董志軍，陳鴻鑫，王 波，英成境，孫宇迪

(1.國家能源集團宿遷發(fā)電有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039)

0 引言

火電廠輸煤系統(tǒng)是電廠安全管控業(yè)務(wù)的重點防護區(qū)域。輸煤系統(tǒng)具有生產(chǎn)區(qū)域大、戰(zhàn)線長、易磨損、故障擴散速度快等特點，在生產(chǎn)過程中故障與缺陷的排查難度大、人力成本高，制約了設(shè)備異常的早期識別及預警，降低了設(shè)備的可靠性。同時，輸煤系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，粉塵大、噪音高，易產(chǎn)生職業(yè)健康問題，易燃易爆粉塵也易導致火災(zāi)事故。輸煤系統(tǒng)的工作人員中，外部人員較多，人員結(jié)構(gòu)復雜，人員管控難度較大。此外，輸煤區(qū)域大型機械設(shè)備較多，是機械傷害事故的高發(fā)區(qū)域。

本質(zhì)安全管理的管理理念是以事故前的檢測與預防為基礎(chǔ)，不斷健全管理措施，從根本上提高輸煤系統(tǒng)的安全性，減少電廠事故的發(fā)生?，F(xiàn)有輸煤系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)智能化程度有限，監(jiān)測功能單一，多系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與電廠原有控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合存在困難。因此，在本質(zhì)安全管理中應(yīng)用先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)是提高火電廠輸煤系統(tǒng)安全性、降低事故發(fā)生率的重要方向。

1 輸煤系統(tǒng)安全運行現(xiàn)狀

輸煤系統(tǒng)的安全運行包括燃料的安全及時輸送、運行人員安全及運行設(shè)備安全。本質(zhì)安全管理體系是一套以危險源辨識為基礎(chǔ),以風險預控為核心,以管理員工不安全行為為重點,以切斷事故發(fā)生的因果鏈為手段，經(jīng)過多周期的不斷循環(huán)建設(shè)，通過閉環(huán)管理，逐漸完善提高的全面、系統(tǒng)、可持續(xù)改進的現(xiàn)代安全管理體系。

1.1 燃料輸煤系統(tǒng)安全問題分析

(1)?輸煤皮帶異常風險：輸煤皮帶的跑偏、打滑、堵煤漏煤，輸煤皮帶工作面破損、撕裂等。皮帶運行過程中兩側(cè)受力不均勻或是運行參數(shù)設(shè)置不合理等都有可能導致皮帶跑偏，皮帶跑偏就有可能引起跑煤漏煤等情況；皮帶打滑會導致設(shè)備磨損；若煤料中含有體積較大的煤塊或是尖銳的金屬雜質(zhì)，可能會導致皮帶撕裂或出料口堵煤。

(2)?火災(zāi)風險：輸煤區(qū)域含有煤粉等爆炸性粉塵，在密閉區(qū)域如輸煤廊道、轉(zhuǎn)運站中濃度過高可引起爆炸;電纜、煤堆等處溫度過高也易引發(fā)火災(zāi)。

(3)?設(shè)備故障風險：輸煤區(qū)域安裝有大量電機等機械設(shè)備，長期運行中，由于分布范圍較廣且現(xiàn)場條件復雜，若不能有效集中監(jiān)控，設(shè)備健康狀況易產(chǎn)生盲點，容易由此引發(fā)設(shè)備故障。

(5)?職業(yè)健康風險：輸煤區(qū)域環(huán)境較差、粉塵濃度較高，若未能有效監(jiān)測環(huán)境變量，不能有效控制粉塵濃度，易發(fā)生職業(yè)健康問題。

(6)?人身傷害事故風險：輸煤區(qū)域有斗輪機、清倉吊等大型機械設(shè)備，運行過程中周圍區(qū)域嚴禁人員靠近，否則容易發(fā)生機械傷害事故。

1.2 輸煤系統(tǒng)安全運行有效措施

(1)?人員安全：加強員工安全教育培訓，嚴格監(jiān)督員工作業(yè)規(guī)范及行為規(guī)范，對作業(yè)違章、行為違章進行實時監(jiān)控、記錄、報警。

