水利工程智慧安全警示告知IOT系統建設實踐

李 揚

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

安全警示告知是水利工程安全標準化達標的重要組成部分，目前國內泵站主要通過視頻監(jiān)控、遠程廣播、警示牌等形式實現安全警示的目的。例如景電二期智能化泵站中安防系統通過電子圍欄系統發(fā)現人員，通過遠程廣播進行語音告知[1]。秦淮河城區(qū)水閘泵站工程通過界樁(牌)、警示牌、圍欄等形式劃定安全警戒區(qū)[2]。東水西調供水工程通過安全警示培訓提升職工安全意識[3]。中新生態(tài)城泵站采用紅外四光束對射邊界報警設備實現周界報警[4]。油田行業(yè)如長慶油田[5]采取物聯網技術實現數據采集、遠程報警的嘗試。江都第四抽水站在對現有安全警示系統進行分析的基礎上，完成了水利工程智慧安全警示告知IOT系統建設實踐。

1 原安全警示系統分析

原江都第四抽水站安全警示系統包括兩個部分：一是目視化，主要包括安全警示標語、標牌、危險源告知牌、場所有害因素告知牌等；二是自動化系統集成基于機組運行參數實時監(jiān)控的安全警示報警系統。本文重點討論安全警示報警系統的改進。

1.1 自動化系統中警示報警系統的優(yōu)點

原自動化系統警示報警有以下優(yōu)點：

a.實現了對所有數據的實時監(jiān)控。系統集成了對主輔機系統、壓力油系統、水循環(huán)系統等電壓、電流、功率因素、油壓、油溫、瓦溫、水壓、開關量等的實時監(jiān)控。

b.實現了參數超限報警。主要有三種方式：?相關數據顯示警示色，如瓦溫超溫時直接顯示為紅色；?彈出對話框，文字顯示報警內容，如“一號壓油裝置油壓低”；?當有報警信號發(fā)出時，主機音響發(fā)出“滴滴”報警音。

1.2 自動化系統中警示報警系統的不足

經過數年的使用，原自動化警示報警存在以下不足：

a.報警通知范圍有局限性：目前僅在集中控制室以及機務值班室控制主機上顯示報警，運行值班人員巡視時發(fā)生的報警信息則無法及時傳遞給未在控制室或值班室的泵站管理人員。

b.報警信息的消除機制不合理：目前報警消除通過點擊報警窗口中的報警消除按鈕實現，消除后如參數仍超限值，則反復報警。例如更換鉑熱電阻通常在機組大修時進行，機組瓦溫鉑熱電阻故障導致的誤報警在運行期間就會反復在主控電腦上報警。

c.報警聲音單一、指向性不明確：當運行人員聽到報警音后，并不能夠直接判斷出故障點，需要打開組態(tài)軟件進行查詢后才可得知，無形中延長了某些緊急故障的反應處理時間。此外，當有無法立即排除的故障信號反復報警時，則會掩蓋新發(fā)生的故障報警，導致運行人員不能第一時間發(fā)現新報警。當報警音反復不斷響起，又無法消除時，運行人員通常會選擇關閉報警音響，無形中增加了工程隱患。

1.3 改進方向

在對現有基于自動化控制系統的安全體系進行分析的基礎上，提出了安全警示需要更多的人性化、物聯化和智能化。

a.人性化。傳統的安全警示主要通過安全警示標牌、標語的形式進行安全告知，如“止步、高壓危險”“線路有人工作、禁止合閘”等，這樣目視化的安全警示適用于有一定專業(yè)基礎的人員。如果進入工程相關區(qū)域的是未成年人則可能無法起到警示效果，這樣的情形下，我們需要有一種更容易被廣大受眾接受的警示方式——語音警示。

b.物聯化。目前，很多水利工程已經安裝有安全警示系統，能夠實現有人進入，播報響應語音。但如果管理者需要進一步了解人員進入該工程區(qū)域的時間、頻次，則無能為力。此外，如果需要新增安全警示區(qū)域，則面臨著鑿墻、穿管、布線等一系列工作，費工費時。因此需要將安全警示系統各個部件物聯化。江都第四抽水站基于IOT平臺，通過進一步開發(fā)整合，將所有檢測部件、發(fā)聲單元、發(fā)光單元等一鍵聯網，管理者可隨時用手機APP查詢各部件工作狀態(tài)、人員通過時間等具體信息。

c.智能化。當檢測單元(各型傳感器)發(fā)現有人經過時，觸發(fā)警示語音。這是一條最簡單的邏輯，但會遇到如下問題：?如果來了幾十個人，不斷經過該位置，語音系統是否會反復播報；?如果近距離內有幾個觸發(fā)點，多語音播報是否會此起彼伏，降低語音警示系統的效果。安全警示系統需要更加智能化，即能夠判斷出如果來的是同一批人，只需播報一次；如果這批人原路返回再次經過這里，無須重復播報；如果兩處乃至更多處進行播報，智能安排播報順序等，這就對安全警示系統提出了更加智能化的需求。

