摘 要：【目的】在對水電站內(nèi)的設(shè)備檢修過程中，用于保證人員和設(shè)備安全的安全隔離設(shè)施可能會出現(xiàn)異常，僅通過人工監(jiān)測易出現(xiàn)疏漏，且監(jiān)測間隔周期較長，為避免由此帶來的安全風(fēng)險，設(shè)計了一套針對水電站的安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)?！痉椒ā炕赯igbee無線通信技術(shù)，集成震動監(jiān)測模塊、溫濕度傳感器、蜂鳴器、無線通信模塊等，實現(xiàn)對安全隔離設(shè)施異動風(fēng)險監(jiān)測及報警?！窘Y(jié)果】在某水電站實際測試該安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運行良好，能正確檢測出所布置的檢修設(shè)備安全隔離設(shè)施異動情況。【結(jié)論】該安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用能實現(xiàn)對安全隔離設(shè)施異動監(jiān)測、報警和數(shù)據(jù)自動記錄，降低水電站內(nèi)施工作業(yè)安全風(fēng)險，對其他行業(yè)的類似應(yīng)用推廣具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：安全管理；隔離設(shè)施；風(fēng)險監(jiān)測

中圖分類號：TP277" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0016-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.004

Design of Risk Monitoring System for Safety Isolation Facilities

—Taking a Hydropower Station as an Example

Abstract：[Purposes] During the maintenance process of equipment in hydropower plants， safety isolation facilities to ensure personnel and equipment safety may encounter abnormalities. Only manual monitoring can easily lead to omissions and long monitoring intervals. To avoid safety risks caused by this， a safety isolation risk monitoring system for hydropower stations has been designed.[Methods] By combining Zigbee wireless communication technology， the abnormal risk monitoring and alarm of safety isolation facilities can be achieved through vibration monitoring modules， temperature and humidity sensors， buzzers， wireless communication modules， etc.[Findings] After actual testing at a certain hydropower plant， the risk monitoring system for safety isolation facilities ran well and could correctly reflect the abnormal safety isolation facilities of the arranged maintenance equipment.[Conclusions] After the application of the safety isolation facilities risk monitoring system， it can achieve abnormal monitoring， alarm， and automatic data recording of safety isolation facilities， reduce the safety risks of construction operations in hydropower plants， and have certain promotion value and reference significance for similar applications in other industries.

Keywords： security management; isolation facilities; risk monitoring

0 引言

水電站內(nèi)部的各類機電設(shè)備多，特別是在機組大修、全停水等大型工作開展時，廠房內(nèi)的工作人員多、危險源種類多、要隔離的機電設(shè)備多，且部分隔離設(shè)施會隨工作的進展而發(fā)生變化。目前，主要通過運維人員定期檢查提醒的方式，保證安全隔離設(shè)施布置，但這種方式主要存在以下不足。

①人員直接檢查很容易出現(xiàn)疏漏，一旦關(guān)鍵安全設(shè)施出現(xiàn)疏漏，就有可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。通過制定安全檢查表雖能避免疏漏，但要隨時更新安全檢查表，增加了安全隔離設(shè)施管理負擔。

②在人員定期檢查間隔期間，安全標示志及檢修設(shè)備的隔離設(shè)施有可能被誤動、誤拆，即該管理方式存在“真空期”漏洞，導(dǎo)致該時期的安全隔離設(shè)施異動情況無法被實時監(jiān)測。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在安全管理中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在直接感知設(shè)備異常并報警、強化監(jiān)管及時發(fā)現(xiàn)危險源、分析預(yù)測事故發(fā)展等方面均有著較為廣泛的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)可分為三層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層主要對物體的位置、狀態(tài)等信息進行收集與處理，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、紅外感應(yīng)、射頻識別和執(zhí)行器等；網(wǎng)絡(luò)層主要用于傳輸信息，包括互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)絡(luò)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)等；應(yīng)用層主要用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)呈現(xiàn)。也有學(xué)者將物聯(lián)網(wǎng)分為五層結(jié)構(gòu)，即感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層、應(yīng)用層［1］。

本研究針對安全隔離設(shè)施人工檢查易疏漏和存在“真空期”這兩個問題，設(shè)計出一種安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)，用來提示相關(guān)設(shè)備運維及檢修人員，防止作業(yè)關(guān)鍵隔離設(shè)施被忽視或誤拆，強化生產(chǎn)現(xiàn)場的安全保障。

2 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測技術(shù)研究

2.1 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)研究

本研究設(shè)計的安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)硬件包含現(xiàn)場采集單元、現(xiàn)場輸出單元、基站（中心節(jié)點）、終端數(shù)據(jù)處理裝置。為了能更好地實現(xiàn)安全設(shè)施風(fēng)險提示，需要提前采集安全措施項目及作業(yè)項目信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后，為現(xiàn)場人員、維護檢修作業(yè)人員和運行人員提供風(fēng)險提示。由于水電站內(nèi)設(shè)備檢修維護工作項目不固定，安全提示模塊（現(xiàn)場采集及輸出單元）采用分布式無線布置方式。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

