基于物聯網的煤礦重要設備物證溯源系統

甘波平

(安標國家礦用產品安全標志中心有限公司， 北京 100013)

0 引言

隨著社會的進步和相關技術的發展，對涉及人身健康和財產安全的產品及裝備實施全過程物證溯源管控，在發達國家已得到快速發展和應用。IECEx和歐盟ATEX認證體系實現對認證全過程可追溯，物證溯源手段不斷強化。法國BV強化工廠評審中的一致性核查和關鍵部件溯源，實現了對認證全過程可追溯。

在國內，近年來“低產量、高品質、高價格”的有機產品時常被發現以次充好、隨意標貼等情況[1-2]，《商務部、工業和信息化部、公安部、農業部、質檢總局、安全監管總局、食品藥品監管總局等七部委“關于推進重要產品信息化追溯體系建設的指導意見”》(商秩發〔2017〕53號)，要求將重要產品追溯管理納入現有強制性產品認證等相關認證制度[3]。國家認監委發布了《關于進一步加強國家有機產品認證標志管理的通知》，明確要求“鼓勵認證機構采取更為嚴格防偽、追溯技術手段，確保發放的每枚認證標志能夠從市場溯源到每張對應的認證證書、產品和生產企業”[4]。農產品認證溯源主要采用射頻識別、二維碼及條形碼技術，基本實現了“從農田到餐桌”全過程追溯[5-7]。此外，地面特種設備,公安、消防等領域，也正在推廣應用物聯網技術強化認證全過程管控和溯源管理[8-11]。

國內外的先進經驗深刻影響著安全標志準入的改革探索和創新發展,“十二五”期間，在原國家安全監管總局的明確要求和指導下，安標國家中心構建了煤礦重要設備物證溯源支撐服務系統，同時選取礦用提升機、架空乘人裝置等重點關鍵設備，在山西、河南部分煤礦進行了試點應用，通過賦予提升機、架空乘人裝置及其重要零(元)部件唯一的電子身份標識，采集和集成提升機、架空乘人裝置等設備從安全標志審核發放,到設備生產制造,直至報廢的全生命周期信息。基于設備電子身份標識線索，采用礦用本質安全型物聯網移動終端,實現對設備身份標識的辨識和讀寫，實現設備的合法性驗證及生產制造過程、運行維護情況追溯，保證設備相關信息來源可查，去向可追。試點應用取得了良好效果，得到安全監管監察機構的支持和肯定，為安全生產物證溯源體系的建立,推動煤礦重要設備運維、監管,促進服務向智能、安全、高效、主動方向發展奠定了初步基礎。

1 系統組成與架構

煤礦重要設備物證溯源系統的核心思想是通過應用物聯網技術的感知手段，使設備與互聯網建立互聯互通的渠道，集成煤礦設備從安全標志認證、生產制造、運行維護、定期檢驗、監管監察直至報廢周期的數據信息。安全監管監察機構、檢測檢驗機構、裝備生產企業、裝備制造企業各應用主體可即時感知設備全生命周期狀態和信息，實現設備全生命周期數據可追溯。該系統的應用是監管監察方法的創新[12],促進設備的管理與應用更加科學、高效。

1.1 系統組成

物證溯源系統主要包括：

1) 設備身份標識載體。包括煤礦井下用RFID電子標簽、條形碼等。

2) 發卡設備。基于射頻通信技術，實現標識載身份數據初始化與交互。

3) 本質安全型讀寫感知設備。基于射頻通信技術，與標識載體進行全生命周期各環節數據交互。

4) 信息處理及物證溯源軟件。實現設備標識與設備全生命周期信息的數據關聯、信息處理與溯源應用。

1.2 系統體系架構

系統主要由物聯網感知層、網絡層、支撐服務層、應用層部分組成，如圖1所示。

圖1 物證溯源系統體系架構

1) 感知層。感知層相當于動物的感官系統[13]，由各種傳感器及網關構成，包括各類設備運行狀態傳感器、設備身份標識、二維碼、感知終端、攝像頭、GPS等，主要功能是識別設備、采集信息。

2) 網絡層。網絡層由互聯網、私有網絡、無線和有線通信網、企業工業生產環網等組成，相當于人的大腦和神經中樞，主要負責處理和傳輸感知層獲取的信息。

3) 支撐服務層。支撐服務層是系統平臺架構物理底層，主要提供云計算、云存儲服務、安全保障服務、網絡設施服務，以及與監管監察機構、行業其他信息平臺數據交換、共享接口服務。

4) 應用層。通過物聯網技術與煤礦行業需求及專業技術深度融合，搭建電子標簽授權管控、物聯網在線監控、設備全生命周期核查驗證等多個子系統，實現對煤礦重要裝備物證溯源系統全生命周期大數據整合集成、深度挖掘與分析，實現智能化服務應用，從而實現煤礦重要裝備的物證溯源，為各級安全監管監察部門進行有效決策提供技術支撐。

2 設備統一標識編碼與解析

為保障每一臺礦用設備及其重要零(元)部件具備唯一身份標識，避免不同設備生產企業自行標識及編碼造成標準不統一、彼此不兼容、適用范圍有限等問題，通過研究,確定了設備電子身份標識方案，研發煤礦井下用特種RFID電子標簽作為設備統一身份標識，標簽通信頻率確定為860～960 MHz超高頻[14]。同時，對標簽與安全標志MA標識結合的封裝方式進行比對研究，采用RFID電子標簽與MA標識標牌嵌入式封裝，通過鉚接或粘貼等方式固定在設備上，以適應煤礦井下高濕度、高粉塵、復雜電磁及潛在爆炸危險環境下的通信及使用要求。

