張 震

（安徽工商職業(yè)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院，安徽 合肥 231131）

物聯(lián)網(wǎng)通過信息間的交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、監(jiān)視、跟蹤和管理等操作［1］。物聯(lián)網(wǎng)利用計(jì)算和通信的特點(diǎn)快速查詢被監(jiān)測(cè)事物，適用范圍廣泛［2］。加強(qiáng)研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有利于人們更加細(xì)致地管理生產(chǎn)和生活，使社會(huì)更加規(guī)律和諧，從而提高資源利用率。

王廷春等［3］利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線定位技術(shù)和視頻技術(shù)等方式對(duì)高危作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位監(jiān)控。通過研發(fā)移動(dòng)式多功能監(jiān)控終端，增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)、監(jiān)控、分析研判的能力，可有效防范安全生產(chǎn)事故，提高安全監(jiān)管水平。徐堅(jiān)強(qiáng)等［4］將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法引入重大危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估中，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確性。

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法缺少對(duì)重大危險(xiǎn)源因子的分析。重大危險(xiǎn)源因子的有效識(shí)別可有效降低事故發(fā)生頻率，將事故發(fā)生后果控制在可控范圍內(nèi)。因此，本文以危險(xiǎn)源因子為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法。

1 重大危險(xiǎn)源因子遠(yuǎn)程采集

本文依托物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，需先了解物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，可以更好地利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍和前景越發(fā)廣泛，并且還有更多未開發(fā)的價(jià)值［5-6］。物聯(lián)網(wǎng)具有數(shù)據(jù)信息承載的能力，基于物聯(lián)網(wǎng)的互通性等特點(diǎn)，發(fā)展出了感知層、傳輸層、應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［7］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工作原理：先通過感知層對(duì)物體的信息進(jìn)行智能感知，然后通過傳輸層將信息傳送到目標(biāo)，最后將得到的信息加以應(yīng)用［8-9］。

作為3層結(jié)構(gòu)的第1層，感知層相當(dāng)于物理接觸層，其結(jié)構(gòu)由智能芯片、識(shí)別芯片和傳感器等構(gòu)成，負(fù)責(zé)收集重大危險(xiǎn)源因子，主要功能是智能感知，也包括信息的采集、識(shí)別等工作。物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的主要功能如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)的主要功能

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要包括兩種基本的技術(shù)：傳感器技術(shù)和嵌入技術(shù)［10］。正確利用傳感器技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)中對(duì)重大危險(xiǎn)源因子進(jìn)行遠(yuǎn)程采集是必要的。通過該技術(shù)對(duì)一些重化工業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，可以有效地遏制和減少重大危害事件的發(fā)生。重化工業(yè)危險(xiǎn)源基本監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)如圖1所示。

圖1 重化工業(yè)危險(xiǎn)源基本監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)

事故發(fā)生后，通過客戶端穿過防火墻和重大危險(xiǎn)源監(jiān)控預(yù)警服務(wù)器，對(duì)基于ZigBee的通信網(wǎng)關(guān)發(fā)出信號(hào)［11］。根據(jù)傳感器的工作模式向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心輸入模擬信號(hào)，對(duì)危險(xiǎn)源做出云計(jì)算。

2 重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程分析

采集相關(guān)重大危險(xiǎn)源因子，對(duì)傳輸層輸入模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，利用基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分析。判斷重大危險(xiǎn)源因子是否會(huì)對(duì)周圍居民產(chǎn)生人身和財(cái)產(chǎn)性危害，如判斷結(jié)果為是，向有關(guān)部門發(fā)出警報(bào)，預(yù)防重大災(zāi)害事故發(fā)生；如判斷結(jié)果為否，則直接輸出安全模擬信號(hào)。在電力系統(tǒng)中，通過物聯(lián)網(wǎng)可以查看所有用戶的電力使用情況，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行研究與檢測(cè)，可提高監(jiān)測(cè)的安全性。采用牛頓-拉夫遜算法［12］將未來網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)整體計(jì)算危險(xiǎn)因子。因此，通過分析危險(xiǎn)因子可以有效處理物聯(lián)網(wǎng)的分支，具有二階收斂性，對(duì)所求解有逼近性。當(dāng)初始值保持在穩(wěn)定值時(shí)，只需要進(jìn)行兩到三次的計(jì)算即可求得結(jié)果。重大危險(xiǎn)源數(shù)模計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 重大危險(xiǎn)源數(shù)模計(jì)算流程

重大危險(xiǎn)源數(shù)模計(jì)算介于第1層感知層和第2層傳輸層之間，主要負(fù)責(zé)數(shù)模轉(zhuǎn)換和計(jì)算，同時(shí)可以給第3層應(yīng)用層發(fā)出安全指示信號(hào)。

3 重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

經(jīng)過第1層感知層和第2層傳輸層之后，重大危險(xiǎn)源因子信號(hào)傳送到第3層應(yīng)用層。根據(jù)原始危險(xiǎn)源因子中的貢獻(xiàn)值大小選取對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)變量［13］，危險(xiǎn)源因子數(shù)據(jù)變量對(duì)前k個(gè)子塊的貢獻(xiàn)值為

式中：v=1，2，…，k為某個(gè)危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)變量；w=1，2，…，k為某個(gè)危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)主成分；p w為第w列的所有元素；p vw為第v行、第w列的元素。

危險(xiǎn)源因子各個(gè)變量在殘差載荷矩陣［14］全部主元上的均值為

式中：n s-l為重大危險(xiǎn)源均值矩陣元素；S i為均值主元協(xié)方差矩陣。

根據(jù)均值矩陣得出重大危險(xiǎn)源代表性模型為

式中：K t為S i的行向量；e k為S i的列向量；x k、xˉk分別為危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)變化特征值矩陣和均值矩陣。