為避免非必要的過度報警，該系統(tǒng)將安全措施分為一般安措和核心安措。一般安措主要為普通區(qū)域的圍欄、紅布簾等誤動或誤拆而不會立即造成人員傷害或設(shè)備損壞的安全措施，核心安措指誤動或誤拆后會直接造成人員傷害或設(shè)備損壞的安全措施。核心安措設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常，要立即向現(xiàn)場采集單元對應(yīng)的輸出單元發(fā)動作命令，通過聲、光報警來提醒附近人員，并向相關(guān)作業(yè)人員發(fā)送作業(yè)安全設(shè)施發(fā)生異常信息，提醒作業(yè)人員停止作業(yè)，避免出現(xiàn)安全事故；非核心安措設(shè)備狀態(tài)異常，則進行計數(shù)，計數(shù)達到預(yù)設(shè)值后，立即向運維人員報警，由運維人員對報狀態(tài)異常的安措設(shè)備進行檢查、恢復(fù)，計數(shù)未達到預(yù)設(shè)值的，則由運維人員在定期巡檢時檢查、恢復(fù)。其數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

2.2 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模式

該系統(tǒng)由在監(jiān)測范圍內(nèi)部署的傳感器節(jié)點（安全提示模塊）、中心路由和上位機組成。傳感器節(jié)點（安全提示模塊）通過無線通信方式形成一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點用于采集安全隔離設(shè)施的異動情況；中心路由為這個無線傳感器局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，任一傳感器節(jié)點都能與中心路由器進行連接，也能與任一已經(jīng)處于局域網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進行連接，從而加入當前的局域網(wǎng)絡(luò)［2］；上位機主要負責與中心路由的數(shù)據(jù)通信，并呈現(xiàn)出一個可視化的界面系統(tǒng)。每個傳感器節(jié)點獨立運行，在發(fā)現(xiàn)安全異常后立即警示，實時上傳節(jié)點中心，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的安全提示，強化生產(chǎn)現(xiàn)場安全的保障。該系統(tǒng)的通信設(shè)計簡略圖拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)特點

整個安全提示系統(tǒng)不依賴其他設(shè)備或系統(tǒng)，可獨立運行，也可根據(jù)需要接入已有的信息或監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)布置靈活。

采用高速、高精度嵌入式多路信號同步采樣技術(shù)，完成對安全隔離設(shè)施異動情況的數(shù)據(jù)采集。安全提示系統(tǒng)的軟件在監(jiān)測過程中可對采集到的異動情況進行識別，確定可能被誤動或誤拆的安全隔離設(shè)施。

采用自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在管轄范圍安全隔離設(shè)施出現(xiàn)變化（增加或減少）時，相應(yīng)調(diào)整布置的傳感器節(jié)點（安全提示模塊）數(shù)量，暫未使用的傳感器節(jié)點（安全提示模塊）可關(guān)閉或處于休眠狀態(tài)。

數(shù)據(jù)并不能直觀地反映管轄范圍內(nèi)安全隔離設(shè)施的狀態(tài)，特別是對重要安全隔離設(shè)施異動可能忽略，而該系統(tǒng)可以從海量數(shù)據(jù)中提取有用數(shù)據(jù)，采用多種方式進行提示，防范安全風(fēng)險。

3 安全提示模塊硬件設(shè)計

該系統(tǒng)采用震動傳感器來采集安全隔離設(shè)施的異動情況、溫濕度傳感器來采集環(huán)境情況。經(jīng)芯片處理，在發(fā)現(xiàn)異動后，應(yīng)立即現(xiàn)場蜂鳴報警，并通過ZigBee芯片將采集到的震動、溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線信號進行傳輸［3］。之后通過中心節(jié)點接收信號將震動、溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給計算機，實現(xiàn)安全隔離設(shè)施異動的遠程在線監(jiān)測，并通過上位機軟件及時提示相關(guān)設(shè)備運維及檢修人員。因此，該系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備有溫濕度傳感器、震動監(jiān)測傳感器、ZigBee芯片、蜂鳴器和電源系統(tǒng)。

由于該系統(tǒng)主要應(yīng)用于生產(chǎn)廠房等設(shè)備分布較雜亂、干擾多的場所，為保證通信的可靠性、長續(xù)航，選用集成功率放大器、休眠時低功耗的ZigBee芯片產(chǎn)品。

震動監(jiān)測傳感選擇震動開關(guān)，震動開關(guān)可分為以下幾類：單滾軸型感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，可感應(yīng)不同方向的震動、傾斜；滾珠型傾斜震動開關(guān)，可感應(yīng)單方向觸發(fā)開關(guān)，防水防塵；震動傳感器開關(guān)，無方向性，任何角度可觸發(fā)，防水防塵［4］。本研究設(shè)計的系統(tǒng)需要采集可能來自任何方向的安全隔離設(shè)施異動情況，故選用震動傳感器開關(guān)。

