物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧型安全實訓基地中的應用研究

喬杰

(中石化安全工程研究院有限公司，山東 青島 266000)

安全培訓是企業(yè)做好安全生產工作的治本策略之一，近年來，企業(yè)及各級政府對安全培訓的重視愈來愈強。實操培訓(簡稱實訓)作為提升安全技能最重要的培訓方式，也逐漸受到各方重視，近幾年，企業(yè)級的實訓基地數(shù)量呈現(xiàn)“指數(shù)式”增長。2020年應急管理部、人力資源與社會保障部、教育部等部委頒布《高危行業(yè)領域安全技能提升計劃實施意見》，意見明確提出2021年年底要實現(xiàn)“遴選培育50個以上具有輻射引領作用的安全技能實訓和特種作業(yè)人員實操考試示范基地”的目標，夯實安全實訓基礎，提高實訓在安全培訓中的重要地位。

1 智慧型安全實訓基地

傳統(tǒng)的實訓基地建設主要以“低級”的實訓裝備建設為主，除極個別的特種作業(yè)實訓裝備[1-2]外，鮮有相關裝備具備數(shù)據(jù)采集自動化或設備控制智能化等功能，能夠實現(xiàn)實訓基地全流程信息化的基地數(shù)量幾乎為零。2020年，工信部和應急管理部印發(fā)《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產”行動計劃(2021—2023年)》中指出，要在未來3年內，利用先進技術，加快“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產”人才培養(yǎng)和評價體系建設與實訓基地建設，“智慧型安全實訓基地”概念應運而生。智慧型安全實訓基地是順應數(shù)字化浪潮的必然結果[3-6]，以智慧建設、智慧管理、智慧服務為主要特征，應用先進的技術，實現(xiàn)“自動化、智能化培訓與考核”的綜合功能。

物聯(lián)網(wǎng)技術作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的延伸與拓展，其概念在2005年由國際電信聯(lián)盟(ITU)提出[7-9]，經(jīng)過近20年的孕育與發(fā)展，已經(jīng)滲透并廣泛應用于各個“智慧”領域，如智慧制造、智慧醫(yī)療、智慧農業(yè)、智慧城市[10]等，智慧型安全實訓基地建設也是安全培訓、安全生產行業(yè)的重要使命與擔當。以物聯(lián)網(wǎng)技術作為智慧型安全實訓基地的重要技術基礎與支撐，將為云計算、人工智能(AI)、虛擬仿真(3D仿真，VR，AR，MR)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等先進技術在智慧型安全實訓基地中的應用提供核心保障與發(fā)揮促進作用[11]，加速安全實訓基地由“傳統(tǒng)、低效”型向“智慧高效型”快速轉變。

2 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術應用研究

物聯(lián)網(wǎng)技術主要架構由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成，相較于互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的服務對象是“物”，通過利用功能各異的傳感器、射頻識別技術(RFID)收集與“物”相關的信息，然后通過網(wǎng)絡通信技術將信息傳輸至數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)分析與判斷。物聯(lián)網(wǎng)技術基本架構如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術基本架構示意

由于互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的本質特性類似，所以大部分的互聯(lián)網(wǎng)技術可以在物聯(lián)網(wǎng)領域中應用，并且適應性表現(xiàn)良好，因此感知層、網(wǎng)絡層及應用層中均有眾多的技術應用選擇，換言之，解決同一個物聯(lián)網(wǎng)問題的方法有很多。技術性能指標不是判斷技術應用的唯一標準，而應該綜合考慮多種因素，例如穩(wěn)定性能、能耗性能、環(huán)境/形狀適應性能及經(jīng)濟性等。

