基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

賈思柔, 包建軍

(1.白銀有色集團(tuán)股份有限公司，甘肅 白銀 730900; 2.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

隨著“雙循環(huán)”發(fā)展格局的加速形成，制造企業(yè)安全生產(chǎn)成為許多生產(chǎn)企業(yè)的重要關(guān)注點(diǎn)，安全生產(chǎn)也成為制造企業(yè)，轉(zhuǎn)型升級的重要保障[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以工業(yè)企業(yè)為主體，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為載體，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代數(shù)字技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，為企業(yè)生產(chǎn)、安全、服務(wù)等活動各環(huán)節(jié)規(guī)?；┙o智能服務(wù)與產(chǎn)品[2]。2020年，工信部與應(yīng)急管理部聯(lián)合發(fā)布了《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計(jì)劃(2021-2023 年)》，提出推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和安全生產(chǎn)深度融合，強(qiáng)化安全生產(chǎn)基礎(chǔ)和技術(shù)創(chuàng)新能力[3]。

雖然目前許多制造企業(yè)在安全生產(chǎn)方面已形成了一些管理制度和策略，但是針對制造企業(yè)安全生產(chǎn)的信息化建設(shè)覆蓋還不完全，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)還未應(yīng)用于有色金屬企業(yè)的生產(chǎn)活動，生產(chǎn)中安全管理沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)缺少安全風(fēng)險(xiǎn)分級管控和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警，導(dǎo)致安全事故頻發(fā)[4]。針對以上問題，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，設(shè)計(jì)有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、安全數(shù)據(jù)采集和集成方案，對安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)模塊進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，為解決有色金屬安全生產(chǎn)智能化管控和有效風(fēng)險(xiǎn)檢測預(yù)警問題提供借鑒。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

從有色金屬生產(chǎn)管理發(fā)生事故的主要機(jī)理和控制措施出發(fā)，綜合應(yīng)用多層次、系統(tǒng)化的事前防范及企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系思想，提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)架構(gòu)利用當(dāng)前先進(jìn)的5G 技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)通信體系[5]，同時(shí)采用最新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全體系架構(gòu)[6]，建立有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警運(yùn)維體系，確保系統(tǒng)的高效使用。系統(tǒng)架構(gòu)從下到上分為邊緣層、IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施)層、PaaS(平臺)層、SaaS(服務(wù))層四個(gè)層次。

圖1 有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

邊緣層：是整個(gè)平臺的基礎(chǔ)層，首先針對硬件設(shè)備，通過明確設(shè)備和產(chǎn)品的通信方式、數(shù)據(jù)接口，利用可智能感知和采集數(shù)據(jù)的硬件裝置采集設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，其次針對已建設(shè)的各項(xiàng)信息系統(tǒng)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，依托支持接口通信、通用協(xié)議通信的功能軟件，實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和邊緣集成[7]。

IaaS層：基于目前在企業(yè)工業(yè)云上已建成的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，為系統(tǒng)提供安全運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，保證系統(tǒng)能穩(wěn)定、安全、高效的運(yùn)行。

PaaS平臺層：基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺的業(yè)務(wù)中臺、數(shù)據(jù)中臺、AI(人工智能)中臺、組件共享和IOT(物聯(lián)網(wǎng))中臺等功能平臺[8]，以及在平臺底層硬件資源服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的安全生產(chǎn)管理應(yīng)用支撐平臺，同時(shí)加強(qiáng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性分析和應(yīng)用。

SaaS服務(wù)層：基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，搭建滿足于集團(tuán)公司安全應(yīng)急管理工作需要的各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊，立足于企業(yè)整體信息化建設(shè)框架，包括安全動態(tài)指數(shù)監(jiān)測預(yù)警、安全業(yè)務(wù)管控、敏捷應(yīng)急聯(lián)動、生產(chǎn)批次管理等功能。

2 安全數(shù)據(jù)采集和集成

本系統(tǒng)支持MQTT3.1協(xié)議對接其他系統(tǒng)自控?cái)?shù)據(jù)，以對接的其他系統(tǒng)主動推送方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)支持按工作量收費(fèi)，支持OPC DA(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問規(guī)范)采集或數(shù)據(jù)接口采集的內(nèi)容；數(shù)據(jù)對接采用通用的Restful API(接口)，由對接的其他系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊規(guī)則來主動推送數(shù)據(jù)，同時(shí)支持定制接口開發(fā)模式[9]。

