融合指紋識別的設備電子化隔離管理系統

鐘映春，黃國臣

(廣東工業大學自動化學院，廣州510006)

1 引言

電廠、物流等大型企業在日常的設備維護中，要將設備從系統中隔離出來，以保證維修人員的安全，避免事故的發生。為此，電廠、物流等類型企業制定了嚴格的設備隔離規程規范［1］。

目前電廠企業中的設備隔離管理方法主要采取:

隔離鑰匙箱制度［2-3］。隔離鑰匙箱通常是按統一規格制作和編號，安裝在工作票室內，存放相關工作票上所有隔離點的隔離鑰匙和鑰匙箱級聯或交叉鎖定時對應的鑰匙。運行人員對檢修設備進行隔離操作后，對已隔離的開關、閥門加鎖鎖住，取出隔離鑰匙，將同該工作票有關的所有隔離鑰匙放人隔離鑰匙箱中，再對隔離鑰匙箱加鎖鎖住，取出許可鑰匙。隔離鎖和許可鎖都只有唯一的鑰匙。將許可鑰匙連同已許可開工的工作票、隔離證一起交給工作負責人。這樣，只有工作負責人交回許可鑰匙后，才能打開隔離鑰匙箱，再拿出隔離鑰匙解除相應的隔離措施，從而保證工作人員的安全。但由于眾多鑰匙箱管理起來本身就比較復雜，再加上過多的人為操作，使得因人為因素而導致的誤操作可能性加高，而且鑰匙(物理介質)容易丟失或被盜用，可能導致“非法”操作，存在安全隱患。

針對隔離鑰匙管理的不足之處，提出了一種融合指紋識別技術的設備電子化隔離管理方法。首先，在傳統的隔離點或控制點上懸掛警示牌的基礎上加電子隔離鎖鎖住，使工作人員無法接觸帶電部分或打開汽(氣)源、水源，杜絕了傳統方法中常見的警示牌易丟失或被人取下而誤認解除隔離的情況。也就是用嚴格的程序來代替從前的人為聯系方式。隔離措施的來源和解除條件很明確，對交叉作業時的安全保障尤為有效。其次，在項目完成后，必須依次驗證許可人、負責人指紋才能開鎖，解除隔離。

2 設備隔離管理的基本流程

設備隔離管理有一套完整的工作流程，通過設備的4種工作狀態加以說明。

1)設備處于等待隔離狀態:工作負責人提出隔離工作申請，經工作許可人批準后，通過基于Windows CE操作系統的手持終端設備錄入執行本次設備隔離點的工作許可人及工作負責人的詳細信息并各自通過指紋采集儀采集2-3枚指紋，交給工作負責人到隔離現場實施隔離工作。

2)設備處于已經隔離狀態:工作負責人通過手持設備下載隔離編號及工作面數目等信息到電子鎖中，并將電子鎖掛鎖在隔離點處的開關、閥門處，手持設備上將會自動記錄下參與本次隔離的工作許可人、工作負責人、電子鎖的綁定信息并存于數據庫中。將手持設備交回給工作許可人，至此設備正式進入隔離期。

3)解除隔離:工作項目完成或隔離期滿后，要求在手持設備上驗證參與本次隔離工作的許可人及所有負責人的指紋，匹配電子鎖編號等一系列驗證操作，所有的驗證都通過后打開電子鎖，恢復設備的合理狀態。

4)已經解除:現場解除隔離完成后，相關的隔離信息成為隔離歷史數據，以供查詢。

設備隔離電子化管理系統通過使用手持終端設備實現對工作人員、電子隔離鎖等信息的電子化管理。并采用指紋識別技術替代傳統的物理介質鑰匙，實現隔離鑰匙的數據化與電子化。

3 設備電子化隔離管理系統總體設計

設備隔離電子化管理系統的硬件由管理機與電子隔離鎖兩部分組成，具體的硬件結構如圖1所示。

管理機由ARM、ZFM-20指紋采集模塊、觸摸屏和SD卡組成。通過以SynoChip高速DSP處理器為核心的ZFM-20指紋模塊采集工作許可人、負責人的指紋圖像信息，然后進行指紋圖像的預處理、特征提取等指紋圖像處理過程。指紋識別模塊通過串口與ARM開發平臺連接，在ARM開發平臺的控制下實現指紋錄入、對比、搜索、存儲等功能，所有數據信息存儲于SD卡中。

圖1 系統硬件構架

電子隔離鎖模塊主要由以ATmega16芯片為核心的隔離鎖控制器(控制鎖的開關)和隔離鎖機構組成。電子隔離鎖模塊也通過串口與ARM開發平臺連接，在ARM開發平臺的控制下實現設置鎖的隔離編號、下載工作面總數目到鎖中等功能。

4 系統軟件設計

軟件系統采用模塊化思想，整個軟件主要分為以下6個模塊:系統初始化模塊、串行通信模塊、施加隔離管理模塊、解除隔離管理模塊、信息查詢模塊和系統參數設置模塊。模塊之間的流程圖如圖2所示。

