基于物聯(lián)網(wǎng)的高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)事故隱患監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)

張國(guó)玲，亓文斌

（1.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院滄州分院，河北滄州,061001；2.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州,061001)

0 引言

所謂“安全生產(chǎn)”，是指在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，為了避免造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失的事故而采取相應(yīng)的事故預(yù)防和控制措施，保證生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)得以順利進(jìn)行的相關(guān)活動(dòng)。是指采取一系列措施使生產(chǎn)過(guò)程在符合規(guī)定的物質(zhì)條件和工作秩序下進(jìn)行[1]，有效消除或控制危險(xiǎn)和有害因素，使生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)得以順利進(jìn)行的一種狀態(tài)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、紅外線感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，可實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

開(kāi)發(fā)一種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)事故隱患的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)事故隱患的監(jiān)測(cè)及預(yù)警是本課題組的研究目的。

1 應(yīng)用環(huán)境及技術(shù)分析

滄州市石油和化學(xué)工業(yè)發(fā)展歷史悠久，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)形成了包括石油化工、鹽化工、煤化工和精細(xì)化工等在內(nèi)的完整的生產(chǎn)體系，成為滄州市工業(yè)經(jīng)濟(jì)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)。

石油化工行業(yè)屬于高危產(chǎn)業(yè)，其具有顯著的特殊性，

(1)化工行業(yè)危險(xiǎn)物品較多，火災(zāi)危險(xiǎn)性級(jí)別高，發(fā)生事故后極易造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損毀。

(2)使用危險(xiǎn)物品多，事故易造成環(huán)境污染和火災(zāi)發(fā)生。

(3)危險(xiǎn)物品多，火災(zāi)情況復(fù)雜，滅火救援難度大，加大救援人員的危險(xiǎn)性。

針對(duì)以上特點(diǎn)，進(jìn)行歸納總結(jié)?？芍颈O(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于特種設(shè)備、專(zhuān)用設(shè)備、工業(yè)流程、規(guī)范操作和生產(chǎn)環(huán)境幾個(gè)主要方面。通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器獲取如溫度、壓力、振動(dòng)、電壓、電流及濃度等相關(guān)參數(shù)從而獲得各種設(shè)備或介質(zhì)的工作狀態(tài)；同時(shí)通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及氣壓的監(jiān)測(cè)獲取生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；再有就是引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)對(duì)人員或設(shè)備的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析并作出預(yù)判，避免不安全行為導(dǎo)致的后果。

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作

■2.1 系統(tǒng)需求分析

通過(guò)調(diào)研高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)安全事故的種類(lèi)，并結(jié)合本地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種實(shí)用功能，保障本系統(tǒng)針對(duì)高危產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)事故隱患的監(jiān)測(cè)和預(yù)警發(fā)揮應(yīng)有的功能[2]，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能如下：

首先，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)設(shè)備，通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器獲取如溫度、壓力、振動(dòng)、泄漏電流等安 全相關(guān)的參數(shù)，并記錄存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)及預(yù)警；

其次，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境，如溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)、相對(duì)濕度、粉塵濃度等參數(shù) ，并記錄存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)；

再次，通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，對(duì)操作人員的異常現(xiàn)象進(jìn)行分析，針對(duì)分析結(jié)果進(jìn) 行預(yù)判，避免人的不安全行為導(dǎo)致的后果；

最后，政府監(jiān)管部門(mén)可以利用物聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)及時(shí)了解各個(gè)企業(yè)的安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)其安全監(jiān)管做出指導(dǎo)。

■2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案包括系統(tǒng)的基本處理流程、系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、模塊劃分、功能分配、接口設(shè)計(jì)、運(yùn)行設(shè)計(jì)等。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)可采用多種組網(wǎng)技術(shù)混合的方式，針對(duì)生產(chǎn)流程和生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行靈活配置。

針對(duì)傳輸距離不超過(guò)100米且數(shù)據(jù)流量較小的子節(jié)點(diǎn)如溫度傳感器、壓力傳感器、應(yīng)力傳感器等，可采用Zigbee技術(shù)和導(dǎo)線傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式[3]。

