煤化工企業(yè)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)構(gòu)建探析

摘要：在“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”的背景下構(gòu)建企業(yè)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)可以增強(qiáng)生產(chǎn)過程的安全性，提高企業(yè)的安全防范能力。因此，本文以中煤化工企業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建為例分析系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建方案，在構(gòu)建過程中，需要優(yōu)化系統(tǒng)的總體架構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性與擴(kuò)展性并做好工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與應(yīng)用場景分項(xiàng)設(shè)計(jì)工作，從而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：煤化工企業(yè)；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；安全生產(chǎn)

DOI：10.12433/zgkjtz.20232508

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，煤化工生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在一定程度上增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。但在生產(chǎn)環(huán)境不合理、生產(chǎn)方式落后等因素的影響下，生產(chǎn)中的安全隱患不斷增多，導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故頻繁發(fā)生，影響了企業(yè)的整體形象。在這種情況下，只有加大生產(chǎn)安全監(jiān)測與防控力度，才能減少各環(huán)節(jié)中的安全隱患，保障人員安全。而構(gòu)建“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)可以將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透在生產(chǎn)的各個(gè)方面中，提高企業(yè)的安全監(jiān)測與安全預(yù)警能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全問題。因此，需要提高對這一系統(tǒng)的重視程度，并根據(jù)煤化工生產(chǎn)的實(shí)際情況構(gòu)建安全生產(chǎn)系統(tǒng)，完善系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施以及應(yīng)用場景，從而優(yōu)化企業(yè)的安全性能，提高整體效益。

一、系統(tǒng)構(gòu)建項(xiàng)目概述

中煤化工公司主要包括經(jīng)營管理部、機(jī)動(dòng)部、質(zhì)檢部等九個(gè)部門與公用車間等四個(gè)車間。中煤化工公司十分注重安全生產(chǎn)，構(gòu)建了大量的高清工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備檢測管理系統(tǒng)等。2021年，國家應(yīng)急管理部發(fā)布《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)”試點(diǎn)建設(shè)方案》的通知，中煤化工公司“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)列入應(yīng)急管理部試點(diǎn)單位，以進(jìn)一步提升公司的生產(chǎn)管控水平。

二、系統(tǒng)構(gòu)建的必要性

（一）國家政策要求

近年來，我國越來越注重工業(yè)領(lǐng)域的安全生產(chǎn)，希望實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與安全生產(chǎn)的融合，從而提升安全生產(chǎn)的感知能力、監(jiān)測能力與預(yù)警能力，擴(kuò)大工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。構(gòu)建“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)可以利用信息化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化管理與智能化控制，也可以提高企業(yè)的安全生產(chǎn)能力，是符合國家政策需求的有效路徑。

（二）企業(yè)實(shí)際需求

實(shí)際上，構(gòu)建“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)不僅是國家政策的需求，也是企業(yè)發(fā)展的需求。煤化工企業(yè)雖然重視安全生產(chǎn)工作，但安全信息化水平與安全管理水平較低，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的結(jié)合、將線下管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上管理并提高數(shù)據(jù)信息的利用率，有利于促進(jìn)企業(yè)的未來發(fā)展。中煤化工公司“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”建設(shè)項(xiàng)目在行業(yè)中率先探索采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和人工智能技術(shù)的數(shù)字化工廠，不僅是落地工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用，也是保持生產(chǎn)領(lǐng)域競爭力、降低成本、實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的必由之路。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)策略

（一）系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)”系統(tǒng)主要由五個(gè)層級與兩個(gè)體系共同構(gòu)成。

五個(gè)層級包括基礎(chǔ)設(shè)施層、Paas平臺(tái)層、Model層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、決策應(yīng)用層，其中基礎(chǔ)設(shè)施層由網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、服務(wù)器等共同構(gòu)成，根據(jù)訪問形式調(diào)整服務(wù)方式；Paas平臺(tái)層包括數(shù)據(jù)支撐層與平臺(tái)支撐層，其中，數(shù)據(jù)支撐層有大量的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，平臺(tái)支撐層可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一融合；Model層為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供各種數(shù)據(jù)模型，例如設(shè)備安全模型等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層為各種安全生產(chǎn)場景的構(gòu)建提供支撐；決策應(yīng)用層通過終端設(shè)備展示生產(chǎn)狀況。

