露天礦山移動式炸藥混裝車云監(jiān)控系統(tǒng)

彭華志 陳 飛

（1.霍邱縣應急管理局；2.馬鋼礦業(yè)資源集團姑山礦業(yè)有限公司）

混裝車是具備原料運輸、炸藥混制、炮孔填裝的機電一體化設備［1］，其本身屬于F1 類重大風險源，即正常運轉時可能形成爆炸危險的炸藥危險場所。國內外曾多次發(fā)生爆炸事故，如1998 年華登科散裝炸藥混裝車發(fā)生火災與連續(xù)爆炸事故；2006 年利桑那露天銅礦散裝炸藥混裝車火災爆炸事故；2013 年江西鉛山縣永平銅礦采礦場混裝車發(fā)生爆炸事故，每一起事故都造成了大量的人員與經濟損失?；煅b車一般為獨立封閉系統(tǒng)［2］，除操作人員外，幾乎不會有其他人員接觸，缺少相關安全部門監(jiān)管，且事故往往具有隨機性，沒有有效的偵測手段，這導致其安全性得不到保障。隨著國家與行業(yè)政策對重大風險源日益重視，混裝車裝備智能化監(jiān)控是未來發(fā)展的趨勢?，F階段，基于無線物聯網的混裝車的云監(jiān)控系統(tǒng)是一個很好的解決方案，通過借助邊緣云與政務云部署，滿足監(jiān)控數據與視頻的安全性，實現實時監(jiān)控預警，符合單點工作的混裝車工況特點。

1 云監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

云監(jiān)控系統(tǒng)功能主要滿足炸藥混裝車日常生產的本質安全監(jiān)測的需要，以便提前預警潛在風險，約束不安全行為，提高安全生產標準。根據炸藥混裝車的特點［3］，設計系統(tǒng)功能包括控制系統(tǒng)監(jiān)測、影像視頻監(jiān)測與安全操作數據監(jiān)測3個方面內容，能夠較為全面地對混裝車的安全狀態(tài)進行監(jiān)測（圖1）。

（1）控制系統(tǒng)監(jiān)測涉及2 類常見的安全控制問題，一是輸藥管堵塞造成炸藥擠壓發(fā)生爆炸危險，需重點監(jiān)測管道壓力；另一種是機械無負荷運轉，如螺桿泵空轉、乳化器干磨等，機械摩擦產生熱量，形成熱點引發(fā)爆炸，需重點監(jiān)測設備震動與溫度等，當監(jiān)測數據大于預警閾值時，車輛系統(tǒng)產生聲光報警，監(jiān)控系統(tǒng)管理人員應啟動預警案機制，從而消除作業(yè)風險，阻止事故發(fā)生。

（2）視頻監(jiān)控主要分布在控制室與混裝車周邊，具有紅外測溫預警功能，當探測區(qū)域局部溫度過高，如產生火苗情況等，則觸發(fā)應急消防報警。此外，視頻監(jiān)控設定安全區(qū)域人員偵測，工作時對無關人員靠近語音告警，杜絕潛在人員流動風險。

（3）安全操作數據監(jiān)控將日常安全管理規(guī)范化，包括是否穿靜電服、有無打火機、有無消防安全隱患等，納入每天設備啟動前檢查項目，操作人員一一確認后通過觸摸屏勾選，并保存數據，實現安全生產責任制。功能組成如圖1所示。

2 云監(jiān)控系統(tǒng)架構組成

系統(tǒng)架構為系統(tǒng)建設基礎，決定系統(tǒng)集成技術組成。監(jiān)控系統(tǒng)最常用的為經典物聯網架構，即由感知層、網絡層與應用層組成的3層結構。隨著云服務的引入，為了符合其技術特點與建設需要，本云監(jiān)控系統(tǒng)對基于經典物聯網架構進行了改進，形成了包括邊緣計算層、網絡層、政務云層、應用層的4層架構［4］。

