LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)

程主彬，權(quán)亞強(qiáng)

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610100)

1 LPG鋼瓶管理現(xiàn)狀和監(jiān)管要求

目前大多LPG相關(guān)單位采取了二維碼系統(tǒng)或電子標(biāo)簽RFID信息系統(tǒng)對(duì)LPG鋼瓶進(jìn)行管理。

采用二維碼系統(tǒng)的流程：將LPG鋼瓶的基礎(chǔ)信息預(yù)先錄入后臺(tái)設(shè)備中，并將二維碼與該信息一一綁定，二維碼貼裝在LPG鋼瓶上。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)掃取二維碼，獲得通信權(quán)限再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將后臺(tái)信息調(diào)取到本地設(shè)備上查看，也可通過(guò)本地通信操作上傳對(duì)LPG鋼瓶的作業(yè)信息，從而實(shí)現(xiàn)LPG鋼瓶二維碼信息的更新及其與后臺(tái)信息的同步。

采用電子標(biāo)簽RFID信息系統(tǒng)的流程：將LPG鋼瓶的基礎(chǔ)信息預(yù)先錄入射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)芯片中，并生成唯一識(shí)別符號(hào)與該電子標(biāo)簽一一綁定，然后將電子標(biāo)簽注冊(cè)在后臺(tái)系統(tǒng)中。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RFID專用設(shè)備直接將對(duì)LPG鋼瓶的作業(yè)信息寫入RFID芯片，并將RFID芯片更新后的信息上傳后臺(tái)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)LPG鋼瓶RFID芯片信息的更新及其與后臺(tái)信息的同步。

2019年12月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局發(fā)布《市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)全國(guó)氣瓶質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)的通知(市監(jiān)特設(shè)〔2019〕69號(hào))》(簡(jiǎn)稱市監(jiān)特設(shè)〔2019〕69號(hào)通知)，要求氣瓶相關(guān)單位按照有關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，并參照GB/T 36373.1—2018《特種設(shè)備信息資源管理 數(shù)據(jù)元規(guī)范 第1部分：氣瓶》和其他應(yīng)用于氣瓶的關(guān)于二維碼、射頻技術(shù)等成熟的追溯編碼編制規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，依托安裝在氣瓶上的二維碼、孔洞碼、電子芯片或其他不易損壞的數(shù)據(jù)載體，自行建立或委托其他單位建立氣瓶質(zhì)量安全追溯信息平臺(tái)，采集生產(chǎn)、監(jiān)督檢驗(yàn)、充裝、定期檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)信息并有效存儲(chǔ)與對(duì)外公示。存儲(chǔ)與公示的信息應(yīng)當(dāng)做到可追溯、可交換、可查詢和防篡改。

2 LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)

① 系統(tǒng)角色

在LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)中，以物理、信息和功能三體系物聯(lián)網(wǎng)理論[1]為指導(dǎo)，將系統(tǒng)各相關(guān)方的角色分為5類，分別是用戶、服務(wù)、管理、傳感、對(duì)象。

a.用戶是指消費(fèi)者用戶、政府鋼瓶監(jiān)管部門、其他社會(huì)企業(yè)用戶等。

b.服務(wù)是以用戶需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)用戶獲取感知信息和傳輸控制信息的服務(wù)。

c.管理是指LPG鋼瓶經(jīng)營(yíng)企業(yè)及其內(nèi)部充裝、檢驗(yàn)、維護(hù)、配送、回收等業(yè)務(wù)實(shí)施者和通信網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)維者。

d.傳感是指實(shí)現(xiàn)對(duì)象信息采集和上傳的各類智能設(shè)備和人員等。

e.對(duì)象就是鋼瓶及其瓶端智能管理模塊等，瓶端智能管理模塊中的無(wú)線通信模塊在功能上屬于傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

② 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)開(kāi)發(fā)公司為鋼瓶制造廠家、充裝企業(yè)等用戶開(kāi)發(fā)提供鋼瓶管理云平臺(tái)，為客戶提供SaaS(軟件即服務(wù))服務(wù)，平臺(tái)為不同的用戶提供不同的訪問(wèn)地址，用戶登錄賬號(hào)后，可訪問(wèn)平臺(tái)。

