胡萬宏，高 亮，段州君，李 強，唐 君，程 洪，馬燕娟，閆 全，徐一旻

(1.湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北中煙工業(yè)有限責任公司，湖北 武漢 430040；3.武漢理工光科股份有限公司，湖北 武漢 430070；4.武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北 武漢 430070)

在我國，煙草行業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，是國家稅收的重要保障。煙草生產(chǎn)企業(yè)的消防安全管理工作是企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要部分，是實現(xiàn)經(jīng)營目標和提高經(jīng)濟效益的重要保證[1]。隨著國家經(jīng)濟發(fā)展方式轉變和產(chǎn)業(yè)結構的調整，煙草生產(chǎn)企業(yè)消防、安全生產(chǎn)、安防管理面臨著新的形勢和挑戰(zhàn)，加之煙草生產(chǎn)企業(yè)作為特種行業(yè)，具有投資額大、生產(chǎn)線長、煙葉易燃等特點，一旦發(fā)生事故波及面廣、損失大、影響嚴重[2]，因此，煙草生產(chǎn)企業(yè)的消安防管理至關重要。

通過查閱文獻和現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，目前煙草企業(yè)消防與安全管理采用傳統(tǒng)人防為主的管理模式，存在隱患排查不深入、基礎安全設施配置不全、現(xiàn)場監(jiān)控技術手段落后、安全信息化產(chǎn)品應用不高等管理痛點[3]，亟需借助信息化手段提升管理水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術等新一代信息技術在各行業(yè)的滲透，煙草行業(yè)的信息化、智能化應用也迎來了快速發(fā)展期。在此背景下，如何利用新一代信息技術，深度融合煙草行業(yè)消防安全管理需求，推動消防安全管理數(shù)字化和智能化轉型，成為煙草行業(yè)面臨的重要難題[4]。

圍繞煙草行業(yè)消防與安全管理痛點，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術，以“前端物聯(lián)全息感知、隱患智能識別分析、消安防一體化聯(lián)動”為突破口，搭建消安防智能一體化平臺，創(chuàng)新企業(yè)消防安全管理模式，推動管理從“人防”向“人防+技防”轉變，構建企業(yè)消防與安全管理信息化、智能化的新格局。

1 平臺架構設計

根據(jù)對煙草行業(yè)消安防管理業(yè)務需求的整體分析與梳理，借鑒《全國安全生產(chǎn)信息化總體建設方案》提到的安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)的總體技術架構，按照分層設計思想，自下而上分為物聯(lián)感知層、網(wǎng)絡服務層、支撐服務層、應用層、統(tǒng)一集成門戶，以及兩大標準規(guī)范體系、安全與運維保障體系，形成“五層兩體系”的架構[5]，如圖1所示。①物聯(lián)感知層：包括傳統(tǒng)消防設施、智能水壓檢測儀、智能液位檢測儀、氣體檢測儀、網(wǎng)絡智能攝像機等前端感知和信息收集物聯(lián)設備。②網(wǎng)絡服務層：采用虛擬化和池化方式，提供計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源、管理資源、備份資源、安全和災備等資源，并按照業(yè)務劃分資源池，提供相應服務。③支撐服務層：包括智能感知服務模塊、智能監(jiān)控服務模塊、數(shù)據(jù)分析服務模塊和基礎管理服務模塊四大應用支撐服務模塊。④應用層：分為核心業(yè)務管理、移動辦公管理、可視化管理三大應用模塊。⑤統(tǒng)一集成門戶(綜合展示層)：提供PC端、移動APP端等多種載體，全方位、多維度、多視角展示應用服務，實現(xiàn)服務與應用的便捷訪問和可視化展現(xiàn)。⑥標準規(guī)范體系：按照系統(tǒng)性、協(xié)調性、實用性、先進性原則，遵照國家信息化平臺建設相關標準，建設統(tǒng)一的標準規(guī)范，為各平臺、各系統(tǒng)之間信息交換和共享提供技術規(guī)范。⑦安全與運維保障體系：根據(jù)《信息安全技術 網(wǎng)絡安全等級保護基本要求》(GB/T 22239—2019)、《信息安全技術 操作系統(tǒng)安全技術要求》(GB/T 20272—2019)、信息技術基礎架構庫(ITIL)標準和 ISO 20000 質量管理體系等標準要求，通過物理安全、網(wǎng)絡安全、系統(tǒng)安全、應用安全和終端安全防護，建立自主運維和市場化運維相結合信息化運維保障機制，為軟硬件設備設施和業(yè)務應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的信息安全與系統(tǒng)運維服務。

