劉 勇

(海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913)

0 引 言

海洋工程是國(guó)家大力支持的產(chǎn)業(yè)，不斷引進(jìn)的新設(shè)備、新材料和新工藝等對(duì)建造安全提出更高要求。目前各船廠對(duì)海洋工程安全生產(chǎn)十分重視，不僅建立較為完善的安全管理體系和應(yīng)急預(yù)案，而且在信息化方面積極投入，分別建立門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，開始在人員定位和設(shè)備監(jiān)控等新技術(shù)方面開展應(yīng)用嘗試。這些已建立或規(guī)劃建立的系統(tǒng)往往為獨(dú)立建設(shè)，各系統(tǒng)之間缺少數(shù)據(jù)共享，難以建立全廠協(xié)調(diào)一致的安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)。

安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)是解決監(jiān)控信息孤島的有效途徑。研究海洋工程安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)解決方案，開展監(jiān)控平臺(tái)規(guī)劃，對(duì)于提高海洋工程建造的安全生產(chǎn)保障能力、整合當(dāng)前較為零散的安全生產(chǎn)監(jiān)控手段，具有重大的理論和工程意義。

1 研究?jī)?nèi)容

安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，由單一監(jiān)控功能越來越向集約化和綜合化方向發(fā)展，不局限于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控，而是進(jìn)一步擴(kuò)展至人員定位、設(shè)備監(jiān)控、企業(yè)運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)看板等，形成一個(gè)綜合性的應(yīng)用管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和融合。在同一集中監(jiān)控平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同子監(jiān)控系統(tǒng)的綜合管理、控制和顯示；將各子系統(tǒng)的分布式部署與集中式管理有機(jī)結(jié)合，實(shí)時(shí)采集各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，并就相關(guān)的信息與狀態(tài)進(jìn)行集中展示和綜合分析，調(diào)動(dòng)相應(yīng)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)事件的系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)，完成系統(tǒng)之間的資源共享、信息交換及警情聯(lián)動(dòng)處理[1]。

2 監(jiān)控平臺(tái)框架

海洋平臺(tái)建造環(huán)境復(fù)雜，且鋼板對(duì)電磁信號(hào)具有較強(qiáng)屏蔽作用，因此如何解決定位信號(hào)的傳輸是研究的關(guān)鍵問題。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用于短距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，傳輸?shù)男畔⒘啃。w成本不高；可靠度高，安全穩(wěn)定，無干擾；檢測(cè)節(jié)點(diǎn)體積小，布置不需要較大空間[2]；可用干電池供電，定位區(qū)域相對(duì)固定。通過基站與便攜式定位器組合，可提高定位精度，避免金屬艙壁對(duì)電磁信號(hào)的反射干擾。

安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)總體架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，如圖1所示。安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)部署方案如圖2所示。

圖1 安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)總體架構(gòu)

圖2 安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)部署方案

分系統(tǒng)層：主要由綜合接入的各子系統(tǒng)構(gòu)成。

接入功能層：各子系統(tǒng)的接入功能，由綜合業(yè)務(wù)接入抽象層構(gòu)成，完成各接入子系統(tǒng)接入功能的抽象，對(duì)上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)功能結(jié)構(gòu)。在出現(xiàn)新的子系統(tǒng)需要接入時(shí)，僅修改平臺(tái)的接入抽象層即可實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)的對(duì)接工作。

通用功能層：主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)及安防監(jiān)控系統(tǒng)的通用功能，如報(bào)警聯(lián)動(dòng)管理、報(bào)警預(yù)案管理、報(bào)警數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及電子地圖等通用功能，并可通過統(tǒng)一的對(duì)外接口向上一層提供通用服務(wù)。

應(yīng)用層：利用生產(chǎn)及安防監(jiān)控系統(tǒng)提供接口并結(jié)合企業(yè)特點(diǎn)及事件處理與管理流程，實(shí)現(xiàn)深度企業(yè)化的綜合管理[2]。

現(xiàn)場(chǎng)使用范圍為海洋平臺(tái)建造的工作人員定位和管理。整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)在建成后可準(zhǔn)確考勤，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員的位置、工作狀態(tài)及區(qū)域的人員分布和數(shù)量，實(shí)時(shí)查詢工作人員的行動(dòng)軌跡。在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可與監(jiān)控中心及時(shí)通信聯(lián)系，通過定位卡求救報(bào)警及通過監(jiān)控平臺(tái)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則超限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)雙向報(bào)警，管理部門可通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用查看。

