基于物聯網技術的電廠人員安全管理監控系統設計研究

彭鵬，劉春志，戴建煒，王明平，馮德權

（烏江渡發電廠，貴州遵義 563100）

隨著智能電廠的建設和發展，電廠人員安全管 理要求越來越嚴格，現階段電廠人員的安全管理模式為：制定廠內管理條例；以培訓的方式規范人員行為；現場施工、日常管理工作中，對所有工作區域進行巡查監督，落實安全管理任務。為了令電廠人員安全管理效果進一步提升，傳統的設計方法參照文獻[1]的內容，通過優化改造計算機監控系統，設計一個用來執行人員安全管理任務的監控系統，旨在通過實時監控信息，對告警事件進行事先預警反饋。又有一些學者重視預警反饋系統的硬件組成，參考文獻[2]，通過優化實時監控系統通信鏈路，增強監控數據在傳輸過程中的穩定性，保證監控數據與廠內實際現狀相符合。

但經過研究發現，兩個傳統方法設計的監控系統，存在一定的數據處理問題，因此研究基于物聯網技術的電廠人員安全管理監控系統。物聯網技術是根據物聯網概念、物聯網結構而設計的一種數據處理技術，該技術將任何設備、設施捕捉到的信息，及時通過物聯網傳遞給系統，使系統可以通過該技術完成數據采集、查詢以及其他操作。此次設計的監控系統，充分利用物聯網技術的特點，對電廠人員基本信息和活動軌跡實時監控，以此為電廠人員安全管理提供性能更好的技術手段。

1 系統硬件設計

1.1 更換視頻監控主要設備

以現有的傳統監控系統為參照，將前端設備進行更換。監控系統最重要的組成部分為高清攝像機，此次選擇的攝像機型號分別為iDS-2DE7423 MW-A/S5 星光級360 度，全景一體式高清智能攝像機以及IPC-B632-IR 高清網絡球機，采用高靈敏度傳感器，滿足星光監控需求；超大33 倍（4.5～148.5 mm）光學變倍，看得更廣、更遠；光學寬動態120 dB，根據環境亮度自動切換，滿足高反差場景監控需求；自適應透霧，攝像機根據霧霾嚴重程度，自適應調節透霧等級[3]。利用這兩個攝像機，保證監控系統可以全方位無死角監控、快速定位跟蹤以及報警輸出等功能。此次設計選用高性能NVR（Net Video Recorder），其型號為DS-96256N-I24，全插拔模塊化無線纜設計，H.265&H.264 碼流混接混解，雙4K 高清輸出，從接、存、搜、管、控全方位滿足智能應用。

1.2 網絡及硬件組成設計

主要的監控系統硬件更換完畢后，選取更加適合的網絡，并重新設計系統硬件組成。電廠自身設有專用的網絡，因此將所有監控系統硬件一一接入到該主干網絡中，同時將與監控系統相關的其他廠內子系統，包括工業電視系統、Oncall系統、消防系統等，也一并與主干網絡相連接，利用該網絡加強硬件與系統之間的聯動性[4]。結合所有硬件設備，設計人員安全管理監控系統的硬件拓撲結構，如圖1 所示。

圖1 硬件拓撲結構

2 系統軟件設計

2.1 定位監測功能

物聯網計算包含信息采集技術、無線網絡通信技術、無線定位技術以及智能技術，因此利用物聯網技術，設計系統采集監控信息后的人員定位監測功能。利用物聯網RFID 傳感器技術，采用TDOA（信號到達時間差算法），根據雙曲線定位監控系統中的人員實時位置[5-6]。該算法的示意圖，如圖2 所示。

圖2 信號到達時間差算法示意圖

圖中，字母A、B、C、D 分別代表RFID 讀寫器的位置。已知該位置坐標是靜態固定的。字母M 代表電廠中需要定位的人員位置。TDOA 算法以AB 點和CD 點建立雙曲線，當點M 位于射頻讀寫器的射頻范圍內時，則利用下列公式，推算出點M 的位置坐標。

式（1）、式（2）中：RAB與RCD分別表示M 點到A點、M 點到B 點之間的距離差值；t1、t2分別表示M點射頻信號，到達A 點和B 點的時間差；v表示信號傳輸速度；MA、MB、MD、MC 則表示點M 與RFID 讀寫器之間的距離[7-8]。將上式計算結果代入到雙曲線公式中，計算M 點的位置坐標，得到員工在電廠的實際位置。方程為：

式（3）、（4）中：(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)、(XD,YD)分別表示A 點、B 點、C 點以及D 點坐標。(X,Y)為計算所求的M 點坐標。求解上述公式，計算具體的X值和Y值，得到電廠人員的實時位置，完成對人員定位監測功能的設計。