圖1 平臺總體架構

2 平臺關鍵技術及建模方法

圍繞平臺總體架構的各層級功能、業(yè)務和服務，重點研究物聯(lián)感知、人工智能、圖像識別技術、數(shù)據(jù)匯聚分析與可視化技術在煙草行業(yè)消安防管理業(yè)務領域的應用，建立針對性的技術模型，實現(xiàn)前端全域物聯(lián)感知、隱患智能識別和消安防智能一體化管理。

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的全域實時物聯(lián)感知技術

煙草行業(yè)消防與安全管理涉及視頻監(jiān)控設施、消防設施、鍋爐、生產(chǎn)設備設施等前端設施，根據(jù)物聯(lián)接入要求，針對不同類型的前端設施，基于窄帶通信技術(NB-IoT、LoRa)，研發(fā)物聯(lián)接專用網(wǎng)關(物聯(lián)傳輸裝置)，設計接入軟件協(xié)議和接入方案，配置相應的輔助設施如路由器、交換機等[6]。

(1)視頻監(jiān)控全息聯(lián)動技術。基于消安防業(yè)務一體化可視聯(lián)動需求，將視頻監(jiān)控接入平臺，為應急指揮、入侵告警等功能實現(xiàn)提供支持。針對企業(yè)存量視頻提供兩種接入方案：一是前端設備廠家將設備升級支持GB/T 28181—2016協(xié)議；二是新增視頻接入專用網(wǎng)關，對前端進行整合。視頻接入方案示意圖如圖2所示。

圖2 視頻接入方案示意圖

國標升級后接入方案：視頻接入與智能分析支撐模塊基于國標GB/T 28181—2016協(xié)議定義，實現(xiàn)對于符合GB/T 28181—2016的視頻監(jiān)控設備(IPC、NVR等)的直接接入，通過互聯(lián)網(wǎng)“端-云”直連，提供遠程查看實時視頻、歷史錄像、云臺控制(PTZ)等核心功能。國標升級方案支持在互聯(lián)網(wǎng)上運行，可實現(xiàn)與國標平臺、設備、客戶端的直連。

視頻網(wǎng)關接入方案：對于符合ONVIF、GB/T 28181—2011協(xié)議和326種第三方私有協(xié)議的視頻監(jiān)控設備(IPC、NVR等)，支持通過接入視頻網(wǎng)關設備將局域網(wǎng)視頻設備協(xié)議進行轉換，實現(xiàn)設備主動注冊、視頻圖片數(shù)據(jù)主動推送至互聯(lián)網(wǎng)上的云端平臺。視頻接入網(wǎng)關可自動發(fā)現(xiàn)企業(yè)內網(wǎng)的攝像頭、NVR、DVR設備，通過簡單的配置流程，實現(xiàn)企業(yè)視頻的無縫快速聯(lián)網(wǎng)，并且可保障互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡安全問題。視頻網(wǎng)關通過跨網(wǎng)段單向聯(lián)通技術，只需要現(xiàn)場監(jiān)控私網(wǎng)內路由器/交換機存在空余網(wǎng)口，并提供互聯(lián)網(wǎng)上行鏈路，即可通過視頻接入網(wǎng)關打通監(jiān)控私網(wǎng)至視頻接入與智能分析支撐平臺的安全鏈路。

