基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

彭鵬，劉春志，戴建煒，王明平，馮德權(quán)

（烏江渡發(fā)電廠，貴州遵義 563100）

隨著智能電廠的建設(shè)和發(fā)展，電廠人員安全管 理要求越來(lái)越嚴(yán)格，現(xiàn)階段電廠人員的安全管理模式為：制定廠內(nèi)管理?xiàng)l例；以培訓(xùn)的方式規(guī)范人員行為；現(xiàn)場(chǎng)施工、日常管理工作中，對(duì)所有工作區(qū)域進(jìn)行巡查監(jiān)督，落實(shí)安全管理任務(wù)。為了令電廠人員安全管理效果進(jìn)一步提升，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法參照文獻(xiàn)[1]的內(nèi)容，通過(guò)優(yōu)化改造計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)執(zhí)行人員安全管理任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，旨在通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，對(duì)告警事件進(jìn)行事先預(yù)警反饋。又有一些學(xué)者重視預(yù)警反饋系統(tǒng)的硬件組成，參考文獻(xiàn)[2]，通過(guò)優(yōu)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通信鏈路，增強(qiáng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性，保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與廠內(nèi)實(shí)際現(xiàn)狀相符合。

但經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，存在一定的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，因此研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)概念、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，該技術(shù)將任何設(shè)備、設(shè)施捕捉到的信息，及時(shí)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳遞給系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以通過(guò)該技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集、查詢以及其他操作。此次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)電廠人員基本信息和活動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此為電廠人員安全管理提供性能更好的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 更換視頻監(jiān)控主要設(shè)備

以現(xiàn)有的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)為參照，將前端設(shè)備進(jìn)行更換。監(jiān)控系統(tǒng)最重要的組成部分為高清攝像機(jī)，此次選擇的攝像機(jī)型號(hào)分別為iDS-2DE7423 MW-A/S5 星光級(jí)360 度，全景一體式高清智能攝像機(jī)以及IPC-B632-IR 高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，采用高靈敏度傳感器，滿足星光監(jiān)控需求；超大33 倍（4.5～148.5 mm）光學(xué)變倍，看得更廣、更遠(yuǎn)；光學(xué)寬動(dòng)態(tài)120 dB，根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)切換，滿足高反差場(chǎng)景監(jiān)控需求；自適應(yīng)透霧，攝像機(jī)根據(jù)霧霾嚴(yán)重程度，自適應(yīng)調(diào)節(jié)透霧等級(jí)[3]。利用這兩個(gè)攝像機(jī)，保證監(jiān)控系統(tǒng)可以全方位無(wú)死角監(jiān)控、快速定位跟蹤以及報(bào)警輸出等功能。此次設(shè)計(jì)選用高性能NVR（Net Video Recorder），其型號(hào)為DS-96256N-I24，全插拔模塊化無(wú)線纜設(shè)計(jì)，H.265&H.264 碼流混接混解，雙4K 高清輸出，從接、存、搜、管、控全方位滿足智能應(yīng)用。

1.2 網(wǎng)絡(luò)及硬件組成設(shè)計(jì)

主要的監(jiān)控系統(tǒng)硬件更換完畢后，選取更加適合的網(wǎng)絡(luò)，并重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件組成。電廠自身設(shè)有專用的網(wǎng)絡(luò)，因此將所有監(jiān)控系統(tǒng)硬件一一接入到該主干網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)將與監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的其他廠內(nèi)子系統(tǒng)，包括工業(yè)電視系統(tǒng)、Oncall系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，也一并與主干網(wǎng)絡(luò)相連接，利用該網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)硬件與系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)性[4]。結(jié)合所有硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 定位監(jiān)測(cè)功能

物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算包含信息采集技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無(wú)線定位技術(shù)以及智能技術(shù)，因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集監(jiān)控信息后的人員定位監(jiān)測(cè)功能。利用物聯(lián)網(wǎng)RFID 傳感器技術(shù)，采用TDOA（信號(hào)到達(dá)時(shí)間差算法），根據(jù)雙曲線定位監(jiān)控系統(tǒng)中的人員實(shí)時(shí)位置[5-6]。該算法的示意圖，如圖2 所示。

