安全隔離設施風險監測系統設計

摘 要：【目的】在對水電站內的設備檢修過程中，用于保證人員和設備安全的安全隔離設施可能會出現異常，僅通過人工監測易出現疏漏，且監測間隔周期較長，為避免由此帶來的安全風險，設計了一套針對水電站的安全隔離設施風險監測系統。【方法】基于Zigbee無線通信技術，集成震動監測模塊、溫濕度傳感器、蜂鳴器、無線通信模塊等，實現對安全隔離設施異動風險監測及報警。【結果】在某水電站實際測試該安全隔離設施風險監測系統，發現該系統運行良好，能正確檢測出所布置的檢修設備安全隔離設施異動情況。【結論】該安全隔離設施風險監測系統的應用能實現對安全隔離設施異動監測、報警和數據自動記錄，降低水電站內施工作業安全風險，對其他行業的類似應用推廣具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：安全管理；隔離設施；風險監測

中圖分類號：TP277" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0016-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.004

Design of Risk Monitoring System for Safety Isolation Facilities

—Taking a Hydropower Station as an Example

Abstract：[Purposes] During the maintenance process of equipment in hydropower plants， safety isolation facilities to ensure personnel and equipment safety may encounter abnormalities. Only manual monitoring can easily lead to omissions and long monitoring intervals. To avoid safety risks caused by this， a safety isolation risk monitoring system for hydropower stations has been designed.[Methods] By combining Zigbee wireless communication technology， the abnormal risk monitoring and alarm of safety isolation facilities can be achieved through vibration monitoring modules， temperature and humidity sensors， buzzers， wireless communication modules， etc.[Findings] After actual testing at a certain hydropower plant， the risk monitoring system for safety isolation facilities ran well and could correctly reflect the abnormal safety isolation facilities of the arranged maintenance equipment.[Conclusions] After the application of the safety isolation facilities risk monitoring system， it can achieve abnormal monitoring， alarm， and automatic data recording of safety isolation facilities， reduce the safety risks of construction operations in hydropower plants， and have certain promotion value and reference significance for similar applications in other industries.

Keywords： security management; isolation facilities; risk monitoring

0 引言

水電站內部的各類機電設備多，特別是在機組大修、全停水等大型工作開展時，廠房內的工作人員多、危險源種類多、要隔離的機電設備多，且部分隔離設施會隨工作的進展而發生變化。目前，主要通過運維人員定期檢查提醒的方式，保證安全隔離設施布置，但這種方式主要存在以下不足。

①人員直接檢查很容易出現疏漏，一旦關鍵安全設施出現疏漏，就有可能導致安全事故發生。通過制定安全檢查表雖能避免疏漏，但要隨時更新安全檢查表，增加了安全隔離設施管理負擔。

②在人員定期檢查間隔期間，安全標示志及檢修設備的隔離設施有可能被誤動、誤拆，即該管理方式存在“真空期”漏洞，導致該時期的安全隔離設施異動情況無法被實時監測。

1 物聯網技術在安全管理中的應用

物聯網技術在直接感知設備異常并報警、強化監管及時發現危險源、分析預測事故發展等方面均有著較為廣泛的應用。

物聯網可分為三層結構，即感知層、網絡層和應用層。其中，感知層主要對物體的位置、狀態等信息進行收集與處理，包括無線傳感器網絡、紅外感應、射頻識別和執行器等；網絡層主要用于傳輸信息，包括互聯網、電信網絡、廣播電視網絡等；應用層主要用于服務發現和服務呈現。也有學者將物聯網分為五層結構，即感知層、接入層、網絡層、支撐層、應用層［1］。

本研究針對安全隔離設施人工檢查易疏漏和存在“真空期”這兩個問題，設計出一種安全隔離設施風險監測系統，用來提示相關設備運維及檢修人員，防止作業關鍵隔離設施被忽視或誤拆，強化生產現場的安全保障。

2 安全隔離設施風險監測技術研究

2.1 安全隔離設施風險監測系統研究

本研究設計的安全隔離設施風險監測系統硬件包含現場采集單元、現場輸出單元、基站（中心節點）、終端數據處理裝置。為了能更好地實現安全設施風險提示，需要提前采集安全措施項目及作業項目信息，經數據處理分析后，為現場人員、維護檢修作業人員和運行人員提供風險提示。由于水電站內設備檢修維護工作項目不固定，安全提示模塊（現場采集及輸出單元）采用分布式無線布置方式。該系統的結構設計如圖1所示。