經(jīng)比較后，最終選擇了SW18010P震動開關(guān)來采集安全隔離設(shè)施的異動情況，采集到的震動及溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)帶功率放大器的CC1352P芯片后，可實現(xiàn)更遠距離、更穩(wěn)定的無線信號傳輸（未外接擴展天線最遠通信距離為100～200 m，外接擴展天線后可達300 m）。震動傳感器開關(guān)自帶大容量鋰電池，可實現(xiàn)安全提示模塊長時間續(xù)航。

安全提示模塊通過調(diào)整背后的魔術(shù)貼扎帶與被檢測設(shè)備固定連接如圖4所示。

4 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計與應(yīng)用測試

4.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，嵌入式系統(tǒng)部分采用ZigBee無線通信協(xié)議。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4標準實施，主要用于近距離無線傳感器節(jié)點的組網(wǎng)通信，支持數(shù)百個的傳感器節(jié)點自動組建網(wǎng)絡(luò)［5］。

系統(tǒng)架構(gòu)上采用操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），為一種基于事件驅(qū)動的輪詢式“操作系統(tǒng)”，支持多任務(wù)運行，所有的應(yīng)用程序都在其上運行，其并不是一個傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，但是實現(xiàn)了部分類似操作系統(tǒng)的功能。作為時間驅(qū)動型的系統(tǒng)，OSAL支持數(shù)據(jù)流的高效并發(fā)，并能滿足系統(tǒng)的低功耗要求，在功耗、運行開銷等方面具有優(yōu)勢［6］。當系統(tǒng)初始化運行后，通過輪詢的方式來采樣環(huán)境數(shù)據(jù)，采樣完成后進入低功耗狀態(tài)。同時，異常狀態(tài)以事件的方式觸發(fā)時，也能實時做出響應(yīng)。程序運行流程如圖5所示。

4.2 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計及功能

上位機軟件是基于CEF、VUE、C++等開發(fā)的，通過CEF技術(shù)將瀏覽器功能嵌入到智能安全提示系統(tǒng)應(yīng)用程序的框架中，實現(xiàn)優(yōu)美簡潔的上位機軟件界面。

登錄權(quán)限管理。訪客僅能對安全隔離設(shè)施模塊狀態(tài)及安全隔離設(shè)施報警情況進行檢查，只有管理員登錄后，方能啟用/禁用安全提示模塊、新增或編輯安全隔離措施等。

主界面分為安全隔離設(shè)施監(jiān)測與安全提示模塊監(jiān)測兩欄，左側(cè)安全隔離設(shè)施監(jiān)測欄包括系統(tǒng)內(nèi)已布置的安全隔離設(shè)施及其報警情況、記錄報警次數(shù)（可手動將報警次數(shù)清零）；右側(cè)安全提示模塊監(jiān)測欄主要顯示模塊環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。軟件主界面的安全隔離設(shè)施監(jiān)測欄圖如圖6所示。

對上述所列的報警設(shè)備可進一步查看詳情，查閱其具體描述、安全措施分級情況、報警時間、累計報警次數(shù)，在確認誤報后由運維管理員手動清除報警。

上位機軟件的主要功能如下。

①系統(tǒng)設(shè)置、實時和歷史報警顯示、遠程布置模塊等。

②系統(tǒng)設(shè)置主要功能：添加或者刪除安全隔離措施組、單項安全隔離措施，修改安全隔離措施名稱，管理員與用戶設(shè)置，出報警參數(shù)設(shè)置等。

③實時和歷史報警顯示：針對當前、歷史的報警情況，以列表方式進行顯示，并對一般安全隔離措施異動次數(shù)累計，可隨時清零。

④遠程布置：可在上位機遠程逐個或以安全措施組為單位，批量啟用或禁用安全提示模塊。

4.3 安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用測試

安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后，在某水電站機組大修現(xiàn)場進行布置測試。其中，安全提示模塊設(shè)置了三種典型的布置場景：安全隔離圍欄、懸掛的安全標示牌、禁止打開的屏柜。在布置好安全提示模塊及系統(tǒng)后，組織人員按自身習(xí)慣拆除安全標示志牌、安全圍欄、開啟屏柜測試系統(tǒng)報警正確率；手動晃動安全提示模塊，記錄晃動時間，與上位機報警時間進行比對，確認系統(tǒng)響應(yīng)時間；開展168 h的系統(tǒng)連續(xù)運行測試，檢查上位機軟件記錄各安全隔離設(shè)施異動報警情況。經(jīng)測試，系統(tǒng)報警正確率及系統(tǒng)響應(yīng)時間均能滿足應(yīng)用需求，系統(tǒng)連續(xù)運行期間軟硬件未發(fā)生故障，軟件記錄報警正確。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)對安全隔離設(shè)施監(jiān)測的研究應(yīng)用案例較少，本研究設(shè)計的安全隔離設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場報警、上位機報警等多種手段提示運維及檢修人員安全隔離設(shè)施異動情況。未來，可考慮安全提示模塊作防水防塵設(shè)計以應(yīng)對各類復(fù)雜場地場所；或使用上位機對被監(jiān)測安全隔離設(shè)施狀態(tài)進行3D呈現(xiàn)，便于運維人員分析、識別安全隔離設(shè)施異動情況。

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