(2)物聯(lián)設施多維感知技術。物聯(lián)設備包括火災報警控制主機、鍋爐控制主機、天然氣泄漏控制主機等控制設備，以及用于感知企業(yè)傳統(tǒng)消防設施信號和監(jiān)測現(xiàn)場水壓、液位、溫度、火焰等數(shù)據(jù)的物聯(lián)設備。通過創(chuàng)建外部數(shù)據(jù)訪問專用端口關聯(lián)設備，采用有線方式和NB-IoT、LoRa等無線方式，使用COAP與MQTT通信協(xié)議，將其信號接入平臺PC端、移動終端等，如圖3所示。通過創(chuàng)建事件訂閱轉發(fā)接口，將物聯(lián)設備發(fā)出的預警事件實時推送給相關的服務或應用[7]。

圖3 設施物聯(lián)示意圖

2.2 基于自適應基準圖像隱患庫的隱患智能識別方法

為解決隱患智能識別問題，提出一種基于自適應基準圖像隱患庫的隱患識別方法，按照“創(chuàng)建文本隱患庫-創(chuàng)建基準圖像隱患庫-獲取待識別圖像-圖像配準-圖像隱患庫更新”的流程實現(xiàn)隱患智能識別。通過現(xiàn)場樣本采集，建立原始基準圖像隱患庫，借助常用的數(shù)字圖像處理方法對訓練樣本進行不同的變換，增加數(shù)據(jù)的多樣性，豐富基準圖像隱患庫。在此基礎上，利用損失函數(shù)，反復迭代訓練檢測模型，提高圖像配準水平，同時自動完善基準隱患圖像庫，提高隱患識別的準確度，完善隱患類型[8]。其中，樣本預處理、訓練檢測模型建立與優(yōu)化是該方法的核心。

(1)樣本預處理包括圖像歸一化和樣本標注兩個步驟：①通過坐標中心化、x-shearing歸一化、縮放歸一化和旋轉歸一化，將待處理的原始圖像轉換成相應的唯一標準形式；②針對原始圖像，利用opencv計算機視覺庫，編寫圖片標注程序，并批量保存圖片的標注信息，生成帶標簽的訓練樣本。

(2)訓練檢測模型建立與優(yōu)化。采用改進的Faster-RCNN網(wǎng)絡對圖像中特定的對象進行圖像檢測[9-10]。圖像檢測的關鍵任務是候選區(qū)域的產(chǎn)生，可以使用窮舉法來產(chǎn)生候選區(qū)域。A為圖像上的某個像素點，B為A右下方另外一個像素點，A、B兩點可以確定一個矩形框，記作AB。如在圖4(a)中，A在圖像左上角位置，B遍歷除A之外的所有位置，生成矩形框A1B1,A1B2,…,A1Bn；而在圖4(b)中，A在圖像中間某個位置，B遍歷A右下方所有位置，生成矩形框AkB1,AkB2,…,AkBn。

圖4 候選區(qū)域

檢測過程中，通過不斷調整閾值來控制檢測出的目標數(shù)量，從而改變準確率P與召回率R。在多個物體類別的目標檢測中，一般用mAP(mean average precision)作為精度指標，即每個類別通過調整閾值得到的一條PR曲線從而計算出平均精準度AP，最后求所有AP的平均值即為mAP:

圖5 模型的詳細評估效果

經(jīng)過上述步驟得到準確率較高的檢測模型后，可將模型部署在公有云服務器或私有服務器上通過獨立Rest API進行調用。使用人員只需要在巡檢過程中使用APP拍攝現(xiàn)場圖片即可，后臺自動分析智能給出可能存在的隱患。

