海洋工程安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺設計

劉 勇

(海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913)

0 引 言

海洋工程是國家大力支持的產(chǎn)業(yè)，不斷引進的新設備、新材料和新工藝等對建造安全提出更高要求。目前各船廠對海洋工程安全生產(chǎn)十分重視，不僅建立較為完善的安全管理體系和應急預案，而且在信息化方面積極投入，分別建立門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，開始在人員定位和設備監(jiān)控等新技術方面開展應用嘗試。這些已建立或規(guī)劃建立的系統(tǒng)往往為獨立建設，各系統(tǒng)之間缺少數(shù)據(jù)共享，難以建立全廠協(xié)調(diào)一致的安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺。

安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺是解決監(jiān)控信息孤島的有效途徑。研究海洋工程安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺解決方案，開展監(jiān)控平臺規(guī)劃，對于提高海洋工程建造的安全生產(chǎn)保障能力、整合當前較為零散的安全生產(chǎn)監(jiān)控手段，具有重大的理論和工程意義。

1 研究內(nèi)容

安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺基于網(wǎng)絡監(jiān)控，由單一監(jiān)控功能越來越向集約化和綜合化方向發(fā)展，不局限于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控，而是進一步擴展至人員定位、設備監(jiān)控、企業(yè)運營和生產(chǎn)看板等，形成一個綜合性的應用管理平臺，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和融合。在同一集中監(jiān)控平臺內(nèi)實現(xiàn)對不同子監(jiān)控系統(tǒng)的綜合管理、控制和顯示；將各子系統(tǒng)的分布式部署與集中式管理有機結合，實時采集各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和報警信息，并就相關的信息與狀態(tài)進行集中展示和綜合分析，調(diào)動相應的子系統(tǒng)，實現(xiàn)事件的系統(tǒng)間聯(lián)動，完成系統(tǒng)之間的資源共享、信息交換及警情聯(lián)動處理[1]。

2 監(jiān)控平臺框架

海洋平臺建造環(huán)境復雜，且鋼板對電磁信號具有較強屏蔽作用，因此如何解決定位信號的傳輸是研究的關鍵問題。ZigBee技術主要應用于短距離無線網(wǎng)絡傳輸，布置的監(jiān)測點較多，傳輸?shù)男畔⒘啃。w成本不高；可靠度高，安全穩(wěn)定，無干擾；檢測節(jié)點體積小，布置不需要較大空間[2]；可用干電池供電，定位區(qū)域相對固定。通過基站與便攜式定位器組合，可提高定位精度，避免金屬艙壁對電磁信號的反射干擾。

安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺總體架構采用分層設計，如圖1所示。安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺部署方案如圖2所示。

圖1 安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺總體架構

圖2 安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺部署方案

分系統(tǒng)層：主要由綜合接入的各子系統(tǒng)構成。

接入功能層：各子系統(tǒng)的接入功能，由綜合業(yè)務接入抽象層構成，完成各接入子系統(tǒng)接入功能的抽象，對上層應用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)功能結構。在出現(xiàn)新的子系統(tǒng)需要接入時，僅修改平臺的接入抽象層即可實現(xiàn)對子系統(tǒng)的對接工作。

通用功能層：主要實現(xiàn)生產(chǎn)及安防監(jiān)控系統(tǒng)的通用功能，如報警聯(lián)動管理、報警預案管理、報警數(shù)據(jù)查詢、報警數(shù)據(jù)統(tǒng)計及電子地圖等通用功能，并可通過統(tǒng)一的對外接口向上一層提供通用服務。

應用層：利用生產(chǎn)及安防監(jiān)控系統(tǒng)提供接口并結合企業(yè)特點及事件處理與管理流程，實現(xiàn)深度企業(yè)化的綜合管理[2]。

現(xiàn)場使用范圍為海洋平臺建造的工作人員定位和管理。整個監(jiān)控平臺在建成后可準確考勤，實時監(jiān)測人員的位置、工作狀態(tài)及區(qū)域的人員分布和數(shù)量，實時查詢工作人員的行動軌跡。在出現(xiàn)緊急情況時，可與監(jiān)控中心及時通信聯(lián)系，通過定位卡求救報警及通過監(jiān)控平臺預先設定的規(guī)則超限報警，實現(xiàn)雙向報警，管理部門可通過網(wǎng)絡調(diào)用查看。

人員定位系統(tǒng)主要由本質(zhì)安全型通信分站、定位器、船艙內(nèi)無線定位基站、定位卡等組成。定位通信基站采用以太網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線接口，各種終端設備采用有線/無線接合，各種傳感器、攝像頭等就近通過基站連接至通信骨干網(wǎng)。

3 監(jiān)控平臺技術方案

3.1 技術概述

海洋平臺建造環(huán)境較為復雜。海洋平臺主要由鋼板焊成，每層甲板、每個艙室均由鋼板組成，為多金屬和多艙室結構。多金屬環(huán)境對無線射頻信號的影響主要為信號屏蔽和反射加強。有些艙室采用金屬隔斷，有些艙室采用普通非金屬建筑材料，增加信號傳輸難度[3]。