邊緣計算層作為底層數據的匯集區(qū)，不僅具備感知層通過網絡對數據的采集，更重要的是對數據進行清洗、整理與關聯。在本系統(tǒng)中，邊緣計算層包含前置服務器與網絡硬盤錄像機，感知范圍包括系統(tǒng)關鍵設備參數、視頻與安全操作信息等，通過對數據流篩查與分流，不僅能夠將系統(tǒng)檢測數據上傳與短期存儲，還能夠優(yōu)先將系統(tǒng)風險感知關聯數據快速接入政務云，供監(jiān)控系統(tǒng)做深層次的數據應用，為用戶決策判斷提供依據。

網絡層主要實現數據與視頻影像信息的安全、快速與保真?zhèn)魉?。由于混裝車一般為露天工作，很難使用有線傳輸方式。無線4G 專網是個很好的選擇，其網速最高可達到100 Mbps，且基本實現境內數據全覆蓋，不僅可以保證監(jiān)控系統(tǒng)實時性，而且對視頻與數據帶寬分配后，滿足2種數據類型傳輸且互不干擾。

政務云與普通商業(yè)云服務原理相同，只是由于炸藥混裝車數據管制車輛，需要放在政務云上保證其數據安全。在監(jiān)控系統(tǒng)中，政務云主要作為數據與視頻的存儲空間與運行應用系統(tǒng)軟件，不僅可以滿足海量數據存儲，而且由于應用軟件配置在云服務器上，其運行更加穩(wěn)定，響應速度也更快。

應用層即根據系統(tǒng)功能架構設計的監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺，主要的功能是實時監(jiān)測混裝車炸藥運維安全，對預警信息快速指揮調度，對發(fā)生事故的車輛聯動救援，將安全風險降到最低。云監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 數據采集技術

炸藥混裝車數據采集為典型的C/S 結構，即服務器—客戶機的2 層結構，在這種結構中，服務器對應混裝車操作系統(tǒng)客戶端主機，能夠實現混裝工藝全過程控制，具備關鍵設備參數的實時檢測、報警與矯正等比較完整的數據源，具備數據系統(tǒng)外部服務管理的功能?？蛻魴C對應監(jiān)控系統(tǒng)主機，主要實現混裝車的安全監(jiān)控與用戶信息交互。

C/S 結構的建立，最重要的是建立數據信道，決定著采集系統(tǒng)的整體性能。在工程上，常見的混裝車的數據信道有2種，一種是面向工控軟件系統(tǒng)自帶的后端數據接口OPC 進行讀取，主要原理是通過OPC 的sever 與client通道進行數據傳輸，繼而通過標準開放數據庫ODBC對數據進行互連存儲，最后匯集到云服務器。其特點在于配置使用方便，二次開發(fā)成本低，但由于數據通訊過程涉及軟件接口較多，導致實時性略有延遲。另外一種則是面向PLC-DB 直接讀取數據，即通過控制器的DB 塊通訊，建立數據流通道，存入時序數據庫，在接入云服務器。其特點在于現場采集工作簡單，數據可靠且可維護性強，但開發(fā)成本略高。圖3為2種采集方式結構原理。

炸藥混裝車安全響應時間短，事故危害性大，野外作業(yè)環(huán)境惡劣，應采用獨立可靠的采集方式。相比之下，基于PLC-DB 采集方式則更加適合炸藥混裝車監(jiān)控系統(tǒng)數據采集需求。

3.2 云服務技術

云服務技術是通過將系統(tǒng)中的軟硬件與網絡等資源整合起來，實現數據的計算、存儲、處理和共享的一種托管技術，以其便捷性、安全性與可靠性而廣泛應用。本監(jiān)控系統(tǒng)采用邊緣云—政務云的服務架構，邊緣云是實時性與針對性監(jiān)控服務的關鍵，通過將數據與視頻信息匯聚在邊緣云，同時通過數據庫技術對監(jiān)控信息分類標識，對敏感性數據分層，同時支撐現場報警服務，最后通過時序數據庫將監(jiān)控數據對接政務云。政務云可以實現存儲與應用軟件統(tǒng)一部署，減少硬件配置與日常運維工作，提高系統(tǒng)整體運行速度，最大程度保證數據安全。