為避免非必要的過度報警，該系統將安全措施分為一般安措和核心安措。一般安措主要為普通區域的圍欄、紅布簾等誤動或誤拆而不會立即造成人員傷害或設備損壞的安全措施，核心安措指誤動或誤拆后會直接造成人員傷害或設備損壞的安全措施。核心安措設備狀態出現異常，要立即向現場采集單元對應的輸出單元發動作命令，通過聲、光報警來提醒附近人員，并向相關作業人員發送作業安全設施發生異常信息，提醒作業人員停止作業，避免出現安全事故；非核心安措設備狀態異常，則進行計數，計數達到預設值后，立即向運維人員報警，由運維人員對報狀態異常的安措設備進行檢查、恢復，計數未達到預設值的，則由運維人員在定期巡檢時檢查、恢復。其數據處理流程如圖2 所示。

2.2 安全隔離設施風險監測系統網絡通信模式

該系統由在監測范圍內部署的傳感器節點（安全提示模塊）、中心路由和上位機組成。傳感器節點（安全提示模塊）通過無線通信方式形成一個自組織的無線傳感器網絡，傳感器節點用于采集安全隔離設施的異動情況；中心路由為這個無線傳感器局域網絡的發起者，任一傳感器節點都能與中心路由器進行連接，也能與任一已經處于局域網絡的節點進行連接，從而加入當前的局域網絡［2］；上位機主要負責與中心路由的數據通信，并呈現出一個可視化的界面系統。每個傳感器節點獨立運行，在發現安全異常后立即警示，實時上傳節點中心，實現網絡覆蓋區域的安全提示，強化生產現場安全的保障。該系統的通信設計簡略圖拓撲結構如圖3所示。

2.3 安全隔離設施風險監測系統特點

整個安全提示系統不依賴其他設備或系統，可獨立運行，也可根據需要接入已有的信息或監控系統，系統布置靈活。

采用高速、高精度嵌入式多路信號同步采樣技術，完成對安全隔離設施異動情況的數據采集。安全提示系統的軟件在監測過程中可對采集到的異動情況進行識別，確定可能被誤動或誤拆的安全隔離設施。

采用自組織的網絡系統，可在管轄范圍安全隔離設施出現變化（增加或減少）時，相應調整布置的傳感器節點（安全提示模塊）數量，暫未使用的傳感器節點（安全提示模塊）可關閉或處于休眠狀態。

數據并不能直觀地反映管轄范圍內安全隔離設施的狀態，特別是對重要安全隔離設施異動可能忽略，而該系統可以從海量數據中提取有用數據，采用多種方式進行提示，防范安全風險。

3 安全提示模塊硬件設計

該系統采用震動傳感器來采集安全隔離設施的異動情況、溫濕度傳感器來采集環境情況。經芯片處理，在發現異動后，應立即現場蜂鳴報警，并通過ZigBee芯片將采集到的震動、溫濕度數據轉換成無線信號進行傳輸［3］。之后通過中心節點接收信號將震動、溫濕度數據傳輸給計算機，實現安全隔離設施異動的遠程在線監測，并通過上位機軟件及時提示相關設備運維及檢修人員。因此，該系統主要的硬件設備有溫濕度傳感器、震動監測傳感器、ZigBee芯片、蜂鳴器和電源系統。

由于該系統主要應用于生產廠房等設備分布較雜亂、干擾多的場所，為保證通信的可靠性、長續航，選用集成功率放大器、休眠時低功耗的ZigBee芯片產品。

震動監測傳感選擇震動開關，震動開關可分為以下幾類：單滾軸型感應觸發開關，可感應不同方向的震動、傾斜；滾珠型傾斜震動開關，可感應單方向觸發開關，防水防塵；震動傳感器開關，無方向性，任何角度可觸發，防水防塵［4］。本研究設計的系統需要采集可能來自任何方向的安全隔離設施異動情況，故選用震動傳感器開關。

經比較后，最終選擇了SW18010P震動開關來采集安全隔離設施的異動情況，采集到的震動及溫濕度數據經帶功率放大器的CC1352P芯片后，可實現更遠距離、更穩定的無線信號傳輸（未外接擴展天線最遠通信距離為100～200 m，外接擴展天線后可達300 m）。震動傳感器開關自帶大容量鋰電池，可實現安全提示模塊長時間續航。

安全提示模塊通過調整背后的魔術貼扎帶與被檢測設備固定連接如圖4所示。

4 安全隔離設施風險監測系統軟件設計與應用測試

4.1 嵌入式系統設計

為了實現無線網絡的互聯互通，嵌入式系統部分采用ZigBee無線通信協議。ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，基于IEEE802.15.4標準實施，主要用于近距離無線傳感器節點的組網通信，支持數百個的傳感器節點自動組建網絡［5］。