采用射頻信號的定位算法一般采用接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)、飛行時間(Time of Flight，TOF)/到達時間(Time of Arrival，TOA)、到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)等方法。金屬對射頻信號的多次反射，使RSSI系統(tǒng)無法計算標簽的準確距離。由于金屬對無線信號的多次反射，因此TOF/TOA系統(tǒng)在計算標簽位置的應用軟件中難度加大，準確性較差。TDOA系統(tǒng)需要精準的時間同步定位基站，定位標簽成本為上述標簽的4～5倍，系統(tǒng)成本較高，在多艙室環(huán)境中方案和施工調(diào)試工程量較大，實施難度大[4]。上述3種定位系統(tǒng)均適合安裝在視距(LOS)定位系統(tǒng)或較少非視距(NLOS)定位系統(tǒng)中，不適合復雜的海洋工程環(huán)境。

結合上述方法的優(yōu)缺點，所設計的定位系統(tǒng)利用有線/無線網(wǎng)絡傳輸，設備占用帶寬較小，安裝施工簡單。為使較復雜的海洋平臺可更好更快地實現(xiàn)定位區(qū)域劃分，采用微型定位器實現(xiàn)區(qū)域分割功能，在一些關鍵的通道口、上下層、大艙室出入口等位置安裝定位器，識別卡接收定位器信息發(fā)送位置信號?？紤]布線施工難度，對小艙室內(nèi)部工作人員的定位采取移動式無線定位基站，在人員進出艙室時均可感知，在需要定位的盲區(qū)可根據(jù)實際情況采用該設備。較大區(qū)域采用無線信號覆蓋，人員識別卡、無線定位基站等設備實時收發(fā)無線信息，艙室內(nèi)部的CAN通信分站、以太網(wǎng)通信分站采用有線通信和供電，通信分站內(nèi)置ZigBee接收板可實時接收無線信息。定位系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)示例

3.2 硬件構成

(1)監(jiān)控中心定位服務器：安裝數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件，連接人員定位系統(tǒng)的下端數(shù)據(jù)集控器，監(jiān)控平臺采集處理后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放至監(jiān)控中心服務器進行管理。

(2)以太網(wǎng)通信分站(數(shù)據(jù)集控器)：實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中和設備控制功能，通過以太網(wǎng)接口上聯(lián)定位服務器，通過CAN總線下鏈CAN通信分站，通過CAN接口與多個設備連接，在收集數(shù)據(jù)和計算人員位置后通過連接監(jiān)控平臺網(wǎng)絡將計算結果數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心服務器。

(3)CAN通信分站(數(shù)據(jù)采集器)：通過ZigBee無線模塊與周圍無線設備進行數(shù)據(jù)通信，負責收集、處理和計算識別卡定位等信息，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)集控器進行處理。

(4)定位器：間歇發(fā)送位置碼，并強制喚醒進入該區(qū)域的人員定位標簽，人員定位標簽在收到位置編碼后持續(xù)發(fā)送位置編碼信息。

(5)人員定位標簽(識別卡)：采用ZigBee雙向通信機制，可實現(xiàn)向上報警求救功能，識別卡平時間隔發(fā)送定位信息，在不發(fā)送時休眠，內(nèi)置加速度傳感器,可感知人員靜止或運動。

(6)室內(nèi)無線人感定位基站：采用電池供電，內(nèi)置人體感知模塊，在人員接近時可識別，通過自身ZigBee網(wǎng)絡模塊傳送至CAN通信分站，同時通過RSSI計算距離。

(7)室外定位基站：內(nèi)置無線ZigBee定位模塊，與標簽實時通信，定位數(shù)據(jù)通過設備的CAN總線上傳至監(jiān)控中心定位服務器。

3.3 硬件系統(tǒng)設計

(1)艙室內(nèi)部。無線射頻定位方案主要采用低功耗ZigBee技術實現(xiàn)。微型定位器內(nèi)置射頻強制喚醒功能，可實現(xiàn)空間區(qū)域劃分、樓梯層間等復雜環(huán)境的定位及方向識別；小型艙室內(nèi)部可采用無線人感微型基站，識別人員進入后的定位和測距功能，使用電池供電；大艙室區(qū)域內(nèi)部可安裝具有覆蓋功能的ZigBee通信分站，收集人員識別卡的位置信息；通信分站與定位基站之間可采用CAN總線通信方式或ZigBee無線組網(wǎng)通信方式；人員定位識別卡采用低功耗ZigBee技術，可有效減小終端體積尺寸，使定位終端設備更加小巧，可佩戴性更強。佩戴定位標簽的人員在經(jīng)過微型定位器時，定位標簽被強制喚醒，基站同時發(fā)送位置碼，定位標簽在收到位置碼后通過ZigBee無線發(fā)送位置信息至微型定位基站，經(jīng)CAN總線傳送至通信分站，最終傳送至監(jiān)控中心定位服務器。艙室內(nèi)部安裝無線人感微型基站，在佩戴定位標簽的人員進入艙室時，基站可識別人員的存在，并完成定位和識別通信[5]。定位原理如圖4所示。