(2)?設(shè)備安全：系統(tǒng)重要設(shè)備振動、溫度等參數(shù)實時監(jiān)控并記錄，對設(shè)備運行關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢進行分析，判斷設(shè)備健康狀態(tài)，對可能發(fā)生的設(shè)備故障進行預警。通過視頻監(jiān)控、編碼器、接觸開關(guān)等復合技術(shù)手段對皮帶機運行進行全方位監(jiān)控，監(jiān)控其撒煤、漏煤、撕裂、打滑、跑偏等情況。

(3)?作業(yè)安全：通過門禁、人員定位、視頻監(jiān)控等手段，提升作業(yè)規(guī)范性。結(jié)合工作票、操作票等管控手段，對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵區(qū)域進入權(quán)限、關(guān)鍵作業(yè)過程合規(guī)進行全方位管控。

從當前工業(yè)建筑設(shè)計來看，多數(shù)采用單層鋼結(jié)構(gòu)形式，也就是我們常說的工業(yè)廠房，由于工業(yè)建筑與住宅建筑在使用功能和結(jié)構(gòu)形式等多方面都存在不同，它的屋面設(shè)計也比價復雜，通常情況下屋面與墻體面積差不多，甚至有時候會超過墻體面積，比如：大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房，這也給屋面設(shè)計提出較高的要求。屋面保溫設(shè)計是一種常見的節(jié)能技術(shù)，在選擇材料的時候需要選擇密度小、導熱系數(shù)高的環(huán)保材料，除此之外，屋面設(shè)計還應(yīng)該重視防水層材料的選擇，盡量不選擇吸水性強的材料，避免保溫層水分過多而影響保溫效果。

(4)?環(huán)境監(jiān)控：通過測溫、視頻監(jiān)控、煙感等手段，全面監(jiān)測輸煤區(qū)域火警風險，針對過溫、明火、暗火等情況及時報警。監(jiān)控作業(yè)場所溫度、噪音、粉塵濃度、有害氣體等指標，嚴格控制其在合格范圍內(nèi)，減少職業(yè)健康風險。

2 輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)目標

(1)?通過視頻監(jiān)控設(shè)備，搭建生產(chǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合圖像處理、圖像識別技術(shù)，對人員作業(yè)違章、行為違章進行實時監(jiān)控、記錄、報警，提升生產(chǎn)人員作業(yè)與行為規(guī)范性，保障人員安全。

(2)?通過底層傳感設(shè)備，實時監(jiān)控關(guān)鍵電機設(shè)備振動、溫度指標，通過數(shù)據(jù)分析，對故障及時預警。實時監(jiān)控皮帶故障及異常情況，對撕裂等故障及時報警，提升設(shè)備安全。

(3)?通過電子兩票與人員定位、門禁、視頻監(jiān)控設(shè)備結(jié)合，對關(guān)鍵作業(yè)流程進行全方位監(jiān)控，提升作業(yè)安全。

(4)?通過底層傳感設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等實現(xiàn)環(huán)境溫度、噪音、粉塵濃度、有害氣體實時監(jiān)控，針對過溫、明火、暗火等情況及時進行報警，對粉塵濃度超標等危害職業(yè)健康情況進行報警。

(5)?通過統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)平臺整合各項功能、管理底層設(shè)備、對接其他系統(tǒng)，并實現(xiàn)統(tǒng)一展示與報警。

