李緒延 劉超 張志鋒 羅忠軍 王輝 穆波 徐楊 袁志祥

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 山東青島 266071； 2.中國石油集團電能有限公司 黑龍江大慶 163453； 3.中國石油吉林石化公司乙烯廠 吉林吉林 132022； 4.山東齊旺達石油化工有限公司 山東淄博 255400； 5.中國石化青島煉油化工有限責任公司 山東青島 266500)

0 引言

石油煉化行業(yè)生產(chǎn)具有易燃易爆、高溫高壓、有毒有害特點，近年來火災、爆炸、中毒等事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，對社會產(chǎn)生了巨大的負面影響[1-2]。為保障石化企業(yè)安全生產(chǎn)，國家要求大力推進信息化與工業(yè)化的不斷融合，加強智能化技術(shù)在安全管理方面的應用[3-4]。

目前國內(nèi)很多石化企業(yè)基于物聯(lián)網(wǎng)、智能分析、大數(shù)據(jù)等技術(shù)加強智能化監(jiān)控技術(shù)的應用，解決現(xiàn)場安全監(jiān)管復雜、監(jiān)護效率低等問題。莫然等[5]利用移動網(wǎng)絡和無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，建立針對現(xiàn)場危險氣體檢測的無線實時監(jiān)控系統(tǒng)；朱亮等[6]將多傳感器融合、精確定位和無線傳輸技術(shù)進行集成，開發(fā)了現(xiàn)場氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)；張宏等[7]基于智能安全帽實現(xiàn)對施工人員不安全行為監(jiān)測與管理。多種智能化監(jiān)管監(jiān)控技術(shù)已在油田無人值守、煉化裝置區(qū)監(jiān)控、加油站監(jiān)控、施工現(xiàn)場監(jiān)控等場景下得到了有效應用。但石油煉化行業(yè)的現(xiàn)場智能化監(jiān)管依然存在較多問題：①現(xiàn)場安全風險復雜多樣，目前的監(jiān)控設(shè)備功能單一，缺少多種監(jiān)控預警信息的有效融合；②裝置區(qū)環(huán)境復雜，現(xiàn)場嘈雜，人員無法及時收到聲光報警提示，造成報警失效；③密集裝置區(qū)或受限空間信號遮擋嚴重，監(jiān)測設(shè)備的報警信號無法有效傳達，導致最佳救援時機的延誤。

為解決企業(yè)現(xiàn)場報警失效問題，本文介紹了一種移動分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，基于LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功率廣域網(wǎng)絡)技術(shù)研究傳感設(shè)備的模塊化，提高密集裝置區(qū)等復雜場景報警信息的傳輸效率，并集成視頻監(jiān)控及智能分析、無線傳感、精準定位等技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境多維數(shù)據(jù)融合分析和設(shè)備自組網(wǎng)聯(lián)動報警功能，提升現(xiàn)場安全監(jiān)管和事故應急預警能力，有效防控安全事故的發(fā)生。

1 LPWAN技術(shù)

1.1 LPWAN技術(shù)的優(yōu)選

LPWAN是可以使用低比特率進行長距離通訊的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。LPWAN技術(shù)的主要特點包括節(jié)點功耗低、傳輸距離遠、網(wǎng)絡部署簡單、運營成本低等[8-10]。與WiFi、藍牙、ZigBee等其他通信技術(shù)相比，LPWAN技術(shù)真正實現(xiàn)了大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)低成本全覆蓋，因此在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市環(huán)境取得了廣泛應用，例如共享單車、氣象監(jiān)測、智能儀表、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控等[11]。

目前LPWAN技術(shù)應用最多的為LoRa、SigFox和NB-IoT，用戶一般根據(jù)自身領(lǐng)域和需求選擇適合的通訊技術(shù)。其中，LoRa作為重要的低功耗長距離無線通信技術(shù)，由美國Semtech公司深化研發(fā)并進行商業(yè)化應用，而LoRaWAN是LoRa物理層技術(shù)傳輸技術(shù)之上的MAC(介質(zhì)訪問控制)層的組網(wǎng)協(xié)議。LoRa技術(shù)通過特殊的線性調(diào)頻擴頻(CSS)技術(shù)提供了雙向通信，可將窄帶跳變?yōu)閷拵В⑼ㄟ^編碼增益增強了抗干擾和噪聲能力，提升了信號傳輸可靠性，具有更優(yōu)越的理論特性[12]。表1為LoRa與其它兩種應用比較廣泛的LPWAN技術(shù)之間的對比[13-14]，相比之下LoRa技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢：① 基于Sub-GHz的頻段可使其在低功耗情況下實現(xiàn)遠距離通信，較低頻率的信號受到障礙物引起的信號衰減較少，具有較高的穿透性，利于現(xiàn)場信息的采集傳輸；② LoRa工作在非授權(quán)頻段，不必依賴運營商的基礎(chǔ)設(shè)施，自行組網(wǎng)提高建設(shè)的靈活性，同時LoRa模塊成本較低，網(wǎng)絡架構(gòu)方便且運營成本低，更適合工業(yè)環(huán)境的區(qū)域性網(wǎng)絡部署[15]；③ 較低的數(shù)據(jù)速率使得電池供電設(shè)備的能耗低，有效延長了LoRa的電池壽命，減少了設(shè)備維護的精力和費用；另一方面，低能耗也使得設(shè)備具有更好的防爆性能。