鑒于安全實訓基地一般建在室外，需要學員進行實際作業(yè)模擬操作，為保證整個培訓與考核過程的流暢以及學員人身安全，技術的選擇必須是穩(wěn)定性能表現(xiàn)優(yōu)異的；基地培訓硬件規(guī)模大小不一，形狀各異，技術的選擇必須能夠適應在不同實訓裝置上的部署或應用需求；室外有線供電或通信難度比較大，容易造成基地現(xiàn)場混亂，技術的選擇必須符合低能耗特性；實訓基地建設企業(yè)一般為勞動力密集行業(yè)，為節(jié)約物聯(lián)網(wǎng)技術應用成本，經(jīng)濟性也是必須要考慮的因素。綜上所述，技術穩(wěn)定性、低能耗性、經(jīng)濟性是實訓基地物聯(lián)網(wǎng)技術應用的基本原則。

2.1 感知層

感知層作為信息收集的源頭，主要包含傳感器技術與RFID技術。

2.1.1 傳感器技術

由于傳統(tǒng)傳感器通常具有較大的尺寸與功耗，小/微型智能傳感器是目前的主要發(fā)展方向[12-13]，其由微傳感器與微處理器構成，能夠進行數(shù)據(jù)采集與簡單的數(shù)據(jù)處理，具有穩(wěn)定性高、能耗低、適應性強等特點。因此，傳感器技術的應用主要以解決實際問題或需求為主，并綜合考慮擴大小/微型智能傳感器技術的應用覆蓋范圍。

2.1.2 射頻識別技術

RFID技術是利用無線信號識別或感知特定目標，具有環(huán)境適應性強、經(jīng)濟成本低等特點。待感知的特定目標形狀供選擇性強，甚至為一張可任意彎曲的卡片，能夠匹配大部分模擬作業(yè)工器具或個體防護裝備。在能耗性能上，目前RFID技術主要分為有源、半有源、無源三種模式[14-15]，有源模式因其功率較大可以實現(xiàn)較遠距離的識別，因此在技術應用上，在保證實訓現(xiàn)場規(guī)整的前提下，選擇有源RFID技術。需要注意的是，RFID技術信號會隨著距離或高度的增大而呈現(xiàn)特定的衰減規(guī)律，而在實訓硬件中，會存在較多的大型設備，例如罐、塔、高處作業(yè)平臺等，因此需要綜合考慮識別或感知距離，優(yōu)化部署位置。特殊應用場景下，需要瞬時完成多個特定目標的識別或感知，例如對“作業(yè)人員個體防護裝備選擇穿戴”進行檢測，可以采用多通道RFID技術。

2.2 傳輸層

傳輸層技術應用需結合實訓基地規(guī)模、通信量規(guī)模、功耗、經(jīng)濟成本等因素綜合考慮。

2.2.1 網(wǎng)絡層通信技術

目前中國基礎網(wǎng)絡設施完善，實訓基地內部基本實現(xiàn)4G甚至5G網(wǎng)絡信號全覆蓋，寬帶接入便捷，因此網(wǎng)絡層方面，可充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施與條件，確定通信技術： 對于視頻、圖片等通信量規(guī)模較大的傳輸資源，宜采用有線寬帶技術，并盡量壓縮應用范圍，控制成本；對于語音、文字等通信量規(guī)模較小的傳輸資源，宜采用4G或5G網(wǎng)絡技術；Wifi或藍牙等技術由于傳輸距離較小，不適合作為網(wǎng)絡層技術應用。

2.2.2 設備層通信技術

每一套培訓裝置之間的設備與設備或工器具之間的通信，由于距離較小，可以采用目前技術成熟、成本較低的藍牙、ZigBee及Wifi無線通信技術，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點原理如圖2所示。電源模塊根據(jù)功耗及周圍環(huán)境要求，選擇蓄電池、太陽能發(fā)電、自發(fā)電等供電模式，在功耗允許的條件下，首選自發(fā)電供電模式。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點原理示意

