根據(jù)《2024年中國海洋經(jīng)濟統(tǒng)計公報》，我國2024年海洋經(jīng)濟總量首次突破10萬億元。我國作為航運大國，2024年全國港口貨物吞吐量持續(xù)增長，1月-11月累計完成貨物吞吐量超過160億噸[1]。在航運快速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)浪潮興起的背景下，物聯(lián)網(wǎng)與船舶運輸及制造的深度融合已成為大勢所趨。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入船舶生產(chǎn)氣體檢測，實現(xiàn)智能監(jiān)管、提升監(jiān)測效能，有利于船舶智能化發(fā)展。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是伴隨信息技術(shù)飛速發(fā)展而來的一項重要革新。20世紀末，Aathton提出網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別系統(tǒng)，可以說是物聯(lián)網(wǎng)的初始概念；隨后KevinAsthton闡述其含義，各國逐步推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。如今社會已進入萬物互聯(lián)時代。物聯(lián)網(wǎng)是這樣實現(xiàn)互聯(lián)的：借助信息采集設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)、RFID、激光掃描器等以約定協(xié)議采集數(shù)據(jù)信息，基于互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)信息的交換，在此基礎(chǔ)上再實施數(shù)據(jù)分析與處理，這樣便可以對各個連接對象進行智能管理。究其根本，物聯(lián)網(wǎng)以“互聯(lián)網(wǎng) + 信息”作為核心，實質(zhì)是對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一種拓展以及升級，是對多領(lǐng)域技術(shù)，如計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等的綜合創(chuàng)新運用。有文獻報道，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備規(guī)模十分龐大，預(yù)計到2026年將會超過260億。本文圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶生產(chǎn)過程氣體智能監(jiān)測方面的應(yīng)用展開探討。

二、氣體監(jiān)測概述

人類關(guān)于氣體與人類健康、生命安全間的關(guān)系研究較空間氣體感知更晚。工業(yè)革命后，科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進，關(guān)于氣體的認識也不斷深人[2。如早期采礦等作業(yè)中，大多是通過放飛鳥類對空氣中是否存在毒害氣體進行監(jiān)測的；之后將比色管用于氧氣濃度以及一氧化碳氣體的檢測；隨著時間推移，氣體檢測裝置更新?lián)Q代加快，如基于加熱波斯原理進行可燃氣體檢測，化學(xué)傳感器的出現(xiàn)與應(yīng)用大幅度提高氧氣檢測精度，電化學(xué)傳感器用于有毒氣體檢測[3]。

氣體檢測技術(shù)發(fā)展至今，監(jiān)測空間越來越廣，面臨的監(jiān)測環(huán)境也更為復(fù)雜。當前，按照使用方式可將有毒有害氣體檢測裝置分為三類：固定式，適用于工業(yè)生產(chǎn)（包含報警器、監(jiān)測器兩個部分）；便攜式，常用于開放式場所，具有體積小、易攜帶的特點；在線監(jiān)測，可進行遠程監(jiān)管，多用于大規(guī)模氣體監(jiān)測。

全球范圍內(nèi)，約 8 0 % 的貨運量是由船舶運輸承擔的，船舶生產(chǎn)過程中也會涉及氣體檢測，這直接關(guān)乎生產(chǎn)安全4。工業(yè)生產(chǎn)中常用的有毒有害氣體檢測系統(tǒng)有無線氣體檢測系統(tǒng)和有線氣體檢測系統(tǒng)兩種，前者是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種檢測系統(tǒng)，其在氣體泄漏、環(huán)境參數(shù)等方面應(yīng)用廣泛，具有靈活性高、實時性以及持續(xù)性的優(yōu)點；后者屬于傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)，具有功能簡單且容易實現(xiàn)的優(yōu)勢，但持續(xù)性以及檢測能力略顯不足，對于一些混合氣體檢測以及智能需求高的情況則檢測效果不夠理想[5]。