2 技術方案與實施效果

2.1 網絡拓撲圖

江都第四抽水站安全警示告知IOT系統包括兩個層面：?對于人員監(jiān)測，播報響應語音；?對重要數據(如泵站廊道水位)進行監(jiān)測，超限時則在特定區(qū)域進行播報，并通過手機APP通知數據超限。安全警示告知系統的網絡拓撲圖見圖1，系統包括監(jiān)測單元、網絡模塊、報警單元和APP報警等組成部分。

圖1 安全警示告知系統網絡拓撲圖

監(jiān)測單元主要由各類傳感器組成，如人體傳感器、門窗傳感器、水浸傳感器等，傳感器信號通過網絡傳輸到手機APP，通過APP對相關參數及報警或警示方式以及傳感器與報警方式之間的邏輯關系進行設置，在獲取的信息達到報警或警示要求時，進行相應的報警或做出警示動作，報警或警示方式主要有燈光、聲音等，手機APP同步監(jiān)測報警信息。

2.2 人員監(jiān)測警示系統

對人員的警示語音系統主要布置在四站門廳、勵磁變壓器室、站變室、主廠房等管理區(qū)域，使得有人員進入時發(fā)出語音信息。當參觀人員進入門廳時播報安全告知，對運行人員進入設備區(qū)域時播報重點巡視檢查內容。

2.2.1 警示語音人性化

警示系統人性化通過語音的形式表現。針對不同人員、事件需要有相應的語音播報。如參觀人員進入四站門廳時需要進行安全告知：“歡迎進入第四抽水站管理所。請按參觀通道文明有序參觀，嚴禁攜帶危險品進入工程現場，不得跨越警戒線，嚴禁觸摸機電設備。”當參觀人員進入工程運行區(qū)域時播報：“即將進入四站工程運行區(qū)域，請保持安全距離?！碑斶\行人員進行巡視檢查時，則播報所在區(qū)域檢查項目內容，如檢查10kV站用變壓器室時播報：“繞組溫度正常，最高溫度不得超過100℃，運行聲音正常無放電聲及其他異常聲音，變壓器冷卻風扇運行正?！??！本菊Z音通過手機APP錄音后直接上傳至網關存儲。播報時，網關直接調用該錄音即可。

2.2.2 基于IOT的警示裝置

江都第四抽水站選用IOT(Internet of Things)平臺，進行進一步開發(fā)整合，實現警示系統裝置的微型化、簡易化、物聯化。傳感器內置紐扣電池(使用時間達到2年)，微型化的傳感器例如門窗傳感器通過膠貼的方式進行安裝，安裝方式簡單、隱蔽，不影響美觀。傳感器通過ZigBee協議一鍵連接網關。各裝置動作可通過手機隨時進行查詢記錄，見圖2。汛期機組運行時，管理人員可以通過記錄查詢，知道運行人員是否巡視檢查到位。網關一體集成了報警發(fā)聲單元以及發(fā)光單元，具備語音存儲功能。

圖2 站變室東人體傳感器記錄

2.2.3 程序設計智能化

邏輯關系的設計通過傳感器和播放裝置的相互配合實現，通過程序編寫過程實現警示系統的智能化。

簡單程序設計：例如參觀人員進入四站門廳參觀，由于四站是封閉式管理，當人員進入時必須由接待人員打開指紋鎖方可進入。由此設計了一條簡單的邏輯：四站大門打開—播報外來人員安全告知。中間加了一個延遲3s執(zhí)行，目的是使得參觀人員走進門廳，見圖3。

圖3 門廳程序邏輯

當運行人員進入10kV站變室時，通過人體傳感器(檢測到有人通過時)播放相應語音，播報設備檢查的具體要求。

通過程序設計實現智能化：當同一批參觀人員首次進入工程運行區(qū)域時，播報警示語音，即便同一隊參觀人員人數過多拉長了隊伍，也不重復播報。

我們通過兩個人體傳感器來實現隊伍的判斷，即：門廳過道人體傳感器檢測到有人通過且工程運行區(qū)域參觀通道人體傳感器2min內未檢測到人通過，此時播報警示語音(參觀通道人體傳感器在門廳過道人體傳感器的前方，見圖4)。這樣的程序邏輯同樣實現了同一批人參觀完畢后原路返回時，門體過道人體傳感器檢測到人體通過時，不會進行語音播報。程序邏輯見圖5。

圖4 人體傳感器布置位置

圖5 工程管理區(qū)域程序邏輯

2.3 重要數據監(jiān)測警示系統

江都第四抽水站安全警示告知IOT系統可實現對溫度、濕度、水位、煙霧等數據的實時監(jiān)測報警。

以四站廊道水位超限報警為例，如果機組滲漏量過大，超過排水泵抽排能力，或者排水泵故障，均會導致廊道水位上升淹沒水泵層、進人孔層、聯軸器層等，造成極大的損失和事故的發(fā)生。