2.1 對(duì)象平臺(tái)

對(duì)象平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)感知和控制的功能平臺(tái)，是用戶意愿得到最終執(zhí)行的環(huán)節(jié)[1]。對(duì)象平臺(tái)獲取用戶平臺(tái)的授權(quán)，進(jìn)行自我感知與控制。對(duì)象平臺(tái)包含LPG鋼瓶、電子標(biāo)簽RFID模塊以及瓶端智能管理模塊等。對(duì)象平臺(tái)由感知部分和控制部分組成。感知部分包含鋼瓶電子標(biāo)簽、溫壓感應(yīng)模塊、傾斜角度感應(yīng)模塊、濃度感應(yīng)模塊、計(jì)量模塊；控制部分包含閥控模塊、顯示模塊。

① LPG鋼瓶與電子標(biāo)簽

使用物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)可將LPG鋼瓶與防偽造、防撕揭的電子標(biāo)簽進(jìn)行綁定。

a.鋼瓶在充裝前，通過(guò)手持機(jī)掃描鋼瓶電子標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)簽真?zhèn)蔚尿?yàn)證，可有效避免不合規(guī)鋼瓶充裝，保障鋼瓶充裝過(guò)程的安全。

b.在運(yùn)輸過(guò)程中，鋼瓶上車前可通過(guò)手持機(jī)掃描鋼瓶電子標(biāo)簽，將鋼瓶信息與配送車輛信息進(jìn)行綁定，確認(rèn)配送車輛鋼瓶運(yùn)輸是否滿足監(jiān)控的要求。

c.鋼瓶年檢時(shí)，通過(guò)掃描鋼瓶電子標(biāo)簽可獲取鋼瓶的歷史充裝數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等。其次需要檢查鋼瓶外觀、氣密性等，更新電子標(biāo)簽中鋼瓶年檢日期、鋼瓶使用狀態(tài)等。

d.檢測(cè)合格后，通過(guò)手持機(jī)更新電子標(biāo)簽中鋼瓶使用狀態(tài)、下次年檢日期等信息。

通過(guò)標(biāo)簽與鋼瓶綁定的方式，落實(shí)監(jiān)管者對(duì)鋼瓶全生命周期的監(jiān)管要求，在多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)異常鋼瓶或黑名單鋼瓶進(jìn)行攔截。

② 瓶端智能管理模塊

瓶端智能管理模塊安裝在鋼瓶上，瓶端智能管理模塊包含減壓閥、鎖死裝置、流量計(jì)、電子計(jì)量單元、出口閥門、溫壓感應(yīng)器、傾斜角度感應(yīng)器、濃度感應(yīng)器、顯示屏、主控電路板等。

瓶端智能管理模塊一端與鋼瓶快速接頭相連，另一端與用戶軟管相連。瓶端智能管理模塊內(nèi)的減壓閥通過(guò)卡套與鋼瓶快速接頭連接，并用鎖死裝置鎖死(避免用戶隨意拆卸瓶端智能管理模塊)，經(jīng)流量計(jì)、出口閥門連接至用戶軟管，出口閥門可接收主控電路板指令進(jìn)行開(kāi)關(guān)閥門操作。

瓶端智能管理模塊由工作人員安裝。在用戶使用過(guò)程中，溫壓感應(yīng)器、傾斜角度感應(yīng)器、濃度感應(yīng)器、電子計(jì)量單元(從流量計(jì)采集流量)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控電路板。當(dāng)出現(xiàn)溫度壓力異常、角度異常、濃度異常、計(jì)量異常時(shí)，主控電路板立即向出口閥門發(fā)送關(guān)閥指令，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將異常信息上報(bào)給平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)顯示屏顯示異常信息，提示用戶進(jìn)行故障排查。

2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)連接管理平臺(tái)與對(duì)象平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)將對(duì)象平臺(tái)的感知信息傳輸給管理平臺(tái)，將管理平臺(tái)的控制信息傳遞給對(duì)象平臺(tái)[1]。傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)由無(wú)線通信模塊、手持機(jī)通信模塊、電信運(yùn)營(yíng)商通信平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集及通信平臺(tái)組成，平臺(tái)對(duì)通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、認(rèn)證、解析，為數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定、安全的傳輸通道。

在傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，手持機(jī)通信模塊一方面可以通過(guò)南向協(xié)議與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，獲取標(biāo)簽信息，通過(guò)手持機(jī)寫入或更新標(biāo)簽數(shù)據(jù)；另一方面可以通過(guò)北向協(xié)議與管理平臺(tái)進(jìn)行通信，上報(bào)電子標(biāo)簽信息、鋼瓶充裝記錄等信息，并可通過(guò)管理平臺(tái)獲取到電子標(biāo)簽真?zhèn)蔚尿?yàn)證結(jié)果、新鋼瓶黑名單等信息。

瓶端智能管理模塊所配置的無(wú)線通信模塊借助電信運(yùn)營(yíng)商通信平臺(tái)，通過(guò)協(xié)議與管理平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，定時(shí)上報(bào)鋼瓶使用過(guò)程中的流量數(shù)據(jù)、累計(jì)氣量數(shù)據(jù)等。當(dāng)發(fā)生環(huán)境溫度異常升高、鋼瓶?jī)A斜使用等情況觸發(fā)報(bào)警時(shí)，會(huì)立即喚醒通信模塊實(shí)時(shí)上報(bào)報(bào)警信息。同時(shí)，無(wú)線通信模塊與管理平臺(tái)通信時(shí)，也可以獲取管理平臺(tái)下發(fā)的關(guān)閥指令、參數(shù)設(shè)置指令、校準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)等。

2.3 管理平臺(tái)

管理平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)體系運(yùn)行管理的功能平臺(tái)，其實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)體系的感知管理與控制管理[1]。管理平臺(tái)連接傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和服務(wù)平臺(tái)，管理平臺(tái)由制造信息平臺(tái)、充裝信息平臺(tái)和監(jiān)管信息平臺(tái)組成，其匯總了物聯(lián)網(wǎng)的全部信息，可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息進(jìn)行認(rèn)證、解析、分級(jí)分類存儲(chǔ)及計(jì)算處理。

在管理平臺(tái)中可以對(duì)鋼瓶進(jìn)行建檔管理，當(dāng)某一批次鋼瓶出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題后，可通過(guò)管理平臺(tái)迅速定位到同廠家同批次鋼瓶的信息。如遇超期使用的鋼瓶，可通過(guò)下發(fā)黑名單，對(duì)鋼瓶進(jìn)行關(guān)閥操作，提示用戶更換合格鋼瓶。可向手持機(jī)發(fā)送黑名單，使不合格鋼瓶在充裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)被攔截，保證鋼瓶在充裝及運(yùn)輸過(guò)程中的安全。對(duì)用戶進(jìn)行建檔，當(dāng)監(jiān)控到鋼瓶風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可第一時(shí)間聯(lián)系用戶，提醒用戶進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排查。

管理平臺(tái)可以通過(guò)收集各瓶端智能管理模塊上傳的用氣記錄，對(duì)用戶的用氣習(xí)慣進(jìn)行分析，通過(guò)鋼瓶累計(jì)用氣量數(shù)據(jù)及用戶日用氣量數(shù)據(jù)等，對(duì)客戶鋼瓶剩余氣量可用時(shí)間進(jìn)行估算，將用氣預(yù)警信息通過(guò)服務(wù)平臺(tái)推送給用戶。

管理平臺(tái)根據(jù)用戶的用氣記錄可匹配適應(yīng)用戶用氣習(xí)慣的異常流量參數(shù)，通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下發(fā)至瓶端智能管理模塊中。假如某用戶2個(gè)月內(nèi)的最大用氣流量為0.76 m3/h，則可以設(shè)定其最大流量為0.8 m3/h并下發(fā)至瓶端智能管理模塊。當(dāng)LPG鋼瓶在使用過(guò)程中，出現(xiàn)某個(gè)時(shí)間段最大流量超過(guò)0.8 m3/h，則瓶端智能管理模塊進(jìn)行蜂鳴報(bào)警，并將報(bào)警信息通過(guò)服務(wù)平臺(tái)推送給用戶，及時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排除。風(fēng)險(xiǎn)排除后，可手動(dòng)按鍵開(kāi)閥，繼續(xù)使用LPG鋼瓶。

