基于物聯網技術的氣瓶安全狀態在線監測系統設計

譚 凱，徐 義，楊 拓，何夢瑩，楊文睿

（1.湖北特種設備檢驗檢測研究院，湖北 武漢 430000；2.國家工業數字成像無損檢測設備質量監督檢驗中心（湖北），湖北 武漢 430000）

0 引 言

新冠肺炎的突然襲來使得全球醫療體系面臨巨大挑戰，有“生命之氣”之稱的醫用氧氣用量劇增，氧氣作為呼吸機、ECOMO等醫療設備的氣源[1]，其穩定供應對于儀器的正常運行與病人的救治至關重要。醫用氧氣瓶是盛裝氧氣的主要容器，同時也是典型的移動式壓力容器，目前其安全檢驗還是基于固定周期的靜態檢驗。更多的風險是在設備充裝、卸載等使用過程中[2-4]，如何對使用過程中的壓力容器設備進行有效監測，對于特種設備的安全監管具有重要意義。姜吉武等[5-6]對移動式壓力容器的互聯網+模式進行了探討，認為這種模式的管理能提高管理質量、減少人力資源消耗、降低安全風險。運用互聯網技術對特種設備進行安全動態監測是特種設備安全監管的一個發展方向[7-9]。盡管很多學者提倡互聯網+的管理模式，但真正有效的風險監測平臺卻鮮見報道。

目前國內有部分機構采用物聯網技術對供氣系統的壓力、溫度等技術指標進行監測，雖然提高了供氣系統的管理水平，但這些監測主要針對儲存氣體介質的壓力、溫度和流量，針對特種設備裝載氣體的氣瓶本體的安全監測較少[10-11]。本文從特種設備的安全狀態監測入手，通過建立缺陷識別、風險評價及預警模型，采用傳感器、互聯網技術、物聯網技術實現對氣瓶系統中特種設備安全狀態的動態監測。基于物聯網技術的氣瓶安全監測系統主要運用光纖傳感技術、互聯網技術、云服務大數據分析技術、數據挖掘技術對封閉容器本體的應變及其內介質的溫度、壓力進行遠程監測，并進行對應的安全狀態預警。

1 系統架構

氣瓶安全狀態監測平臺的主要目的是為了保證能夠對氣瓶狀態進行實時監測，對故障狀態進行預警和風險評估。該系統實現了氣瓶的傳感器數據實時監測，可及時發現氣瓶狀態的異常，在充氣或者出現缺陷時，可對應力變化的極限和壓力變化率進行預警或報警，使其保持良好的供應狀態，避免依靠人工識別帶來的醫療風險。系統所監測的物理量包含氣體壓力、氣瓶表面微應力、氣體溫度等。

通過對氣瓶系統運行的數據進行分析，實現關于氣瓶充卸使用等過程的狀態評估和預警報告。通過對監測數據的歷史分析，對各氣瓶的質量演變情況做出預估。系統根據氣瓶的應力變化量和相關規程及歷史數據進行對比分析，從而更好地預防氣瓶故障帶來的意外傷害風險，更好地為醫院安全提供支持，為監管機構提供相應的大規模設備監管手段。基于物聯網技術的氣瓶安全狀態在線監測系統結構設計如圖1所示。

圖1 系統結構設計

該氣瓶安全狀態在線監測平臺是物聯網的典型應用，分為3個層次。

底層為傳感器感知層。在醫院移動氣瓶供應領域，其感知層對象主要為供應醫用氣體氣瓶的氣體壓力、氣瓶表面微應力、溫度等。在氣瓶上加裝光纖應力傳感器，可以將不同氣體所在氣瓶當前的物理狀態參數轉換成光電信號送入調制器，在調制器內與氣瓶相關物理量的相互作用下，使器件的光學性質等發生變化，形成特定的光信號，再經過光纖通信通道送入光電器件，經光柵解調儀后獲得被測物理量，成為可方便進行數據傳輸的數字電信號。

系統第二層為通信層，主要包括數據打包、封裝、通信等，以嵌入式通信設備為中心，將光纖傳感器解調儀的解調數據轉發至云平臺進行模型計算分析。通信層的主要功能是實現數據的采集與發送，運用隊列算法實現本層處理器對上層監測數據的解析及本層監測數據的封裝；同時建立數據流結構及數據結構模型，對達到預警值的數據是否啟動故障處理進程進行區別；保證自身數據的安全，同時管理本級系統與互聯網的級聯及通信配置。

系統第三層為應用層，該層借助云服務器平臺和大數據分析技術，基于云平臺建立系統管理模式，易于數據匯集、存儲、分析。目前，大數據分析系統多采用B/S架構，該架構采用信息分布式處理方式，可有效降低資源成本，優化系統性能。在移動客戶端使用氣瓶安全狀態在線監測系統的用戶可以與互聯網連接的電腦、智能手機、移動互聯設備上的云服務器、云虛擬主機連接，記錄醫用氣體儲存現場的氣瓶狀態信息，并及時得到關于氣瓶安全狀態上限/下限的預警、報警信息。監管人員可以通過推送信息等進行氣瓶安全狀態的預警，提前通知用戶及時處理，在提高監管人員工作效率的同時，減少因故障帶來的損失。