系統架構上采用操作系統抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），為一種基于事件驅動的輪詢式“操作系統”，支持多任務運行，所有的應用程序都在其上運行，其并不是一個傳統意義上的操作系統，但是實現了部分類似操作系統的功能。作為時間驅動型的系統，OSAL支持數據流的高效并發，并能滿足系統的低功耗要求，在功耗、運行開銷等方面具有優勢［6］。當系統初始化運行后，通過輪詢的方式來采樣環境數據，采樣完成后進入低功耗狀態。同時，異常狀態以事件的方式觸發時，也能實時做出響應。程序運行流程如圖5所示。

4.2 安全隔離設施風險監測系統上位機軟件設計及功能

上位機軟件是基于CEF、VUE、C++等開發的，通過CEF技術將瀏覽器功能嵌入到智能安全提示系統應用程序的框架中，實現優美簡潔的上位機軟件界面。

登錄權限管理。訪客僅能對安全隔離設施模塊狀態及安全隔離設施報警情況進行檢查，只有管理員登錄后，方能啟用/禁用安全提示模塊、新增或編輯安全隔離措施等。

主界面分為安全隔離設施監測與安全提示模塊監測兩欄，左側安全隔離設施監測欄包括系統內已布置的安全隔離設施及其報警情況、記錄報警次數（可手動將報警次數清零）；右側安全提示模塊監測欄主要顯示模塊環境溫濕度數據。軟件主界面的安全隔離設施監測欄圖如圖6所示。

對上述所列的報警設備可進一步查看詳情，查閱其具體描述、安全措施分級情況、報警時間、累計報警次數，在確認誤報后由運維管理員手動清除報警。

上位機軟件的主要功能如下。

①系統設置、實時和歷史報警顯示、遠程布置模塊等。

②系統設置主要功能：添加或者刪除安全隔離措施組、單項安全隔離措施，修改安全隔離措施名稱，管理員與用戶設置，出報警參數設置等。

③實時和歷史報警顯示：針對當前、歷史的報警情況，以列表方式進行顯示，并對一般安全隔離措施異動次數累計，可隨時清零。

④遠程布置：可在上位機遠程逐個或以安全措施組為單位，批量啟用或禁用安全提示模塊。

4.3 安全隔離設施風險監測系統應用測試

安全隔離設施風險監測系統開發完成后，在某水電站機組大修現場進行布置測試。其中，安全提示模塊設置了三種典型的布置場景：安全隔離圍欄、懸掛的安全標示牌、禁止打開的屏柜。在布置好安全提示模塊及系統后，組織人員按自身習慣拆除安全標示志牌、安全圍欄、開啟屏柜測試系統報警正確率；手動晃動安全提示模塊，記錄晃動時間，與上位機報警時間進行比對，確認系統響應時間；開展168 h的系統連續運行測試，檢查上位機軟件記錄各安全隔離設施異動報警情況。經測試，系統報警正確率及系統響應時間均能滿足應用需求，系統連續運行期間軟硬件未發生故障，軟件記錄報警正確。

5 結語

目前，國內對安全隔離設施監測的研究應用案例較少，本研究設計的安全隔離設施風險監測系統通過現場報警、上位機報警等多種手段提示運維及檢修人員安全隔離設施異動情況。未來，可考慮安全提示模塊作防水防塵設計以應對各類復雜場地場所；或使用上位機對被監測安全隔離設施狀態進行3D呈現，便于運維人員分析、識別安全隔離設施異動情況。

參考文獻：

［1］林麗芬.物聯網技術在安全生產與管理中的應用探討［J］.計算機光盤軟件與應用，2012，15（16）：70-71.

［2］許靖，白欣然，胡世鑫，等.基于Arduino的物聯網智能花盆設計［J］.電腦知識與技術：學術版，2021，17（3）：216-218.

［3］劉軍，劉樺，賈志遠，等.人體紅外及震動無線傳感器網絡構成的安全防盜系統［J］.電子世界，2021（4）：125-127.

［4］何蘊良，耿淑琴，汪金輝.基于ZigBee無線傳感的空氣溫濕度監測系統設計［J］.現代電子技術， 2015，38（18）：133-136，140.

［5］韓新風，高智中.基于Z-Stack協議棧的ZigBee應用系統設計［J］.長春師范大學學報（自然科學版），2018，37（8）：38-41.

［6］冀宇鑫，楊冬，秦雅娟，等.基于WSNs平臺的Contiki通用移植方法研究［J］.計算機技術與發展，2012，22（11）：134-137.