人員定位系統(tǒng)主要由本質(zhì)安全型通信分站、定位器、船艙內(nèi)無線定位基站、定位卡等組成。定位通信基站采用以太網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線接口，各種終端設(shè)備采用有線/無線接合，各種傳感器、攝像頭等就近通過基站連接至通信骨干網(wǎng)。

3 監(jiān)控平臺(tái)技術(shù)方案

3.1 技術(shù)概述

海洋平臺(tái)建造環(huán)境較為復(fù)雜。海洋平臺(tái)主要由鋼板焊成，每層甲板、每個(gè)艙室均由鋼板組成，為多金屬和多艙室結(jié)構(gòu)。多金屬環(huán)境對(duì)無線射頻信號(hào)的影響主要為信號(hào)屏蔽和反射加強(qiáng)。有些艙室采用金屬隔斷，有些艙室采用普通非金屬建筑材料，增加信號(hào)傳輸難度[3]。

采用射頻信號(hào)的定位算法一般采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)、飛行時(shí)間(Time of Flight，TOF)/到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)、到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)等方法。金屬對(duì)射頻信號(hào)的多次反射，使RSSI系統(tǒng)無法計(jì)算標(biāo)簽的準(zhǔn)確距離。由于金屬對(duì)無線信號(hào)的多次反射，因此TOF/TOA系統(tǒng)在計(jì)算標(biāo)簽位置的應(yīng)用軟件中難度加大，準(zhǔn)確性較差。TDOA系統(tǒng)需要精準(zhǔn)的時(shí)間同步定位基站，定位標(biāo)簽成本為上述標(biāo)簽的4～5倍，系統(tǒng)成本較高，在多艙室環(huán)境中方案和施工調(diào)試工程量較大，實(shí)施難度大[4]。上述3種定位系統(tǒng)均適合安裝在視距(LOS)定位系統(tǒng)或較少非視距(NLOS)定位系統(tǒng)中，不適合復(fù)雜的海洋工程環(huán)境。

結(jié)合上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)利用有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)備占用帶寬較小，安裝施工簡(jiǎn)單。為使較復(fù)雜的海洋平臺(tái)可更好更快地實(shí)現(xiàn)定位區(qū)域劃分，采用微型定位器實(shí)現(xiàn)區(qū)域分割功能，在一些關(guān)鍵的通道口、上下層、大艙室出入口等位置安裝定位器，識(shí)別卡接收定位器信息發(fā)送位置信號(hào)?？紤]布線施工難度，對(duì)小艙室內(nèi)部工作人員的定位采取移動(dòng)式無線定位基站，在人員進(jìn)出艙室時(shí)均可感知，在需要定位的盲區(qū)可根據(jù)實(shí)際情況采用該設(shè)備。較大區(qū)域采用無線信號(hào)覆蓋，人員識(shí)別卡、無線定位基站等設(shè)備實(shí)時(shí)收發(fā)無線信息，艙室內(nèi)部的CAN通信分站、以太網(wǎng)通信分站采用有線通信和供電，通信分站內(nèi)置ZigBee接收板可實(shí)時(shí)接收無線信息。定位系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)示例

3.2 硬件構(gòu)成

(1)監(jiān)控中心定位服務(wù)器：安裝數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件，連接人員定位系統(tǒng)的下端數(shù)據(jù)集控器，監(jiān)控平臺(tái)采集處理后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放至監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行管理。

(2)以太網(wǎng)通信分站(數(shù)據(jù)集控器)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中和設(shè)備控制功能，通過以太網(wǎng)接口上聯(lián)定位服務(wù)器，通過CAN總線下鏈CAN通信分站，通過CAN接口與多個(gè)設(shè)備連接，在收集數(shù)據(jù)和計(jì)算人員位置后通過連接監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心服務(wù)器。

(3)CAN通信分站(數(shù)據(jù)采集器)：通過ZigBee無線模塊與周圍無線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，負(fù)責(zé)收集、處理和計(jì)算識(shí)別卡定位等信息，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)集控器進(jìn)行處理。

