一種基于工業物聯網的含能材料生產現場安全數字化監控系統

劉治紅， 邱 楓， 張弦弦

（中國兵器裝備集團自動化研究所 智能制造事業部 四川 綿陽 621000）

0 引言

含能材料主要指炸藥、發射劑、推進劑、煙火劑等，它的生產是有毒、有害、易燃、易爆的高危險制造過程[1]。 國內外非常重視安全、綠色、高效的含能材料相關技術的研究與應用，生產現場安全的監控是行業關注的重點[2]。 我國含能材料的生產大多采用間斷式工藝， 生產人工操作比較多，安全保障能力要求高。 近年來，企業迫切需要采用先進的技術手段來保證含能材料的安全生產。

制造業作為我國國民經濟的支柱產業， 是我國工業化的首要驅動力，是信息化帶動工業化的主戰場。 工業物聯網基于物聯網和互聯網信息技術發展而來， 是信息技術和制造技術深度融合的產物[3]。 因此，基于工業物聯網的數字化監控技術也隨之生產應用越來越廣泛[4]。 但是，由于含能材料生產過程安全相關數據采集困難， 且安全影響因素繁多， 國內仍未開展含能材料安全數字化監控相關技術的研究。

本文以某企業生產現場安全監控需求為出發點，結合數據采集與工業物聯網相關技術手段， 構建含能材料生產過程數字化監控方法和技術體系， 并進行了系統驗證，系統實現生產現場安全風險的全面監測、智能分析和自動預警，可有效促進含能材料行業安全生產能力提升。

1 含能材料生產現場安全監控需求背景

我國含能材料生產過程普遍存在：工序不連續、自動化程度低、生產現場人員多、物料存量大、安全隱患大；同時，部分工序的生產環境存在濃度較高的粉塵、有機溶劑，極大的危害生產操作人員的健康。含能材料生產現場安全監控突出問題主要體現在：

一是在非常危險的處理工序仍采用員工現場操作模式， 人員與危險源接觸多，生產現場本質安全度低，操作人員安全存在很大隱患。

二是含能材料的生產制造活動涉及多種危險化學品（簡稱危化品），主要包括爆炸品、劇毒品、易致毒化學品、易致爆化學品和溶試劑等。每一種危化品都有自己獨特的危險特性和安全措施，其生產、加工、搬運、使用或貯存都需有嚴格規定，迫切需要對不同的工作場景重大危險源進行實時監控，對超量、存放位置不合理等違規情況及時報警并采取措施。

三是目前生產現場的視頻監控系統主要用于錄像和事后追查，迫切需要對人員勞保服具的使用、超員、人員進出不及時等違規行為進行實時監控報警。

四是對溫濕度、可燃氣體濃度等環境的監測手段定點、范圍有限、沒有聯網報警。需要將報警信息集中直觀顯示，便于快速定位。或將報警與處置裝置或工藝設備關聯，實現聯動處置。

針對以上問題， 通過研究一種基于工業物聯網的含能材料生產現場安全數字化監控方法， 結合安全生產相關標準規程、業務流程，實現生產線安全危險的分析、報警、可視化展示及安全防范措施的聯動控制，有效預防安全事故發生或減少事故損失， 提高含能材料生產線安全監管水平，提升含能材料生產本質安全程度。

2 生產現場安全風險數字化監控方法

含能材料生產現場安全數字化監控方法研究包括生產現場安全風險數字化評估模型建立、 現場安全監控物聯網絡構建、安全風險分析與預測預警、安全風險應急處置輔助決策等，形成一體化的感知、決策、執行的安全風險監控方法，保證含能材料生產現場環境、人員、物料、產線等運行的安全。

2.1 生產現場安全風險數字化評估模型建立

綜合分析含能材料生產現場安全監控突出問題，將其中的影響因素按照現場物、 人員、 環境等要素進行歸類， 并總結提煉出生產現場安全風險的表征量和表征方法，形成生產現場安全風險數字化評估模型，含能材料生產安全分先評估要素如表1 所示。

表1 含能材料生產安全風險評估要素

圖1 安全風險層次化評估模型

含能材料生產過程中安全風險中部分指標以人的經驗為主，首先需要對定性指標進行定量化處理，將不同的定性化描述賦予一定的分值， 按不同的專家的經驗對安全要素進行評分，實現對指標定量描述；其次，建立不同安全因素之間的量化關系， 包括下級安全因素與上級安全因素的關聯關系、同級安全因素之間的權重等。 最后，在危險因素定量關聯描述的基礎上， 建立安全風險層次化評估模型[5]。 層次化評估模型如圖1 所示。

2.2 生產現場安全監控物聯網絡構建

現場安全監控物聯網絡是實現安全風險智能監控的支撐平臺[6]。 主要實現功能包括：含能材料生產現場人、物、環安全風險因素需要通過傳感器、掃描槍、攝像機以及專用的巡檢、 門禁等系統進行實時采集和監測，并通過現場監控網絡將監測結果傳輸到后端服務器進行處理，并將安全風險識別結果、報警信息等直觀顯示，并對報警進行聯動處理。 生產現場安全監控物聯網絡構建技術要點包括：

