張弦弦， 徐曼菲， 張軍娜， 劉治紅

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司智能制造事業(yè)部， 四川綿陽(yáng) 621000）

0 引言

“安全、綠色”制造是智能制造的重要目標(biāo)，各制造企業(yè)都十分重視智能制造技術(shù)在生產(chǎn)安全領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。 軍工制造企業(yè)由于其產(chǎn)品具有“高危險(xiǎn)性、污染環(huán)境大”等特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)的安全性尤為重視。 但目前國(guó)內(nèi)的軍工企業(yè)數(shù)字化、信息化水平均處于初級(jí)階段，大多仍采用“自動(dòng)化加人工管控”的生產(chǎn)組織模式，普遍存在設(shè)備設(shè)施老舊、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員多、本質(zhì)安全程度低等問(wèn)題，生產(chǎn)、安全管控兩條線，生產(chǎn)安全事故時(shí)有發(fā)生。 因此，軍工制造企業(yè)迫切需要一套生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)智能感知、 管控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中人、物、環(huán)等安全風(fēng)險(xiǎn)因素的實(shí)時(shí)感知、監(jiān)控、分析、預(yù)警和控制，達(dá)到生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)的“可知可控”，有效降低引發(fā)安全事故的幾率。

本文以某軍工企業(yè)生產(chǎn)安全日常監(jiān)控和突發(fā)事件應(yīng)急處置的管控需求為出發(fā)點(diǎn)， 以安全技術(shù)和信息技術(shù)為支撐，以生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)流程為主線，構(gòu)建一套車間生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)獲取、智能分析、預(yù)測(cè)預(yù)警、輔助決策和聯(lián)動(dòng)處置。 經(jīng)應(yīng)用證明，該方案有效提升企業(yè)安全生產(chǎn)能力，形成企業(yè)生產(chǎn)安全管控的新模式。

1 需求分析

軍工制造企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中， 影響安全的風(fēng)險(xiǎn)因素根據(jù)其對(duì)象的不同，一般分為：人的因素、物的因素、環(huán)境因素、管理因素4 類。 人的因素主要指現(xiàn)場(chǎng)操作人員的穿戴及違規(guī)行為， 物的因素包括生產(chǎn)物料及設(shè)備的安全隱患， 環(huán)境因素指生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的噪音、 粉塵對(duì)環(huán)境的污染程度，管理因素指安全組織機(jī)構(gòu)、安全管理制度等[1]。

此4 類風(fēng)險(xiǎn)因素相互影響， 使車間安全狀況呈現(xiàn)多因素耦合特性。因此，在研究生產(chǎn)安全性時(shí)，要對(duì)這些因素之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析。針對(duì)人的因素，可通過(guò)智能視頻分析技術(shù)進(jìn)行違規(guī)行為的識(shí)別和報(bào)警； 針對(duì)物的因素，通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵工位工藝參數(shù)等的實(shí)時(shí)采集進(jìn)行設(shè)備、物料的監(jiān)控；針對(duì)環(huán)境因素，布置傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)；針對(duì)管理因素，通過(guò)建立生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全保障體系等進(jìn)行安全生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)包括安全感知、信息、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)軟件等多領(lǐng)域技術(shù)，是集企業(yè)生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)采集、分析、決策、處置的軟硬件一體化的復(fù)雜系統(tǒng)。 軟件技術(shù)體系涵蓋了數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用系統(tǒng)等；硬件支撐體系包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、安全設(shè)備設(shè)施、傳輸網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)等。系統(tǒng)利用信息、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能等多領(lǐng)域技術(shù)， 采用模塊化的設(shè)計(jì)思路， 按照層次化的體系架構(gòu)，軟硬件緊密結(jié)合進(jìn)行構(gòu)建。其體系架構(gòu)分為現(xiàn)場(chǎng)感知層、基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、綜合應(yīng)用層及前端展示層，如圖1 所示[2]。

圖1 車間生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)體系架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)感知層：搭建傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)感知和預(yù)警。 包括環(huán)境傳感網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)等。

基礎(chǔ)支撐層：采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和管控終端的互聯(lián)互通。 利用公用通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 的應(yīng)急指揮。

數(shù)據(jù)庫(kù)層：建立生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)一管理生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)、應(yīng)急處置數(shù)據(jù)以及安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等數(shù)據(jù)。

綜合應(yīng)用層： 在對(duì)生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全業(yè)務(wù)管理、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)防控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警、智能輔助決策、聯(lián)動(dòng)處置等。