(4)定位器：間歇發(fā)送位置碼，并強(qiáng)制喚醒進(jìn)入該區(qū)域的人員定位標(biāo)簽，人員定位標(biāo)簽在收到位置編碼后持續(xù)發(fā)送位置編碼信息。

(5)人員定位標(biāo)簽(識(shí)別卡)：采用ZigBee雙向通信機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)向上報(bào)警求救功能，識(shí)別卡平時(shí)間隔發(fā)送定位信息，在不發(fā)送時(shí)休眠，內(nèi)置加速度傳感器,可感知人員靜止或運(yùn)動(dòng)。

(6)室內(nèi)無線人感定位基站：采用電池供電，內(nèi)置人體感知模塊，在人員接近時(shí)可識(shí)別，通過自身ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊傳送至CAN通信分站，同時(shí)通過RSSI計(jì)算距離。

(7)室外定位基站：內(nèi)置無線ZigBee定位模塊，與標(biāo)簽實(shí)時(shí)通信，定位數(shù)據(jù)通過設(shè)備的CAN總線上傳至監(jiān)控中心定位服務(wù)器。

3.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)艙室內(nèi)部。無線射頻定位方案主要采用低功耗ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)。微型定位器內(nèi)置射頻強(qiáng)制喚醒功能，可實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域劃分、樓梯層間等復(fù)雜環(huán)境的定位及方向識(shí)別；小型艙室內(nèi)部可采用無線人感微型基站，識(shí)別人員進(jìn)入后的定位和測(cè)距功能，使用電池供電；大艙室區(qū)域內(nèi)部可安裝具有覆蓋功能的ZigBee通信分站，收集人員識(shí)別卡的位置信息；通信分站與定位基站之間可采用CAN總線通信方式或ZigBee無線組網(wǎng)通信方式；人員定位識(shí)別卡采用低功耗ZigBee技術(shù)，可有效減小終端體積尺寸，使定位終端設(shè)備更加小巧，可佩戴性更強(qiáng)。佩戴定位標(biāo)簽的人員在經(jīng)過微型定位器時(shí)，定位標(biāo)簽被強(qiáng)制喚醒，基站同時(shí)發(fā)送位置碼，定位標(biāo)簽在收到位置碼后通過ZigBee無線發(fā)送位置信息至微型定位基站，經(jīng)CAN總線傳送至通信分站，最終傳送至監(jiān)控中心定位服務(wù)器。艙室內(nèi)部安裝無線人感微型基站，在佩戴定位標(biāo)簽的人員進(jìn)入艙室時(shí)，基站可識(shí)別人員的存在，并完成定位和識(shí)別通信[5]。定位原理如圖4所示。

圖4 定位原理示例

(2)艙室外部工作區(qū)。定位方案主要采用ZigBee多基站測(cè)量RSSI強(qiáng)度技術(shù)，通過RSSI強(qiáng)度大小確定識(shí)別卡位置，室外基站每50 m布設(shè)1個(gè)，定位精度為10 m[2]。

3.4 安裝工藝

為實(shí)現(xiàn)對(duì)各層甲板、艙室和通道的監(jiān)測(cè)，確定在20 m通道區(qū)域內(nèi)，主要保障關(guān)鍵出入口、重點(diǎn)艙室的監(jiān)控，各層以太網(wǎng)通信分站負(fù)責(zé)該層的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)通信。CAN通信分站在各層甲板的布置數(shù)量以結(jié)構(gòu)和面積具體確定，每層為5～10個(gè)，安裝在各層甲板的主要艙室和通道內(nèi)，無線通信可覆蓋各艙室。定位器布置在各層甲板的樓梯口和主要通道、關(guān)鍵出入口、露天部位出入口及重要的較大艙室出入口。室內(nèi)無線人感定位基站可布置在較小艙室內(nèi)，采用休眠工作模式，供電電池可使用較長(zhǎng)時(shí)間。室外定位基站采用CAN總線連接。在控制室內(nèi)安裝人員定位服務(wù)器，控制主機(jī)及顯示器，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)情況。進(jìn)場(chǎng)人員發(fā)放人員定位卡。

4 監(jiān)控平臺(tái)界面功能設(shè)計(jì)