特殊情況下，當安全實訓基地面向軍工方或類似行業(yè)，或金屬儲罐、裝置對無線信號屏蔽影響較大時，傳輸層技術的選擇宜采用LoRa擴頻通信技術[16-17]，由實訓基地管理企業(yè)自主搭建有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡，而非借助目前運營商網(wǎng)絡，雖然技術難度較大、經(jīng)濟成本較高，但是LoRa技術具有信號防屏蔽性強、網(wǎng)絡安全性高、功耗較低等特點，特別適合軍工方或類似行業(yè)、存在大面積屏蔽或遮擋的實訓基地。

2.3 應用層

應用層主要由物聯(lián)網(wǎng)中間件、物聯(lián)網(wǎng)應用、云計算構成。物聯(lián)網(wǎng)中間件主要功能是通過邏輯解耦協(xié)調異類檢測數(shù)據(jù)或感知層軟件；物聯(lián)網(wǎng)應用主要是為用戶提供一個需求交互、功能交互的窗口與渠道，開展各種應用服務；云計算的主要功能是數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析。應用層功能架構如圖3所示。

圖3 應用層功能架構示意

2.3.1 數(shù)據(jù)自動匯集中間件

智慧型安全實訓基地感知層應用的傳感器種類繁雜，傳感器節(jié)點眾多，并且每類傳感器或傳感器控制軟件之間缺乏統(tǒng)一的技術標準或協(xié)議，不同傳感器在信息監(jiān)測、接收、傳輸?shù)确矫姹憩F(xiàn)差別較大，兩方面原因使得中間件在多元異構數(shù)據(jù)的收集、傳輸與匯總等方面的難度較大，需要研究并設計合適信息機制，確保信息傳輸與處理水平。

針對上述問題，遵循“高內聚、低耦合”的原則[18-19]，模塊化設計“數(shù)據(jù)自動匯集中間件”，實現(xiàn)整個實訓基地的實時檢測數(shù)據(jù)自動化處理匯總與存儲。數(shù)據(jù)自動匯集中間件主要包括： 數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)預存儲三個功能模塊。數(shù)據(jù)收集模塊的主要功能是自動化輪詢收集感知層傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)通信，該模塊的功能流程如圖4所示，該模塊的最大特點是除保留常用的通過解析數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議收集感知層監(jiān)測數(shù)據(jù)模式外，還增加了利用感知層自帶軟件的API/SDK收集數(shù)據(jù)的模式。

圖4 數(shù)據(jù)收集模塊功能流程示意

數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是按照既定的序列格式，自動歸一化處理來自數(shù)據(jù)收集模塊的數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)預存儲模塊、云計算模塊進行數(shù)據(jù)通信，該模塊對來自數(shù)據(jù)收集模塊的數(shù)據(jù)，直接利用文件處理函數(shù)等按行處理，無需其他通信機制進行數(shù)據(jù)傳遞或者轉換工作。數(shù)據(jù)處理模塊功能流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊功能流程示意

數(shù)據(jù)預存儲模塊的主要功能是自動將數(shù)據(jù)序列中的實時檢測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，與目前主流的做法類似，利用類似數(shù)據(jù)序列的緩存機制達到數(shù)據(jù)異步存儲。數(shù)據(jù)預存儲模塊功能流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)預存儲模塊功能流程示意

2.3.2 云計算數(shù)據(jù)處理技術

應用層主要通過云計算數(shù)據(jù)處理技術，包括數(shù)據(jù)存儲、分析、挖掘、預測等，對實訓基地集中完成安全實訓、安全考核、實訓與考核分析、實訓咨詢與診斷等工作。

對照組護理人員的常規(guī)操作評分、健康宣教評分以及無菌操作評分低于實驗組，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表1。

安全實訓數(shù)據(jù)處理技術主要包含MapReduce編程模型、人工智能理論、EAS進化算法、GA遺傳算法等技術[12]，詳細技術功能與應用見表1所列。