圖2 信號(hào)到達(dá)時(shí)間差算法示意圖

圖中，字母A、B、C、D 分別代表RFID 讀寫(xiě)器的位置。已知該位置坐標(biāo)是靜態(tài)固定的。字母M 代表電廠中需要定位的人員位置。TDOA 算法以AB 點(diǎn)和CD 點(diǎn)建立雙曲線，當(dāng)點(diǎn)M 位于射頻讀寫(xiě)器的射頻范圍內(nèi)時(shí)，則利用下列公式，推算出點(diǎn)M 的位置坐標(biāo)。

式（1）、式（2）中：RAB與RCD分別表示M 點(diǎn)到A點(diǎn)、M 點(diǎn)到B 點(diǎn)之間的距離差值；t1、t2分別表示M點(diǎn)射頻信號(hào)，到達(dá)A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的時(shí)間差；v表示信號(hào)傳輸速度；MA、MB、MD、MC 則表示點(diǎn)M 與RFID 讀寫(xiě)器之間的距離[7-8]。將上式計(jì)算結(jié)果代入到雙曲線公式中，計(jì)算M 點(diǎn)的位置坐標(biāo)，得到員工在電廠的實(shí)際位置。方程為：

式（3）、（4）中：(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)、(XD,YD)分別表示A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)以及D 點(diǎn)坐標(biāo)。(X,Y)為計(jì)算所求的M 點(diǎn)坐標(biāo)。求解上述公式，計(jì)算具體的X值和Y值，得到電廠人員的實(shí)時(shí)位置，完成對(duì)人員定位監(jiān)測(cè)功能的設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析與聯(lián)動(dòng)操作功能

設(shè)計(jì)系統(tǒng)統(tǒng)一管理地圖的功能，將各子系統(tǒng)中的位置信息，整合到人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)的軟件地圖中，設(shè)置可以疊加顯示的操作模塊，將各類人員位置信息作為不同圖層，同時(shí)，其中簡(jiǎn)要的信息也要求在不同反饋窗口內(nèi)同時(shí)顯示。令系統(tǒng)圖形化標(biāo)定前端設(shè)備的作用范圍，即明確攝像頭掃描覆蓋區(qū)域中，人員定位基站覆蓋區(qū)域等，當(dāng)出現(xiàn)安全問(wèn)題時(shí)，可以在地圖任意位置處，調(diào)出與該點(diǎn)有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)信息集成的特點(diǎn)，在各個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立顯示基本信息的前提下，令監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)展現(xiàn)所有系統(tǒng)信息，其中視頻系統(tǒng)要顯示本區(qū)域定位的人員清單；Oncall 系統(tǒng)要顯示快捷頁(yè)面。令監(jiān)控系統(tǒng)串聯(lián)這些子系統(tǒng)，以聯(lián)動(dòng)的形式反饋電廠中的實(shí)時(shí)信息。同時(shí)要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息展示頁(yè)面，根據(jù)每個(gè)工作崗位實(shí)際情況，制定不同的控制鍵位置。還要在地圖上劃定圍欄區(qū)域，并設(shè)定涉及此圍欄的子系統(tǒng)，統(tǒng)一整合人員定位、視頻監(jiān)控的圍欄功能，即針對(duì)人員進(jìn)行定位，針對(duì)視頻監(jiān)控進(jìn)行軌跡識(shí)別，保證系統(tǒng)協(xié)同工作。將其他子系統(tǒng)與其關(guān)聯(lián)，設(shè)定禁入、禁出以及超時(shí)停止的系統(tǒng)報(bào)警頻率[9-10]。至此完成有關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)控方向上的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。

再設(shè)計(jì)有關(guān)存儲(chǔ)的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方式，即子系統(tǒng)信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，同步記錄該區(qū)域的基本監(jiān)控信息，保存特定時(shí)段的定位信息，同步監(jiān)控區(qū)域的視頻內(nèi)容。在系統(tǒng)定位目標(biāo)后，所有子系統(tǒng)分別自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，根據(jù)員工活動(dòng)軌跡，切換地圖和攝像頭。系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)是安全監(jiān)控的核心功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)中預(yù)警模塊的報(bào)警響應(yīng)聯(lián)動(dòng)模式，根據(jù)警報(bào)級(jí)別定向發(fā)送實(shí)時(shí)狀態(tài)，自動(dòng)記錄觸發(fā)警報(bào)的人員信息，并向特定標(biāo)簽發(fā)布下行預(yù)警。最后設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)案操作聯(lián)動(dòng)功能，即當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)所有廠內(nèi)人員進(jìn)行拍照，瞬間彈出人員的基本信息、彈出警報(bào)觸發(fā)信息。至此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多樣性的使用功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析與聯(lián)動(dòng)操作功能[11-12]。