4.1 定位查詢界面

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的分布情況分區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，由于人員移動(dòng)，各區(qū)域顯示的人數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)更新?？娠@示指定區(qū)域人員名單，可查詢?nèi)藛T在施工現(xiàn)場(chǎng)的行動(dòng)軌跡。定位查詢界面如圖5所示。輸入任一人員的姓名或編號(hào)，可顯示其當(dāng)前所處位置，動(dòng)態(tài)顯示施工人員的行動(dòng)軌跡。在設(shè)定的時(shí)段內(nèi)可隨時(shí)查詢并統(tǒng)計(jì)進(jìn)入指定區(qū)域的人員，統(tǒng)計(jì)其進(jìn)出時(shí)間。

圖5 定位查詢界面

4.2 考勤界面

標(biāo)識(shí)卡提供施工現(xiàn)場(chǎng)位置數(shù)據(jù)，通過軟件整合人員考勤和勞動(dòng)行為數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計(jì)施工人員上下班時(shí)間，并按部門和班次生成日和月考勤單。

4.3 雙向通信界面

在報(bào)警狀態(tài)下，調(diào)度中心的監(jiān)控界面會(huì)即刻跳出告警框，報(bào)告報(bào)警類型及人員姓名、所處精確位置等。若出現(xiàn)攜卡施工人員在重點(diǎn)區(qū)域工作超時(shí)或進(jìn)入控制區(qū)域等異常狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。若出現(xiàn)突發(fā)狀態(tài)(比如火災(zāi)、爆炸等)，攜卡施工人員可通過標(biāo)識(shí)卡上的報(bào)警按鈕發(fā)出報(bào)警信號(hào)。按鍵報(bào)警如圖6所示。若出現(xiàn)特殊情況，需要指揮現(xiàn)場(chǎng)工作人員迅速撤離，監(jiān)控中心可向全區(qū)域發(fā)送報(bào)警撤離信號(hào)。告警撤離應(yīng)用如圖7所示。

圖6 按鍵報(bào)警

圖7 告警撤離應(yīng)用

4.4 安全管理界面

可對(duì)班組帶班情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)管，管理人員在后臺(tái)可清晰看到海洋平臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員及所在區(qū)域等。對(duì)設(shè)定區(qū)域進(jìn)行人員數(shù)量限制，超員即告警；進(jìn)入禁區(qū)即告警；施工人員沒有達(dá)到規(guī)定時(shí)間或超過設(shè)定時(shí)間即告警。若施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生緊急事故，可通過標(biāo)識(shí)卡報(bào)警按鈕通知監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)在收到緊急信號(hào)后會(huì)啟動(dòng)應(yīng)急救援備案[5]。

4.5 設(shè)備界面

若標(biāo)識(shí)卡電量過低，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)提前告警，紅燈閃爍提醒及時(shí)充電。若綜合分站出現(xiàn)連接故障，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)提示基站不在線告警。問題得到處理，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束告警并可在歷史記錄中查詢。

4.6 管理界面

可設(shè)置多級(jí)權(quán)限用戶，所有用戶可同時(shí)運(yùn)用軟件，查詢海洋工程施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀況，由管理員修改進(jìn)行各級(jí)別權(quán)限；用戶可通過服務(wù)器查看施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)效數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)人員分布及其他狀態(tài)。

4.7 與其他系統(tǒng)的集成界面

可與視頻系統(tǒng)及其他通信系統(tǒng)融合，調(diào)用視頻和其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及圖像，在人員定位界面顯示。

5 結(jié) 語

針對(duì)海洋工程特殊環(huán)境，安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)總體設(shè)計(jì)以通道為主線、以各艙室為支線進(jìn)行布點(diǎn)編號(hào)，在整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)人員定位和監(jiān)控全部人員。增加監(jiān)控中心呼叫和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急報(bào)警功能模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)人員互動(dòng)。監(jiān)控中心根據(jù)上傳的狀態(tài)信息可了解每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位和海洋平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，若出現(xiàn)緊急情況，可立即通知附近人員組織搶險(xiǎn)救災(zāi)，排除隱患。該監(jiān)控平臺(tái)結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信等手段，推進(jìn)船廠對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員狀態(tài)與位置的監(jiān)測(cè)與預(yù)警新應(yīng)用。