近些年，工業(yè)生產(chǎn)中對于特定場景多種氣體智能檢測的需求十分迫切，探索一種智能化船舶氣體檢測裝置十分必要。本文分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計，探討船舶生產(chǎn)中氣體智能檢測的可行路徑。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體智能檢測系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的有毒有害氣體智能監(jiān)測系統(tǒng)。本文主要分析對一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等氣體的智能檢測。整體架構(gòu)方面，具體結(jié)構(gòu)為：感知層，屬于底層架構(gòu)，主要功能是識別和采集信息，涉及傳感器、射頻條碼識別設(shè)置、藍牙通信等多種技術(shù)，通過設(shè)置的氣體傳感器陣列可對環(huán)境中的硫化氫、一氧化碳和二氧化碳等多種氣體濃度進行檢測，通過設(shè)置GPS模塊采集相關(guān)采樣點數(shù)據(jù)（位置與坐標等）；傳輸層，實現(xiàn)上下兩層的數(shù)據(jù)通信，即將接收到的傳感器實時數(shù)據(jù)向云系統(tǒng)服務(wù)器傳輸，實現(xiàn)方式為GPRS模塊接收采集氣體濃度數(shù)據(jù) 在對應(yīng)模塊中寫人IP地址與端口號；應(yīng)用層，接收上傳的數(shù)據(jù)信息并將其存儲在云系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，其除了預(yù)警以外還包括對氣體濃度變化趨勢的分析預(yù)測。

在功能方面，系統(tǒng)的設(shè)計涵蓋多個方面：第一：采集節(jié)點。有毒氣體數(shù)量與種類較多，本文結(jié)合船舶生產(chǎn)實際情況選取一氧化碳、硫化氫和二氧化碳等氣體進行說明。一方面通過作業(yè)現(xiàn)場氣體濃度采集使現(xiàn)場工作人員獲取實時的氣體濃度信息，另一方面將相關(guān)數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)送至云平臺。第二：數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)運行質(zhì)量受到數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定程度的影響，因此，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)結(jié)合實際需要，能夠滿足穩(wěn)定性、實時性要求。同時，工作現(xiàn)場環(huán)境中的氣體并非單一氣體，不同類型氣體的變化有所不同，不同模塊數(shù)據(jù)傳輸需確保數(shù)據(jù)的綜合性，便于相關(guān)人員全方位了解氣體濃度變化。第三：氣體發(fā)展態(tài)勢和監(jiān)測平臺。前者包括現(xiàn)場不同氣體的立體分布（模糊綜合算法），以及發(fā)展的分布預(yù)測（高斯煙羽模型）兩方面。平臺則是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多類型有毒氣體檢測系統(tǒng)。除了基本的實時快速采集相關(guān)氣體信息以外，還包括遠程監(jiān)測功能，便于決策人員準確掌握現(xiàn)場情況，從而及時制定應(yīng)對策略。通過監(jiān)測平臺的顯示界面，工作人員可了解各個采樣點有毒氣體濃度的最大、最小值及其變化情況。同時，通過平臺的態(tài)勢分布界面、擴散界面，工作人員可準確劃定工作環(huán)境中的安全、污染區(qū)域，并針對性地制定應(yīng)對預(yù)案。

