譚 凱，徐 義，楊 拓，何夢(mèng)瑩，楊文睿

（1.湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖北 武漢 430000；2.國(guó)家工業(yè)數(shù)字成像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖北），湖北 武漢 430000）

0 引 言

新冠肺炎的突然襲來(lái)使得全球醫(yī)療體系面臨巨大挑戰(zhàn)，有“生命之氣”之稱的醫(yī)用氧氣用量劇增，氧氣作為呼吸機(jī)、ECOMO等醫(yī)療設(shè)備的氣源[1]，其穩(wěn)定供應(yīng)對(duì)于儀器的正常運(yùn)行與病人的救治至關(guān)重要。醫(yī)用氧氣瓶是盛裝氧氣的主要容器，同時(shí)也是典型的移動(dòng)式壓力容器，目前其安全檢驗(yàn)還是基于固定周期的靜態(tài)檢驗(yàn)。更多的風(fēng)險(xiǎn)是在設(shè)備充裝、卸載等使用過程中[2-4]，如何對(duì)使用過程中的壓力容器設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，對(duì)于特種設(shè)備的安全監(jiān)管具有重要意義。姜吉武等[5-6]對(duì)移動(dòng)式壓力容器的互聯(lián)網(wǎng)+模式進(jìn)行了探討，認(rèn)為這種模式的管理能提高管理質(zhì)量、減少人力資源消耗、降低安全風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)特種設(shè)備進(jìn)行安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是特種設(shè)備安全監(jiān)管的一個(gè)發(fā)展方向[7-9]。盡管很多學(xué)者提倡互聯(lián)網(wǎng)+的管理模式，但真正有效的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)卻鮮見報(bào)道。

目前國(guó)內(nèi)有部分機(jī)構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)供氣系統(tǒng)的壓力、溫度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，雖然提高了供氣系統(tǒng)的管理水平，但這些監(jiān)測(cè)主要針對(duì)儲(chǔ)存氣體介質(zhì)的壓力、溫度和流量，針對(duì)特種設(shè)備裝載氣體的氣瓶本體的安全監(jiān)測(cè)較少[10-11]。本文從特種設(shè)備的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)入手，通過建立缺陷識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及預(yù)警模型，采用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶系統(tǒng)中特種設(shè)備安全狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的氣瓶安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用光纖傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)封閉容器本體的應(yīng)變及其內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的安全狀態(tài)預(yù)警。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

氣瓶安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的主要目的是為了保證能夠?qū)馄繝顟B(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣瓶的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣瓶狀態(tài)的異常，在充氣或者出現(xiàn)缺陷時(shí)，可對(duì)應(yīng)力變化的極限和壓力變化率進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警，使其保持良好的供應(yīng)狀態(tài)，避免依靠人工識(shí)別帶來(lái)的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的物理量包含氣體壓力、氣瓶表面微應(yīng)力、氣體溫度等。

通過對(duì)氣瓶系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)關(guān)于氣瓶充卸使用等過程的狀態(tài)評(píng)估和預(yù)警報(bào)告。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史分析，對(duì)各氣瓶的質(zhì)量演變情況做出預(yù)估。系統(tǒng)根據(jù)氣瓶的應(yīng)力變化量和相關(guān)規(guī)程及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而更好地預(yù)防氣瓶故障帶來(lái)的意外傷害風(fēng)險(xiǎn)，更好地為醫(yī)院安全提供支持，為監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的大規(guī)模設(shè)備監(jiān)管手段。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，分為3個(gè)層次。

底層為傳感器感知層。在醫(yī)院移動(dòng)氣瓶供應(yīng)領(lǐng)域，其感知層對(duì)象主要為供應(yīng)醫(yī)用氣體氣瓶的氣體壓力、氣瓶表面微應(yīng)力、溫度等。在氣瓶上加裝光纖應(yīng)力傳感器，可以將不同氣體所在氣瓶當(dāng)前的物理狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與氣瓶相關(guān)物理量的相互作用下，使器件的光學(xué)性質(zhì)等發(fā)生變化，形成特定的光信號(hào)，再經(jīng)過光纖通信通道送入光電器件，經(jīng)光柵解調(diào)儀后獲得被測(cè)物理量，成為可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字電信號(hào)。