表1 典型數(shù)據(jù)處理技術功能與應用

2.4 本章小結

綜上所述，結合實訓基地物聯(lián)網(wǎng)功能建設需求，按照“人-機-環(huán)境”，明確了適合應用于智慧型安全實訓基地建設的物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術。智慧型安全實訓基地建設的物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術見表2所列。

表2 智慧型安全實訓基地建設的物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術

3 智慧型安全實訓基地典型功能設計

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧型安全實訓基地建設尚處于起步階段，位于由“點狀智能型”到“面狀智慧型”的爬坡期，未來發(fā)展前景廣闊，物聯(lián)網(wǎng)技術應用是安全培訓或實訓實現(xiàn)信息化的必經(jīng)之路。智慧型安全實訓基地的功能設計如圖7所示。

圖7 智慧型安全實訓基地功能設計示意

3.1 智慧建設

智慧建設是指通過在實訓基地建設過程中，在實訓裝置特定位置、工器具與個體防護裝備上，利用強磁、鉚接、綁帶等方式部署安裝指定類型的傳感器或射頻檢測部件；相應的軟件建設層面，制定檢測時機與規(guī)則實現(xiàn)節(jié)能、低能耗，例如受限空間作業(yè)安全實訓，“空氣呼吸器穿戴”的傳感器或射頻檢測應以人員進罐為結束點。利用通信技術終端，實現(xiàn)傳感器或射頻檢測部件與云計算終端進行數(shù)據(jù)信息交互，一方面，傳感器或射頻檢測部件可將檢測收集的數(shù)據(jù)傳輸至云計算終端，用以數(shù)據(jù)分析、行為判斷，例如將安全帽上部署的人體紅外傳感器檢測信號傳輸至云計算終端，判斷人員是否佩戴安全帽；另一方面，云計算終端將約定或培訓師自定義的控制命令發(fā)送至傳感器或射頻檢測部件，實現(xiàn)實訓模擬環(huán)境的快速調整，例如將約定的氣體檢測儀示數(shù)“φ(O2)=17%”發(fā)送至四合一氣體檢測儀，快速且逼真模擬構建典型缺氧作業(yè)環(huán)境。

實訓基地搭建中心控制系統(tǒng)，通過“傳感器+平板電腦”，對整個安全實訓基地內的用電設備，如體感設備、照明燈具、LED屏、觸摸一體機、VR設備、空調、電視、投影系統(tǒng)、視頻播放等設施進行開啟、關閉、選擇等操作，方便實訓基地用電設施及設備的管理。

3.2 智慧管理

實訓基地在物聯(lián)網(wǎng)技術賦能下，可以實現(xiàn)對安全實訓、安全考核的智能管理。

安全考核階段，對考生進行作業(yè)人員、管理人員角色分類，作業(yè)人員按常規(guī)作業(yè)流程，先后進行工器具檢查、個體防護設備選擇與穿戴、安全措施落實、模擬作業(yè)、作業(yè)完工、應急處置等環(huán)節(jié)的操作，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，進行數(shù)據(jù)檢測與考生行為判斷，以“進入受限空間噴砂除銹作業(yè)”為例，“安全措施落實”環(huán)節(jié)，不同的安全要求需要收集的檢測信號詳見表3所列。

表3 安全要求及檢測信號

類似的，管理人員按常規(guī)作業(yè)流程，先后進行安全措施落實、作業(yè)現(xiàn)場安全管理、作業(yè)完工、應急處置等環(huán)節(jié)的操作，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，判斷數(shù)據(jù)檢測與考生行為。

3.3 智慧服務

智慧服務功能主要依托MapReduce編程模型、人工智能理論、EAS進化算法、GA遺傳算法等技術在內的安全實訓數(shù)據(jù)處理技術，提供實訓與考核分析、實訓咨詢與診斷服務。

針對每位學員或考生，需要實訓與考核的技能點眾多，實訓與考核分析服務指的是通過分析學員的實訓過程行為(相關評價指標例如： 實訓點實訓重復次數(shù)、知識點實訓時長)、考核過程行為(相關評價指標例如： 知識點完成時間)、考核扣分項等，形成個人實訓與考核分析報告，滿足學員針對性地安全能力自我提升需求。