（二）硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)，從三部分分析系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)層主要解決工作環(huán)境中有毒氣體濃度與坐標數(shù)據(jù)采集問題，傳輸網(wǎng)絡(luò)層將獲取的上一層數(shù)據(jù)向云端傳送，終端應(yīng)用層則對數(shù)據(jù)進行顯示與分析。本系統(tǒng)由氣體采集模塊、串口模塊、GPS模塊、主控單元模塊、無線傳輸模塊、服務(wù)器，以及MFC顯示平臺等組成。其中，氣體采集模塊部分主要包含一氧化碳、二氧化碳，以及硫化氫等氣體傳感器，采集環(huán)境中相應(yīng)氣體的濃度數(shù)據(jù)。本文實例分析的系統(tǒng)屬于無線氣體檢測系統(tǒng)。常用氣體傳感器包括半導(dǎo)體類型、電化學(xué)類型、光學(xué)類型，以及固體電解質(zhì)類型等多種。本系統(tǒng)采用電化學(xué)類型氣體傳感器，不僅體積小、便于攜帶、反應(yīng)速度快、選擇性高，而且經(jīng)濟適用性好、外圍裝置簡單。系統(tǒng)選擇的電化學(xué)氣體傳感器一氧化碳、二氧化碳，以及硫化氫量程分別為 0-5 0 p p m ！ 0-5 p p m 、 0-1 0 p p m ，靈敏度分別為0 . 5 0 ± 0 . 1 0 μ A / p p m 、 0 . 5 5 ± 0 . 1 5 μ A / p p m 、 ? ppm。而硬件設(shè)計中的GPS模塊主要用于對位置坐標數(shù)據(jù)的采集；無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)向服務(wù)器傳輸；顯示平臺監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)可為決策提供理論支持。在傳輸方式方面，實現(xiàn)無線通信的途徑除了藍牙以外，還有GPRS、Wi-Fi等方式。不同方式各有其優(yōu)點，如藍牙具有較高的數(shù)據(jù)安全性，Wi-Fi則適用于小規(guī)模設(shè)備，GPRS在長距離通信方面運用較多。本系統(tǒng)采用GPRS方式。

（三）軟件設(shè)計

智能檢測系統(tǒng)軟件主要包括下位機（主要為多種氣體智能檢測裝置）與上位機（包括數(shù)據(jù)庫、態(tài)勢分布、監(jiān)測與預(yù)測相關(guān)內(nèi)容）。

下位機包括：1.數(shù)據(jù)采集：其中，氣體采集子程序是該部分的關(guān)鍵。其將相應(yīng)的氣體濃度數(shù)據(jù)向控制器傳輸，即通過各類氣體的電化學(xué)傳感器和控制器實現(xiàn)通信，每種氣體采集程序是單獨的，以便于針對性的管控采集;以二氧化碳為例說明，借助串口傳感器模組與控制器，以問答方式進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。2.云平臺通信：控制器將采集的環(huán)境氣體相關(guān)濃度數(shù)據(jù)向無線傳輸模塊發(fā)送，并最終上傳至云服務(wù)器，其中需要云平臺通信軟件的支撐，在傳輸模塊與監(jiān)控平臺二者之間通過SOCKET的構(gòu)建實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

上位機包括：1.數(shù)據(jù)庫：本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基于需求功能分析、遵循相應(yīng)設(shè)計規(guī)則進行氣體智能檢測系統(tǒng)模型（采用描述實體間關(guān)系的E-R模型）設(shè)計。采樣數(shù)據(jù)表中主要包含氣體數(shù)據(jù)表。2.監(jiān)測平臺：是本智能監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，由數(shù)據(jù)處理與顯示兩部分組成；氣體濃度三維分布采用模糊綜合算法，明確不同評價指標所占權(quán)重，對于發(fā)展的分布預(yù)測則采用高斯煙羽模型；

MFC應(yīng)用程序方面，本智能系統(tǒng)是基于MFC的顯示界面，包含不同類型氣體濃度變化情況等內(nèi)容。工作人員可通過設(shè)定好的賬號密碼登錄進入管理平臺進行在線監(jiān)管，同時，其可根據(jù)需要安裝相應(yīng)插件進行變化曲線的繪制。

（四）測試分析

軟硬件等各個方面設(shè)計完成后，系統(tǒng)并不能立即投入使用，而是需要經(jīng)過測試并對其功能實現(xiàn)情況予以驗證。為了規(guī)避未知因素干擾，本文系統(tǒng)測試按照分布式原則進行，也就是對不同組成模塊進行單獨測試。