2.3.1 增設水位警示系統的必要性

原四站廊道水位的控制經歷了以下三個階段：

第一階段：通過干簧管水位計進行控制，平穩(wěn)運行一年后，故障頻發(fā)，主要有由于廊道泥沙量大導致浮子卡阻，濕度大導致線路短路等。

第二階段：四站進線自動化改造后，通過浮子水位計進行排水廊道水位控制。運行半年后浮子水位計轉動部分銹蝕卡阻，鋼絲線與轉盤不同步，導致基準點漂移，水位數據產生較大誤差，排水泵不能正常工作。

第三階段：將原有干簧管水位計改為投入式液位變送器，通過4～20mA數據采集控制器進行水位數據顯示以及兩臺排水泵的控制。穩(wěn)定運行一年半后，由于主機層至水泵層線路老化，導致線路絕緣降低，出現排水泵啟動后不自動停止的故障。經更換線路后故障排除使用至今。

三個階段由于各種原因均導致排水泵不能正常工作、排水廊道水位失控的結果，因此，需要增加一套廊道水位警示告知系統作為第二道防線。

2.3.2 四站水位警示系統的實現

布置檢測單元，在四站6號主機廊道增設3個水浸傳感器，命名為-6檔、-4檔、-2檔水浸傳感器，分別對應廊道水位2.5m、3.0m、3.5m。以上三個檔位對應的是廊道檢修口樓梯階，便于現場查看確認廊道水淹情況，更加直觀，0檔對應的是淹沒到水泵層。

報警信息通過以下三種方式傳達：

a.當水位超限時，立即向負責人等管理人員手機發(fā)送消息，相關人員可由手機APP查詢相關報警，見圖6。

圖6 廊道水位報警記錄

b.通過機務值班室、自動化集中控制室、正副所長辦公室等場所的智能網關進行語音播報：“6號主機，廊道水位超過2.5米，請立即前往查看?！?/p>

c.6號主機廊道處網關報警紅燈閃爍，并發(fā)出警報音。

當運行人員現場檢查排除故障，水位降低后，按下6號主機廊道網關故障排除按鈕，方可消除警報，見圖7。

圖7 現場警報消除

“6號主機，廊道水位超過2.5米，請立即前往查看”等語音或者手機APP文字報警信息準確地描述了廊道水位緊急情況，供決策者迅速采取相應措施。采用多種警報方式盡可能保障報警信息能夠傳遞到相關責任人，如泵站機務值班員、電氣值班員、泵站負責人等。甚至，我們可以進一步在泵站負責人臥室增設智能網關進行語音報警，這樣即便是在睡覺時，也可以將報警信息通知傳遞到位。

2.4 實施效果

門廳的安全警示告知系統在監(jiān)測到有來人時會通過現場的音響自動宣讀“歡迎進入第四抽水站管理所。請按參觀通道文明有序參觀，嚴禁攜帶危險品進入工程現場，不得跨越警戒線……”，提醒來人注意安全，這一系統的運用，不僅減少了人力資源的浪費，也使得被告知人員覆蓋率更高。江都第四抽水站的排水廊道水位監(jiān)測也是安全生產管理的重要內容，該告知系統的使用，打破了原先只能在幾個固定地點看到監(jiān)測信息的局限，使得安全監(jiān)控更加全面，提升了工作效能。同樣，該系統還應用到了勵磁變壓器室、站變室等各工程現場，實現了安全告知提醒的目的，且留有進一步拓展應用的接口，供不斷完善改進。

3 應用價值分析

3.1 現實意義

工程區(qū)域增加安全警示告知系統，檢測到來人或數據異常時，會發(fā)出警示信息，這對于工程安全具有重要意義:首先，增加了安全告知的覆蓋面，提升了時效性，警示的效果更明顯；并且安全警示告知系統的應用也有利于營造安全生產的氛圍，增強職工群眾的安全意識。

3.2 價值分析

該系統具有安裝便利性，所有傳感器均實現微型化，自帶紐扣電池，電池每兩年更換一次，通過ZigBee接入網關，無須開槽布線，以膠貼的方式進行布置，極大降低了安裝難度及費用，不影響工程整體美觀。該系統具有無線擴展性，可根據工程需要，隨時新增檢測對象，如增加距離傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、門窗傳感器、水位傳感器、煙霧傳感器等，通過無線直接接入該系統，且無數量限制。該系統簡單易用，一是報警語音通過手機麥克風直接錄入，上傳后直接存儲在網關內；二是傳感器與播報語音、報警邏輯關系均由手機APP進行設定，編程語言簡單易懂，邏輯清晰便于應用推廣。該系統可有效提升管理效率，單位負責人可在手機上實時查看各工程管理區(qū)域門窗是否開啟，是否有人經過；主機開機運行期間，運行班人員是否巡檢到位，做到無感化巡視考核。

4 結 論

水利工程智慧安全警示告知IOT系統打破了警示信息的時間和空間限制，能夠精確地將報警信息傳遞給相關人員。同時，管理人員可以通過手機APP跟蹤故障解決進展，實時掌控水利工程的安全狀態(tài)。人性化的語音系統的使用進一步增強了安全告知效用，適用人群更為廣泛。整套系統簡單易用、可靠性高、成本低廉、安裝方便、無線擴展，可有效提高管理水平，易于在水利工程中推廣應用。