2.4 服務(wù)平臺(tái)

服務(wù)平臺(tái)以用戶需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)用戶獲取感知信息和傳輸控制信息[1]。服務(wù)平臺(tái)連接管理平臺(tái)和用戶平臺(tái)，服務(wù)平臺(tái)可為不同用戶提供不同的服務(wù)接口。服務(wù)平臺(tái)通過(guò)服務(wù)系統(tǒng)為用戶提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，例如提供報(bào)警信息推送服務(wù)、提供用氣預(yù)警信息等。

配送人員掃描車輛上的電子標(biāo)簽后，獲取到配送車輛的信息，配送人員再對(duì)上車的鋼瓶進(jìn)行電子標(biāo)簽掃描，通過(guò)這個(gè)操作綁定鋼瓶與配送車輛。綁定后，工作人員可以通過(guò)車輛位置信息，了解鋼瓶當(dāng)前位置。

鋼瓶卸貨時(shí)，配送人員掃描被卸下的鋼瓶電子標(biāo)簽，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)獲取鋼瓶當(dāng)前位置，得到鋼瓶卸貨地址。

鋼瓶送達(dá)用戶后，用戶通過(guò)掃描鋼瓶電子標(biāo)簽充值、打開(kāi)閥門，進(jìn)行開(kāi)戶操作。

工作人員可通過(guò)用戶手機(jī)上報(bào)的鋼瓶位置信息了解鋼瓶使用位置，通過(guò)平臺(tái)給瓶端智能管理模塊下發(fā)開(kāi)戶指令，通過(guò)瓶端智能管理模塊進(jìn)行開(kāi)閥、計(jì)費(fèi)操作。

瓶端智能管理模塊在鋼瓶使用過(guò)程中可實(shí)時(shí)記錄鋼瓶的用氣情況，并將相關(guān)信息發(fā)送到用戶端，用戶通過(guò)累計(jì)氣量信息和鋼瓶充裝信息，可知道鋼瓶氣量的余量。

瓶端智能管理模塊在鋼瓶使用過(guò)程中可檢測(cè)鋼瓶的使用情況，感知鋼瓶是否存在傾斜使用、是否溫度異常、是否有泄漏等情況并報(bào)警，將信息通過(guò)服務(wù)平臺(tái)推送給用戶，讓用戶可第一時(shí)間確認(rèn)鋼瓶的異常使用并及時(shí)糾正，消除報(bào)警。

服務(wù)平臺(tái)提供的控制服務(wù)包括：管理人員針對(duì)年檢逾期、異常使用的鋼瓶，下發(fā)鋼瓶黑名單，限制異常鋼瓶充裝、運(yùn)輸、使用；服務(wù)平臺(tái)為用戶提供瓶端智能管理模塊參數(shù)設(shè)置功能，用戶通過(guò)服務(wù)平臺(tái)下發(fā)瓶端智能管理模塊參數(shù)設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)鋼瓶的定制監(jiān)管，同時(shí)也可以幫助用戶開(kāi)啟或關(guān)閉泄漏報(bào)警等控制功能。

2.5 用戶平臺(tái)

用戶平臺(tái)由消費(fèi)者用戶平臺(tái)、鋼瓶監(jiān)管部門平臺(tái)和企業(yè)用戶平臺(tái)組成，各類用戶通過(guò)用戶平臺(tái)獲取所需要的感知服務(wù)信息，將感知服務(wù)信息進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為用戶感知信息；用戶對(duì)用戶感知信息進(jìn)行分析，并結(jié)合自身意愿做出相應(yīng)的決策，并將用戶控制信息發(fā)送至服務(wù)平臺(tái)，從而表現(xiàn)出用戶意愿[1]。用戶平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主導(dǎo)者，也是感知服務(wù)的享受者。用戶接收到感知服務(wù)信息后，會(huì)對(duì)信息進(jìn)行分析、判斷，發(fā)出相應(yīng)的控制信息傳輸給對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的感知和控制[2]。

LPG鋼瓶消費(fèi)者通過(guò)手機(jī)APP、微信公眾號(hào)、網(wǎng)頁(yè)等了解所用鋼瓶的使用情況，當(dāng)接到報(bào)警信息時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排查并上報(bào)排查結(jié)果，協(xié)助平臺(tái)進(jìn)行安全用氣管理；當(dāng)接到用氣預(yù)警信息后應(yīng)及時(shí)安排用氣計(jì)劃。