2.2.1 現場安全風險數字化采集手段選型及安裝

在進行采集手段選型時需要重點考慮生產現場防爆、防腐蝕、精度要求高、工作溫度、防靜電、防輻射等特殊要求。對人、物、環數據進行采集，需要用到的硬件設備也不相同，實現方式也有所差異。對環境數據的采集主要是通過在廠房不同位置安裝傳感設備對環境數據進行實時監控； 對物料信息的采集需要使用掃描槍對物料的標識進行采集識別，獲取生產物料數據信息；對人員身份信息的采集，通過配發人員身份識別卡，使用讀卡設備讀取識別卡數據實現； 對安全巡檢及門禁監控數據采集主要通過安裝讀卡器和金屬檢測門通道實現， 巡檢人員打卡實現安全巡檢數據采集，進入作業區前，人員應首先通過門禁，身份合格方可進入。

生產現場布線需要考慮防爆的要求， 所有走線需要穿φ20mm 的鍍鋅鋼管，強電線和弱電線分別走線，避免信號干擾。 現場防爆傳感器布線如圖2 所示。

圖2 現場防爆傳感器安裝布線

2.2.2 現場傳感網絡拓撲結構設計

傳感器節點間的網絡拓撲對網絡信息傳遞的通暢性與否、信息傳遞效率的高低，對危險因素的及早發現、消除等起到至關重要的作用。 網絡拓撲結構主要有總線拓撲結構、分布式結構、星型結構等。 含能材料生產現場傳感器網絡具有節點種類多、數目大、分布密集等特性，因此采用分布式網絡結構。 分布式網絡結構又分為串行結構、分散式結構、并行結構以及樹形結構等。 考慮到含能材料生產現場傳感器網絡結構的安全、可靠、易用、易維護性，網絡布局選用分布式網絡拓撲結構中的并行結構，系統網絡拓撲如圖3 所示。

2.2.3 生產現場安全風險監控信息處理流程

基于實時采集的含能材料生產現場安全風險數據，進行安全風險的綜合評判和集中監控。 根據安全風險評估數字化模型，將實時采集的生產現場數據進行預處理、修正、融合，并與模型進行匹配、對比、識別，得到整個生產現場的安全風險等級。

圖3 系統網絡拓撲

分布式傳感網絡中的每一個局部傳感探測器基于自己的觀測值進行預處理， 不同的傳感器類型有不同的處理模塊。將處理結果上傳數據修正融合中心，中心首先根據監測數據類別進行判定與修正，如多個溫濕度傳感器，將各自檢測到的溫濕度數值同時傳遞給溫濕度判定與修正模塊， 完成同一個決策任務， 即當前車間綜合溫度分析；中心然后對各類傳感器的分析結果，根據安全風險評估數字化模型，利用最優融合規則作最終決策，即根據溫濕度、壓力等各因素，評估出含能材料生產現場的綜合安全等級。 分布式網絡信息處理流程如圖4 所示。

圖4 分布式網絡信息處理流程

3 含能材料生產現場安全風險監控系統

在對某含能材料生產企業的生產安全標準規范、安全保障體系等進行調研、分析的基礎上，依據基于工業物聯網的含能材料生產現場安全風險數字化監控方法，構建了含能材料生產現場安全風險監控系統。 系統在生產現場安全風險監測傳感器網絡、 安全風險管理網絡的基礎上，實現風險監測傳感器、安全設備、現場告警設備等的互聯互通。 系統軟件通過對含能材料生產現場安全風險數據的采集、分析、判斷，實現安全監控、威脅預警和安全事件處置方案輔助決策， 并實現決策方案的模擬推演和評估。 系統體系結構如圖5 所示。

3.1 安全數據采集管理功能

圖5 系統體系結構

通過協議解析采集各類傳感器或設備的監測數據，并進行數據處理、修正，建立安全基礎數據庫和安全事件數據庫，對安全數據進行分類管理。

3.2 綜合預測預警功能

根據含能材料生產現場安全風險監控要求、 安全防控經驗知識、安全事故案例等，建立安全風險預測模型，根據現場采集的實時數據，進行安全風險自動辨識、事件預測和威脅預警。

3.3 安全監控與應急處置功能

含能材料生產現場安全數字化監控系統的界面圖如圖6 所示。實現生產現場安全風險實時監控，安全狀態可視化顯示，安全風險處置方案輔助決策，安全聯動處置，安全風險處置預案模擬推演等功能。

圖6 生產現場安全數字化監控系統

4 結束語

本文提出一套基于工業物聯網的含能材料生產現場安全風險數字化監控方法，針對某含能材料生產現場安全風險數字化監控系統能實現生產過程安全風險的“感、聯、知、控”，提高“人、物、環”等要素的安全風險的防控能力，提升企業本質安全生產水平。隨著工業物聯網技術的迅猛發展以及在制造業的廣泛應用，基于物聯網的含能材料生產現場安全風險數字化監控方法具有很好的參考價值，但在具體的實現過程中，對風險監測傳感器選型、安裝、網絡布局及信息融合處理是系統建設的重點和難點，需要根據企業的生產線布局、現場的環境、企業安全風險防控要求等，進行具體的分析，才能構建實用、準確、高效的安全風險監控系統，提升企業安全防控的數字化水平。