基于物联网的冶金企业事故预警体系研究

刘祖德，李鹏飞

（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）

冶金企业生产工艺复杂，作业线长且具有较强的连续性，在生产过程中既有高温、高压、高能量的自身作业环境特点，又涉及到石油化工生产中的有毒有害、易燃易爆物质，同时还潜藏着在高层建筑、机械加工等作业中易发生的高处坠落、物体打击等机械伤害危险性。随着我国现代化进程的加快，冶金企业得到了高速发展，但与此同时火灾爆炸、中毒、泄漏等重大事故发生的概率也在逐年加大。当事故不能绝对避免时，从事故发生的规律入手，对事故征兆进行有效的预警，已成为降低事故损失的关键手段。

随着科技的快速发展，物联网得到越来越多的关注，已经被纳入到国家“十二五”技术发展规划中，目前已在国防军事、智能电网、智能交通、智能家居、医疗卫生等领域的示范工程中发挥了积极的作用。在冶金企业事故预警体系中引入物联网技术，必定能发挥其技术优势，通过建立一套适用于冶金企业的快速、科学的事故预警体系［1-2］，从制度预防到技术预警，彻底改变“靠天吃饭”的落后管理现状，最大程度地降低事故发生的概率，保障冶金企业安全生产。

1 物联网概述

1.1 物联网的定义

物联网（Internet of Things，IOT）的概念最早由麻省理工学院的Auto-ID 研究中心于1999年提出，虽然只经历了短暂的发展，但已经被认为是继计算机、互联网之后的又一次信息科技革命。由于不同领域的专家学者思考的角度各异，至今对物联网的定义尚未统一［3］。通常人们将物联网看作是在传感器、射频识别（RFID）、GPS定位等感知技术之上，应用各种通信网络将物品接入互联网，并融合云计算、数据挖掘等数据存储处理的优点，实现对物体的智能化识别、定位、监控、控制和管理，最终构建一个完整的5A（Anyone，Anything，Anytime，Anywhere，Anyway）相连的物理网络世界。

1.2 物联网的架构

全面感知、可靠传输、智能处理特征的物联网在架构上通常被分为三层，即具有RFID、传感器等构成的感知层，基于互联网通信建立的网络传输层，具有智能运算与决策优化的管理应用层［4］，如图1所示。

图1 物联网架构Fig.1 Architecture of internet of things

由图1可见，为了使物联网的关键环节有个更清晰的构架，还可以从信息科学视角出发，将物联网分为信息获取、信息传输、信息处理三个层次。

2 物联网在冶金企业事故预警体系中的应用

2.1 冶金企业事故预警体系现状分析

事故预警（Early-Warning）系统是指运用现代技术手段在事故发生前对其预兆进行及时的预报预警，并采取对策措施解除危险，阻止事故最终形成。

目前，我国大部分冶金企业没有建立科学有效的事故预警体系，缺少在线动态监测监控技术，而是过度地依赖人工经验，难以及时发觉事故征兆，将事故杜绝在萌芽阶段，因此一旦发生事故，往往会让企业措手不及，造成无法挽回的人员伤亡和财产损失。另一方面，即使已经建立事故预警体系的企业在实施过程中仍然存在着一些问题，如部分企业由于缺少相应的安全投入，导致预警体系所需的设备设施配置不足，使体系成了“空中楼阁”，难以发挥真正的作用；还有少数企业，因为管理模式陈旧，缺乏有效的执行力，对事故的预警还处于定性阶段，导致应急处理不当，达不到防范事故于未然的目的［5］。可见，在我国冶金企业建设事故预警体系是非常必要的，也是十分紧迫的。

2.2 基于物联网的冶金企业事故预警体系架构

物联网作为信息技术发展的最新产物，能够为冶金企业事故预警体系提供新的思想指导和强有力的技术辅助，具有较强的操作性。依靠物联网技术建立的冶金企业事故预警体系架构如图2所示。

2.2.1 预警体系感知层

感知层是整个预警体系的基础。冶金企业中游离着大量的事故征兆信息，以往依靠人工采集数据的信息单一且缺乏动态性，加上处理判断技术落后，致使不能对危险因素进行及时预警。而通过物联网的RFID、传感器、GPS定位等感知技术，可以对冶金企业复杂生产系统下的人员、机器设备、作业环境进行实时有效的动态监控、识别、定位，从而实现对企业的全面感知。

对人员的感知：通过不同的感应器，实时监控作业人员的生理特征和行为特征，及时发现工人的不安全行为，并针对生产车间大、人员流动频繁等问题，可利用GPS对人员进行准确的跟踪定位。