表1 LoRa、SigFox和NB-IoT技術(shù)對比

1.2 LoRa信號傳輸效果測試

利用基于標準LoRaWAN無線通信協(xié)議的信號質(zhì)量測試儀器，在某企業(yè)變換甲烷化-氨吸收制冷密集裝置區(qū)對LoRa信號的傳輸效果進行測試：①2個信號測試儀均置于裝置區(qū)，相互收發(fā)信號；②測試點的選取應均勻分布，能夠反映該區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況；③記錄不同距離下的信號強度RSSI、信噪比SNR和丟包率PLR，反映信號傳輸效果。實驗中擴頻因子SF為12，信號頻率為480 MHz，發(fā)射功率為6 dBm，數(shù)據(jù)包大小為10 Byte，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 密集裝置區(qū)LoRa信號傳輸效果測試結(jié)果

從圖1中可以看出，在信號遮擋嚴重的密集裝置區(qū)，隨著傳輸距離的增加，信號強度RSSI和信噪比SNR雖均有所降低，但100 m范圍內(nèi)丟包率PLR最高僅為0.1%。因此，利用LoRa技術(shù)可有效解決密集裝置區(qū)域或受限空間預警監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸受限的問題。本文研制了具有LoRa信號傳輸功能的分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備，以實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中設(shè)備之間監(jiān)控報警信息的有效傳輸，為多設(shè)備自組網(wǎng)和設(shè)備間的聯(lián)動報警奠定基礎(chǔ)。

2 分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)

為實現(xiàn)對石化企業(yè)現(xiàn)場全方位的智能化遠程監(jiān)控，利用本文所研發(fā)的分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備，基于LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭融合無線網(wǎng)絡環(huán)境的部署，結(jié)合氣體傳感監(jiān)測、精準定位、視頻監(jiān)控及智能分析等技術(shù)，形成現(xiàn)場的全方位安全監(jiān)管和監(jiān)測預警系統(tǒng)，對現(xiàn)場多維信息進行高效采集、傳輸、分析和管理。監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場風險智能化識別分析，根據(jù)異常事件類別進行聯(lián)動報警和在線提醒，提升應急響應時效性和應急處置能力。LoRa通訊技術(shù)的應用，實現(xiàn)了氣體監(jiān)測、GPS/BD定位、視頻監(jiān)控功能的模塊化和設(shè)備的分體式，擴大了單臺設(shè)備的監(jiān)測覆蓋范圍，同時降低了設(shè)備能耗，使其具有EX d IIC T4 Gb的防爆等級，可在更廣泛的工業(yè)環(huán)境中應用。

分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)主要由分體式氣體監(jiān)測儀(下文簡稱監(jiān)測終端)、移動監(jiān)控終端(下文簡稱監(jiān)控終端)、LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭融合無線網(wǎng)絡和安全監(jiān)控平臺4部分組成，系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 混搭融合網(wǎng)絡信息采集與傳輸

監(jiān)測終端和監(jiān)控終端作為系統(tǒng)的感知層，主要通過氣體傳感監(jiān)測、視頻攝像頭、GPS/BD定位等多種設(shè)備對現(xiàn)場有毒有害氣體濃度、地理位置和視頻監(jiān)控信息采集，其主要功能模塊組成如圖3所示。為實現(xiàn)信息的實時有效傳輸，傳輸層采用了LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭和融合組網(wǎng)方案。監(jiān)測終端一般置于受限空間、密集裝置區(qū)或其他信號遮擋嚴重區(qū)域，因此利用LoRa技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測終端與監(jiān)控終端之間的通信；監(jiān)控終端需向安全監(jiān)控平臺實時傳輸視頻監(jiān)控信息，因此所述設(shè)備利用移動/電信的3G/4G典型蜂窩通信技術(shù)進行大數(shù)據(jù)量的高效傳輸。

圖3 監(jiān)控監(jiān)測終端主要功能模塊

(1)監(jiān)測終端。氣體信息采集模塊可同時配置4種氣敏傳感器，可檢測O2、CO、H2S、CH4等26種氣體；獲取的氣體信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換接口模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再交由監(jiān)測終端處理器模塊進行處理；處理器分析氣體信息，根據(jù)設(shè)定閾值判斷其是否到達報警極限，可激發(fā)報警模塊進行聲光報警；LoRa模塊與處理器模塊相連，用于氣體信息或報警信息的收發(fā)。

