基于RFID的危化品容器安全追溯信息管理系統(tǒng)研究

張福生，楊 玲，劉 晶，張英男，曹 炎，汪先慈

（哈爾濱學院，哈爾濱 150080）

1 危化品容器管理存在的主要問題

危險化學品是指具有毒害、腐蝕、爆炸、燃燒和助燃等性質(zhì)，對人體、設施、環(huán)境具有危害的劇毒化學品和其他化學品，簡稱危化品。在生產(chǎn)、運輸、使用、儲存和回收過程中，因易造成人身傷亡和財產(chǎn)損失而需要特別防護，也是公共安全的一個重要組成部分。危險化學品容器（Cylinders of Dangerous Chemicals，CDC）包括工業(yè)鋼瓶、車載鋼瓶、民用鋼瓶和軍用氣瓶等，其安全涉及千家萬戶，直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全，關(guān)系到相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)安全，關(guān)系到國民經(jīng)濟與社會的和諧發(fā)展。

近年來，我國危險化學品容器事故呈上升趨勢。2014年，據(jù)不完全統(tǒng)計共發(fā)生僅燃氣（不包括氫氣、液氨等）爆炸事故就達350余起，事故造成死亡114人，受傷670余人，損失財產(chǎn)達6800萬元，且64%的事故發(fā)生在民居樓。2015年，8.12天津濱海新區(qū)爆炸事故，因天津瑞海公司危險品倉庫發(fā)生火災爆炸事故，直接導致165人遇難、304幢樓宇建筑倒塌、12428輛商品汽車和7533個集裝箱受損。依據(jù)《企業(yè)職工傷亡事故經(jīng)濟損失統(tǒng)計標準》，已核定的天津濱海新區(qū)爆炸事故造成直接經(jīng)濟損失68.66億元，間接損失巨大。面對數(shù)量大、分布廣、流動性強的鋼（氣）瓶，各充裝、配送單位以及使用單位對危化品鋼瓶的識別和追溯工作仍然是通過肉眼識別完成。遇到瓶身銹蝕不清的鋼印標識很容易造成誤判，而對危化品鋼瓶的跟蹤、統(tǒng)計、監(jiān)管工作也是先人工紙筆記錄，后統(tǒng)一匯總的作業(yè)方式，根本無法杜絕因氣體錯裝、鋼瓶超期使用而造成的安全事故。傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)不能滿足目前管理的需求。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著全球工業(yè)4.0的快速發(fā)展，各類CDC的需求量也在與日俱增，其種類繁多，并廣泛應用在生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，其多數(shù)具有易燃、易爆、有毒和腐蝕等特性。在20世紀80年代初，各國政府、學術(shù)界就把CDC的監(jiān)督和管控提升到了公共安全級別的管理問題，建立和完善了CDC的監(jiān)管體制，并整合了監(jiān)管系統(tǒng)，進而建立了危化品本身的綜合性管理和全過程管理，加強了各企事業(yè)和各職能部門間的合作，并基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)建立了區(qū)域或行業(yè)統(tǒng)一的信息管理體系和應急指揮體系、制訂聯(lián)合行動計劃和預案、注重全過程的應急管理等。以行業(yè)危機管理理論及技術(shù)體系變革為基礎，各國政府建立了新的管理機制和技術(shù)保障模式，以彌補單純依靠法律法規(guī)、標準或科學技術(shù)帶來的管理缺陷問題，即從技術(shù)管理學科看待危險化學品容器安全監(jiān)管，實施有組織、有計劃、持續(xù)動態(tài)的全過程管理。因此，從技術(shù)的角度治理、規(guī)范和完善CDC安全生產(chǎn)、經(jīng)營、儲存、運輸和監(jiān)督等管理工作，對世界各國的經(jīng)濟建設和高速發(fā)展均具有重要的意義。

我國是僅次于美國的世界危險化學品生產(chǎn)和應用大國，對危化品的生產(chǎn)和儲用也存在監(jiān)管責任不健全、監(jiān)管任務繁重、監(jiān)管手段匱乏等問題，而采用的電子監(jiān)管裝置，其功能設計僅限于操作現(xiàn)場，加之CDC企業(yè)安全管理不到位等問題，導致危化品和CDC的安全監(jiān)控機制缺乏全面性和長效性。因此，積極探索有效的危化品和危化品容器監(jiān)管機制迫在眉睫。該系統(tǒng)是利用電子標簽（RFID）進行工作，具有自動識別和加密存儲功能，給每個CDC確定一個唯一識別碼，實現(xiàn)對CDC檢驗、充裝、種類和配送等信息的采集和存儲，利用云技術(shù)對信息實施遠程、全壽命期的追溯管理，建立鋼瓶安全狀態(tài)、物理位置等的全程安全監(jiān)控系統(tǒng)，以此遏制偽劣、超期鋼瓶流入市場，切實保證危險化學品生產(chǎn)、物流配送和使用安全。

3 系統(tǒng)研究內(nèi)容

電子標簽（RFID）具有儲存信息可靠性高、非接觸通信等優(yōu)越特性，加之強大的云端后臺信息系統(tǒng)支持，使其在危化品監(jiān)管過程中發(fā)揮著巨大作用。該系統(tǒng)的研究核心是充分發(fā)揮RFID技術(shù)的優(yōu)點，將電子標簽技術(shù)、無線通信網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)以及云計算技術(shù)應用于CDC管理，以提升危化品追溯管理的高效性、準確性和各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享性。