系統(tǒng)第二層為通信層，主要包括數(shù)據(jù)打包、封裝、通信等，以嵌入式通信設(shè)備為中心，將光纖傳感器解調(diào)儀的解調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺(tái)進(jìn)行模型計(jì)算分析。通信層的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，運(yùn)用隊(duì)列算法實(shí)現(xiàn)本層處理器對(duì)上層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的解析及本層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的封裝；同時(shí)建立數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)達(dá)到預(yù)警值的數(shù)據(jù)是否啟動(dòng)故障處理進(jìn)程進(jìn)行區(qū)別；保證自身數(shù)據(jù)的安全，同時(shí)管理本級(jí)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的級(jí)聯(lián)及通信配置。

系統(tǒng)第三層為應(yīng)用層，該層借助云服務(wù)器平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，基于云平臺(tái)建立系統(tǒng)管理模式，易于數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)、分析。目前，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)多采用B/S架構(gòu)，該架構(gòu)采用信息分布式處理方式，可有效降低資源成本，優(yōu)化系統(tǒng)性能。在移動(dòng)客戶端使用氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶可以與互聯(lián)網(wǎng)連接的電腦、智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備上的云服務(wù)器、云虛擬主機(jī)連接，記錄醫(yī)用氣體儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)的氣瓶狀態(tài)信息，并及時(shí)得到關(guān)于氣瓶安全狀態(tài)上限/下限的預(yù)警、報(bào)警信息。監(jiān)管人員可以通過推送信息等進(jìn)行氣瓶安全狀態(tài)的預(yù)警，提前通知用戶及時(shí)處理，在提高監(jiān)管人員工作效率的同時(shí)，減少因故障帶來(lái)的損失。

2 嵌入式硬/軟件設(shè)計(jì)

嵌入式通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備主要具有專用性、靈活性、實(shí)時(shí)性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

（1）專用性指嵌入式系統(tǒng)擅長(zhǎng)于對(duì)相應(yīng)設(shè)備完成對(duì)應(yīng)任務(wù)，這是區(qū)別于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。

（2）靈活性指嵌入式系統(tǒng)一般可靈活配置于系統(tǒng)內(nèi)部而不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

（3）實(shí)時(shí)性指系統(tǒng)采集外部數(shù)據(jù)的頻率能夠在受控時(shí)間內(nèi)對(duì)事件或用戶的干預(yù)做出響應(yīng)。

（4）可靠性指嵌入式系統(tǒng)一旦運(yùn)行就會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不必進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)，能夠可靠運(yùn)行。

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件主要包括處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口等。軟件包括操作系統(tǒng)軟件和專門解決某類問題的專用軟件，這兩種軟件可以組合使用，由應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行，由操作系統(tǒng)控制程序與硬件的交互。

由于物聯(lián)網(wǎng)涉及各種各樣的傳感器設(shè)備，而不同的傳感器設(shè)備遵循不同的通信協(xié)議，同時(shí)針對(duì)大規(guī)模的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，也會(huì)極大地浪費(fèi)云端和網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，尤其隨著時(shí)代的發(fā)展，視頻、音頻等流媒體數(shù)據(jù)也會(huì)加入到評(píng)估模型的識(shí)別中。因此，嵌入式設(shè)備需要具備更強(qiáng)大的功能。

目前的嵌入式通信設(shè)備不僅需要保留通信功能，還需要具備一定的分析存儲(chǔ)能力，能夠在邊緣端進(jìn)行算法分析，篩除部分?jǐn)?shù)據(jù)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

目前大部分嵌入式設(shè)備都采用Linux系統(tǒng)或者裁剪的Linux系統(tǒng)?？紤]到實(shí)時(shí)性的要求，可以擴(kuò)展相應(yīng)的FPGA板用于邏輯和信號(hào)處理，而針對(duì)通信轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)封裝及邊緣計(jì)算等內(nèi)容的處理，大多在操作系統(tǒng)中進(jìn)行。

