安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】在對(duì)水電站內(nèi)的設(shè)備檢修過程中，用于保證人員和設(shè)備安全的安全隔離設(shè)施可能會(huì)出現(xiàn)異常，僅通過人工監(jiān)測(cè)易出現(xiàn)疏漏，且監(jiān)測(cè)間隔周期較長(zhǎng)，為避免由此帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)水電站的安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?！痉椒ā炕赯igbee無(wú)線通信技術(shù)，集成震動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、溫濕度傳感器、蜂鳴器、無(wú)線通信模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隔離設(shè)施異動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)及報(bào)警?！窘Y(jié)果】在某水電站實(shí)際測(cè)試該安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能正確檢測(cè)出所布置的檢修設(shè)備安全隔離設(shè)施異動(dòng)情況?！窘Y(jié)論】該安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隔離設(shè)施異動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，降低水電站內(nèi)施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其他行業(yè)的類似應(yīng)用推廣具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：安全管理；隔離設(shè)施；風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP277" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0016-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.004

Design of Risk Monitoring System for Safety Isolation Facilities

—Taking a Hydropower Station as an Example

Abstract：[Purposes] During the maintenance process of equipment in hydropower plants， safety isolation facilities to ensure personnel and equipment safety may encounter abnormalities. Only manual monitoring can easily lead to omissions and long monitoring intervals. To avoid safety risks caused by this， a safety isolation risk monitoring system for hydropower stations has been designed.[Methods] By combining Zigbee wireless communication technology， the abnormal risk monitoring and alarm of safety isolation facilities can be achieved through vibration monitoring modules， temperature and humidity sensors， buzzers， wireless communication modules， etc.[Findings] After actual testing at a certain hydropower plant， the risk monitoring system for safety isolation facilities ran well and could correctly reflect the abnormal safety isolation facilities of the arranged maintenance equipment.[Conclusions] After the application of the safety isolation facilities risk monitoring system， it can achieve abnormal monitoring， alarm， and automatic data recording of safety isolation facilities， reduce the safety risks of construction operations in hydropower plants， and have certain promotion value and reference significance for similar applications in other industries.

Keywords： security management; isolation facilities; risk monitoring

0 引言

水電站內(nèi)部的各類機(jī)電設(shè)備多，特別是在機(jī)組大修、全停水等大型工作開展時(shí)，廠房?jī)?nèi)的工作人員多、危險(xiǎn)源種類多、要隔離的機(jī)電設(shè)備多，且部分隔離設(shè)施會(huì)隨工作的進(jìn)展而發(fā)生變化。目前，主要通過運(yùn)維人員定期檢查提醒的方式，保證安全隔離設(shè)施布置，但這種方式主要存在以下不足。

①人員直接檢查很容易出現(xiàn)疏漏，一旦關(guān)鍵安全設(shè)施出現(xiàn)疏漏，就有可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。通過制定安全檢查表雖能避免疏漏，但要隨時(shí)更新安全檢查表，增加了安全隔離設(shè)施管理負(fù)擔(dān)。

②在人員定期檢查間隔期間，安全標(biāo)示志及檢修設(shè)備的隔離設(shè)施有可能被誤動(dòng)、誤拆，即該管理方式存在“真空期”漏洞，導(dǎo)致該時(shí)期的安全隔離設(shè)施異動(dòng)情況無(wú)法被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在安全管理中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在直接感知設(shè)備異常并報(bào)警、強(qiáng)化監(jiān)管及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源、分析預(yù)測(cè)事故發(fā)展等方面均有著較為廣泛的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)可分為三層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層主要對(duì)物體的位置、狀態(tài)等信息進(jìn)行收集與處理，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、紅外感應(yīng)、射頻識(shí)別和執(zhí)行器等；網(wǎng)絡(luò)層主要用于傳輸信息，包括互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)絡(luò)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)等；應(yīng)用層主要用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)呈現(xiàn)。也有學(xué)者將物聯(lián)網(wǎng)分為五層結(jié)構(gòu)，即感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層、應(yīng)用層［1］。

本研究針對(duì)安全隔離設(shè)施人工檢查易疏漏和存在“真空期”這兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)出一種安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來提示相關(guān)設(shè)備運(yùn)維及檢修人員，防止作業(yè)關(guān)鍵隔離設(shè)施被忽視或誤拆，強(qiáng)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全保障。