針對(duì)數(shù)據(jù)流量大，且傳輸距離不超過(guò)500米的子節(jié)點(diǎn)如機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，可采用Wi-Fi技術(shù)配合Zigbee、LoRa技術(shù)或?qū)Ь€傳輸進(jìn)行組網(wǎng)。

圖2 信息結(jié)構(gòu)模型圖

針對(duì)跨區(qū)域或異地的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，可采用Gprs、4G或5G移動(dòng)通訊技術(shù)配合其他組網(wǎng)方式，從而達(dá)到跨區(qū)域或異地監(jiān)測(cè)預(yù)警。

■2.3 系統(tǒng)硬件搭建

傳感器與MCU采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)吞吐量大并且由于其為兩線制串行總線，可大大減少PCB的復(fù)雜程度。

I2C是由Philips公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。

根據(jù)MCU與傳感器的選型和通訊方式和系統(tǒng)原理驗(yàn)證試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，采用完全開(kāi)源的立創(chuàng)EDA系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB板。

圖3 ESP8266配合RDA8955樣板圖

■2.4 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

針對(duì)選用的基于NODEMCU固件的ESP8266 MCU和基于OpenLuat固件的RDA8955 MCU，采用輕量級(jí)的腳本語(yǔ)言“Lua”進(jìn)行主程序開(kāi)發(fā)。

Lua是一種小巧的腳本語(yǔ)言，其設(shè)計(jì)目的是為了嵌入應(yīng)用程序中，從而為應(yīng)用程序提供靈活的擴(kuò)展和定制功能。最重要的是一個(gè)完整的Lua解釋器不過(guò)200k，在目前所有腳本引擎中，Lua的速度是最快的，并且同時(shí)具備很高的執(zhí)行效率。

其進(jìn)行socket連接的簡(jiǎn)單代碼示例如下：

■2.5 系統(tǒng)整合與部署

本系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)目標(biāo)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)流程中各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的情況靈活配置。

在其工藝流程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)參數(shù)采集裝置，以獲取設(shè)備運(yùn)行中的相關(guān)安全參數(shù)。相應(yīng)的傳感器，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整?？墒拐妆O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)獲得設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相應(yīng)參數(shù)，從而根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，整體生產(chǎn)過(guò)程是否在可控范圍之內(nèi)。同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際的地理布局，將各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)有機(jī)的結(jié)合在一起，使整個(gè)生產(chǎn)、貯存及運(yùn)輸過(guò)程全部處于本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)之內(nèi)。并且通過(guò)廣域網(wǎng)，將涉及安全生產(chǎn)因素的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)直接報(bào)送政府監(jiān)管部門(mén)和緊急救援部門(mén)。

3 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)定型之后，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)仿真模擬的方式進(jìn)行了大量的驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)可知本系統(tǒng)針對(duì)高危行業(yè)的生產(chǎn)安全有著較大的促進(jìn)作用[4]。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)設(shè)備，通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器獲取如溫度、壓力、振動(dòng)、泄漏電流等安全相關(guān)的參數(shù)，并記錄存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)及預(yù)警。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境，如溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)、相對(duì)濕度、粉塵濃度等參數(shù)，并記錄存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。

(3)通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，對(duì)操作人員的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，針對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，避免人的不安全行為導(dǎo)致的后果。

圖4 有限元仿真結(jié)果圖例

4 結(jié)論

由于本系統(tǒng)涉及問(wèn)題方面大、涵蓋內(nèi)容多，且研究小組人力資源和經(jīng)濟(jì)資源有限，因此本系統(tǒng)在現(xiàn)階段難免還存在各種問(wèn)題。

但是通過(guò)研究小組的不懈努力和相關(guān)合作單位的大力支持，本系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)際開(kāi)發(fā)部署方面取得了很大的成果。但是，本監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)距離實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用還存在一定的距離，研究小組日后還有很多的研究工作需要繼續(xù)進(jìn)行，爭(zhēng)取能早日將該系統(tǒng)引入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中去，使其產(chǎn)生較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。