基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

譚 凱，徐 義，楊 拓，何夢瑩，楊文睿

（1.湖北特種設(shè)備檢驗檢測研究院，湖北 武漢 430000；2.國家工業(yè)數(shù)字成像無損檢測設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（湖北），湖北 武漢 430000）

0 引 言

新冠肺炎的突然襲來使得全球醫(yī)療體系面臨巨大挑戰(zhàn)，有“生命之氣”之稱的醫(yī)用氧氣用量劇增，氧氣作為呼吸機(jī)、ECOMO等醫(yī)療設(shè)備的氣源[1]，其穩(wěn)定供應(yīng)對于儀器的正常運行與病人的救治至關(guān)重要。醫(yī)用氧氣瓶是盛裝氧氣的主要容器，同時也是典型的移動式壓力容器，目前其安全檢驗還是基于固定周期的靜態(tài)檢驗。更多的風(fēng)險是在設(shè)備充裝、卸載等使用過程中[2-4]，如何對使用過程中的壓力容器設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)測，對于特種設(shè)備的安全監(jiān)管具有重要意義。姜吉武等[5-6]對移動式壓力容器的互聯(lián)網(wǎng)+模式進(jìn)行了探討，認(rèn)為這種模式的管理能提高管理質(zhì)量、減少人力資源消耗、降低安全風(fēng)險。運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對特種設(shè)備進(jìn)行安全動態(tài)監(jiān)測是特種設(shè)備安全監(jiān)管的一個發(fā)展方向[7-9]。盡管很多學(xué)者提倡互聯(lián)網(wǎng)+的管理模式，但真正有效的風(fēng)險監(jiān)測平臺卻鮮見報道。

目前國內(nèi)有部分機(jī)構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對供氣系統(tǒng)的壓力、溫度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，雖然提高了供氣系統(tǒng)的管理水平，但這些監(jiān)測主要針對儲存氣體介質(zhì)的壓力、溫度和流量，針對特種設(shè)備裝載氣體的氣瓶本體的安全監(jiān)測較少[10-11]。本文從特種設(shè)備的安全狀態(tài)監(jiān)測入手，通過建立缺陷識別、風(fēng)險評價及預(yù)警模型，采用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對氣瓶系統(tǒng)中特種設(shè)備安全狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的氣瓶安全監(jiān)測系統(tǒng)主要運用光纖傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對封閉容器本體的應(yīng)變及其內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，并進(jìn)行對應(yīng)的安全狀態(tài)預(yù)警。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

氣瓶安全狀態(tài)監(jiān)測平臺的主要目的是為了保證能夠?qū)馄繝顟B(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，對故障狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警和風(fēng)險評估。該系統(tǒng)實現(xiàn)了氣瓶的傳感器數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)氣瓶狀態(tài)的異常，在充氣或者出現(xiàn)缺陷時，可對應(yīng)力變化的極限和壓力變化率進(jìn)行預(yù)警或報警，使其保持良好的供應(yīng)狀態(tài)，避免依靠人工識別帶來的醫(yī)療風(fēng)險。系統(tǒng)所監(jiān)測的物理量包含氣體壓力、氣瓶表面微應(yīng)力、氣體溫度等。

通過對氣瓶系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)關(guān)于氣瓶充卸使用等過程的狀態(tài)評估和預(yù)警報告。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史分析，對各氣瓶的質(zhì)量演變情況做出預(yù)估。系統(tǒng)根據(jù)氣瓶的應(yīng)力變化量和相關(guān)規(guī)程及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而更好地預(yù)防氣瓶故障帶來的意外傷害風(fēng)險，更好地為醫(yī)院安全提供支持，為監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的大規(guī)模設(shè)備監(jiān)管手段?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測平臺是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，分為3個層次。

底層為傳感器感知層。在醫(yī)院移動氣瓶供應(yīng)領(lǐng)域，其感知層對象主要為供應(yīng)醫(yī)用氣體氣瓶的氣體壓力、氣瓶表面微應(yīng)力、溫度等。在氣瓶上加裝光纖應(yīng)力傳感器，可以將不同氣體所在氣瓶當(dāng)前的物理狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成光電信號送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與氣瓶相關(guān)物理量的相互作用下，使器件的光學(xué)性質(zhì)等發(fā)生變化，形成特定的光信號，再經(jīng)過光纖通信通道送入光電器件，經(jīng)光柵解調(diào)儀后獲得被測物理量，成為可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字電信號。

