智慧傳感芯片成為石化企業(yè)安全智能哨兵
——訪青島安全工程研究院副院長(zhǎng)、總工程師牟善軍

□ 本刊記者 許帆婷 鄭國(guó)江

智能網(wǎng)絡(luò)能通過無線信號(hào)收集遍布工廠的傳感器數(shù)據(jù)，集中到數(shù)據(jù)分析中心“大腦”里。更進(jìn)一步通過云計(jì)算共享的數(shù)據(jù)“訓(xùn)練”傳感器，就像訓(xùn)練導(dǎo)盲犬、搜救犬、緝毒犬一樣，使它實(shí)現(xiàn)不同的功能。

青島安全工程研究院副院長(zhǎng)、總工程師牟善軍。

今年年初，中國(guó)石化青島安全工程研究院的“基于介觀半導(dǎo)體氧化物材料的微型傳感芯片研制與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得集團(tuán)公司2018年度前瞻性基礎(chǔ)性科學(xué)一等獎(jiǎng)。

能源化工行業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，近年來多次出現(xiàn)的中毒、燃爆等重大事故為全行業(yè)安全生產(chǎn)敲響警鐘。在安全環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻的今天，能夠快速感知異常、識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)處置，對(duì)企業(yè)增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力有重大意義。

近期，本刊記者采訪了中國(guó)石化青島安全工程研究院副院長(zhǎng)、總工程師牟善軍。他認(rèn)為，應(yīng)該集中全系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)力量和專家團(tuán)隊(duì)，對(duì)各個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)服務(wù)和支撐。其中，安工院研發(fā)的新型芯片有助于構(gòu)建智慧感知、自主學(xué)習(xí)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，真正成為企業(yè)安全平穩(wěn)運(yùn)行的哨兵。

行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)倒逼數(shù)字化轉(zhuǎn)型

記者：研究智能傳感芯片的大背景是什么樣的，為什么要做這方面的研究？

牟善軍：近年來，石油化工行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈。參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的角色日漸多元化。民營(yíng)煉廠企業(yè)的投資規(guī)模和市場(chǎng)份額都在不斷擴(kuò)大。近年來正在新建或已經(jīng)投產(chǎn)了一批千萬噸級(jí)的大型煉化一體化項(xiàng)目，比如浙江石化、恒力石化等。同時(shí)，世界石油化工巨頭巴斯夫、埃克森美孚等公司，也陸續(xù)以獨(dú)資或合資形式進(jìn)入中國(guó)。可以預(yù)見，中國(guó)的煉油能力過剩將加劇，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)入白熱化階段。市場(chǎng)發(fā)生的種種深刻變化讓我們意識(shí)到，石油化工行業(yè)正在成為一個(gè)充分競(jìng)爭(zhēng)的行業(yè)。在這樣的大背景下，安全環(huán)保和能效成為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。一個(gè)企業(yè)首先要生產(chǎn)穩(wěn)定、不出事故，然后才能保證產(chǎn)量，提升效益。

記者：您認(rèn)為如何才能增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力？

牟善軍：首先企業(yè)的安全環(huán)保要做到不出事，然后才能談到生產(chǎn)效率問題。我們石油化工企業(yè)的生產(chǎn)原料原油價(jià)格和產(chǎn)品定價(jià)，不是某個(gè)公司能夠說了算的。唯一能夠比拼的，就是生產(chǎn)過程中如何降低成本，因?yàn)樯a(chǎn)成本決定了企業(yè)的效率。

近年來逐漸成熟的人工智能、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化提供了很好的工具。想要大幅度提高能效，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。比如，中國(guó)上千年的農(nóng)耕文化，包含了老祖宗的智慧：什么樣的季節(jié)、土壤和氣候條件，種植什么樣的作物，以及如何播種、施肥、收割。只不過都裝在人的腦袋里，沒有形成系統(tǒng)表述，所以這樣的經(jīng)驗(yàn)只能口口相傳。如果用數(shù)字化手段，把條件和規(guī)則都設(shè)計(jì)好，自動(dòng)感知和操作，就能大幅度提高農(nóng)場(chǎng)效率、降低人工成本。農(nóng)業(yè)的工業(yè)化實(shí)際上是從經(jīng)驗(yàn)到數(shù)字化的過程。

