張國玲，亓文斌

（1.河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院滄州分院，河北滄州,061001；2.滄州職業(yè)技術學院，河北滄州,061001)

0 引言

所謂“安全生產(chǎn)”，是指在生產(chǎn)經(jīng)營活動中，為了避免造成人員傷害和財產(chǎn)損失的事故而采取相應的事故預防和控制措施，保證生產(chǎn)經(jīng)營活動得以順利進行的相關活動。是指采取一系列措施使生產(chǎn)過程在符合規(guī)定的物質條件和工作秩序下進行[1]，有效消除或控制危險和有害因素，使生產(chǎn)經(jīng)營活動得以順利進行的一種狀態(tài)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術的發(fā)展，通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、紅外線感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，可實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。

開發(fā)一種將物聯(lián)網(wǎng)技術運用到高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)事故隱患的監(jiān)測及預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)事故隱患的監(jiān)測及預警是本課題組的研究目的。

1 應用環(huán)境及技術分析

滄州市石油和化學工業(yè)發(fā)展歷史悠久，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了包括石油化工、鹽化工、煤化工和精細化工等在內(nèi)的完整的生產(chǎn)體系，成為滄州市工業(yè)經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)。

石油化工行業(yè)屬于高危產(chǎn)業(yè)，其具有顯著的特殊性，

(1)化工行業(yè)危險物品較多，火災危險性級別高，發(fā)生事故后極易造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損毀。

(2)使用危險物品多，事故易造成環(huán)境污染和火災發(fā)生。

(3)危險物品多，火災情況復雜，滅火救援難度大，加大救援人員的危險性。

針對以上特點，進行歸納總結?？芍颈O(jiān)測及預警系統(tǒng)主要監(jiān)測的重點在于特種設備、專用設備、工業(yè)流程、規(guī)范操作和生產(chǎn)環(huán)境幾個主要方面。通過各種類型的傳感器獲取如溫度、壓力、振動、電壓、電流及濃度等相關參數(shù)從而獲得各種設備或介質的工作狀態(tài)；同時通過對環(huán)境溫度、濕度、風向、風速以及氣壓的監(jiān)測獲取生產(chǎn)環(huán)境的實時數(shù)據(jù)；再有就是引入機器視覺技術，通過對人員或設備的異常現(xiàn)象進行分析并作出預判，避免不安全行為導致的后果。

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結構設計和制作

■2.1 系統(tǒng)需求分析

通過調研高危產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)安全事故的種類，并結合本地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構的實際情況，設計實現(xiàn)多種實用功能，保障本系統(tǒng)針對高危產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)事故隱患的監(jiān)測和預警發(fā)揮應有的功能[2]，設計技術指標及實現(xiàn)功能如下：

首先，實時監(jiān)測生產(chǎn)設備，通過各種類型的傳感器獲取如溫度、壓力、振動、泄漏電流等安 全相關的參數(shù)，并記錄存儲相關數(shù)據(jù)及預警；

其次，實時監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境，如溫度、風向、風速、大氣壓強、相對濕度、粉塵濃度等參數(shù) ，并記錄存儲相關數(shù)據(jù)；

再次，通過基于物聯(lián)網(wǎng)的機器視覺技術，對操作人員的異?，F(xiàn)象進行分析，針對分析結果進 行預判，避免人的不安全行為導致的后果；

最后，政府監(jiān)管部門可以利用物聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)及時了解各個企業(yè)的安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，對其安全監(jiān)管做出指導。

■2.2 系統(tǒng)設計方案

監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案包括系統(tǒng)的基本處理流程、系統(tǒng)的組織結構、模塊劃分、功能分配、接口設計、運行設計等。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡基本拓撲結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡基本拓撲結構圖

本系統(tǒng)可采用多種組網(wǎng)技術混合的方式，針對生產(chǎn)流程和生產(chǎn)環(huán)境的實際情況進行靈活配置。

針對傳輸距離不超過100米且數(shù)據(jù)流量較小的子節(jié)點如溫度傳感器、壓力傳感器、應力傳感器等，可采用Zigbee技術和導線傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式[3]。