系統(tǒng)第二層為通信層，主要包括數(shù)據(jù)打包、封裝、通信等，以嵌入式通信設(shè)備為中心，將光纖傳感器解調(diào)儀的解調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺進(jìn)行模型計算分析。通信層的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，運用隊列算法實現(xiàn)本層處理器對上層監(jiān)測數(shù)據(jù)的解析及本層監(jiān)測數(shù)據(jù)的封裝；同時建立數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對達(dá)到預(yù)警值的數(shù)據(jù)是否啟動故障處理進(jìn)程進(jìn)行區(qū)別；保證自身數(shù)據(jù)的安全，同時管理本級系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的級聯(lián)及通信配置。

系統(tǒng)第三層為應(yīng)用層，該層借助云服務(wù)器平臺和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，基于云平臺建立系統(tǒng)管理模式，易于數(shù)據(jù)匯集、存儲、分析。目前，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)多采用B/S架構(gòu)，該架構(gòu)采用信息分布式處理方式，可有效降低資源成本，優(yōu)化系統(tǒng)性能。在移動客戶端使用氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的用戶可以與互聯(lián)網(wǎng)連接的電腦、智能手機(jī)、移動互聯(lián)設(shè)備上的云服務(wù)器、云虛擬主機(jī)連接，記錄醫(yī)用氣體儲存現(xiàn)場的氣瓶狀態(tài)信息，并及時得到關(guān)于氣瓶安全狀態(tài)上限/下限的預(yù)警、報警信息。監(jiān)管人員可以通過推送信息等進(jìn)行氣瓶安全狀態(tài)的預(yù)警，提前通知用戶及時處理，在提高監(jiān)管人員工作效率的同時，減少因故障帶來的損失。

2 嵌入式硬/軟件設(shè)計

嵌入式通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備主要具有專用性、靈活性、實時性、可靠性等優(yōu)點。

（1）專用性指嵌入式系統(tǒng)擅長于對相應(yīng)設(shè)備完成對應(yīng)任務(wù)，這是區(qū)別于通用計算機(jī)系統(tǒng)的重要特點。

（2）靈活性指嵌入式系統(tǒng)一般可靈活配置于系統(tǒng)內(nèi)部而不影響整個系統(tǒng)的運行。

（3）實時性指系統(tǒng)采集外部數(shù)據(jù)的頻率能夠在受控時間內(nèi)對事件或用戶的干預(yù)做出響應(yīng)。

（4）可靠性指嵌入式系統(tǒng)一旦運行就會在很長一段時間內(nèi)不必進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，能夠可靠運行。

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件主要包括處理器、存儲器和輸入/輸出接口等。軟件包括操作系統(tǒng)軟件和專門解決某類問題的專用軟件，這兩種軟件可以組合使用，由應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)運行，由操作系統(tǒng)控制程序與硬件的交互。

由于物聯(lián)網(wǎng)涉及各種各樣的傳感器設(shè)備，而不同的傳感器設(shè)備遵循不同的通信協(xié)議，同時針對大規(guī)模的傳感器數(shù)據(jù)存儲和分析，也會極大地浪費云端和網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，尤其隨著時代的發(fā)展，視頻、音頻等流媒體數(shù)據(jù)也會加入到評估模型的識別中。因此，嵌入式設(shè)備需要具備更強大的功能。

目前的嵌入式通信設(shè)備不僅需要保留通信功能，還需要具備一定的分析存儲能力，能夠在邊緣端進(jìn)行算法分析，篩除部分?jǐn)?shù)據(jù)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

目前大部分嵌入式設(shè)備都采用Linux系統(tǒng)或者裁剪的Linux系統(tǒng)?？紤]到實時性的要求，可以擴(kuò)展相應(yīng)的FPGA板用于邏輯和信號處理，而針對通信轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)封裝及邊緣計算等內(nèi)容的處理，大多在操作系統(tǒng)中進(jìn)行。

對于某些小規(guī)模的單一設(shè)備不涉及視頻等信號，考慮到量產(chǎn)和成本的問題，可以選擇STM32Fx系列單片機(jī)，配置FPGA板用于部分特殊傳感器的接入和信號處理。針對實時數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用5G模塊或4G模塊，通過網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)串口轉(zhuǎn)發(fā)。圖2所示為嵌入式設(shè)備簡易設(shè)計圖。