LPG鋼瓶充裝企業(yè)的作業(yè)人員，通過(guò)手持機(jī)讀取、獲取車輛信息及已裝車LPG鋼瓶信息，再次掃描待裝車LPG鋼瓶信息時(shí)，比對(duì)前后信息，確認(rèn)是否存在超載等違規(guī)情況，如不滿足裝車要求，則進(jìn)行裝車方案調(diào)整。確認(rèn)鋼瓶運(yùn)輸滿足安全規(guī)定后，完成裝車操作，同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送鋼瓶配送信息。

LPG鋼瓶的年檢機(jī)構(gòu)人員通過(guò)手持機(jī)獲取被檢鋼瓶的基本信息，對(duì)鋼瓶的使用情況進(jìn)行讀取，并結(jié)合鋼瓶外觀的檢查情況、氣密性等測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)鋼瓶是否可以繼續(xù)使用進(jìn)行判斷，并將檢驗(yàn)結(jié)果反饋給系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)手持機(jī)設(shè)置鋼瓶的下次年檢時(shí)間。

3 鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作用及意義

LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可通過(guò)手持機(jī)讀取電子標(biāo)簽等方式實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)LPG鋼瓶狀態(tài)的實(shí)時(shí)上報(bào)，為L(zhǎng)PG鋼瓶管理和充裝企業(yè)的精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，還能為政府監(jiān)管部門對(duì)LPG鋼瓶全生命周期的有效監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐，從而降低LPG鋼瓶在各環(huán)節(jié)中的風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)廣大用戶和行業(yè)從業(yè)人員的安全利益最大化。

LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研發(fā)以服務(wù)廣大城鄉(xiāng)液化石油氣消費(fèi)者為指導(dǎo)思想，以LPG瓶裝氣經(jīng)營(yíng)者為管理主體，對(duì)鋼瓶制造信息、充裝信息、檢測(cè)檢驗(yàn)信息、配送和回收信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和管理，實(shí)現(xiàn)充裝企業(yè)合法合規(guī)運(yùn)營(yíng)，以方便群眾定期購(gòu)氣充值和安全需求為基礎(chǔ)，適當(dāng)開(kāi)發(fā)智能化便民服務(wù)程序，并嚴(yán)格按市場(chǎng)監(jiān)管總局的要求，在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)接口和公示平臺(tái)，接受政府主管部門的監(jiān)督指導(dǎo)以及人民群眾的監(jiān)督，使瓶裝LPG的用戶和從業(yè)人員都得到安全保障，落實(shí)了市監(jiān)特設(shè)〔2019〕69號(hào)通知要求的數(shù)據(jù)安全要求。

本系統(tǒng)的研發(fā)緊扣市監(jiān)特設(shè)〔2019〕69號(hào)通知要求，可提高LPG鋼瓶智能化安全監(jiān)管手段和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，使得監(jiān)督檢驗(yàn)、產(chǎn)品召回、監(jiān)督檢查、應(yīng)急處置、事故調(diào)查工作中所需信息能及時(shí)追溯使用。LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還需要和公安、住房城鄉(xiāng)建設(shè)、商務(wù)等部門協(xié)調(diào)配合，加強(qiáng)身份信息、物權(quán)信息、地理信息等數(shù)據(jù)整合與互通，促進(jìn)追溯信息協(xié)同管理、資源共享。

4 結(jié)論

闡述LPG鋼瓶的管理現(xiàn)狀和監(jiān)管要求，以物理、信息和功能三體系物聯(lián)網(wǎng)理論為指導(dǎo)，結(jié)合已有的LPG鋼瓶電子標(biāo)簽RFID信息系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)LPG鋼瓶智能管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提出將系統(tǒng)角色分為用戶、服務(wù)、管理、傳感、對(duì)象，指明系統(tǒng)由對(duì)象平臺(tái)、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、管理平臺(tái)、服務(wù)平臺(tái)、用戶平臺(tái)組成，分析各部分功能，明確系統(tǒng)作用及意義。