兩個(gè)體系包括法律與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全與運(yùn)維保障體系，其中法律與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系包括信息管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用、應(yīng)用支撐等標(biāo)準(zhǔn)，安全與運(yùn)維保障體系包括組織用戶維護(hù)、平臺(tái)維護(hù)等內(nèi)容。

（二）系統(tǒng)兼容性與擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

兼容性與擴(kuò)展性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，對系統(tǒng)的應(yīng)用效果產(chǎn)生較大影響，所以要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先，在進(jìn)行系統(tǒng)兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，要做好系統(tǒng)接口與集成設(shè)計(jì)工作，例如，在系統(tǒng)中設(shè)置預(yù)留接口，優(yōu)化與其他系統(tǒng)的集成條件。

其次，在進(jìn)行系統(tǒng)可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)時(shí)，在SDK平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)。SDK平臺(tái)由SDK－UI組件、SDK服務(wù)網(wǎng)關(guān)以及SDK工程開發(fā)框架等共同構(gòu)成，其中SDK－UI組件的擴(kuò)展能力較靈活，可以滿足不同場景應(yīng)用界面的開發(fā)需求；SDK服務(wù)網(wǎng)關(guān)降低平臺(tái)底層的設(shè)計(jì)難度；SDK工程開發(fā)框架滿足實(shí)際需求。

最后，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合。中煤化工公司已建設(shè)了隱患排查系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)，所以需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)與新建系統(tǒng)的融合。例如，將能耗監(jiān)測系統(tǒng)與二道門管理系統(tǒng)引入到統(tǒng)一管理平臺(tái)中，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與封閉管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)相結(jié)合。

四、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)策略

（一）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)”可以滿足私有化部署與云部署的需求，公司根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的部署方式。從實(shí)際情況看，中煤化工公司適用于應(yīng)用私有化部署方式，在設(shè)計(jì)時(shí)要應(yīng)用這種方式并根據(jù)等級保護(hù)要求加強(qiáng)信息安全建設(shè)。

1.網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)

從基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)設(shè)計(jì)情況看，可以通過全廠區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋與WiFi6覆蓋設(shè)計(jì)這兩種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)設(shè)計(jì)。

第一，全廠區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)。指的是利用5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋全廠區(qū)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)行提供網(wǎng)絡(luò)保障。在設(shè)計(jì)過程中，利用5G信號(hào)的特點(diǎn)將現(xiàn)場的監(jiān)測設(shè)備、檢測設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化管理。為此，利用獨(dú)享式UPF進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，并將業(yè)務(wù)流程劃分為控制信令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)，在監(jiān)控?cái)z像頭中利用5G空口回傳數(shù)據(jù)，并科學(xué)選擇設(shè)備與頻段。

第二，全廠區(qū)WiFi6覆蓋設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，注意網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線WiFi覆蓋等。首先，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。包括邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)等內(nèi)容，在設(shè)計(jì)邏輯架構(gòu)時(shí)，確保網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括終端層、接入層、匯聚層、核心層、網(wǎng)絡(luò)管理區(qū)等部分；在設(shè)計(jì)物理架構(gòu)時(shí)，科學(xué)設(shè)置廠區(qū)出口、辦公I(xiàn)T網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)IT網(wǎng)絡(luò)、安全隔離區(qū)、網(wǎng)絡(luò)管理區(qū)。其次，設(shè)計(jì)無線WiFi覆蓋。需要根據(jù)園區(qū)實(shí)際情況優(yōu)化WiFi覆蓋，例如，制造園區(qū)具有建筑空間布局多樣等特點(diǎn)，要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)明確網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域并科學(xué)評估AP數(shù)量與AP發(fā)射功率；做好用戶密集區(qū)域的容量規(guī)劃工作，例如，合理規(guī)劃會(huì)議室、開放辦公區(qū)等用戶密集區(qū)域的容量，并做好用戶稀疏區(qū)域的容量規(guī)劃工作，例如，合理規(guī)劃大廳、休息室等用戶稀疏區(qū)域。同時(shí)，根據(jù)公式（1）科學(xué)計(jì)算AP與終端之間的鏈路預(yù)算，從而明確無線信號(hào)的覆蓋范圍。