圖4 定位原理示例

(2)艙室外部工作區(qū)。定位方案主要采用ZigBee多基站測量RSSI強度技術，通過RSSI強度大小確定識別卡位置，室外基站每50 m布設1個，定位精度為10 m[2]。

3.4 安裝工藝

為實現(xiàn)對各層甲板、艙室和通道的監(jiān)測，確定在20 m通道區(qū)域內(nèi)，主要保障關鍵出入口、重點艙室的監(jiān)控，各層以太網(wǎng)通信分站負責該層的設備控制和數(shù)據(jù)通信。CAN通信分站在各層甲板的布置數(shù)量以結構和面積具體確定，每層為5～10個，安裝在各層甲板的主要艙室和通道內(nèi)，無線通信可覆蓋各艙室。定位器布置在各層甲板的樓梯口和主要通道、關鍵出入口、露天部位出入口及重要的較大艙室出入口。室內(nèi)無線人感定位基站可布置在較小艙室內(nèi)，采用休眠工作模式，供電電池可使用較長時間。室外定位基站采用CAN總線連接。在控制室內(nèi)安裝人員定位服務器，控制主機及顯示器，實時顯示現(xiàn)場情況。進場人員發(fā)放人員定位卡。

4 監(jiān)控平臺界面功能設計

4.1 定位查詢界面

對現(xiàn)場人員的分布情況分區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測，由于人員移動，各區(qū)域顯示的人數(shù)會實時更新。可顯示指定區(qū)域人員名單，可查詢?nèi)藛T在施工現(xiàn)場的行動軌跡。定位查詢界面如圖5所示。輸入任一人員的姓名或編號，可顯示其當前所處位置，動態(tài)顯示施工人員的行動軌跡。在設定的時段內(nèi)可隨時查詢并統(tǒng)計進入指定區(qū)域的人員，統(tǒng)計其進出時間。

圖5 定位查詢界面

4.2 考勤界面

標識卡提供施工現(xiàn)場位置數(shù)據(jù)，通過軟件整合人員考勤和勞動行為數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計施工人員上下班時間，并按部門和班次生成日和月考勤單。

4.3 雙向通信界面

在報警狀態(tài)下，調(diào)度中心的監(jiān)控界面會即刻跳出告警框，報告報警類型及人員姓名、所處精確位置等。若出現(xiàn)攜卡施工人員在重點區(qū)域工作超時或進入控制區(qū)域等異常狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)會自動報警。若出現(xiàn)突發(fā)狀態(tài)(比如火災、爆炸等)，攜卡施工人員可通過標識卡上的報警按鈕發(fā)出報警信號。按鍵報警如圖6所示。若出現(xiàn)特殊情況，需要指揮現(xiàn)場工作人員迅速撤離，監(jiān)控中心可向全區(qū)域發(fā)送報警撤離信號。告警撤離應用如圖7所示。

圖6 按鍵報警

圖7 告警撤離應用

4.4 安全管理界面

可對班組帶班情況進行統(tǒng)計和監(jiān)管，管理人員在后臺可清晰看到海洋平臺施工現(xiàn)場的人員及所在區(qū)域等。對設定區(qū)域進行人員數(shù)量限制，超員即告警；進入禁區(qū)即告警；施工人員沒有達到規(guī)定時間或超過設定時間即告警。若施工現(xiàn)場發(fā)生緊急事故，可通過標識卡報警按鈕通知監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺在收到緊急信號后會啟動應急救援備案[5]。

4.5 設備界面

若標識卡電量過低，監(jiān)控系統(tǒng)會提前告警，紅燈閃爍提醒及時充電。若綜合分站出現(xiàn)連接故障，監(jiān)控系統(tǒng)會提示基站不在線告警。問題得到處理，監(jiān)控系統(tǒng)自動結束告警并可在歷史記錄中查詢。

4.6 管理界面

可設置多級權限用戶，所有用戶可同時運用軟件，查詢海洋工程施工現(xiàn)場的實時狀況，由管理員修改進行各級別權限；用戶可通過服務器查看施工現(xiàn)場的實效數(shù)據(jù)、現(xiàn)場人員分布及其他狀態(tài)。

4.7 與其他系統(tǒng)的集成界面

可與視頻系統(tǒng)及其他通信系統(tǒng)融合，調(diào)用視頻和其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及圖像，在人員定位界面顯示。

5 結 語

針對海洋工程特殊環(huán)境，安全生產(chǎn)實時監(jiān)控平臺總體設計以通道為主線、以各艙室為支線進行布點編號，在整個施工現(xiàn)場范圍內(nèi)可實現(xiàn)人員定位和監(jiān)控全部人員。增加監(jiān)控中心呼叫和現(xiàn)場應急報警功能模塊，實現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場人員互動。監(jiān)控中心根據(jù)上傳的狀態(tài)信息可了解每個移動節(jié)點定位和海洋平臺運行狀態(tài)，若出現(xiàn)緊急情況，可立即通知附近人員組織搶險救災，排除隱患。該監(jiān)控平臺結合計算機網(wǎng)絡和通信等手段，推進船廠對施工現(xiàn)場人員狀態(tài)與位置的監(jiān)測與預警新應用。