2.1 物理數(shù)據(jù)采集

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)需要，從集團(tuán)已建成的運(yùn)營管控平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中抽取相關(guān)數(shù)據(jù)，主要收集的數(shù)據(jù)有：重大危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、重點(diǎn)工藝裝置數(shù)據(jù)、可燃有毒氣體數(shù)據(jù)及消防火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)接入方式有。

(1) Modbus(通訊協(xié)議)接入：從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議接口[10]，接口包含串口號、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位、設(shè)備號、功能碼、起始地址、偏移地址等信息；同時(shí)獲取接入點(diǎn)位表，主要有點(diǎn)位編碼、點(diǎn)位名稱、點(diǎn)位類型、量程上限、量程下限，報(bào)警閾值。

(2) OPC(通訊協(xié)議)接入：數(shù)據(jù)源自建OPC服務(wù)端，并完成點(diǎn)位信息錄入，該項(xiàng)工作作為數(shù)據(jù)接入的前提，需要在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的OPC客戶端配置完成之前完成，其中OPC服務(wù)端須符合OPC Data Access2.0系列標(biāo)準(zhǔn)[11]；需要獲取的服務(wù)端配置信息有Host(OPC服務(wù)端IP)、User(用戶名)、Password(用戶登錄密碼)和Clsid(應(yīng)用在注冊表中相對應(yīng)的CLSID值)。同時(shí)獲取接入的點(diǎn)位表，主要有點(diǎn)位編碼、點(diǎn)位名稱、點(diǎn)位類型、量程上限、量程下限，報(bào)警閾值。

(3) 中間庫對接：通過中間庫進(jìn)行對接時(shí)，數(shù)據(jù)源廠家需要按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中間庫的樣式以雙方約定的方式定時(shí)將數(shù)據(jù)更新至中間庫，中間庫的搭建由數(shù)據(jù)源廠家進(jìn)行搭建，并提供數(shù)據(jù)庫用戶名、密碼，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與中間庫之間的網(wǎng)絡(luò)互通。

2.2 視頻數(shù)據(jù)采集

企業(yè)的數(shù)字視頻接入五位一體平臺，實(shí)現(xiàn)在平臺內(nèi)的調(diào)閱及視頻聯(lián)動功能。根據(jù)建設(shè)整體需要，視頻接入一般采用兩種方式。

(1) 采用視頻采集設(shè)備接入企業(yè)視頻，通過公用onvif協(xié)議，將采集設(shè)備連接到企業(yè)攝像頭即可獲取監(jiān)控畫面，單臺視頻采集設(shè)備可接入16路數(shù)字視頻并將視頻上傳上級平臺。

(2) 采用軟對接方式接入企業(yè)視頻，平臺內(nèi)通過綁定企業(yè)硬盤錄像機(jī)對應(yīng)監(jiān)控?cái)z像頭的RTSP(實(shí)時(shí))流，實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)調(diào)閱查看[12]。

在視頻數(shù)據(jù)采集時(shí)需要得到接入視頻點(diǎn)位相應(yīng)的IP、端口號、通道號和用戶名密碼，同時(shí)拿到同網(wǎng)段至少3個(gè)空余IP地址，便于接入調(diào)試，后期不可占用采集設(shè)備的IP地址。

3 安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)管理模塊

(1) 儀表盤 儀表盤可根據(jù)安全生產(chǎn)功能應(yīng)用的數(shù)據(jù)信息，建立圖表統(tǒng)計(jì)分析，可實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析或多維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，也可實(shí)現(xiàn)專題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，幫助企業(yè)完成報(bào)表的快速編制和在線導(dǎo)出。

(2) 界面調(diào)整 系統(tǒng)可通過后臺對表單樣式進(jìn)行錄入框長度和應(yīng)用圖標(biāo)，且操作便捷，并可根據(jù)歷史使用記錄，自動推送高頻次功能模塊,使用人員也可以將自己常用的功能模塊自由添加至快捷菜單。