控制限用時(shí)間T2，可采用分布函數(shù)［15］F R，I-R，?計(jì)算，即

式中：?為顯著性水平；R為重大危險(xiǎn)源主元數(shù)量；I為建模數(shù)據(jù)變量的數(shù)量。

依據(jù)式（6）計(jì)算重大危險(xiǎn)源的控制限量，計(jì)算過程如下：

式中：L為重大危險(xiǎn)源的控制限量；g k為前k個(gè)主成分構(gòu)成的危險(xiǎn)源特征參數(shù)；h k為在線重構(gòu)統(tǒng)計(jì)量；mk為重大危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)特征，用于描述危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)代表性模型；v k為m k的相應(yīng)方差。

獲取當(dāng)前階段的危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)之后，對(duì)重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的過程如下：

（1）獲取當(dāng)前階段的新重大危險(xiǎn)源并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（2）依據(jù)重大危險(xiǎn)源相對(duì)變化特征，建立重大危險(xiǎn)源代表性模型，計(jì)算當(dāng)前階段的控制限用時(shí)間和統(tǒng)計(jì)量如下：

式中：Xk為當(dāng)前階段的危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)數(shù)量；X?k為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

判定T2k、Q是否超出相應(yīng)的控制限量，若T2k、Q均未超出，則當(dāng)前階段監(jiān)測(cè)的重大危險(xiǎn)源正常，否則判定當(dāng)前階段發(fā)生了異常，發(fā)出警告，進(jìn)而完成危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

根據(jù)被監(jiān)控地點(diǎn)環(huán)境的各參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以有效地做出危險(xiǎn)性判別，分析數(shù)據(jù)庫做出及時(shí)應(yīng)對(duì)方案。重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過程如圖3所示。

圖3 重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過程

由圖3可知，本文方法可以及時(shí)對(duì)危害做出分析報(bào)告和處理，有效預(yù)測(cè)危害的發(fā)生，將安全隱患降到最低。至此完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證本文監(jiān)測(cè)方法的工作效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法的整體有效性，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中重大危險(xiǎn)源信息監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率、識(shí)別時(shí)間和數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行測(cè)試。

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率分析

以重化工業(yè)企業(yè)的設(shè)備工作情況為分析對(duì)象，當(dāng)危險(xiǎn)物質(zhì)溫度超過臨界值60℃時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警示信號(hào)。在60 s內(nèi)，測(cè)試本文與文獻(xiàn)［3-4］中方法的重大危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)結(jié)果與臨界值情況，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率結(jié)果

由圖4可知，隨著時(shí)間的增加，本文監(jiān)控方法準(zhǔn)確率較穩(wěn)定，與危險(xiǎn)物質(zhì)臨界值大致相同，而文獻(xiàn)［3-4］中方法的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果波動(dòng)較大。文獻(xiàn)［3］中方法溫度監(jiān)測(cè)誤差大約為1.5℃，文獻(xiàn)［4］中方法溫度監(jiān)測(cè)誤差大約為1.7℃，本文方法溫度監(jiān)測(cè)誤差大約為0.1℃。這是由于本文方法對(duì)重大危險(xiǎn)源因子進(jìn)行了分析，通過構(gòu)建殘差載荷矩陣，有效提高了重大危險(xiǎn)源識(shí)別準(zhǔn)確率。

4.2 重大危險(xiǎn)源識(shí)別時(shí)間分析

在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)選取120個(gè)不同類型的重大危險(xiǎn)源作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過對(duì)比3種不同監(jiān)測(cè)方法的危險(xiǎn)源識(shí)別時(shí)間，驗(yàn)證本文方法的優(yōu)越性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 識(shí)別時(shí)間結(jié)果

由圖5可知，由于本文方法利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3層結(jié)構(gòu)，逐層分解重大危險(xiǎn)源因子，故重大危險(xiǎn)源識(shí)別時(shí)間較短，僅用43 s可以有效識(shí)別120個(gè)重大危險(xiǎn)源，效率明顯高于另外兩種方法，具有較強(qiáng)實(shí)用性。

4.3 數(shù)據(jù)完整性分析

通過迭代方式，分析式（5）中重大危險(xiǎn)源主元數(shù)量R的數(shù)據(jù)完整性，R的數(shù)值越大，表明數(shù)據(jù)越完整，方法應(yīng)用價(jià)值越高。計(jì)算公式為

式中：H為識(shí)別的重大危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)；K為數(shù)據(jù)總量。

將數(shù)據(jù)完整性作為測(cè)試指標(biāo)，3種不同監(jiān)測(cè)方法的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)完整性測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，采用本文方法獲取重大危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)時(shí)，R值均在83以上；采用文獻(xiàn)［3-4］中方法獲取重大危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)時(shí)，R值在44～84之間波動(dòng)。對(duì)比上述方法的測(cè)試結(jié)果可知，本文方法獲得的數(shù)據(jù)完整性較高。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄍㄟ^對(duì)比數(shù)據(jù)庫資料，提高了數(shù)據(jù)的完整性。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)這一概念的提出，打破了傳統(tǒng)的信息傳輸方式，使信息傳輸變得更加靈活、快速。本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行研究，參考前人設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，該方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)控重大危險(xiǎn)源，并對(duì)重大危險(xiǎn)源因子進(jìn)行分析計(jì)算。通過對(duì)比數(shù)據(jù)庫，還可及時(shí)做出災(zāi)害應(yīng)對(duì)措施方案，可以有效降低因重大危害所造成的損失，對(duì)于增強(qiáng)城市安全性有重要意義。