2.2 系統(tǒng)框架

智能管控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，分為5層結(jié)構(gòu)。底層的感知層匯聚系統(tǒng)中各類采集終端設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一接入和分類管理。終端設(shè)備主要包括定位基站、定位標簽、高清攝像機、各類傳感器等。感知層向上將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層以滿足工業(yè)應(yīng)用的無線、有線網(wǎng)絡(luò)等方式完成數(shù)據(jù)的高效傳輸，并通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接口設(shè)備、服務(wù)器等構(gòu)成完備統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)層作用是匯聚經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要，形成各類應(yīng)用數(shù)據(jù)，主要包括：用以實現(xiàn)智能圖像分析的監(jiān)控視頻圖像數(shù)據(jù)；用以實現(xiàn)設(shè)備同步及操作的設(shè)備數(shù)據(jù)；身份信息、人臉信息等人員數(shù)據(jù)。平臺層為定制開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，為前端感知設(shè)備和業(yè)務(wù)應(yīng)用起到數(shù)據(jù)接入、管理和傳輸?shù)闹袠凶饔?。平臺通過對接傳感器、門禁、攝像頭、人員定位等設(shè)備，實現(xiàn)對不同協(xié)議的各類終端的統(tǒng)一管理，同時對接上層業(yè)務(wù)應(yīng)用以接口的形式提供數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動控制，以滿足其他對接系統(tǒng)對于設(shè)備的控制需求。本平臺主要包含設(shè)備的接入與管理、數(shù)據(jù)分析管理與服務(wù)支撐、設(shè)備聯(lián)動控制、任務(wù)指令下發(fā)等功能。頂層的應(yīng)用層可以根據(jù)電廠的實際業(yè)務(wù)，模塊化定制應(yīng)用功能。

2.3 應(yīng)用功能模塊

應(yīng)用層結(jié)合算法服務(wù)、流媒體服務(wù)、統(tǒng)一認證服務(wù)等一系列技術(shù)手段，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐。上層應(yīng)用體系主要包括生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境監(jiān)控與識別、人臉識別、設(shè)備異常識別等應(yīng)用模塊，整個智能管控系統(tǒng)涉及7個方面的主要功能模塊，如圖1中應(yīng)用層所示。

(1)?違章與異常識別報警模塊是通過監(jiān)控攝像頭與圖像識別技術(shù)對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各類違章與異常情況進行辨識并及時報警，分為5個方面的子功能，各部分功能描述如表1所示。

表1 違章與異常識別報警模塊功能

(2)?設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測模塊是集中監(jiān)控各傳感器測量信息，對設(shè)備故障、環(huán)境指標異常等情況進行報警，具體功能設(shè)計如表2所示。

表2 設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測模塊功能

(3)?職業(yè)健康模塊通過溫度、噪音、粉塵濃度傳感器，實時監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境中可能對人員健康產(chǎn)生危害的上述指標情況并集中展示，對超標情況進行報警。

(4)?人員定位模塊是通過定位基站、定位電子標簽等設(shè)備組建定位網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)人員實時定位功能，集中、直觀地展示作業(yè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員數(shù)量、位置及人員信息，并將定位信息與電子化兩票系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，對作業(yè)人員作業(yè)期間跨出作業(yè)區(qū)域、非作業(yè)人員進入作業(yè)區(qū)域、巡檢作業(yè)不到位等行為進行識別與報警，并可即時聯(lián)動視頻攝像頭查看現(xiàn)場情況。

(5)?門禁模塊是通過對重點區(qū)域增加門禁讀卡器，并對員工卡進行授權(quán)，管理重點區(qū)域進入權(quán)限，防止無關(guān)人員進入重點區(qū)域。

(6)?輸煤區(qū)域易積灰電纜目前常用的沖洗方式是人工持水管、水槍清洗。該系統(tǒng)智能水沖洗模塊將沖洗工作由人工改為自動，通過傳感器、攝像頭等智能終端設(shè)備，及時反饋電纜橋架信息，并敷設(shè)沖洗水管，通過遠程控制或自動控制實現(xiàn)自動沖洗，解放相關(guān)工作人員，減輕了工作人員職業(yè)健康風險，消除了人身傷害事故風險，同時節(jié)省人工成本、水費成本，提升工作效率。