(3) 表單調(diào)整 幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入和獲取，系統(tǒng)管理人員可實(shí)時(shí)對系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)模型及模型字段進(jìn)行靈活地調(diào)整和變更，在系統(tǒng)使用過程中，支持字段的靈活新增、編輯、刪除、排序和檢索等功能；信息數(shù)據(jù)可通過格式化的模板進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出，便于用戶批量上傳下載。

(4) 流程管理 支持跨組織流程，可視化流程自定義；流程發(fā)起者可隨時(shí)查看流程走向、當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前環(huán)節(jié)的處理人等信息，明確流程節(jié)點(diǎn)的職責(zé)和人員；支持流程驅(qū)動業(yè)務(wù)管理，可以隨時(shí)對流程進(jìn)行版本回退，流程在版本切換時(shí)不影響現(xiàn)有正在執(zhí)行中的流程實(shí)例，同時(shí)可以查閱各版本的變更說明；平臺的流程引擎支持流程在執(zhí)行過程中的回退、取回、委托、抄送和中斷等處理，能夠適應(yīng)各類工作場景需求。

(5) 組織架構(gòu) 系統(tǒng)具有獨(dú)立的組織架構(gòu)管理模塊，可按照當(dāng)前企業(yè)管理層級劃分，搭建組織架構(gòu)，當(dāng)管理層級、架構(gòu)調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)管理人員可以便捷進(jìn)行維護(hù)，包括單位、部門、崗位的新增、注銷、修改和調(diào)整等。

(6) 用戶權(quán)限 平臺支持對用戶可見數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，顆粒度在字段級；管理員能夠依據(jù)員工崗位和職位的不同對用戶進(jìn)行分組，為員工配置不同的系統(tǒng)角色，能夠?qū)Σ煌慕巧M以及角色所包含的成員列表進(jìn)行維護(hù)；管理員能夠指定不同角色的不同權(quán)限，為每個(gè)角色劃分不同的系統(tǒng)功能操作范圍，包括菜單權(quán)限以及數(shù)據(jù)權(quán)限。

(7) 快速查詢 系統(tǒng)全局的搜索功能可以幫助用戶快速檢索到業(yè)務(wù)表單、業(yè)務(wù)流和文檔中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，如企業(yè)用戶編碼、企業(yè)名稱、危險(xiǎn)化學(xué)品名錄等，短時(shí)間內(nèi)即可將結(jié)果展示給用戶，方便用戶進(jìn)行模糊搜索和便捷查詢。

3.2 安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊

安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)事前、事中和事后的全方位、立體式和智能化的安全管控，提供了包含快速感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測、綜合分析、超前預(yù)警、輔助決策和應(yīng)急聯(lián)動的一體化安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警服務(wù)[13]。

安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊面向金屬礦山和有色金屬冶煉場景，支持包含攝像頭、機(jī)器人和無人機(jī)等設(shè)備接入管理、邊緣計(jì)算設(shè)備管理及模型下發(fā)、AI技能編排及下發(fā)、模型管理及迭代優(yōu)化、預(yù)警管理及工單派發(fā)、實(shí)時(shí)監(jiān)控與應(yīng)急聯(lián)動等全流程能力，同時(shí)提供安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)管理和專家知識庫等模塊支撐預(yù)警處理及輔助決策，提升企業(yè)生產(chǎn)本質(zhì)安全水平和安全監(jiān)管效率，安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊功能架構(gòu)圖如圖2所示。安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊產(chǎn)品主要包含設(shè)備管理、監(jiān)控中心、預(yù)警管理、AI技能管理、模型庫、訓(xùn)練中心等7大功能。

圖2 安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊功能架構(gòu)圖

(1) 設(shè)備管理 用于多種終端設(shè)備和智能設(shè)備的接入及管理，支持包括攝像頭、熱成像和傳感器等終端感知設(shè)備接入；支持AI邊緣盒子、特種機(jī)器人和在線監(jiān)拍裝置等智能設(shè)備的接入、控制及管理,為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接入底座；支持高清攝像頭、熱成像攝像頭、傳感器、巡檢無人機(jī)、巡檢機(jī)器人、手持終端和SCADA系統(tǒng)[14]等多種設(shè)備接入；支持AI盒子接入、AI盒子技能下發(fā)、預(yù)警信息上報(bào)和AI盒子監(jiān)控。

