“工業4.0”時代卷煙工廠智能安全體系的建立

王明佳，李 碩，楊天行，孫 濤，周立群

(1.甘肅煙草工業有限責任公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

“工業4.0” 是由德國政府提出的一項高科技戰略計劃，旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠。中德兩國在2014年共同簽署了《中德合作行動綱要：共塑創新》，包括政治、經濟、文化、工業、農業等領域，綱要中明確指出兩國要在“工業4.0”方面近一步加強合作[1]。

“工業4.0”的核心是融合實體系統和虛擬系統，建立一個信息物理系統(Cyber-Phyiscal System，CPS)，打造一個智能工廠，將生產過程智能化，達到傳統制造向智能制造轉型升級的終極目標。其中，智能工廠的建立關鍵在于工廠生產設備中智能傳感器的植入，傳感器可以自主采取生產數據使得生產設備變為智能化的工具，對生產過程進行智能監測和智能操控。智能工廠的所有產品部件也將擁有各自對應的信息，在實現數據交互后，各部件能夠根據信息與生產設備建立溝通，根據生產需求自動發出生產操作指令，從而順利完成產品的自動生產，圖1對比了傳統制造業與“工業4.0”制造業體系。智能工廠實質上是對工業化和信息化的完美融合，構建出一個高效率、高靈活度的生產空間。基于“工業4.0”，并結合我國制造業的發展現狀，工信部提出了《中國制造2025》規劃，明確指出要將智能制造作為我國未來工業的主攻方向，堅持創新驅動、智能轉型，實現從制造大國向制造強國的轉變[2]。

隨著智能制造逐步付諸實踐，使得生產裝置的結構越來越復雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高，但相應的安全問題也日益嚴重，導致災難性事故發生。生產活動中的危險源和安全事故導致的員工生命健康損失，不僅侵害員工的生命健康權利，而且減損人力資本，影響經濟社會的可持續發展。涂善東院士提出了智能安全的理念，認為智能安全是“工業4.0”時代保障智能制造健康發展的基礎。智能安全的提出為工廠智能制造系統的設計、運行提供了安全保護，可以實現人員的安全與健康，在提升我國制造業的國際競爭力方面有顯著的作用[3]。

卷煙工廠一直致力于提升企業科技水平，其在“工業4.0”時代擁有著顯著的潛力，可以充分體現智能制造。從卷煙工業的特點來看，該行業發生安全事故的概率較低，不屬于高危性行業。但是，由于卷煙的價值高，一旦發生事故將會帶來巨大的經濟損失。本文在分析卷煙制造行業的發展現狀及趨勢的基礎上，探討安全管理技術如何匹配智能制造的升級。

2 卷煙工業智能制造的現狀與趨勢

卷煙制造是典型的流程型生產，主要包括制絲、卷接和包裝三大工藝過程，它們分別承擔原料加工、卷制成形和包裝成品的各項加工任務。各工序間物料的流動是連續的，單向無循環，生產節奏均勻[4]。一般而言，卷煙企業的設備自動化程度、數字化建設以及員工技術素養，相比于其他行業處于領先水平，這些構成了實現智能制造的堅實基礎。此外，國家煙草專賣局也在積極探索并著力推動卷煙企業發展智能制造，為國家制造業的發展貢獻一份力量。在此背景下，一批卷煙企業進行了積極實踐并取得了一定的成績。從當前的實際發展情況來看，煙草行業已經具備了一定的智能制造應用基礎，比如生產過程及物流配送自動化、管理決策信息化等,但仍然缺乏自主學習、自我完善及自主決策的能力。

在卷煙生產流程中，煙葉初烤、打葉復烤、煙葉發酵、卷煙配方、卷煙制絲、煙支制卷、卷煙包裝等生產工藝都實現了機械化生產，而智能制造技術可以為卷煙制造業提供更加有力的技術支撐。MES制造執行系統、生產者延伸責任(EPR)系統、集散控制系統(DCS)等一系列智能制造系統架構中的重要組成部分，在卷煙制造領域都有著十分廣闊的應用前景[5]。智能化下的卷煙制造業將產生較大改變，由直線流程式改為各環節互動的環式結構，向一體化的組織單位發生轉變，信息實時反饋與工藝、研發之間呈雙向往來關系，更利于生產研發部門根據市場需求定義產品特性，實現“對癥下藥”[6]。在“工業4.0”時代，智能制造是卷煙工業發展的必然趨勢。

3 卷煙工廠的安全現狀

由于煙草行業本身的特殊性，以及煙草加工環節的復雜性。無論哪一個環節存在疏忽，都容易引發安全事故，從而導致企業巨大損失。目前，卷煙工廠存在的安全問題主要體現在以下方面。

1)傳統卷煙工廠對于安全生產的管理手段比較單一，主要以例行檢查、教育培訓和定期評估為主。但這種方式容易受到時間效率、人力資源等各類成本項的制約，管理效率不高，精細化水平有限。而且，風險辨識評估不全面，日常管理工作依靠人工紙質單據記錄，信息收集不規范、查找統計不便，導致安全管理效率低下，管控過程無法有效追溯和落實。