对机器设备的感知：冶金企业的工艺流程线长，设备设施分散，将RFID 的非接触自动识别与传感器的监测感应相结合，无须人工干预，通过技术间的相互协作就可保证即使在恶劣的环境中，仍能对设备的名称、型号等静态属性和振动、转动等动态属性的参数变化进行监测［6-8］。

对作业环境的感知：运用物联网技术可以对冶金企业特殊作业环境中的有毒有害气体、粉尘浓度、温度、湿度、噪音和照明情况进行实时感知，并结合GIS系统，实现对环境的遥感图像显示。

2.2.2 预警体系传输层

传输层在整个预警体系中具有承上启下的作用。目前冶金企业的传输系统大都是基于有线方式，在成本和技术上都受到许多限制。另外，车间里密密麻麻的线路，不仅给人造成了恐惧感，而且任何一次调整都涉及到复杂的设备移动甚至重新布线。由于事故的发生不是单一因素的影响，而是人的不安全行为与物的不安全状态在一定的环境中发生结合，所以在数据采集传输时应充分考虑指标的完备性，避免“信息孤岛”。

图2 基于物联网的冶金企业事故预警体系架构Fig.2 Infrastructure of accident early-warning system for metallurgical enterprises based on IOT

在传输层首先运用先进的WLAN、ZigBee、WiMax、蓝牙、Wi-Fi、超宽带无线通信技术（UWB）等短距离无线传输技术，通过自组网与中间件，将各种工艺设备物联成网，并将原始数据转换成利于传输或者应用的信号形式，压缩提取出有用信息，实现协同感 测；然后通 过 GSM／CDMA、3G／4G、Ad Hoc、移动、卫星通信等长距离无线与有线网络的融合，将在感知层采集到的数据信息准确、无障碍地传输到管理应用层，并将应用层的指令回传感知层，实现感知网与互联通信网的数据存储和传输。

2.2.3 预警体系应用层

应用层作为事故预警体系的核心支撑层，主要借助云计算、数据挖掘、人工智能等后台智能平台对海量的原始数据进行分析、处理和动态反馈，起到预警决策和控制的作用。

应用层的功能主要表现在以下方面：一是建立事故库。对冶金企业的典型事故或未遂事故进行搜集，结合数据仓库建立冶金行业事故库，并利用数据挖掘［9］对仓库事故开展关联性研究，获取事故发生的规律特点，为预警指标的确定提供有力的技术支持并辅助预警对策库的构建；二是24小时专家咨询。利用人工智能技术，依靠分布在各个企业和机构的专家，在监测数据定量分析的基础上，为冶金企业提供在线警情解除、现场指导等援助活动；三是预警分析。以云计算技术为中心，整合资源组建计算群，结合专业知识和相关安全生产标准明确预警临界值，根据当前警戒状态，确定预警等级［10］；四是演化仿真系统。以企业生产条件、作业环境为背景，对传入的数据进行科学计算，对警情的发展趋势进行演化仿真，给出定量评估；五是预警对策。一旦参数值超出预警临界值并有增长趋势，可通过传感器给出声、光等报警，应用GPS进行警情定位，决策指挥中心通过电话短信等手段立即通知预警小组，组织厂区、车间、班组相关人员将预警对策库与实际警情结合［11］，实施有效的控制措施，实现人机互动，在警情转化为事故之前及时解除危机，恢复安全状态，必要时提示企业负责人做好紧急启动事故应急预案的准备。

3 结语

随着科技的发展，物联网技术会逐步变得完善，将其与现代冶金生产工艺相结合，建立有效的事故预警体系，对冶金生产进行实时动态监控，对预警的事故征兆采取合理的控制措施，将事故消灭在萌芽状态，从根本上降低冶金企业事故发生的概率，实现“感觉—感知—控制”的科学程序化管理，保证冶金企业生产的快速稳定。当然，基于物联网的预警体系建设是一项长期复杂的系统工程，建设过程中仍然需要面对诸多问题，如物物相连之后的数据信息及网络安全问题、不完善的标准化问题、需要进一步提高的技术问题等，这些都需要企业和相关研究机构在今后的实践生产中不断去摸索解决。

［1］施祖建，汪丽莉.物联网在安全生产领域的应用研究［J］.能源技术与管理，2010（6）：99-100.

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［7］窦站，蒋军成，张明广，等.基于物联网技术的移动危险源监测研究［J］.工业安全与环保，2013，39（8）：71-73.

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