2.3 基于數(shù)據(jù)處理和可視化技術的一體化建模方法

基于數(shù)據(jù)中心建設，經(jīng)過數(shù)據(jù)匯聚、轉換與清洗、融合共享等數(shù)據(jù)處理過程，輸出各功能、服務所需數(shù)據(jù)，結合物聯(lián)感知、視頻聯(lián)動、可視化建模等技術，實現(xiàn)安全消防管理業(yè)務的聚集與聯(lián)動及數(shù)據(jù)的立體全方位展示，從而實現(xiàn)消安防智能一體化[11]。

(1)多維數(shù)據(jù)融合處理技術。①數(shù)據(jù)匯聚是指將不同的業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫中，數(shù)據(jù)匯聚方式主要有文件傳輸、數(shù)據(jù)抽取、內容爬取和消息推送等。②數(shù)據(jù)轉換與清洗是通過列映射、派生列、條件性拆分、排序、聯(lián)接、聚合、SQL腳本、Java腳本等多種手段實現(xiàn)多個不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)合并、不同數(shù)據(jù)集的轉換和同步、數(shù)據(jù)類型和格式的轉換、不同目標表的數(shù)據(jù)分離等。③數(shù)據(jù)融合共享分為交換部分和共享部分。其中，交換部分包括前置交換、中心交換、數(shù)據(jù)質量、分布式請求服務，主要實現(xiàn)與各部門業(yè)務系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)交換，并控制數(shù)據(jù)質量，形成統(tǒng)一規(guī)范的共享資源；共享部分包括資源目錄、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)權限等，實現(xiàn)對集中和分散的資源提供統(tǒng)一的服務。

(2)智能化視頻聯(lián)動技術。視頻聯(lián)動技術原理是接入各種攝像機、DVR、DVS及流媒體服務器等視頻設備，通過智能化圖像識別處理技術，對事件主動預警，通過實時分析，將報警信息傳到軟件平臺。消安防智能視頻分析應用包括入侵檢測、人員離崗檢測、人臉識別、火焰檢測、煙霧檢測等。

(3)集群作業(yè)流管理技術。通過整合集成開發(fā)環(huán)境、工作流引擎、報表設計器及數(shù)據(jù)建模工具等應用開發(fā)套件，將碎片化的服務從方便用戶角度重新串聯(lián)，進行流程設計、表單定制、執(zhí)行監(jiān)控、指標分析等工作，實現(xiàn)文檔、信息或任務按一定的過程規(guī)則在參與者之間進行傳遞，并支持作業(yè)流自主維護、自動匹配、可視化呈現(xiàn)。

以火警應急聯(lián)動為例，其一體化聯(lián)動過程如圖6所示?；谇岸艘曨l監(jiān)控設備的現(xiàn)場監(jiān)控圖像及圖像分析技術，識別是否有火災；基于煙感、溫感、火焰探測器、氣體監(jiān)測儀、火災報警控制器等前端物聯(lián)感知設備狀態(tài)和獲取告警數(shù)據(jù)，及時獲取火災警情信息。當確認為火災時，第一時間向相關人員推送事件信息及行動指令，并以GIS地圖、二維模型展示，自動聯(lián)動周邊視頻攝像頭，并在地圖中展示內部人員定位信息、應急資源分布信息以及周邊水源、警力、救護力量分布信息，為應急指揮提供支持[12]；應急指揮人員可第一時間調看事件信息及資源分布，應急處理人員根據(jù)系統(tǒng)行動指令進行現(xiàn)場處理，現(xiàn)場人員根據(jù)系統(tǒng)告警信息和逃生路線信息進行應急逃生。

圖6 火警應急聯(lián)動示意圖

3 平臺應用分析

(1)基于智能標簽的移動隱患排查功能。煙草行業(yè)對鍋爐間、生產(chǎn)車間、特種設備、重點部位等重點管控區(qū)域或設備設施的隱患排查工作非常重視，該平臺通過在安全檢查、日常檢查、消防巡檢的點位配置帶NFC功能的智能標簽，支持檢查、巡檢人員直接使用掃描標簽，或者使用帶有NFC功能的移動終端與智能標簽近距離感應，完成檢查、巡檢任務，同時將人員身份、位置信息等自動傳輸至平臺，實現(xiàn)智能化的檢查、巡檢，從而杜絕人員漏檢和造假情況，確保重點管控區(qū)或設備設施的隱患排查工作執(zhí)行到位。