2)盡管嘗試引進了部分監控攝像頭、物聯網等相關的技術產品，由于智能化程度不高，無法覆蓋生產的主要風險，能夠采集到的生產數據有限，數據分析、監測預警等智能化應用尚未開展。同時，傳統的攝像頭監控只能由人工進行實時查看，或者在事后進行回溯，效率極其低下且無法做到有效預防和及時報警。現有的集散控制系統(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)、安全儀表系統(SIS)、數據采集與監視控制系統(SCADA)、危險品倉儲、消毒及可燃氣體監測系統、消防系統等信息孤島嚴重，更缺乏工藝異常分析、設備預測維護、數據趨勢預警等能力，信息不能融合共享與聯動處置。

4 卷煙工廠智能安全體系的建立

智慧工廠是繼數字化、精益化之后工廠的發展模式，是智能制造的基礎與關鍵技術之一。在煙草企業的積極探索下，我國煙草工業的智能制造水平正在逐步提升。智慧工廠的發展對于安全問題也帶來了新的挑戰。傳統的安全管理模式及技術顯然無法滿足智慧工廠的需求，如果忽視安全系統的智能建設，將對企業帶來不可估量的生產風險[7]。因此，需要在進行智能工廠頂層設計的時候就對安全體系進行全面的規劃。項目建設中后期再進行安全系統的補救，會給企業帶來更多的經濟投入和安全隱患。

智能工廠的所有產品部件擁有各自對應的信息，在實現數據交互后，各部件能夠根據信息與生產設備建立溝通，根據生產需求自動發出生產操作指令，從而順利完成產品的自動生產[8]。所以，要想確保智能工廠的安全，需要匹配適合的智能安全體系[9]。對于卷煙制造業而言，智能安全體系應將移動互聯網、物聯網、云計算技術等先進技術應用到安全生產監督管理業務中，通過感知數據的統一集中管理構建一個面向服務的智慧安全監管理平臺，實現安全生產全要素實時監控、事故隱患智能分析、智慧安全管理、應急協同指揮、培訓教育考核一體化的“互聯網+”大數據管理創新模式，為企業安全生產和安監部門的監督管理提供高效實時的智能應用與服務，其基本架構如圖2所示。智能安全系統應基于統一架構，由重大危險源監測預警、企業安全風險分區管理、人員在崗在位及企業安全生產全流程管理功能模塊組成，為企業構建HSE管控一體化體系。以下從人員安全管理、生產安全管理、危機處理3個方面進行介紹。

圖2 智能安全體系基本架構

1)據統計，大約96%的事故是由于人員的疏忽引起，智能安全系統能夠提供全面的安全生產監控方案，基于攝像頭采集的圖像，監測職工是否符合安全著裝規范、作業規范。如果存在人員安全隱患，系統可以自動進行識別，并將信息及時傳輸至一體化平臺，幫助企業安全管理部門、公司領導及時全面、精準地掌握企業員工的工作狀態，從而針對性對員工進行培訓，以提高員工的培訓效果，從源頭上消除因為人的不規范行為和習慣而導致的事故隱患。

2)在生產階段，設備管理系統可以實現設備運行狀況的在線診斷、故障預警以及預測性維護指導，提高企業維護效率，降低維護成本，避免由于設備故障導致的安全事故。此外，企業內部所有的設備設施要進行全生命周期的系統化管理，從采購、安裝、調試，到使用過程中的維護、維修、變動，再到設備報廢、拆除，隨時、全面、準確的了解各設備、設施的動態和靜態信息，實時掌握設備運行狀態。

3)在危機處理方面，基于試驗數據管理系統(TDM)，利用大數據分析、人工智能、專家系統進行故障診斷。同時建設安全數據中心，將各類安全數據匯集，實現各階段與各業務

功能的互聯互通，實現全要素的風險管控。通過一體化平臺的應急管控模塊，輔助危險事件發生后的應急救援決策，實現安全應急指揮，并實現工廠安全應急聯動。

可以看出，智能安全體系的建立基于實時監控、物聯網、三維可視化、智能信息處理等技術手段，將卷煙企業被動式的安全生產管理升級為全方位、全過程、全天的立體管控。無論是在復雜的室內建筑物環境，還是在室外環境，系統都能完成精準的生產管理追蹤和監控，緊盯“人機環管”，阻斷致禍因素。另外，安全系統結合三維精細化建模、AI視頻分析、移動應用、人員實時定位、智能進出控制以及物聯網大數據等新技術，采用B/S架構，實現輕量快捷Web應用，功能設計盡顯科學人性化，助力企業生產管理者全面、高效監控現場作業過程，保障了企業生產作業全流程本質安全。

5 結語

卷煙制造業正逐步向“工業4.0”時代邁進，同時也帶來了新形勢下實現安全生產的全新挑戰。在分析卷煙制造業智能制造的現狀及發展趨勢的基礎上，為與智能制造的安全新需求相匹配，提出了卷煙工廠的智能安全體系的建立進行探討。