(7)?輸煤皮帶自動巡檢機器人可以針對輸煤皮帶實時的運行狀態(tài)智能自主地選擇巡檢模式，通過搭載視覺系統(tǒng)以及其他復合傳感器系統(tǒng)，保持對運行皮帶的全覆蓋實時監(jiān)控，并基于機器學習及大數(shù)據(jù)技術(shù)，指導運行人員及時發(fā)現(xiàn)皮帶打滑、跑偏、撕裂、煤層溫度異常等故障情況。

2.4 集中展示界面

統(tǒng)一管控平臺將系統(tǒng)的7大功能模塊集中管理，分模塊對上傳數(shù)據(jù)集中分析與運算，并集中展示。工作人員通過終端PC或展示大屏可訪問展示界面、查詢數(shù)據(jù)與查看報警信息，實時監(jiān)控整個輸煤系統(tǒng)安全防護情況，可根據(jù)不同的火電廠需求設(shè)計不同的功能模塊和展示平臺界面。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)?基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)多系統(tǒng)、多方面融合及聯(lián)動，提高各個系統(tǒng)使用效率，打破信息孤島。

(2)?應(yīng)用機器視覺感知技術(shù)和深度學習技術(shù)，對視頻圖像內(nèi)目標特征提取，通過模型訓練自主提升識別能力，從而提升對各類異常與違章情況的辨識能力。

(3)?利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對各類傳感器上傳的海量數(shù)據(jù)進行分析，掌握設(shè)備健康變化趨勢，及時預警故障信息。

(4)?基于UWB的高精度定位技術(shù)，其精度滿足人員越界、離崗等違章行為識別要求。

4 預期效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

設(shè)計的輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)對輸煤系統(tǒng)人員安全、設(shè)備安全、作業(yè)安全、環(huán)境安全進行全方位地實時管控，可達到以下效果。

(1)?可以減少人員違章、違規(guī)等現(xiàn)象發(fā)生，降低大型設(shè)備人身傷害風險，保障人身安全。

(2)?對設(shè)備的實時監(jiān)測，輔助代替人工巡檢，可以提高設(shè)備缺陷發(fā)現(xiàn)效率，延長設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備維修成本。

(3)?對輸煤區(qū)域環(huán)境集中檢測，對過溫、火焰等危險因素及時識別，降低區(qū)域火災(zāi)風險；對有害氣體、噪音、粉塵濃度、溫度超標進行及時報警，防止危害人員健康。

(4)?對關(guān)鍵作業(yè)過程全方位監(jiān)控，減少由于人員離崗、擅入、玩忽職守等造成的企業(yè)財產(chǎn)損失。

(5)?實現(xiàn)對輸煤系統(tǒng)全自動、全方位監(jiān)控與識別報警，輔助人員進行管理，提高工作效率，降低人力成本。

4.2 社會效益

輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)可以有效提高輸煤系統(tǒng)安全防護水平，減少事故、違章發(fā)生；推動企業(yè)行業(yè)樹立本質(zhì)安全理念，提高人員安全意識；形成可推廣的輸煤系統(tǒng)本質(zhì)安全智能化應(yīng)用模式，推動智慧企業(yè)建設(shè)，進而推動電力行業(yè)智能化發(fā)展水平，實現(xiàn)電廠安全、高效、靈活運行，達成發(fā)電企業(yè)智能化管控目標。

5 結(jié)束語

針對火電廠輸煤系統(tǒng)安全管理面臨的一系列問題，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺，利用圖像識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，設(shè)計了上述輸煤本質(zhì)安全智能管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全面、實時監(jiān)控輸煤區(qū)域人員、設(shè)備、作業(yè)過程與工作環(huán)境信息。系統(tǒng)自動識別異常并發(fā)出報警，提升安全管控人員對輸煤系統(tǒng)的全面感知能力，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并止損。系統(tǒng)自動分析設(shè)備運行趨勢并發(fā)出預警，從源頭上降低設(shè)備故障率，降低由于設(shè)備故障發(fā)生安全事故的可能性。該系統(tǒng)應(yīng)用提升人員行為、作業(yè)流程的規(guī)范性，提升輸煤系統(tǒng)安全管理的整體水平。