2 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

2.1 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

本研究設(shè)計(jì)的安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件包含現(xiàn)場(chǎng)采集單元、現(xiàn)場(chǎng)輸出單元、基站（中心節(jié)點(diǎn)）、終端數(shù)據(jù)處理裝置。為了能更好地實(shí)現(xiàn)安全設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)提示，需要提前采集安全措施項(xiàng)目及作業(yè)項(xiàng)目信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后，為現(xiàn)場(chǎng)人員、維護(hù)檢修作業(yè)人員和運(yùn)行人員提供風(fēng)險(xiǎn)提示。由于水電站內(nèi)設(shè)備檢修維護(hù)工作項(xiàng)目不固定，安全提示模塊（現(xiàn)場(chǎng)采集及輸出單元）采用分布式無(wú)線布置方式。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

為避免非必要的過度報(bào)警，該系統(tǒng)將安全措施分為一般安措和核心安措。一般安措主要為普通區(qū)域的圍欄、紅布簾等誤動(dòng)或誤拆而不會(huì)立即造成人員傷害或設(shè)備損壞的安全措施，核心安措指誤動(dòng)或誤拆后會(huì)直接造成人員傷害或設(shè)備損壞的安全措施。核心安措設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常，要立即向現(xiàn)場(chǎng)采集單元對(duì)應(yīng)的輸出單元發(fā)動(dòng)作命令，通過聲、光報(bào)警來提醒附近人員，并向相關(guān)作業(yè)人員發(fā)送作業(yè)安全設(shè)施發(fā)生異常信息，提醒作業(yè)人員停止作業(yè)，避免出現(xiàn)安全事故；非核心安措設(shè)備狀態(tài)異常，則進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值后，立即向運(yùn)維人員報(bào)警，由運(yùn)維人員對(duì)報(bào)狀態(tài)異常的安措設(shè)備進(jìn)行檢查、恢復(fù)，計(jì)數(shù)未達(dá)到預(yù)設(shè)值的，則由運(yùn)維人員在定期巡檢時(shí)檢查、恢復(fù)。其數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

2.2 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模式

該系統(tǒng)由在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)（安全提示模塊）、中心路由和上位機(jī)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)（安全提示模塊）通過無(wú)線通信方式形成一個(gè)自組織的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集安全隔離設(shè)施的異動(dòng)情況；中心路由為這個(gè)無(wú)線傳感器局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，任一傳感器節(jié)點(diǎn)都能與中心路由器進(jìn)行連接，也能與任一已經(jīng)處于局域網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，從而加入當(dāng)前的局域網(wǎng)絡(luò)［2］；上位機(jī)主要負(fù)責(zé)與中心路由的數(shù)據(jù)通信，并呈現(xiàn)出一個(gè)可視化的界面系統(tǒng)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，在發(fā)現(xiàn)安全異常后立即警示，實(shí)時(shí)上傳節(jié)點(diǎn)中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的安全提示，強(qiáng)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全的保障。該系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)略圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

整個(gè)安全提示系統(tǒng)不依賴其他設(shè)備或系統(tǒng)，可獨(dú)立運(yùn)行，也可根據(jù)需要接入已有的信息或監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)布置靈活。

采用高速、高精度嵌入式多路信號(hào)同步采樣技術(shù)，完成對(duì)安全隔離設(shè)施異動(dòng)情況的數(shù)據(jù)采集。安全提示系統(tǒng)的軟件在監(jiān)測(cè)過程中可對(duì)采集到的異動(dòng)情況進(jìn)行識(shí)別，確定可能被誤動(dòng)或誤拆的安全隔離設(shè)施。

采用自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在管轄范圍安全隔離設(shè)施出現(xiàn)變化（增加或減少）時(shí)，相應(yīng)調(diào)整布置的傳感器節(jié)點(diǎn)（安全提示模塊）數(shù)量，暫未使用的傳感器節(jié)點(diǎn)（安全提示模塊）可關(guān)閉或處于休眠狀態(tài)。

