全覆蓋實(shí)時(shí)監(jiān)控，并基于機(jī)器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，指導(dǎo)運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)皮帶打滑、跑偏、撕裂、煤層溫度異常等故障情況。

2.4 集中展示界面

統(tǒng)一管控平臺(tái)將系統(tǒng)的7大功能模塊集中管理，分模塊對(duì)上傳數(shù)據(jù)集中分析與運(yùn)算，并集中展示。工作人員通過(guò)終端PC或展示大屏可訪(fǎng)問(wèn)展示界面、查詢(xún)數(shù)據(jù)與查看報(bào)警信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)輸煤系統(tǒng)安全防護(hù)情況，可根據(jù)不同的火電廠(chǎng)需求設(shè)計(jì)不同的功能模塊和展示平臺(tái)界面。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)?基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、多方面融合及聯(lián)動(dòng)，提高各個(gè)系統(tǒng)使用效率，打破信息孤島。

(2)?應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)感知技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)視頻圖像內(nèi)目標(biāo)特征提取，通過(guò)模型訓(xùn)練自主提升識(shí)別能力，從而提升對(duì)各類(lèi)異常與違章情況的辨識(shí)能力。

(3)?利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)各類(lèi)傳感器上傳的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握設(shè)備健康變化趨勢(shì)，及時(shí)預(yù)警故障信息。

(4)?基于UWB的高精度定位技術(shù)，其精度滿(mǎn)足人員越界、離崗等違章行為識(shí)別要求。

4 預(yù)期效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

設(shè)計(jì)的輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)對(duì)輸煤系統(tǒng)人員安全、設(shè)備安全、作業(yè)安全、環(huán)境安全進(jìn)行全方位地實(shí)時(shí)管控，可達(dá)到以下效果。

(1)?可以減少人員違章、違規(guī)等現(xiàn)象發(fā)生，降低大型設(shè)備人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，保障人身安全。

(2)?對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輔助代替人工巡檢，可以提高設(shè)備缺陷發(fā)現(xiàn)效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備維修成本。

(3)?對(duì)輸煤區(qū)域環(huán)境集中檢測(cè)，對(duì)過(guò)溫、火焰等危險(xiǎn)因素及時(shí)識(shí)別，降低區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)有害氣體、噪音、粉塵濃度、溫度超標(biāo)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，防止危害人員健康。

(4)?對(duì)關(guān)鍵作業(yè)過(guò)程全方位監(jiān)控，減少由于人員離崗、擅入、玩忽職守等造成的企業(yè)財(cái)產(chǎn)損失。

(5)?實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤系統(tǒng)全自動(dòng)、全方位監(jiān)控與識(shí)別報(bào)警，輔助人員進(jìn)行管理，提高工作效率，降低人力成本。

4.2 社會(huì)效益

輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)可以有效提高輸煤系統(tǒng)安全防護(hù)水平，減少事故、違章發(fā)生；推動(dòng)企業(yè)行業(yè)樹(shù)立本質(zhì)安全理念，提高人員安全意識(shí)；形成可推廣的輸煤系統(tǒng)本質(zhì)安全智能化應(yīng)用模式，推動(dòng)智慧企業(yè)建設(shè)，進(jìn)而推動(dòng)電力行業(yè)智能化發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)安全、高效、靈活運(yùn)行，達(dá)成發(fā)電企業(yè)智能化管控目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)火電廠(chǎng)輸煤系統(tǒng)安全管理面臨的一系列問(wèn)題，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用圖像識(shí)別技術(shù)、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)了上述輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控輸煤區(qū)域人員、設(shè)備、作業(yè)過(guò)程與工作環(huán)境信息。系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別異常并發(fā)出報(bào)警，提升安全管控人員對(duì)輸煤系統(tǒng)的全面感知能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并止損。系統(tǒng)自動(dòng)分析設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)并發(fā)出預(yù)警，從源頭上降低設(shè)備故障率，降低由于設(shè)備故障發(fā)生安全事故的可能性。該系統(tǒng)應(yīng)用提升人員行為、作業(yè)流程的規(guī)范性，提升輸煤系統(tǒng)安全管理的整體水平。