終端接收信號(hào)強(qiáng)度=AP發(fā)射功率+AP發(fā)射天線增益－空間傳輸距離衰減－障礙物損耗+終端接收天線增益 （1）

其中，空間傳輸距離衰減取值如表1所示。

在計(jì)算鏈路預(yù)算后，要進(jìn)行信道規(guī)劃，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)的科學(xué)性。在設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)一規(guī)劃移動(dòng)辦公中的WLAN信號(hào)，減少信道之間的相互干擾。WLAN系統(tǒng)主要應(yīng)用2.4GHz與5.0GHz兩種頻段，其中2.4GHz頻段的頻率范圍為2.4～2.4835GHz，要選取1、6、11三個(gè)非重疊信道。而5.0GHz頻段屬于非連續(xù)性頻譜，要選擇其中的非重疊信道。此外，要靈活應(yīng)用動(dòng)態(tài)智能射頻技術(shù)與5G優(yōu)先接入技術(shù)。

從對比結(jié)果看，5G網(wǎng)絡(luò)可以為低頻段、中頻段以及高頻段提供支持，而WiFi6網(wǎng)絡(luò)只能為2.4GHz、5GHz與6GHz提供支持；5G網(wǎng)絡(luò)的Sub 6GHz信道寬帶最大為100MHz，毫米波信道寬帶最大為400MHz，而WiFi6網(wǎng)絡(luò)的信道寬帶為20MHz、40MHz、80MHz、160MHz?？傊?，5G網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力更強(qiáng)，具有較強(qiáng)的移動(dòng)性、較大的覆蓋范圍，因此可優(yōu)先選擇5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。

2.平臺(tái)硬件基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)

平臺(tái)硬件基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)內(nèi)容包括私有化部署方案、公有云平臺(tái)部署方案等。

第一，私有化部署方案。在設(shè)計(jì)前，要明確私有化部署的業(yè)務(wù)需求，例如，建設(shè)私有云平臺(tái)滿足企業(yè)未來三年的業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求，將云平臺(tái)的存儲(chǔ)容量設(shè)置為66TB，將內(nèi)存設(shè)置為244GB。根據(jù)可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、可升級性、可利舊等原則設(shè)計(jì)。同時(shí)，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)框架，通過云服務(wù)的方式發(fā)布計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等IT資源，并進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計(jì)，即在業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)置3臺(tái)超融合節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、6套一體化配件、2臺(tái)業(yè)務(wù)交換機(jī)、1臺(tái)千兆帶外交換機(jī)以及2臺(tái)萬兆核心交換機(jī)。

第二，公有云平臺(tái)部署方案。在設(shè)計(jì)過程中，構(gòu)建統(tǒng)一的信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的規(guī)范性與標(biāo)準(zhǔn)性。同時(shí)，利用物聯(lián)接入平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)清洗與分類、利用邊緣計(jì)算服務(wù)與終端設(shè)備優(yōu)化云平臺(tái)服務(wù)。

3.平臺(tái)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)

第一，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。利用云原生技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)底座平臺(tái)以及框架式理念設(shè)計(jì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使平臺(tái)具備區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中設(shè)置模型設(shè)計(jì)、頁面設(shè)計(jì)、流程控制等場景，并將該平臺(tái)分為風(fēng)險(xiǎn)分級管控、重大危險(xiǎn)源在線監(jiān)測、隱患排查治理、安全培訓(xùn)管理等諸多模塊，完善平臺(tái)功能。

第二，安全生產(chǎn)一張圖。利用三維全廠建模與建筑分層應(yīng)用等方式建設(shè)安全生產(chǎn)一張圖或利用三維傾斜投影與三維建筑分層應(yīng)用構(gòu)建安全生產(chǎn)一張圖。

（二）應(yīng)用場景分項(xiàng)設(shè)計(jì)