4.1 施加隔離管理模塊

施加隔離管理模塊主要實現對工作許可人、工作負責人、電子隔離鎖等信息的管理功能以及施加隔離操作?？梢詫ぷ髟S可人、工作負責人、電子隔離鎖等信息進行添加、修改、刪除、查詢等操作。當需要對某個設備采取施加隔離操作時，工作許可人攜管理機到隔離現場，通過管理機從數據庫中選取參與本次隔離的許可人、負責人及電子隔離鎖，并將這組數據綁定記錄存入數據庫中的隔離信息表中，以作為查詢和解除隔離時的驗證依據，最后將選定的電子隔離鎖掛鎖在需要隔離的隔離點上，實現設備隔離，從而完成施加隔離操作。

4.2 解除隔離管理模塊

解除隔離管理模塊主要實現在某個項目完成后，解除對這個隔離點的隔離操作(即打開電子鎖)功能。在解除某隔離點的隔離操作時，工作許可人攜管理機到隔離現場，將電子隔離鎖通過電纜連接到管理機，確保管理機與電子隔離鎖的正常通信。成功解除隔離需要對本隔離點的隔離信息進行嚴格驗證，除了需要驗證相關的工作許可人及所有工作負責人的指紋信息外，還需要驗證本條隔離記錄信息中的隔離編號、工作負責人數目與實際電子隔離鎖中的編號、工作負責人總數是否匹配，在所有驗證通過后，ARM與電子隔離鎖還將同時采用一種加密算法加密共享密碼，密碼匹配成功后才可開鎖，完成隔離解除操作。

圖2 主要模塊之間的流程圖

4.3 信息查詢模塊

信息查詢模塊主要提供對工作許可人信息、工作負責人信息、電子鎖信息、處于隔離狀態下的記錄信息和已解除隔離的記錄信息的查詢功能。

4.4 系統參數設置模塊

系統參數設置模塊主要實現在緊急情況下，擁有高級權限的工作人員通過密碼進入參數設置操作界面，可以在無需任何指紋驗證的情況下直接打開電子隔離鎖，完成緊急解除隔離操作。

4.5 系統的數據庫設計

系統采用Windows CE5.0系統上自帶的數據庫引擎EDB(Embedded Database)實現數據的存儲與檢索等功能。該數據庫是在CEDB(Windows CE Database)數據庫的基礎上，為了改善應用程序的性能和長期可移植性而推出的。EDB利用了SQL Mobile使用的存儲子系統，并提出了明顯優于CEDB性能的函數集，從而成為理想的選擇。設備隔離電子化管理系統中包括一個數據庫(ManagerDB)，并創建了工作許可人信息表、工作負責人信息表、電子隔離鎖信息表、設備隔離信息表及解除隔離記錄信息表等一系列的數據表格。主要數據表的結構設計及表間關系如圖3所示。

5 實驗結果與分析

系統軟件是在Windows CE操作系統上用EVC 4.0開發環境開發的。圖4是該系統的一些主界面設計，圖4(a)為指紋采集等待界面，圖4(b)為隔離管理主界面。

圖3 主要表的結構及表間關系

為了驗證設備隔離電子化管理系統的可行性和穩定性，測試了指紋識別功能、施加隔離和解除隔離功能。測試結果表明系統的硬件和軟件都能較好的工作，實現了指紋識別、施加隔離、解除隔離等功能。系統穩定性較好，操作成功率高。對設備隔離電子化管理系統的關鍵功能測試結果如表1。

表1 系統關鍵功能測試結果

指紋錄入和指紋對比(搜索)的成功與否是完成解除隔離操作的關鍵。在采集指紋和驗證指紋時，要盡量保證手指擺放位置與傳感器的采集頭相重合、指紋采集傳感器的清潔和手指的清潔，這樣就能夠明顯提高指紋錄入的成功率，而且采集到質量較高的指紋，為相應功能的實現奠定良好的基礎。

圖4 主要界面設計

6 結束語

由于傳統的設備隔離管理方法對隔離鑰匙的管理較為繁瑣、復雜，而且有過多的人為操作，極易引起事故。為了簡化操作流程，最大限度地提高操作安全，降低人為操作帶來的安全風險，提出了一種基于ARM硬件處理器與Windows CE操作系統，結合指紋識別技術的設備電子化隔離管理方法。實驗結果表明，該設備隔離電子化管理系統可行性和穩定性良好，隔離設備操作簡單，解除設備隔離操作過程驗證嚴格，具有安全性高，易于移動，易于集成等優點，為企業日常的設備維護管理起到了較為重要的作用。

［1］ 《“兩票”管理指南》委員會.“兩票”管理指南［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［2］ 陳新標.隔離鑰匙箱制度在企業資產管理系統中的應用［J］.華電技術，2010，32(7):73-75.

［3］ 劉秀龍，嚴杏初.工作票隔離鑰匙制度在沙角C電廠的應用［J］.電力安全技術，2002，4(9):21-23.

［4］ 徐家樹，覃征，葉志強.核電站設備的輔助隔離［J］.哈爾濱工程大學學報，2006，38(8):1386-1288.

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