考慮到標簽與讀卡器的兼容性，RFID電子標簽采用EPC global標準編碼體系作為信息編碼格式,如圖2所示。電子標簽芯片本身具備全球唯一序列號，標簽標識編碼標準設計依據《礦用產品電子標簽統一編碼規則設計》要求，由電子標簽授權管控子系統自動生成設備的統一標識編碼(共30位)，并在電子標簽初始化時對芯片存儲區一次性寫入且不可篡改。

通過具有統一標識編碼的RFID電子標簽，賦予每一臺提升機、架空乘人裝置及其關鍵零(元)部件唯一“身份證”，從而從安全標志審核發放的源頭，實現物聯網環境下對設備的唯一編碼，在每臺設備的全生命周期過程中，RFID電子標簽是設備唯一的辨識依據。通過標識解析體系對該唯一編碼的辨識，實現全網煤礦設備資源的靈活區分和管理，以及跨系統、跨平臺、跨地域的信息交互，異構系統之間的協同、信息共享，從而實現每臺煤礦重要設備的物證溯源。

圖2 RFID電子標簽統一編碼規則

3 數據采集

煤礦重要設備物證溯源系統應用主體主要包括6個部分：安全標志管理機構、礦用裝備生產企業、礦用裝備使用企業、安全生產監管機構、煤礦安全監察機構、技術支撐服務機構。系統針對試點應用各相關方信息化管理實際情況，分別研究并提出了數據庫接口、前置交換、Web Service、終端采集等多種數據采集解決方案，對以上主體涉及到設備全生命周期的信息進行采集，并對采集到的數據信息進行清洗與整合，形成以電子標簽為主線，提升機、架空乘人裝置全生命周期物證溯源綜合信息鏈。數據采集流程示意圖如圖3所示。

4 安全保障

系統采用在煤礦現場部署前置機的方式，基于SNMP協議、FTP協議實現系統遠程設備運行情況參數及配置數據封裝、共享，數據傳輸采用VPN安全通道，基于SSL 3.0協議為網絡通信提供安全加密及數據完整性保障， 基于視頻采集設備SDK包進行二次開發，以瀏覽器OCX控件模式實時調用前端視頻流數據。

RFID讀寫模塊與電子標簽模塊間的通信采用數據加密傳輸及存儲，通信過程中，采用對電子標簽、讀卡器的雙向認證授權模式。鑒于RFID本身硬件資源極端受限的環境，使用輕量級加密算法[15]，敏感數據采用國密算法SM4實現電子標簽、讀卡器全通信過程明文到密文的數據加密，以避免標簽信息以明文傳輸造成的隱私信息暴露，從而保障數據信息安全。

系統軟件平臺基于數據交換共享平臺、配置管理平臺、應用支撐平臺、BI、地理信息平臺(GIS)等基礎支撐平臺運行，服務器端通過配置CA信任證書，實現WEB瀏覽器與服務器之間的身份認證和加密數據傳輸功能，瀏覽器客戶端通過統一的用戶認證和授權管理，滿足系統安全服務和各類用戶的安全訪問。

圖3 數據采集流程示意圖

5 物證溯源系統推廣應用面臨的問題

設備安全是安全生產的基礎，利用物聯網技術支持監管監察、實現煤礦設備物證溯源是未來發展的必然方向。安標國家中心基于提升機、架空乘人裝置等重點設備的探索研究，取得了積極的成效，但是距離建立一套滿足“互聯網+”和“中國制造2025”要求的煤礦重要裝備物證溯源體系仍面臨較多問題亟待解決,主要表現在以下幾點。

1) 頂層設計尚待完善。國家雖然鼓勵開展物證溯源體系建設，但目前尚存在統籌規劃滯后、制度標準不健全、推進機制不完善等問題，適應煤礦設備特點的物證溯源體系框架尚未建立，以政府及監管機構為主導的頂層設計尚待進一步完善。

2) 技術標準亟待統一。試點過程中,選取提升機、架空乘人裝置這兩種易涉及群死群傷事故的煤礦重點設備,在部分煤礦進行了探索應用，然而，針對煤礦設備多樣性、復雜性特點，覆蓋煤礦行業各相關方需求的設備信息采集、數據融合、異構數據整合等技術標準亟待統一。

3) 數據壁壘有待打破。各相關方信息化建設條塊化明顯，信息開放積極性不高，數據私有化嚴重，溯源各關鍵環節異構系統數據兼容與協同不夠，缺乏有效的開放管理協作機制，未在最大程度上實現互聯互通，數據壁壘有待打破。

6 結論

實施認證全過程管控和溯源管理是保障礦用產品安全標志認證有效性的關鍵，基于物聯網的煤礦重要設備物證溯源系統經過在河南、山西等地的試點應用探索，較好地滿足了目前安全監管監察機構對于重要礦用產品實施全生命周期的全過程監管，防止假冒偽劣和不具備安全保障的產品入井，強化安標準入管理，為礦山事故調查及物證溯源提供技術支撐，降低認證機構認證風險等方面的要求。但要在煤礦安全生產領域全面建立設備全過程管控及物證可追溯標準體系，還需重點解決頂層設計、技術標準、數據壁壘等幾個關鍵性問題。