(2)監(jiān)控終端。視頻圖像獲取信息模塊用于獲取現(xiàn)場視頻或圖像，GPS/BD定位模塊用于獲取地理位置信息，并交由監(jiān)控終端處理器模塊進行處理；處理器分析處理LoRa模塊獲取的氣體信息或報警信息，通過無線通信模塊連接蜂窩網(wǎng)絡基站向安全監(jiān)控平臺進行相關(guān)信息傳輸；設(shè)置模塊可對各個模塊的參數(shù)進行設(shè)置；用戶可通過信息管理模塊進行氣體濃度、定位和實時錄像的查看。

針對石化企業(yè)裝置區(qū)信號遮擋嚴重的情況，本文所述終端所采用的LoRa模塊為基于SX1278射頻芯片的無線串口模塊(UART)，支持LoRa直序擴頻技術(shù)，具有更遠的通訊距離和抗干擾能力強的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)加密和壓縮功能減小了數(shù)據(jù)受干擾的概率，提高了可靠性、保密性和傳輸效率，表2為模塊默認的相關(guān)標準參數(shù)。

表2 所配置LoRa模塊相關(guān)標準參數(shù)

2.2 信息分析研判與聯(lián)動報警2.2.1 多設(shè)備組網(wǎng)和設(shè)備間報警聯(lián)動程序

(1)監(jiān)控監(jiān)測終端自組網(wǎng)聯(lián)動報警。單臺監(jiān)控終端可連接多個監(jiān)測終端，實時獲取多個監(jiān)測終端的報警信息，對區(qū)域內(nèi)多個風險點進行監(jiān)控，如圖2所示。通過建立配套監(jiān)控監(jiān)測終端的LoRaWan協(xié)議，實現(xiàn)監(jiān)控監(jiān)測終端的自組網(wǎng)模式。單臺監(jiān)測終端檢測到氣體濃度異常情況時，協(xié)議綁定的監(jiān)控終端及其他監(jiān)測終端將聯(lián)動報警。

(2)區(qū)域內(nèi)監(jiān)控終端聯(lián)動報警。根據(jù)氣體異常情況波及范圍參數(shù)設(shè)置，結(jié)合多臺監(jiān)控終端設(shè)備間的組網(wǎng)模式，實現(xiàn)范圍區(qū)域報警聯(lián)動。基于PHP語言開發(fā)多設(shè)備間的組網(wǎng)程序，單點監(jiān)控終端報警后進行報警命令傳輸，服務器根據(jù)氣體濃度異常信息、GPS/BD定位信息和內(nèi)置的波及范圍參數(shù)精確定義關(guān)聯(lián)范圍，確定聯(lián)動監(jiān)控終端設(shè)備后發(fā)送聯(lián)動報警指令，并對系統(tǒng)客戶端進行異常事件的報警提醒，如圖4所示。自組網(wǎng)聯(lián)動報警可有效擴大報警范圍，及時提醒區(qū)域內(nèi)外相關(guān)人員采取應急處置措施。

圖4 區(qū)域聯(lián)動報警程序流程

2.2.2 風險分析展示與應急處置機制

安全監(jiān)控平臺可對獲取的視頻實時監(jiān)控信息進行智能分析?；趫D像特征識別的深度學習算法和模塊，利用視頻智能分析技術(shù)對采集到的現(xiàn)場視頻圖像素材進行處理。通過建立相應的報警規(guī)則和閾值，智能識別出現(xiàn)場不戴安全帽、不穿戴安全帶、叉車危險操作、抽煙等多種典型違章行為，自動進行報警。最終結(jié)合現(xiàn)場多維信息的融合分析，根據(jù)風險報警數(shù)據(jù)的應急處置措施、流程和權(quán)限進行異常處置程序的配置，實現(xiàn)視頻實時監(jiān)控、電子地圖和報警信息和應急措施的通知等功能，以智能手段輔助人員識別、分析和處置現(xiàn)場多風險異常情況，如圖5所示。

圖5 報警信息分析研判與應急處置

3 結(jié)論

針對石化企業(yè)安全監(jiān)管上的問題，提出了一種分體式多功能監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控、視頻智能分析、氣體監(jiān)測、報警聯(lián)動和主動推送功能。

(1)深入分析了LoRa技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的適用性，設(shè)備利用LoRa穿透性強的特點，有效解決了信號屏蔽嚴重的生產(chǎn)現(xiàn)場風險數(shù)據(jù)傳輸受阻的問題，從而實現(xiàn)了監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備的分體式模塊化，LoRa模塊的應用使得設(shè)備具有更廣泛的監(jiān)測范圍和更高的防爆性能。

(2)基于LoRa/蜂窩通信技術(shù)混搭融合網(wǎng)絡方案，實現(xiàn)設(shè)備間的組網(wǎng)關(guān)聯(lián)和聯(lián)動報警，形成區(qū)域監(jiān)測覆蓋，解決監(jiān)控設(shè)備覆蓋面廣而報警范圍小的問題，提高應急響應的時效性。

(3)利用視頻智能分析、多維數(shù)據(jù)融合分析研判和報警管理與處置等智能化手段，實現(xiàn)“被動”人員監(jiān)管向“主動”智能監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，增強現(xiàn)場風險防控和事故應急預警能力，不斷提升石化企業(yè)智能化安全監(jiān)管水平。