3.1 研究方法

本文采用對比分析法和調(diào)查的方法，調(diào)研現(xiàn)行危險化學品行業(yè)監(jiān)管的基本情況，從而發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，歸納和總結(jié)出具有共性的監(jiān)管技術(shù)手段和管理模式，探索建立基于RFID的CDC宏觀因素和微觀因素之間的內(nèi)在關(guān)系。同時，筆者通過搜集、鑒別、整理相關(guān)文獻，并通過對文獻的研究，形成對CDC監(jiān)管事實的科學認識，并探討基于多技術(shù)手段融合的量化和規(guī)范化方法，融合國外發(fā)達國家的成功管理經(jīng)驗，建立和完善科學的CDC監(jiān)管長效機制。

3.2 多頻率RFID電子標簽的邏輯結(jié)構(gòu)

多頻率RFID電子標簽是利用RFID技術(shù)獲取信息，為克服傳統(tǒng)單頻點RFID的不足，創(chuàng)新多頻點RFID技術(shù)，將RFID、標簽封裝工藝、防轉(zhuǎn)移粘貼工藝、微單片機和無線通信等技術(shù)相融合，同時形成抗金屬反射、耐酸堿腐蝕等特性的無源抗金屬反射寬溫RFID電子標簽。而RFID技術(shù)屬于成熟技術(shù)，其射頻調(diào)制技術(shù)也有相應的國際標準，為提高其抗金屬反射能力和具有金屬背景下的數(shù)據(jù)通信能力，對射頻標簽內(nèi)的微型射頻天線采用高斯降噪算法設計，結(jié)合軟件無線電技術(shù)根據(jù)信號場強自學習和規(guī)避環(huán)境噪聲，實現(xiàn)多頻率共生的自適應數(shù)據(jù)交互技術(shù)，具體電路設計如圖1所示，其中L1和L2是組合式RFID射頻天線。

圖1 RFID電子標簽的邏輯結(jié)構(gòu)

3.3 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)

前饋神經(jīng)網(wǎng)絡（Feedforward neural network），簡稱前饋網(wǎng)絡，是人工神經(jīng)網(wǎng)絡的一種。RFID電子標簽可根據(jù)CDC的危險等級、種類以及儲運等分級、分類設置為該管理系統(tǒng)的不同神經(jīng)元節(jié)點，在此種神經(jīng)網(wǎng)絡中，各神經(jīng)元從輸入層開始，接收前一級輸入，并輸入到下一級，直至輸出層。整個網(wǎng)絡中無反饋，可用一個有向無環(huán)圖表示。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡是神經(jīng)網(wǎng)絡中的一種典型的分層結(jié)構(gòu)，信息從輸入層進入網(wǎng)絡后逐層向前傳遞至輸出層。根據(jù)前饋網(wǎng)絡中神經(jīng)元轉(zhuǎn)移函數(shù)、隱層數(shù)以及權(quán)值調(diào)整規(guī)則的不同，可以形成具有各種功能特點的神經(jīng)網(wǎng)絡，其感知的基本思想如圖2所示。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡模型算法示意圖

其中：

X=(x1,x2,…xi,…,xn)T

O=(o1,o2,…oi,…,om)T

Wj=(w1j,w2j,…wij,…,wnj)T j=1,2,…,m

凈輸入：

netj

輸出：

上述思想經(jīng)優(yōu)化和繁衍對應于該管理系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)庫，并能夠進行自主學習和優(yōu)化管理，實現(xiàn)實時全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的追蹤和管理。

3.4 系統(tǒng)管理組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括粘貼于危化品容器的多頻RFID電子標簽、RFID讀寫器和云管理軟件系統(tǒng)共三部分組成，具體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 RFID標簽應用流程

系統(tǒng)的RFID電子標簽應用流程如圖4所示，RFID標簽成品需專用的固結(jié)工藝安裝到危化品容器（鋼瓶）的表面，經(jīng)檢驗、整瓶、充裝、入庫和出庫等流程實現(xiàn)危化品的全程自動追溯。

圖4 RFID標簽應用流程

4 結(jié) 語

各類危化品泄露、爆炸等事故頻發(fā)，危化品容器安全追溯信息管理系統(tǒng)的應用可極大地降低因危化品容器爆炸事故所導致的人民生命財產(chǎn)損失。隨著國家和各省加強對危化品容器安全監(jiān)管信息化的需要，該系統(tǒng)在為運營企業(yè)贏得經(jīng)濟效益的同時，也能為社會提供就業(yè)機會，為政府治理和監(jiān)管CDC的工況提供有力的工具和措施，也有助于科研單位形成科研成果并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促使科研單位在實際的研發(fā)和應用中發(fā)現(xiàn)和攻克新的研發(fā)課題，產(chǎn)出更多的實用性科研成果，并能培養(yǎng)相關(guān)項目人才，為落實國家的“雙創(chuàng)”舉措、促進產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新提供一定技術(shù)方法。

主要參考文獻

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