以地區(qū)、行業(yè)、企業(yè)作為橫向指標，以各個實訓點的掌握程度、及格率作為縱向指標，針對性地開展實訓咨詢與診斷服務，為地區(qū)、行業(yè)或者企業(yè)范圍內的安全培訓或實訓水平與安全管理水平提升，提供切實可靠的建議。

4 展望與總結

通過對智慧型實訓基地典型物聯(lián)網(wǎng)技術進行應用研究，結合基地建設實際功能需求，遴選了一批適合的物聯(lián)網(wǎng)技術，并對多元異構檢測數(shù)據(jù)中間件進行設計，明確智慧型實訓基地功能設計架構。過程中也暴露出物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧型實訓基地的應用與設計過程中存在諸多不足： 感知層技術創(chuàng)新性不足、應用層功能欠缺、物聯(lián)網(wǎng)標準規(guī)范欠成熟[20-23]等。基于此，筆者對物聯(lián)網(wǎng)技術在安全實訓領域中的未來發(fā)展方向進行了展望。

1)以需求為導向做好感知層技術創(chuàng)新工作。在安全實訓基地建設與設計過程中，對物聯(lián)網(wǎng)技術的應用都具有明確的功能需求，應用對象也固定統(tǒng)一為“人-機-環(huán)境”。物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧城市、智慧醫(yī)療等行業(yè)領域的應用探索過程中，感知層技術已取得較好的發(fā)展，但現(xiàn)有的感知層技術并非可以完全遷移至智慧安全實訓領域。此外，考核過程中，一方面，要保證數(shù)據(jù)檢測與行為判斷的準確性，另一方面，還需避免由過多的感知裝置對學員考核過程中產生的“提示”效應與負面影響，這對感知設備的分布優(yōu)化以及技術的微型化、多功能化、低功耗提出了較強的要求。

2)加強底層模型與算法研究，扎實提高應用層水平。安全實訓是一項見效很慢的安全管理措施，很難起到立竿見影的效果，總是在潛移默化地影響著整個企業(yè)、地區(qū)乃至全國的安全管理與安全生產工作。智慧型安全實訓基地通過物聯(lián)網(wǎng)技術，收集了大量的實訓相關數(shù)據(jù)，應用層通過MapReduce編程模型、人工智能理論、EAS及GA等模型算法，可以準確地提供“當前階段的”安全實訓診斷與咨詢服務，具有較為嚴重的“滯后性”，亟需研究底層模型與算法，基于歷史或同行業(yè)安全事故，綜合考慮行業(yè)、地區(qū)、氣候、企業(yè)生產特點、現(xiàn)有員工安全技能水平、安全培訓記錄等因素，做好安全實訓咨詢與診斷服務，提高應用層水平。

3)加快安全實訓物聯(lián)網(wǎng)技術基礎標準、行業(yè)標準的研究與制定。政府及行業(yè)學會需明確主體地位與引領地位，在感知裝置通信接口標準、感知裝置自控系統(tǒng)開發(fā)標準、感知裝置分布標準、多元異構數(shù)據(jù)融合處理標準網(wǎng)絡層通信接入與傳輸標準、設備層通信接入與傳輸標準等方面達成共識，盡快形成相關基礎標準及行業(yè)標準，加速物聯(lián)網(wǎng)技術在安全實訓領域的發(fā)展。

安全實訓基地或行業(yè)應把握此次物聯(lián)網(wǎng)技術變革的重要發(fā)展機會，加大經(jīng)濟投入，深耕技術應用核心，挖掘技術應用潛力，加速探索物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧型實訓基地中的應用，實現(xiàn)安全實訓基地由“傳統(tǒng)型”向“智慧型”的華麗轉身。