前端展示層：建立統(tǒng)一的信息發(fā)布系統(tǒng)，進(jìn)行信息的可視化展示。

根據(jù)系統(tǒng)體系架構(gòu)， 將系統(tǒng)分為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)中心、安全風(fēng)險(xiǎn)管控四個(gè)部分，如圖2 所示。

圖2 車間生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)組成

3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)感知

生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)感知主要對(duì)生產(chǎn)人員崗位行為進(jìn)行分析，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1）人員崗位行為分析與報(bào)警。針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員非法進(jìn)入禁區(qū)、物品違規(guī)擺放、潔凈服未穿戴、違規(guī)操作等行為，建立人員的行為特征模型。通過(guò)接入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的視頻進(jìn)行圖像比對(duì)和模型分析。 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)典型違規(guī)操作行為的自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警。

（2）設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控。在生產(chǎn)設(shè)備上增加各類安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)傳感器，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)、加工過(guò)程數(shù)據(jù)等，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、連鎖停機(jī)等功能，充分保證設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的安全。

（3） 環(huán)境安全監(jiān)測(cè)。 采用傳感器監(jiān)測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、粉塵、靜電等環(huán)境因素。 通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和融合， 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境因素異常引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、定位及報(bào)警。

（4）現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警安燈系統(tǒng)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類安全風(fēng)險(xiǎn)異常通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安燈（Andon）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在關(guān)鍵工位安裝異常報(bào)警按鈕，安燈系統(tǒng)接收現(xiàn)場(chǎng)各類異常報(bào)警信息、設(shè)備故障信息、 工位求助信息， 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)、顯示、提醒處置。

4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

為保證生產(chǎn)安全信息采集的全面及時(shí)、 管理的高效穩(wěn)定、應(yīng)急指揮的方便快捷，支撐車間生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是一個(gè)有線、無(wú)線結(jié)合，信息分層、分級(jí)處理的高效網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)范圍不局限于企業(yè)內(nèi)部的工控網(wǎng)絡(luò)，與公用通信網(wǎng)絡(luò)也可有效連接，如圖3 所示。

圖3 生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

（1）現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的物料、設(shè)備、環(huán)境、人員等要素狀態(tài)感知系統(tǒng)，建立生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的通路， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、集成融合、計(jì)算分析、高效分發(fā)等。

軍工車間現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)：重點(diǎn)考慮安全、保密、穩(wěn)定、可靠。 車間現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)通訊系統(tǒng)可采用成熟的工業(yè)總線，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、邏輯控制器、手持終端、人機(jī)界面等車間級(jí)設(shè)備全面聯(lián)網(wǎng)， 再通過(guò)企業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同生產(chǎn)安全管控層的互聯(lián)互通[3]。

（2）公用通信網(wǎng)絡(luò)?？衫霉惨苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮。 公網(wǎng)的應(yīng)用需要與企業(yè)的安全管理網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建隔離區(qū)。將可對(duì)外公開的服務(wù)器放置于隔離區(qū)，增加防火墻和網(wǎng)絡(luò)入侵防御系統(tǒng)后與企業(yè)安全管控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，既能有效保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，又能更好的對(duì)外服務(wù)。

5 數(shù)據(jù)中心

生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)類型包括傳感器數(shù)據(jù)、 視頻數(shù)據(jù)、圖片、文檔等。實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)結(jié)合，數(shù)據(jù)量十分龐大。由于各類數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式不一，采集方式多樣、分散，因此，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性， 建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和非實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分級(jí)、分類存儲(chǔ)。

通過(guò)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)感知設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)包，采用串口通信技術(shù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)（DDE）、數(shù)據(jù)庫(kù)互連技術(shù)（ODBC）、WinSock 技術(shù)、OPC 技術(shù)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、 處理后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)； 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)融合、抽取、處理、裝載后，存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)；再通過(guò)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)器與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)服務(wù)器建立連接， 采用MQTT 協(xié)議完成各服務(wù)之間數(shù)據(jù)的分發(fā)， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息經(jīng)過(guò)處理后按需向各類終端系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步推送。

6 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種安全風(fēng)險(xiǎn)感知系統(tǒng)互聯(lián)互通以及安全數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上， 依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)安全管控業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)，對(duì)各類安全風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行融合處理，實(shí)時(shí)生成安全風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)，并結(jié)合三維場(chǎng)景模型進(jìn)行安全信息-物理融合顯示，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)控、 安全風(fēng)險(xiǎn)智能分析與決策以及安全風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)動(dòng)處置等功能。