2 嵌入式硬/軟件設計

嵌入式通信轉發設備主要具有專用性、靈活性、實時性、可靠性等優點。

（1）專用性指嵌入式系統擅長于對相應設備完成對應任務，這是區別于通用計算機系統的重要特點。

（2）靈活性指嵌入式系統一般可靈活配置于系統內部而不影響整個系統的運行。

（3）實時性指系統采集外部數據的頻率能夠在受控時間內對事件或用戶的干預做出響應。

（4）可靠性指嵌入式系統一旦運行就會在很長一段時間內不必進行監測和維護，能夠可靠運行。

嵌入式系統由硬件和軟件組成。硬件主要包括處理器、存儲器和輸入/輸出接口等。軟件包括操作系統軟件和專門解決某類問題的專用軟件，這兩種軟件可以組合使用，由應用軟件控制系統運行，由操作系統控制程序與硬件的交互。

由于物聯網涉及各種各樣的傳感器設備，而不同的傳感器設備遵循不同的通信協議，同時針對大規模的傳感器數據存儲和分析，也會極大地浪費云端和網絡帶寬資源，尤其隨著時代的發展，視頻、音頻等流媒體數據也會加入到評估模型的識別中。因此，嵌入式設備需要具備更強大的功能。

目前的嵌入式通信設備不僅需要保留通信功能，還需要具備一定的分析存儲能力，能夠在邊緣端進行算法分析，篩除部分數據，節省網絡帶寬。

目前大部分嵌入式設備都采用Linux系統或者裁剪的Linux系統。考慮到實時性的要求，可以擴展相應的FPGA板用于邏輯和信號處理，而針對通信轉發、數據封裝及邊緣計算等內容的處理，大多在操作系統中進行。

對于某些小規模的單一設備不涉及視頻等信號，考慮到量產和成本的問題，可以選擇STM32Fx系列單片機，配置FPGA板用于部分特殊傳感器的接入和信號處理。針對實時數據，可以應用5G模塊或4G模塊，通過網絡或者工業串口轉發。圖2所示為嵌入式設備簡易設計圖。

圖2 嵌入式設備簡易設計圖

3 云服務平臺設計

3.1 系統涉眾分析

系統針對的用戶主要是醫院的氣瓶管理人員、供應氣瓶的廠商及部分使用人員。醫院的氣瓶管理人員和供應商需要了解氣瓶實時運行情況，更加重視氣瓶的細節參數、故障信息。同時，醫院的氣瓶管理人員還需要了解各類氣體的投入使用情況，對各種指標進行管控和監管，并通過歷史使用情況預判下一批需要采購的各類氣體氣瓶的數量。醫用氣瓶的使用人員需要了解對應氣瓶的使用情況，判斷是否需要更換氣瓶，并預判可用時間。

3.2 系統預期目標

建立氣瓶安全狀態評價標準體系和安全狀態監測平臺，通過監測平臺與安全附件的自動聯動、聯鎖技術，將醫用氣瓶相關數據及輔助分析數據實時發送到相關工作人員的智能手機上，便于醫護管理人員掌握對應氣瓶的使用信息，還可提出一些輔助決策建議，供管理人員參考。實現氣瓶安全狀態的預警及風險控制管理，最終以動態監測替代現有氣瓶的定期檢測。

氣瓶數據統計管理：優化醫用氣瓶運行數據庫，統計醫用氣瓶及其傳感器運行信息，包括日/月/年告警記錄、投運狀態等，實現數據交互與展示功能，并提供輔助決策。

設備基礎數據統一管理：優化醫用氣瓶基礎資料存儲管理數據庫，實現醫用氣瓶編號、位置、所含傳感器信息等臺賬的統一存儲。通過規范化、精細化的基礎資料管理，全面掌握醫用氣瓶的基本投運情況，并實現數據交互與展示。

數據報表信息管理：對醫用氣瓶數據信息進行展示的同時，實現對傳感器數據歷史記錄、氣瓶設備上下線、告警記錄等信息的導出。

氣瓶告警信息實時監測：依據用戶提供的傳感器閾值指標要求，實現對醫用氣瓶運行情況的自動化告警，并實現數據交互與展示。

3.3 功能設計

系統云服務包括氣瓶歷史數據監測、氣瓶在線數據實時監測、傳感器數據趨勢分析圖表、設備異常狀態預警、設備數值超限報警服務、氣瓶總數統計、各類氣瓶投入使用數量及狀態統計、報警信息數量階段統計、氣瓶及傳感器設備增刪改查功能以及設備通過Excel文件批量導入功能等。這些功能緊密圍繞著云端數據庫的應用展開，由云端存儲系統和云端發布系統組成。云端主界面設計如圖3所示。

圖3 氣瓶安全在線監測軟件主界面

4 結 語

本文采用物聯網技術、光纖傳感技術搭建了氣瓶安全狀態在線監測系統的構架。針對氣瓶的具體結構特點、使用特點設計合理的傳感器布置方式：使用光纖傳感技術可以有效監測醫用氧氣瓶的應力變化；特種設備在線安全監測軟件可以實時監測關鍵部位是否超過預警值而發出警告信息；大數據分析可以有效實現氣瓶安全狀態的預測；采用嵌入式通信設備進一步保證了設備數據的安全與用戶信息安全，同時能夠保證數據更加順暢的傳輸。