3.3 監(jiān)控預警技術

炸藥混裝車安全防范等級高，快速的預警與及時的應對措施可以最大程度上減少事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的安全監(jiān)管主要依靠車輛工作人員的觀察判斷，受到很多限制，在實際工作中難以全方位的顧及到各類風險。本系統(tǒng)采用2級監(jiān)控預警技術，即將同一車輛面向2 個層級監(jiān)管人員，實現多角度、多頻次與多人員的監(jiān)控方式。一級監(jiān)控來源于現場管理，工作人員可以通過邊緣服務器及時感知預警風險，即將未知風險轉變成預知風險，從而對報警信息快速做出反應。第二級為遠程云監(jiān)控，接入礦山調度總控平臺，工作人員發(fā)生預警信息后，可以第一時間了解情況，調度人員解決風險問題。2 級監(jiān)控預警對于日常隱患風險發(fā)現、應急指揮調度具有重要作用。

4 系統(tǒng)應用實踐

隨著民爆行業(yè)“工業(yè)互聯網+安全生產”的推進，炸藥混裝車云監(jiān)控系統(tǒng)的建設也得到了越來越多的關注。本系統(tǒng)在BCHR-15型號的乳化炸藥混裝車上進行了改造建設，這款混裝乳化炸藥車采用DCS 系統(tǒng)集中控制技術，全智能化的計算機控制系統(tǒng)，具備基質泵送、敏化、裝填于一體，主要應用在礦山爆破裝藥機械作業(yè)。改造涉及以下內容。

（1）對混裝車動力輸出系統(tǒng)、基質料倉及輸送系統(tǒng)、敏化系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、連續(xù)裝填系統(tǒng)、水氣沖洗系統(tǒng)的關鍵數據基于PLC-DB 方式進行數據采集。

（2）配置感知攝像頭、相關傳感器與服務器，對相關采集數據進行過濾、清洗與定義，建立各系統(tǒng)風險關聯向量集與參數閾，建立邊緣云服務。

（3）安裝4G無線模塊，搭建無線傳輸網絡。

（4）實現政務云存儲與應用配置，開發(fā)監(jiān)控軟件功能，并通過數據接口對接中控監(jiān)控平臺。

系統(tǒng)上線后，在某爆破現場運行3 個月，不僅帶動相關工作人員也積極參與系統(tǒng)風險研究與改進，推動系統(tǒng)不斷完善調整，而且很大程度上提高工作人員安全隱患防護意識，受到車輛歸屬管理單位與爆破礦區(qū)的歡迎。

5 結 論

（1）從控制系統(tǒng)監(jiān)測、影像視頻監(jiān)測與安全操作數據監(jiān)測3個方面對混裝車易發(fā)風險進行了分析，提煉了系統(tǒng)關鍵監(jiān)控參數，設計出監(jiān)控系統(tǒng)功能結構，為監(jiān)控應用軟件開發(fā)奠定了基礎。

（2）基于經典物聯網架構進行了改進，形成了包括邊緣計算層、網絡層、政務云層、應用層的4層架構的云監(jiān)控系統(tǒng)，更加適應混裝車的作業(yè)特點，對于系統(tǒng)方案建設與實施具有重要意義。

（3）討論了面向 OPC 與 PLC-DB 的 2 種數據采集結構的優(yōu)劣，確定了后者為更好的解決方案；提出構建邊緣云—政務云的云服務結構，讓監(jiān)控系統(tǒng)更加智能；提出2 級監(jiān)控系統(tǒng)的應用，有利于安全監(jiān)管機制的協(xié)同化、多樣化與責任化。