圖2 嵌入式設(shè)備簡易設(shè)計圖

3 云服務(wù)平臺設(shè)計

3.1 系統(tǒng)涉眾分析

系統(tǒng)針對的用戶主要是醫(yī)院的氣瓶管理人員、供應(yīng)氣瓶的廠商及部分使用人員。醫(yī)院的氣瓶管理人員和供應(yīng)商需要了解氣瓶實時運行情況，更加重視氣瓶的細(xì)節(jié)參數(shù)、故障信息。同時，醫(yī)院的氣瓶管理人員還需要了解各類氣體的投入使用情況，對各種指標(biāo)進(jìn)行管控和監(jiān)管，并通過歷史使用情況預(yù)判下一批需要采購的各類氣體氣瓶的數(shù)量。醫(yī)用氣瓶的使用人員需要了解對應(yīng)氣瓶的使用情況，判斷是否需要更換氣瓶，并預(yù)判可用時間。

3.2 系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)

建立氣瓶安全狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)體系和安全狀態(tài)監(jiān)測平臺，通過監(jiān)測平臺與安全附件的自動聯(lián)動、聯(lián)鎖技術(shù)，將醫(yī)用氣瓶相關(guān)數(shù)據(jù)及輔助分析數(shù)據(jù)實時發(fā)送到相關(guān)工作人員的智能手機(jī)上，便于醫(yī)護(hù)管理人員掌握對應(yīng)氣瓶的使用信息，還可提出一些輔助決策建議，供管理人員參考。實現(xiàn)氣瓶安全狀態(tài)的預(yù)警及風(fēng)險控制管理，最終以動態(tài)監(jiān)測替代現(xiàn)有氣瓶的定期檢測。

氣瓶數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理：優(yōu)化醫(yī)用氣瓶運行數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計醫(yī)用氣瓶及其傳感器運行信息，包括日/月/年告警記錄、投運狀態(tài)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與展示功能，并提供輔助決策。

設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理：優(yōu)化醫(yī)用氣瓶基礎(chǔ)資料存儲管理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)醫(yī)用氣瓶編號、位置、所含傳感器信息等臺賬的統(tǒng)一存儲。通過規(guī)范化、精細(xì)化的基礎(chǔ)資料管理，全面掌握醫(yī)用氣瓶的基本投運情況，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與展示。

數(shù)據(jù)報表信息管理：對醫(yī)用氣瓶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行展示的同時，實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)歷史記錄、氣瓶設(shè)備上下線、告警記錄等信息的導(dǎo)出。

氣瓶告警信息實時監(jiān)測：依據(jù)用戶提供的傳感器閾值指標(biāo)要求，實現(xiàn)對醫(yī)用氣瓶運行情況的自動化告警，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與展示。

3.3 功能設(shè)計

系統(tǒng)云服務(wù)包括氣瓶歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測、氣瓶在線數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、傳感器數(shù)據(jù)趨勢分析圖表、設(shè)備異常狀態(tài)預(yù)警、設(shè)備數(shù)值超限報警服務(wù)、氣瓶總數(shù)統(tǒng)計、各類氣瓶投入使用數(shù)量及狀態(tài)統(tǒng)計、報警信息數(shù)量階段統(tǒng)計、氣瓶及傳感器設(shè)備增刪改查功能以及設(shè)備通過Excel文件批量導(dǎo)入功能等。這些功能緊密圍繞著云端數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用展開，由云端存儲系統(tǒng)和云端發(fā)布系統(tǒng)組成。云端主界面設(shè)計如圖3所示。

圖3 氣瓶安全在線監(jiān)測軟件主界面

4 結(jié) 語

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、光纖傳感技術(shù)搭建了氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)架。針對氣瓶的具體結(jié)構(gòu)特點、使用特點設(shè)計合理的傳感器布置方式：使用光纖傳感技術(shù)可以有效監(jiān)測醫(yī)用氧氣瓶的應(yīng)力變化；特種設(shè)備在線安全監(jiān)測軟件可以實時監(jiān)測關(guān)鍵部位是否超過預(yù)警值而發(fā)出警告信息；大數(shù)據(jù)分析可以有效實現(xiàn)氣瓶安全狀態(tài)的預(yù)測；采用嵌入式通信設(shè)備進(jìn)一步保證了設(shè)備數(shù)據(jù)的安全與用戶信息安全，同時能夠保證數(shù)據(jù)更加順暢的傳輸。