1.安全信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)完善的安全信息數(shù)據(jù)庫并將設(shè)計(jì)變更、設(shè)備設(shè)施等方面的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。首先，進(jìn)行數(shù)據(jù)流向設(shè)計(jì)。中煤化工公司中的安全要素主要包括人員、機(jī)械、物品和管理等，需要優(yōu)化數(shù)據(jù)流向設(shè)計(jì)。其次，明確數(shù)據(jù)體系要求，即制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與處理標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)。

2.風(fēng)險(xiǎn)分級管控與隱患排查治理優(yōu)化設(shè)計(jì)

從安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果看，中煤化工公司一共有2672項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，包括780項(xiàng)低風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、1887項(xiàng)一般風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和5項(xiàng)較大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。所以，在構(gòu)建“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)時(shí)，要對風(fēng)險(xiǎn)分級管控與隱患排查治理進(jìn)行智能化建設(shè)，構(gòu)建線上風(fēng)險(xiǎn)分級管控體系、風(fēng)險(xiǎn)清單。此外，優(yōu)化系統(tǒng)功能指標(biāo)。例如，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)管理指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)管控信息管理指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息管理指標(biāo)以及三卡信息管理指標(biāo)。

3.智能巡檢管理設(shè)計(jì)

智能巡檢管理是至關(guān)重要的應(yīng)用場景，可以為巡檢路線、巡檢標(biāo)準(zhǔn)的制定提供支持，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行智能巡檢管理設(shè)計(jì)。中煤化工公司的巡檢任務(wù)以車間巡檢為主，巡檢方法以現(xiàn)場簽到為主，且巡檢記錄以紙質(zhì)記錄為主，無法與風(fēng)險(xiǎn)分級管控相互關(guān)聯(lián)，需要對巡檢管理進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，要做好軟件平臺(tái)、智能巡檢終端、電子標(biāo)簽等各個(gè)方面的設(shè)計(jì)，確保智能巡檢終端的防爆等級為Exib IIC T4 GB、內(nèi)存為6GB、前/后置攝像機(jī)的有效像素在1600W以上，且應(yīng)用不銹鋼等材質(zhì)的二維碼標(biāo)簽或含有FPC封裝的NFC標(biāo)簽。同時(shí)，設(shè)置154個(gè)智能化巡檢點(diǎn)位，即在公用車間設(shè)置29個(gè)、在合成車間設(shè)置81個(gè)、在尿素車間設(shè)置29個(gè)、在機(jī)電儀車間設(shè)置15個(gè)。

4.特殊作業(yè)許可與作業(yè)過程管理設(shè)計(jì)

煤化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中存在一些特殊作業(yè)，例如受限空間作業(yè)、動(dòng)火作業(yè)等，影響生產(chǎn)安全性，所以要優(yōu)化設(shè)計(jì)特殊作業(yè)許可證與作業(yè)過程管理這一場景。在設(shè)計(jì)時(shí)，將子系統(tǒng)劃分為展示層、應(yīng)用層、服務(wù)平臺(tái)層、傳輸層、設(shè)備感知層等層級并確保系統(tǒng)有持證作業(yè)、現(xiàn)場確認(rèn)、規(guī)范審批等功能。同時(shí)，優(yōu)化特殊作業(yè)智能監(jiān)護(hù)管理，對氣體采樣分析與環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測、現(xiàn)場作業(yè)視頻的回傳、對作業(yè)現(xiàn)場后臺(tái)監(jiān)控等。

五、結(jié)語

綜上所述，構(gòu)建“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”系統(tǒng)可以充分發(fā)揮數(shù)字化系統(tǒng)在煤化工公司生產(chǎn)中的作用，需要提高對該系統(tǒng)的重視程度，嚴(yán)格按照企業(yè)需求進(jìn)行系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)兼容性與擴(kuò)展性設(shè)計(jì)并不斷優(yōu)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用場景分項(xiàng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性，保障煤化工公司的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：李曉敏（1989），山西省太原市人，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，本科，工程師，主要研究方向?yàn)樾畔⒒芾砼c應(yīng)用。