(2)基于圖像識別的AI識隱患智能功能。隱患排查過程中，針對人員不知道所在場景是否存在隱患、存在哪些隱患等問題，開發(fā)AI識隱患智能功能。用戶使用APP執(zhí)行安全檢查、日常檢查任務時，可調取隱患識別功能，現(xiàn)場拍照上傳后，平臺后端進行圖像識別、配準，前端輸出隱患識別結果。使用該功能，既可解決員工不會識別隱患、隱患識別不全面或不準確的問題，又可以不斷積累隱患庫，提高員工隱患識別能力。

(3)基于移動視頻的作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)管功能。煙草行業(yè)涉及高處作業(yè)、動火作業(yè)、吊裝作業(yè)、受限空間作業(yè)、薰蒸殺蟲作業(yè)、拆除作業(yè)等危險作業(yè)。鑒于危險作業(yè)存在風險高、隱患多、涉及人員的主觀因素多等特點，結合作業(yè)流程、行為規(guī)范和移動監(jiān)控等需求，以煙草企業(yè)安全生產(chǎn)標準化規(guī)范(YC/T 384—2018)和企業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)章制度、操作規(guī)程為依據(jù)，結合移動視頻技術[13]，研發(fā)作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)管功能。通過設定危險作業(yè)各流程環(huán)節(jié)的規(guī)定性動作，包括安全技術交底、現(xiàn)場監(jiān)護打卡等，確保作業(yè)規(guī)范；通過APP、微信小程序等移動終端，支持用戶使用手機或現(xiàn)場布設的移動視頻設備，進行分享現(xiàn)場視頻、實時對講、調閱監(jiān)控等功能，實現(xiàn)作業(yè)流程信息化、作業(yè)行為規(guī)范化、作業(yè)過程可視化、作業(yè)監(jiān)護移動智能化，確保危險作業(yè)全流程無死角的監(jiān)控，有效避免事故發(fā)生。

(4)基于BIM建模的可視化管理?；贐IM建模和可視化技術[14]，實現(xiàn)生產(chǎn)車間、鍋爐房、消控室、行政樓、餐廳等建筑三維、二維可視化展示，并將消防設施、安全檢查、日常檢查、隱患治理、設施告警、事件告警等各類數(shù)據(jù)以消安防一張圖、數(shù)據(jù)卡片、統(tǒng)計圖表、消息等直觀的形式展示。

綜上，消安防智能一體化平臺的重點功能，對煙草企業(yè)消安防管理具有較大的促進作用，不僅可以提高工作質量和效率，還可以將工作落到實處，減少或規(guī)避走形式、偷懶等問題的出現(xiàn)。

4 結論

(1)通過研發(fā)火焰探測器、水壓監(jiān)測儀、噪聲傳感器等前端物聯(lián)終端和物聯(lián)中間件，實現(xiàn)了多種消防設施、安防設備設施、監(jiān)測設備、鍋爐主機、天燃氣泄漏報警主機等設備的接入，滿足了煙草生產(chǎn)企業(yè)實時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場消防、安防、隱患、環(huán)境、職業(yè)健康等數(shù)據(jù)的需求，實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場的全時全域監(jiān)控，延伸了企業(yè)消安防管理觸角。

(2)通過設定多場景應急聯(lián)動規(guī)則，實現(xiàn)了火警、人員非法入侵等場景下的消安防一體化聯(lián)動，提高了企業(yè)應對突發(fā)事件的能力。

(3)利用基于自適應基準圖像庫的隱患識別方法，創(chuàng)新性地將人工智能圖像識別技術應用在煙草行業(yè)隱患識別領域，突破了提高企業(yè)隱患排查能力的技術瓶頸。