針對數(shù)據(jù)流量大，且傳輸距離不超過500米的子節(jié)點如機器視覺應用節(jié)點，可采用Wi-Fi技術配合Zigbee、LoRa技術或導線傳輸進行組網(wǎng)。

圖2 信息結構模型圖

針對跨區(qū)域或異地的監(jiān)控節(jié)點，可采用Gprs、4G或5G移動通訊技術配合其他組網(wǎng)方式，從而達到跨區(qū)域或異地監(jiān)測預警。

■2.3 系統(tǒng)硬件搭建

傳感器與MCU采用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)吞吐量大并且由于其為兩線制串行總線，可大大減少PCB的復雜程度。

I2C是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。

根據(jù)MCU與傳感器的選型和通訊方式和系統(tǒng)原理驗證試驗的測試結果，采用完全開源的立創(chuàng)EDA系統(tǒng)設計PCB板。

圖3 ESP8266配合RDA8955樣板圖

■2.4 系統(tǒng)軟件開發(fā)

針對選用的基于NODEMCU固件的ESP8266 MCU和基于OpenLuat固件的RDA8955 MCU，采用輕量級的腳本語言“Lua”進行主程序開發(fā)。

Lua是一種小巧的腳本語言，其設計目的是為了嵌入應用程序中，從而為應用程序提供靈活的擴展和定制功能。最重要的是一個完整的Lua解釋器不過200k，在目前所有腳本引擎中，Lua的速度是最快的，并且同時具備很高的執(zhí)行效率。

其進行socket連接的簡單代碼示例如下：

■2.5 系統(tǒng)整合與部署

本系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)的應用應結合監(jiān)測目標企業(yè)實際生產(chǎn)流程中各個監(jiān)測節(jié)點的情況靈活配置。

在其工藝流程中的關鍵節(jié)點配置相應參數(shù)采集裝置，以獲取設備運行中的相關安全參數(shù)。相應的傳感器，可根據(jù)實際情況進行調整?？墒拐妆O(jiān)測預警系統(tǒng)獲得設備運行時的相應參數(shù)，從而根據(jù)設定的閾值進行判斷，整體生產(chǎn)過程是否在可控范圍之內(nèi)。同時根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)實際的地理布局，將各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)通過物聯(lián)網(wǎng)有機的結合在一起，使整個生產(chǎn)、貯存及運輸過程全部處于本系統(tǒng)的監(jiān)測之內(nèi)。并且通過廣域網(wǎng)，將涉及安全生產(chǎn)因素的設備運行參數(shù)直接報送政府監(jiān)管部門和緊急救援部門。

3 監(jiān)測預警系統(tǒng)測試和驗證

本系統(tǒng)在設計定型之后，通過采用計算機仿真模擬的方式進行了大量的驗證。通過驗證數(shù)據(jù)可知本系統(tǒng)針對高危行業(yè)的生產(chǎn)安全有著較大的促進作用[4]。本系統(tǒng)實現(xiàn)了以下技術關鍵點：

(1)實時監(jiān)測生產(chǎn)設備，通過各種類型的傳感器獲取如溫度、壓力、振動、泄漏電流等安全相關的參數(shù)，并記錄存儲相關數(shù)據(jù)及預警。

(2)實時監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境，如溫度、風向、風速、大氣壓強、相對濕度、粉塵濃度等參數(shù)，并記錄存儲相關數(shù)據(jù)。

(3)通過基于物聯(lián)網(wǎng)的機器視覺技術，對操作人員的異?，F(xiàn)象進行分析，針對分析結果進行預判，避免人的不安全行為導致的后果。

圖4 有限元仿真結果圖例

4 結論

由于本系統(tǒng)涉及問題方面大、涵蓋內(nèi)容多，且研究小組人力資源和經(jīng)濟資源有限，因此本系統(tǒng)在現(xiàn)階段難免還存在各種問題。

但是通過研究小組的不懈努力和相關合作單位的大力支持，本系統(tǒng)已經(jīng)在實現(xiàn)原理和實際開發(fā)部署方面取得了很大的成果。但是，本監(jiān)測預警系統(tǒng)距離實際場景的應用還存在一定的距離，研究小組日后還有很多的研究工作需要繼續(xù)進行，爭取能早日將該系統(tǒng)引入到實際生產(chǎn)應用中去，使其產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟效益。