（1）安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)字化建模。 針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源、人員、設(shè)備設(shè)施、應(yīng)急預(yù)案、產(chǎn)品工藝、?；沸畔⒌冗M(jìn)行數(shù)字化定義， 并定義安全風(fēng)險(xiǎn)要素的相互關(guān)系和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的業(yè)務(wù)流程。

（2）安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)采集。 針對(duì)具有不同通信接口、協(xié)議的異構(gòu)設(shè)備，開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件，研制通用的接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，建立開放協(xié)議庫(kù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備信息數(shù)據(jù)的采集。

（3）安全風(fēng)險(xiǎn)智能分析與決策。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別、評(píng)價(jià)、篩選，建立安全評(píng)估模型，將采集到的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)與安全模型進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比、分析，根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果進(jìn)行安全狀態(tài)的跟蹤、預(yù)警、決策[4]。

（4）安全風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)控。對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行建模仿真，建立安全風(fēng)險(xiǎn)信息與仿真模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析， 形成生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)信息， 并將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景與安全態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行融合顯示，生成重大危險(xiǎn)源分布圖、風(fēng)險(xiǎn)隱患分布圖、安全態(tài)勢(shì)分布圖等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)的全局掌控[5]。

（5）安全風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)動(dòng)處置。當(dāng)安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)接收到安全態(tài)勢(shì)報(bào)警信息時(shí)， 一方面將該信息推送到現(xiàn)場(chǎng)安燈系統(tǒng)進(jìn)行燈光、聲音報(bào)警，提醒操作人員發(fā)生危險(xiǎn)；一方面進(jìn)行安全聯(lián)動(dòng)處置。 采用安全預(yù)警事件預(yù)案模擬推演技術(shù)進(jìn)行態(tài)勢(shì)推演，判斷危險(xiǎn)等級(jí)、定位故障原因，針對(duì)不同級(jí)別的預(yù)警響應(yīng)作出不同的處置方案， 并將該異常事件的解決方案推送給管理人員進(jìn)行處置。 當(dāng)危險(xiǎn)排除后，重新將安全等級(jí)調(diào)整到閾值范圍內(nèi)。

安全聯(lián)動(dòng)處置的方式包括通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)廣播通知車間人員撤離，管理人員下發(fā)控制指令遠(yuǎn)程停機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)安防設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等，以確保車間安全生產(chǎn)。

安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)可部署在監(jiān)控中心、會(huì)議室、分控制中心等固定的電腦或拼接大屏上進(jìn)行顯示， 也可由安全管理人員通過(guò)便攜式移動(dòng)終端進(jìn)行隨時(shí)隨地訪問(wèn)。 系統(tǒng)部署效果圖如圖4 所示。

圖4 生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)部署效果圖

7 系統(tǒng)特點(diǎn)

軍工制造企業(yè)車間生產(chǎn)安全智能管控系統(tǒng)針對(duì)車間生產(chǎn)環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)因素多，進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)感知；在各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)感知系統(tǒng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各類安全風(fēng)險(xiǎn)信息的融合處理； 結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景模型和態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行綜合顯示， 實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的可視化監(jiān)控；根據(jù)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控的先驗(yàn)知識(shí)，建立安全評(píng)估模型，通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素深入的分析，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警、輔助決策和聯(lián)動(dòng)處置。 系統(tǒng)搭建了企業(yè)生產(chǎn)安全 “實(shí)時(shí)采集—高效管理—應(yīng)急指揮”的一體化支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)高效協(xié)同管控， 重點(diǎn)提升企業(yè)以下三大生產(chǎn)安全能力：第一，面對(duì)不同產(chǎn)品生產(chǎn)工藝條件、生產(chǎn)場(chǎng)景中的人、物、環(huán)等安全風(fēng)險(xiǎn)，全面監(jiān)測(cè)、科學(xué)預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)及后果，并快速進(jìn)行預(yù)警；第二，面對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各種安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的準(zhǔn)確獲取和傳遞，快速、動(dòng)態(tài)、全面地了解事件現(xiàn)場(chǎng)狀況的能力；第三，面對(duì)生產(chǎn)過(guò)程安全突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)跨部門、跨層級(jí)、跨地域快速協(xié)同決策、綜合協(xié)調(diào)和高效處置的能力。

8 結(jié)束語(yǔ)

軍工車間生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)管控的解決方案整體符合“感、聯(lián)、知、控”的智能系統(tǒng)構(gòu)建模式，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與安全的場(chǎng)景、信息、操作和資源等聯(lián)動(dòng)，滿足企業(yè)安全生產(chǎn)需求。 對(duì)企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化、降低能耗、規(guī)避安全事故風(fēng)險(xiǎn)有顯著的指導(dǎo)和改進(jìn)意義。