2.2 設計系統的關聯分析與聯動操作功能

設計系統統一管理地圖的功能，將各子系統中的位置信息，整合到人員安全管理監控系統的軟件地圖中，設置可以疊加顯示的操作模塊，將各類人員位置信息作為不同圖層，同時，其中簡要的信息也要求在不同反饋窗口內同時顯示。令系統圖形化標定前端設備的作用范圍，即明確攝像頭掃描覆蓋區域中，人員定位基站覆蓋區域等，當出現安全問題時，可以在地圖任意位置處，調出與該點有關的系統設備。利用物聯網技術信息集成的特點，在各個子系統獨立顯示基本信息的前提下，令監控系統同時展現所有系統信息，其中視頻系統要顯示本區域定位的人員清單；Oncall 系統要顯示快捷頁面。令監控系統串聯這些子系統，以聯動的形式反饋電廠中的實時信息。同時要設計系統的信息展示頁面，根據每個工作崗位實際情況，制定不同的控制鍵位置。還要在地圖上劃定圍欄區域，并設定涉及此圍欄的子系統，統一整合人員定位、視頻監控的圍欄功能，即針對人員進行定位，針對視頻監控進行軌跡識別，保證系統協同工作。將其他子系統與其關聯，設定禁入、禁出以及超時停止的系統報警頻率[9-10]。至此完成有關數據監控方向上的系統聯動設計。

再設計有關存儲的系統聯動方式，即子系統信號觸發數據存儲時，同步記錄該區域的基本監控信息，保存特定時段的定位信息，同步監控區域的視頻內容。在系統定位目標后，所有子系統分別自動跟蹤目標，根據員工活動軌跡，切換地圖和攝像頭。系統聯動是安全監控的核心功能，設計系統中預警模塊的報警響應聯動模式，根據警報級別定向發送實時狀態，自動記錄觸發警報的人員信息，并向特定標簽發布下行預警。最后設計系統預案操作聯動功能，即當出現預警時，監控系統對所有廠內人員進行拍照，瞬間彈出人員的基本信息、彈出警報觸發信息。至此利用物聯網技術多樣性的使用功能，設計系統的關聯分析與聯動操作功能[11-12]。

2.3 設計系統告警功能

設計的監控系統，應支持多種查詢方式，包括單條件、多條件以及組合條件的監控信息查詢[13-14]。表1 為設計的監控系統可查詢到的告警信息。

表1 告警信息參數表

3 實 驗

為測試此次設計的人員安全管理監控系統性能，將該系統應用到一個模擬環境中，測試該監控系統運行是否正常，若出現運行不流暢或運行故障的地方，對該系統進行調控，若系統運行可靠，則進行對比實驗測試，比較此次研究的監控系統，與兩個傳統監控系統之間的聯動性差異。

3.1 系統性能測試

根據電廠實際設備和以往工作方式，采用B/S 模式建立人機交互，將管理監控系統與后臺服務器、其他子系統通信交互。該系統應用的開發平臺為Sun Microsystems 公司JAVA 平臺，使用的語言為JAVA語言。

注冊用戶名及密碼，將該系統應用到水電站電廠中，進行為期一個月的系統性能測試，為保證實驗電廠工作環境的安全性，在測試期間，并沒有拆除該電廠原本已經執行安全管理監控任務的軟硬件設備設施，而是根據此次設計系統的要求，在電廠內找到其他需要安裝攝像頭的位置，并在計算機機房內安裝配套的組件。一個月后統計該系統的告警次數、告警位置等信息。

所有監控信息是可查詢的，且所有子系統的監控信息，都反映到主監控系統的顯示界面中，可見該系統性能滿足設計要求，運行并無異常，可以進一步投入實驗研究中。

3.2 對比測試

對比測試將此次研究的監控系統，作為實驗組測試對象；將兩個傳統方法設計的監控系統，分別作為對照1 組測試對象和對照2 組測試對象，圖3 為3個系統的聯動性監測信息精度測試結果。

圖3 系統聯動性監測信息精度對比結果

根據圖3 所示的系統聯動性監測信息精度對比可知，此次設計的系統精度較高，系統聯動性更好，得到的監控數據更完備。將所有子系統的相關監控信息，都集中反饋到主界面中，監管人員可以隨時查找工廠人員安全管理監控數據，為保證系統測試結果的真實性，實驗共模擬100 次告警事件，分別設置為5 個測試組（20 個/組），3 個系統的監控預警次數統計結果，如表2 所示。

表2 預警次數統計結果

根據表2 可知，實驗組只在第3 組出現了一次告警事件漏報，經調查得知，測試當天出現了短暫的網絡問題，因此沒有記錄該次告警事件。而對照1 組和對照2 組，其預警次數比重，分別為總發生告警事件次數的70%和48%?？梢姶舜卧O計的電廠人員安全管理監控系統，可以有效處理聯動信息，通過完整的監控數據，實現對告警事件的實時反饋[15-16]。

4 結束語

此次設計的人員安全管理監控系統，在重新選擇監控硬件的基礎上，利用物聯網技術可執行信息采集、無線網絡通信、無線定位以及智能技術等功能，實現監控模塊、各個監控位置之間的數據聯動式處理，保證所有危險信息，可通過LCD 顯示屏，以多樣化的方式迅速反饋給監控室。但此次研究還存在一些遺憾，例如由于時間與版面限制，沒有介紹每一款替換硬件的詳細信息，同時也沒有著重給出系統軟件、硬件之間兼容性的測試結果。今后的設計與優化研究中，可以對上述兩個點進行描述，深化對監控系統的分析與研究。