數(shù)據(jù)并不能直觀地反映管轄范圍內(nèi)安全隔離設(shè)施的狀態(tài)，特別是對(duì)重要安全隔離設(shè)施異動(dòng)可能忽略，而該系統(tǒng)可以從海量數(shù)據(jù)中提取有用數(shù)據(jù)，采用多種方式進(jìn)行提示，防范安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 安全提示模塊硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用震動(dòng)傳感器來采集安全隔離設(shè)施的異動(dòng)情況、溫濕度傳感器來采集環(huán)境情況。經(jīng)芯片處理，在發(fā)現(xiàn)異動(dòng)后，應(yīng)立即現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴報(bào)警，并通過ZigBee芯片將采集到的震動(dòng)、溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)進(jìn)行傳輸［3］。之后通過中心節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)將震動(dòng)、溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)安全隔離設(shè)施異動(dòng)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，并通過上位機(jī)軟件及時(shí)提示相關(guān)設(shè)備運(yùn)維及檢修人員。因此，該系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備有溫濕度傳感器、震動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器、ZigBee芯片、蜂鳴器和電源系統(tǒng)。

由于該系統(tǒng)主要應(yīng)用于生產(chǎn)廠房等設(shè)備分布較雜亂、干擾多的場(chǎng)所，為保證通信的可靠性、長(zhǎng)續(xù)航，選用集成功率放大器、休眠時(shí)低功耗的ZigBee芯片產(chǎn)品。

震動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感選擇震動(dòng)開關(guān)，震動(dòng)開關(guān)可分為以下幾類：?jiǎn)螡L軸型感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，可感應(yīng)不同方向的震動(dòng)、傾斜；滾珠型傾斜震動(dòng)開關(guān)，可感應(yīng)單方向觸發(fā)開關(guān)，防水防塵；震動(dòng)傳感器開關(guān)，無(wú)方向性，任何角度可觸發(fā)，防水防塵［4］。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要采集可能來自任何方向的安全隔離設(shè)施異動(dòng)情況，故選用震動(dòng)傳感器開關(guān)。

經(jīng)比較后，最終選擇了SW18010P震動(dòng)開關(guān)來采集安全隔離設(shè)施的異動(dòng)情況，采集到的震動(dòng)及溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)帶功率放大器的CC1352P芯片后，可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更穩(wěn)定的無(wú)線信號(hào)傳輸（未外接擴(kuò)展天線最遠(yuǎn)通信距離為100～200 m，外接擴(kuò)展天線后可達(dá)300 m）。震動(dòng)傳感器開關(guān)自帶大容量鋰電池，可實(shí)現(xiàn)安全提示模塊長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。

安全提示模塊通過調(diào)整背后的魔術(shù)貼扎帶與被檢測(cè)設(shè)備固定連接如圖4所示。

4 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用測(cè)試

4.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，嵌入式系統(tǒng)部分采用ZigBee無(wú)線通信協(xié)議。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，主要用于近距離無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)通信，支持?jǐn)?shù)百個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)［5］。

系統(tǒng)架構(gòu)上采用操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），為一種基于事件驅(qū)動(dòng)的輪詢式“操作系統(tǒng)”，支持多任務(wù)運(yùn)行，所有的應(yīng)用程序都在其上運(yùn)行，其并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，但是實(shí)現(xiàn)了部分類似操作系統(tǒng)的功能。作為時(shí)間驅(qū)動(dòng)型的系統(tǒng)，OSAL支持?jǐn)?shù)據(jù)流的高效并發(fā)，并能滿足系統(tǒng)的低功耗要求，在功耗、運(yùn)行開銷等方面具有優(yōu)勢(shì)［6］。當(dāng)系統(tǒng)初始化運(yùn)行后，通過輪詢的方式來采樣環(huán)境數(shù)據(jù)，采樣完成后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。同時(shí)，異常狀態(tài)以事件的方式觸發(fā)時(shí)，也能實(shí)時(shí)做出響應(yīng)。程序運(yùn)行流程如圖5所示。

4.2 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)及功能

上位機(jī)軟件是基于CEF、VUE、C++等開發(fā)的，通過CEF技術(shù)將瀏覽器功能嵌入到智能安全提示系統(tǒng)應(yīng)用程序的框架中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)美簡(jiǎn)潔的上位機(jī)軟件界面。

登錄權(quán)限管理。訪客僅能對(duì)安全隔離設(shè)施模塊狀態(tài)及安全隔離設(shè)施報(bào)警情況進(jìn)行檢查，只有管理員登錄后，方能啟用/禁用安全提示模塊、新增或編輯安全隔離措施等。