石油石化行業(yè)是流程行業(yè)，在提高自動(dòng)化水平上有天然的優(yōu)勢(shì)。但從這幾年的發(fā)展來看，在智能化方面我們是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的。機(jī)械加工行業(yè)、電子裝備行業(yè)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無人工廠、黑燈工廠、無人碼頭。但是我們石油石化行業(yè)目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到無人的標(biāo)準(zhǔn)，離智慧工廠還有很長(zhǎng)的路要走。

打一個(gè)學(xué)駕駛的比方。上世紀(jì)80年代駕駛員學(xué)習(xí)開車，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括發(fā)動(dòng)機(jī)原理和修車技術(shù)。但現(xiàn)在學(xué)習(xí)駕駛越來越普及，很多司機(jī)連輪胎都不會(huì)換。其中有兩個(gè)方面的原因，一是汽車的自動(dòng)化水平有了很大的提高，有許多智能化、輔助操作的儀表設(shè)備；二是有專業(yè)的4S店能進(jìn)行車輛維修保養(yǎng)。我們現(xiàn)在的很多煉廠，還停留在上世紀(jì)80年代對(duì)司機(jī)的要求，不僅要會(huì)開車，還要會(huì)修車，還要懂發(fā)動(dòng)機(jī)的原理。企業(yè)自動(dòng)化水平提升，有賴于一支專業(yè)隊(duì)伍更好地輔助操作人員。中國(guó)石化應(yīng)該發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)，集合各個(gè)企業(yè)和研究院、設(shè)計(jì)院的技術(shù)實(shí)力和團(tuán)隊(duì)成立專業(yè)的“4S”店，為系統(tǒng)內(nèi)的企業(yè)做好服務(wù)和支撐。

新型芯片打造智能傳感系統(tǒng)

記者：安工院研制的基于介觀半導(dǎo)體氧化物材料的微型傳感芯片，能夠在哪些方面幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化？

牟善軍：現(xiàn)在很多電動(dòng)汽車在充電的時(shí)候就可以完成檢測(cè)和設(shè)備更新，這有賴于高超的數(shù)據(jù)傳感和管理水平。在一個(gè)大區(qū)域內(nèi)有一個(gè)服務(wù)中心，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析汽車的狀況。與此類似，安工院能夠結(jié)合相關(guān)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)工廠的服務(wù)和支撐。而首先必須要掌握的是工廠運(yùn)行和設(shè)備的各種狀態(tài)，這就需要依靠各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器。

我們?nèi)松砩系拿恳粔K皮膚，都可以看作傳感器，能夠感知外界的溫度、壓力等的變化。前端收集到的信號(hào)傳送到大腦里，通過大腦分析得出結(jié)論。對(duì)于前端傳感器來說，要求是很低的，但是通過大腦的不斷嘗試、學(xué)習(xí)，能夠建立認(rèn)識(shí)，甚至進(jìn)行綜合判斷。比如品酒師不僅能品嘗出酒精度數(shù)，還能喝出酒的品種和產(chǎn)地、貯藏時(shí)間、品質(zhì)優(yōu)劣等。這就是智能傳感。智能傳感有幾個(gè)階段。我們通過氣體傳感器感知?dú)怏w的種類、濃度，把這些數(shù)據(jù)收集在一起進(jìn)行綜合判斷，就好像人的1萬多個(gè)味蕾把酸甜苦辣等基本的味覺綜合起來分析，嘗出酒的味道一樣。

記者：為什么要研制這種新型傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比有什么優(yōu)點(diǎn)？

牟善軍：現(xiàn)在采用的傳感器大部分是傳統(tǒng)的傳感器。比如測(cè)溫度、壓力、可燃?xì)怏w等的傳感器，基本都是專用的，而且體積很大、價(jià)格昂貴。

在傳統(tǒng)的管理理念和體系下，這樣的傳感設(shè)備可以滿足需求。但是在全新的數(shù)字化、智能化管理理念中，需要打造全新的傳感體系。首先，我們要實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化、廉價(jià)化。如果要像人的皮膚遍布全身一樣，就需要傳感器材料成本低、體積小，能夠集成多種功能。其次，我們需要建立一個(gè)體系，不是單一的產(chǎn)品，而是一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)。通過無線信號(hào)收集遍布工廠的傳感器數(shù)據(jù)，集中到數(shù)據(jù)分析中心“大腦”里，判斷工廠有沒有異常泄漏、源頭在哪里、是否有害。更進(jìn)一步，我們這個(gè)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)多途徑發(fā)展，通過云計(jì)算共享的數(shù)據(jù)“訓(xùn)練”傳感器，就像訓(xùn)練導(dǎo)盲犬、搜救犬、緝毒犬一樣，使它實(shí)現(xiàn)不同的功能。