對(duì)于某些小規(guī)模的單一設(shè)備不涉及視頻等信號(hào)，考慮到量產(chǎn)和成本的問題，可以選擇STM32Fx系列單片機(jī)，配置FPGA板用于部分特殊傳感器的接入和信號(hào)處理。針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用5G模塊或4G模塊，通過網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)串口轉(zhuǎn)發(fā)。圖2所示為嵌入式設(shè)備簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)圖。

圖2 嵌入式設(shè)備簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)圖

3 云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)涉眾分析

系統(tǒng)針對(duì)的用戶主要是醫(yī)院的氣瓶管理人員、供應(yīng)氣瓶的廠商及部分使用人員。醫(yī)院的氣瓶管理人員和供應(yīng)商需要了解氣瓶實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，更加重視氣瓶的細(xì)節(jié)參數(shù)、故障信息。同時(shí)，醫(yī)院的氣瓶管理人員還需要了解各類氣體的投入使用情況，對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行管控和監(jiān)管，并通過歷史使用情況預(yù)判下一批需要采購(gòu)的各類氣體氣瓶的數(shù)量。醫(yī)用氣瓶的使用人員需要了解對(duì)應(yīng)氣瓶的使用情況，判斷是否需要更換氣瓶，并預(yù)判可用時(shí)間。

3.2 系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)

建立氣瓶安全狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系和安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過監(jiān)測(cè)平臺(tái)與安全附件的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)、聯(lián)鎖技術(shù)，將醫(yī)用氣瓶相關(guān)數(shù)據(jù)及輔助分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到相關(guān)工作人員的智能手機(jī)上，便于醫(yī)護(hù)管理人員掌握對(duì)應(yīng)氣瓶的使用信息，還可提出一些輔助決策建議，供管理人員參考。實(shí)現(xiàn)氣瓶安全狀態(tài)的預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)控制管理，最終以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)替代現(xiàn)有氣瓶的定期檢測(cè)。

氣瓶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理：優(yōu)化醫(yī)用氣瓶運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)醫(yī)用氣瓶及其傳感器運(yùn)行信息，包括日/月/年告警記錄、投運(yùn)狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與展示功能，并提供輔助決策。

設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理：優(yōu)化醫(yī)用氣瓶基礎(chǔ)資料存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用氣瓶編號(hào)、位置、所含傳感器信息等臺(tái)賬的統(tǒng)一存儲(chǔ)。通過規(guī)范化、精細(xì)化的基礎(chǔ)資料管理，全面掌握醫(yī)用氣瓶的基本投運(yùn)情況，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與展示。

數(shù)據(jù)報(bào)表信息管理：對(duì)醫(yī)用氣瓶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行展示的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)歷史記錄、氣瓶設(shè)備上下線、告警記錄等信息的導(dǎo)出。

氣瓶告警信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：依據(jù)用戶提供的傳感器閾值指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用氣瓶運(yùn)行情況的自動(dòng)化告警，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與展示。

3.3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)云服務(wù)包括氣瓶歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、氣瓶在線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳感器數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析圖表、設(shè)備異常狀態(tài)預(yù)警、設(shè)備數(shù)值超限報(bào)警服務(wù)、氣瓶總數(shù)統(tǒng)計(jì)、各類氣瓶投入使用數(shù)量及狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警信息數(shù)量階段統(tǒng)計(jì)、氣瓶及傳感器設(shè)備增刪改查功能以及設(shè)備通過Excel文件批量導(dǎo)入功能等。這些功能緊密圍繞著云端數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用展開，由云端存儲(chǔ)系統(tǒng)和云端發(fā)布系統(tǒng)組成。云端主界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 氣瓶安全在線監(jiān)測(cè)軟件主界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、光纖傳感技術(shù)搭建了氣瓶安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)架。針對(duì)氣瓶的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的傳感器布置方式：使用光纖傳感技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)醫(yī)用氧氣瓶的應(yīng)力變化；特種設(shè)備在線安全監(jiān)測(cè)軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位是否超過預(yù)警值而發(fā)出警告信息；大數(shù)據(jù)分析可以有效實(shí)現(xiàn)氣瓶安全狀態(tài)的預(yù)測(cè)；采用嵌入式通信設(shè)備進(jìn)一步保證了設(shè)備數(shù)據(jù)的安全與用戶信息安全，同時(shí)能夠保證數(shù)據(jù)更加順暢的傳輸。