(2) 技能管理 一個(gè)AI技能對應(yīng)一個(gè)業(yè)務(wù)場景，技能管理可基于已有原子模型庫快速編排出一個(gè)業(yè)務(wù)上所需的AI技能，如“未帶安全帽檢測”、“未穿工服檢測”等。接入的設(shè)備僅需通過關(guān)聯(lián)AI技能即可完成智能化升級，具備多種場景的AI能力。在技能管理中用戶可根據(jù)自身業(yè)務(wù)邏輯設(shè)置自定義的預(yù)警邏輯及回調(diào)地址,并根據(jù)需要將技能下發(fā)至多種智能設(shè)備。支持對技能的零代碼技能編排；支持模型閾值配置和告警參數(shù)配置；提供常用場景的技能模板；支持將技能下發(fā)至邊緣智能設(shè)備上。

(3) 預(yù)警管理 關(guān)聯(lián)相應(yīng)AI技能的設(shè)備會根據(jù)配置的AI技能運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生違規(guī)行為、設(shè)備異常和環(huán)境異常等事件時(shí)，會產(chǎn)生相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，預(yù)警會生成預(yù)警事件圖片及事件視頻方便回看。預(yù)警管理中可查看整體預(yù)警事件的數(shù)量和詳情，對每一個(gè)預(yù)警事件進(jìn)行全流程的處理跟蹤，達(dá)到預(yù)警的全生命周期管理；支持統(tǒng)一展示全部預(yù)警事件及告警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；支持下發(fā)預(yù)警處理通知，記錄處理意見，錯(cuò)誤預(yù)警修正；支持篩選不同預(yù)警狀態(tài)事件。

(4) 監(jiān)控中心 系統(tǒng)具備統(tǒng)一監(jiān)控中心，用戶可基于監(jiān)控中心對接入的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，查看實(shí)時(shí)預(yù)警；同時(shí)支持接入攝像頭實(shí)時(shí)畫面展示；支持告警事件視頻渲染展示；支持四分屏、九分屏、全屏展示。

(5) 訓(xùn)練中心 開放的生產(chǎn)環(huán)境對于模型識別的內(nèi)容及準(zhǔn)確率也有較大要求，AI模型通常需要一段時(shí)間的試運(yùn)行才能變得更加精準(zhǔn)和智能,訓(xùn)練中心可根據(jù)用戶對于錯(cuò)誤預(yù)警的標(biāo)記和模型優(yōu)化規(guī)則設(shè)置來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，基于回流的數(shù)據(jù)無需復(fù)雜的模型參數(shù)調(diào)整即可快速實(shí)現(xiàn)模型的自迭代；同時(shí)支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的自回流及管理分析；支持設(shè)置收集策略和收集策略管理；支持對回流收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注；支持模型優(yōu)化訓(xùn)練，歷史數(shù)據(jù)集驗(yàn)證和模型測評。

4 結(jié) 語

由于有色金屬信息化建設(shè)未覆蓋企業(yè)的完整安全生產(chǎn)監(jiān)控預(yù)警，特別是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)沒有應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)活動，使得生產(chǎn)中安全管理沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)缺少安全風(fēng)險(xiǎn)分級管控和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警，導(dǎo)致安全事故頻發(fā)，文中基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，設(shè)計(jì)提出了有色金屬安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，然后針對安全數(shù)據(jù)采集和集成，從物理數(shù)據(jù)采集和視頻數(shù)據(jù)采集兩個(gè)方面提出了采集集成方式，最后從基礎(chǔ)管理模塊和安全生產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警模塊對安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用的各功能模塊進(jìn)行了介紹說明，幫助有色金屬安全生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了智能化管控和有效風(fēng)險(xiǎn)檢測預(yù)警。通過案例可見，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是幫助制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)，基于平臺對安全生產(chǎn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯聚、分析和輔助決策是具有極高的應(yīng)用價(jià)值的[15]，可為企業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。