主界面分為安全隔離設(shè)施監(jiān)測(cè)與安全提示模塊監(jiān)測(cè)兩欄，左側(cè)安全隔離設(shè)施監(jiān)測(cè)欄包括系統(tǒng)內(nèi)已布置的安全隔離設(shè)施及其報(bào)警情況、記錄報(bào)警次數(shù)（可手動(dòng)將報(bào)警次數(shù)清零）；右側(cè)安全提示模塊監(jiān)測(cè)欄主要顯示模塊環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。軟件主界面的安全隔離設(shè)施監(jiān)測(cè)欄圖如圖6所示。

對(duì)上述所列的報(bào)警設(shè)備可進(jìn)一步查看詳情，查閱其具體描述、安全措施分級(jí)情況、報(bào)警時(shí)間、累計(jì)報(bào)警次數(shù)，在確認(rèn)誤報(bào)后由運(yùn)維管理員手動(dòng)清除報(bào)警。

上位機(jī)軟件的主要功能如下。

①系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)時(shí)和歷史報(bào)警顯示、遠(yuǎn)程布置模塊等。

②系統(tǒng)設(shè)置主要功能：添加或者刪除安全隔離措施組、單項(xiàng)安全隔離措施，修改安全隔離措施名稱，管理員與用戶設(shè)置，出報(bào)警參數(shù)設(shè)置等。

③實(shí)時(shí)和歷史報(bào)警顯示：針對(duì)當(dāng)前、歷史的報(bào)警情況，以列表方式進(jìn)行顯示，并對(duì)一般安全隔離措施異動(dòng)次數(shù)累計(jì)，可隨時(shí)清零。

④遠(yuǎn)程布置：可在上位機(jī)遠(yuǎn)程逐個(gè)或以安全措施組為單位，批量啟用或禁用安全提示模塊。

4.3 安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)完成后，在某水電站機(jī)組大修現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行布置測(cè)試。其中，安全提示模塊設(shè)置了三種典型的布置場(chǎng)景：安全隔離圍欄、懸掛的安全標(biāo)示牌、禁止打開的屏柜。在布置好安全提示模塊及系統(tǒng)后，組織人員按自身習(xí)慣拆除安全標(biāo)示志牌、安全圍欄、開啟屏柜測(cè)試系統(tǒng)報(bào)警正確率；手動(dòng)晃動(dòng)安全提示模塊，記錄晃動(dòng)時(shí)間，與上位機(jī)報(bào)警時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間；開展168 h的系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，檢查上位機(jī)軟件記錄各安全隔離設(shè)施異動(dòng)報(bào)警情況。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)報(bào)警正確率及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間均能滿足應(yīng)用需求，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行期間軟硬件未發(fā)生故障，軟件記錄報(bào)警正確。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)安全隔離設(shè)施監(jiān)測(cè)的研究應(yīng)用案例較少，本研究設(shè)計(jì)的安全隔離設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、上位機(jī)報(bào)警等多種手段提示運(yùn)維及檢修人員安全隔離設(shè)施異動(dòng)情況。未來，可考慮安全提示模塊作防水防塵設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜場(chǎng)地場(chǎng)所；或使用上位機(jī)對(duì)被監(jiān)測(cè)安全隔離設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行3D呈現(xiàn)，便于運(yùn)維人員分析、識(shí)別安全隔離設(shè)施異動(dòng)情況。

參考文獻(xiàn)：

［1］林麗芬.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在安全生產(chǎn)與管理中的應(yīng)用探討［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012，15（16）：70-71.

［2］許靖，白欣然，胡世鑫，等.基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能花盆設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)版，2021，17（3）：216-218.

［3］劉軍，劉樺，賈志遠(yuǎn)，等.人體紅外及震動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的安全防盜系統(tǒng)［J］.電子世界，2021（4）：125-127.

［4］何蘊(yùn)良，耿淑琴，汪金輝.基于ZigBee無(wú)線傳感的空氣溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)， 2015，38（18）：133-136，140.

［5］韓新風(fēng)，高智中.基于Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，37（8）：38-41.

［6］冀宇鑫，楊冬，秦雅娟，等.基于WSNs平臺(tái)的Contiki通用移植方法研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（11）：134-137.