2.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)告警功能

設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)支持多種查詢方式，包括單條件、多條件以及組合條件的監(jiān)控信息查詢[13-14]。表1 為設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可查詢到的告警信息。

表1 告警信息參數(shù)表

3 實(shí) 驗(yàn)

為測(cè)試此次設(shè)計(jì)的人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)性能，將該系統(tǒng)應(yīng)用到一個(gè)模擬環(huán)境中，測(cè)試該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，若出現(xiàn)運(yùn)行不流暢或運(yùn)行故障的地方，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，若系統(tǒng)運(yùn)行可靠，則進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，比較此次研究的監(jiān)控系統(tǒng)，與兩個(gè)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)性差異。

3.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

根據(jù)電廠實(shí)際設(shè)備和以往工作方式，采用B/S 模式建立人機(jī)交互，將管理監(jiān)控系統(tǒng)與后臺(tái)服務(wù)器、其他子系統(tǒng)通信交互。該系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Sun Microsystems 公司JAVA 平臺(tái)，使用的語(yǔ)言為JAVA語(yǔ)言。

注冊(cè)用戶名及密碼，將該系統(tǒng)應(yīng)用到水電站電廠中，進(jìn)行為期一個(gè)月的系統(tǒng)性能測(cè)試，為保證實(shí)驗(yàn)電廠工作環(huán)境的安全性，在測(cè)試期間，并沒(méi)有拆除該電廠原本已經(jīng)執(zhí)行安全管理監(jiān)控任務(wù)的軟硬件設(shè)備設(shè)施，而是根據(jù)此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，在電廠內(nèi)找到其他需要安裝攝像頭的位置，并在計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)安裝配套的組件。一個(gè)月后統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)的告警次數(shù)、告警位置等信息。

所有監(jiān)控信息是可查詢的，且所有子系統(tǒng)的監(jiān)控信息，都反映到主監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面中，可見(jiàn)該系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行并無(wú)異常，可以進(jìn)一步投入實(shí)驗(yàn)研究中。

3.2 對(duì)比測(cè)試

對(duì)比測(cè)試將此次研究的監(jiān)控系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)組測(cè)試對(duì)象；將兩個(gè)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，分別作為對(duì)照1 組測(cè)試對(duì)象和對(duì)照2 組測(cè)試對(duì)象，圖3 為3個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性監(jiān)測(cè)信息精度測(cè)試結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性監(jiān)測(cè)信息精度對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖3 所示的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性監(jiān)測(cè)信息精度對(duì)比可知，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)精度較高，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性更好，得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更完備。將所有子系統(tǒng)的相關(guān)監(jiān)控信息，都集中反饋到主界面中，監(jiān)管人員可以隨時(shí)查找工廠人員安全管理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，實(shí)驗(yàn)共模擬100 次告警事件，分別設(shè)置為5 個(gè)測(cè)試組（20 個(gè)/組），3 個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控預(yù)警次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2 所示。

表2 預(yù)警次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表2 可知，實(shí)驗(yàn)組只在第3 組出現(xiàn)了一次告警事件漏報(bào)，經(jīng)調(diào)查得知，測(cè)試當(dāng)天出現(xiàn)了短暫的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，因此沒(méi)有記錄該次告警事件。而對(duì)照1 組和對(duì)照2 組，其預(yù)警次數(shù)比重，分別為總發(fā)生告警事件次數(shù)的70%和48%。可見(jiàn)此次設(shè)計(jì)的電廠人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效處理聯(lián)動(dòng)信息，通過(guò)完整的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)告警事件的實(shí)時(shí)反饋[15-16]。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)的人員安全管理監(jiān)控系統(tǒng)，在重新選擇監(jiān)控硬件的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可執(zhí)行信息采集、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信、無(wú)線定位以及智能技術(shù)等功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控模塊、各個(gè)監(jiān)控位置之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)式處理，保證所有危險(xiǎn)信息，可通過(guò)LCD 顯示屏，以多樣化的方式迅速反饋給監(jiān)控室。但此次研究還存在一些遺憾，例如由于時(shí)間與版面限制，沒(méi)有介紹每一款替換硬件的詳細(xì)信息，同時(shí)也沒(méi)有著重給出系統(tǒng)軟件、硬件之間兼容性的測(cè)試結(jié)果。今后的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究中，可以對(duì)上述兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行描述，深化對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的分析與研究。