安工院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過4年攻關(guān)，以介觀結(jié)構(gòu)組裝與表界面調(diào)控技術(shù)為核心，通過水熱合成、化學(xué)氣相沉積等方法，實(shí)行納米化制備，改善材料性能，開發(fā)出三類20余種對(duì)有毒、可燃?xì)怏w具有靈敏甄別能力的新型氣敏材料。

在此基礎(chǔ)上，我們的科研人員進(jìn)一步采用集成工藝，將納米尺度敏感材料與微尺度芯片有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建具有快速響應(yīng)、低能耗與靈敏甄別能力的廣譜傳感芯片矩陣。開展了針對(duì)硫化氫、苯系物等有害可燃?xì)怏w響應(yīng)特性研究，初步形成集可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間混合氣氛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、組網(wǎng)定位和信息傳輸于一體的便攜式監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，為突破感知盲區(qū)、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化在線監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)和支持。

記者：下一步我們可以利用這種傳感器做哪些方面的嘗試，進(jìn)一步的研發(fā)方向是什么？

牟善軍：通過大量的傳感前端，我們可以組建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者對(duì)設(shè)備環(huán)境建立指紋。人的基本味覺只有酸甜苦咸等幾種，但程度可以不一樣，每一個(gè)味蕾感知到的味覺排列組合，能夠組成上千種味道。我們的傳感器每一個(gè)都是廣譜的，對(duì)各種氣體都有一個(gè)不同的反應(yīng)曲線，排列組合之后，就能得到多種可能性。對(duì)于每種背景氣體，我們都能建立獨(dú)一無二的指紋。

第一步我們先做硫化氫識(shí)別傳感器，提高準(zhǔn)確性，下一步可以識(shí)別可燃?xì)怏w等多種有害氣體，甚至成為哨兵報(bào)警器。我們知道，事故發(fā)生之前會(huì)有所謂的哨兵事件，即在很多事故隱患和未遂事件中，有一些未遂事件可能會(huì)直接導(dǎo)致重大事故。通過一個(gè)不到1000元錢的微型便攜式傳感器，就可以隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)有毒危險(xiǎn)氣體、缺氧環(huán)境等，未來我們會(huì)努力讓其成為現(xiàn)場(chǎng)操作者的標(biāo)配。利用無線傳輸技術(shù)連接的大規(guī)模密布的固定報(bào)警器，也能夠廣泛應(yīng)用于能源化工行業(yè)各類作業(yè)場(chǎng)景，可以靈敏識(shí)別作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)氣態(tài)組分，結(jié)合后端應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警，被稱為企業(yè)未來最值得信賴的智能哨兵。

在此之前，安工院研制了基于無線通信、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算和移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)的蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)，能夠提前10～30分鐘預(yù)報(bào)雷電，提高了石化工廠、油庫(kù)等雷電安全管理水平，保障了生產(chǎn)安全。將來我們希望這種智慧傳感系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)、全國(guó)范圍內(nèi)逐步推廣，提高企業(yè)的數(shù)字化管理水平。

記者：在助力企業(yè)建設(shè)智慧工廠、實(shí)現(xiàn)智能化方面，安工院下一步還有哪些工作設(shè)想？

牟善軍：智能工廠建設(shè)，首先要實(shí)現(xiàn)智能感知。感知的最前端就是傳感器，為了適應(yīng)將來發(fā)展，傳感器的小型化、智能化是邁不過去的坎兒。這與數(shù)據(jù)的移動(dòng)應(yīng)用是一個(gè)緊密關(guān)聯(lián)的體系。

目前，我們正在建立中國(guó)石化HSSE大數(shù)據(jù)中心，將成為整個(gè)中國(guó)石化的生產(chǎn)設(shè)備的健康中心和服務(wù)中心。我們將從系統(tǒng)、專業(yè)、風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)字化這四個(gè)要素出發(fā)，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的跟蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)控和定期指導(dǎo)。希望這個(gè)數(shù)據(jù)中心能在工藝平穩(wěn)性、設(shè)備完整性、設(shè)計(jì)合規(guī)性等方面保障工廠的安全，能成為整個(gè)中國(guó)石化系統(tǒng)企業(yè)原始數(shù)據(jù)的支撐平臺(tái)。這是我們的構(gòu)想和努力方向。