1.硬件測試

涉及采集、傳輸兩個模塊。采集模塊單獨測試，以氣體采集模塊測試為例進行說明。測試時，在系統(tǒng)中單獨接人二氧化碳的傳感器，使用監(jiān)測設(shè)備對系統(tǒng)運行過程中傳感器與相關(guān)設(shè)備信號通信進行監(jiān)測，結(jié)合得到的波形可以看出信號完整且未發(fā)生任何畸變，這表明，上述二者間的通信質(zhì)量滿足要求。對傳輸模塊的單獨測試主要是對系統(tǒng)丟包率進行測試，統(tǒng)計樣本選擇數(shù)據(jù)包個數(shù)，從而保障實驗結(jié)果的可靠性。通過丟包率的測試可以驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是否滿足要求。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行計算，該智能系統(tǒng)無線通信發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)、云平臺服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)分別為1536.6個、1535.3個，丟包率約為 0 . 0 8 % ，滿足實際應(yīng)用需要。

2.氣體采集校驗

這個環(huán)節(jié)主要是通過測試驗證系統(tǒng)精確度是否達到要求。隨機抽取有毒氣體中兩種測試氣體采集精確度。本環(huán)節(jié)以一氧化碳為例進行說明。系統(tǒng)結(jié)合氣體流量計和標準濃度氣瓶進行測試。先使用導(dǎo)管將純氮氣氣瓶、標準有毒氣體氣瓶與氣體流量計連接，稀釋一氧化碳。然后，經(jīng)導(dǎo)管與所設(shè)計的智能檢測系統(tǒng)相連接，采集不同濃度的一氧化碳氣體檢測數(shù)據(jù)并做記錄。每一種濃度檢測多個采樣點從而獲得濃度數(shù)據(jù)曲線，經(jīng)計算得出標準差與平均偏差數(shù)值。在本研究中，一氧化碳兩種濃度數(shù)據(jù)標準差分別為 ? 、 ? ，平均偏差分別為 ? 通過數(shù)據(jù)曲線可以看出，不同濃度的一氧化碳氣體經(jīng)傳感器檢測存在一定波動，計算得出其與標準濃度的誤差在 5 % 以內(nèi)，這表明，該氣體檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性符合實際檢測需要。

3.監(jiān)測平臺功能測試

評估模型驗證中，評價指標選擇需要檢測的一氧化碳、二氧化碳，以及硫化氫等多種氣體因子，通過上文提及的模糊評價模型得到采樣點的評價結(jié)果。以采樣點數(shù)據(jù)作為支撐，運用上文提及的高斯煙羽模型對一氧化碳、二氧化碳等氣體的擴散范圍進行預(yù)測。以一氧化碳氣體擴散為例進行驗證。經(jīng)檢驗，模型精度（一氧化碳方根誤差值0.53）滿足要求。在系統(tǒng)管理界面方面，工作人員可通過對應(yīng)的賬號密碼進人智能檢測系統(tǒng)進行在線監(jiān)管，其中，不同采樣點的采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的設(shè)備編號。管理系統(tǒng)除了服務(wù)器數(shù)據(jù)庫功能以外，還具備氣體分布和擴散預(yù)測兩種功能。

經(jīng)上述硬件測試、氣體采集校驗，以及監(jiān)測平臺功能測試，通過硬件測試驗證，系統(tǒng)通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量可滿足實際需要；通過氣體采集校對驗證了該系統(tǒng)氣體采集精確度符合實際船舶生產(chǎn)安全需要；通過監(jiān)測平臺功能測試驗證了該氣體智能檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性良好、操作簡便，同時具有氣體三維分布和預(yù)測氣體擴散功能，便于工作人員實時在線監(jiān)管，及時采取措施干預(yù)，完全能夠滿足實際工作中的安全維護需要。

四、結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)的氣體檢測模式已經(jīng)難以滿足日益提高的安全生產(chǎn)需要。高效化、智能化成為氣體檢測的一個重要發(fā)展方向。本文闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣體監(jiān)測的中的應(yīng)用，著重分析船舶生產(chǎn)中氣體智能檢測系統(tǒng)硬件、軟件等各方面的設(shè)計，并對各部分功能是否滿足需要進行驗證，以確保系統(tǒng)性能良好、運行穩(wěn)定。

作者單位：陳偉夏錦亞徐帆高運祥張德勇招商局重工（江蘇）有限公司

參考文獻

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