物联网技术在航天安全生产管理系统中的应用

王亮洁，胡大伟，董 皓，张澍裕

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

物联网技术在航天安全生产管理系统中的应用

王亮洁，胡大伟，董 皓，张澍裕

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

航天事业的发展关系国计民生，其安全生产管理问题则是重中之重，如何形成一套高水准、标准化的系统，是即将要解决的问题。首先分析了研究整个系统的必要性，进而提出了解决方案，具体分析了系统的架构、网络拓扑以及系统功能。重点介绍了关键技术，主要在于集成、虚拟技术和光纤传感三大类，最后分析了系统的应用前景。

安全生产；物联网；光纤传感；集成；虚拟化

0　引言

随着航天事业的飞速发展，安全生产问题日益凸显。除了进一步完善安全生产制度、加大安全生产监管力度外，如何利用物联网技术，保证航天产品的质量，加强生产现场的管理，迅速而有效地处理突发性事件［1］，已成为航天事业亟待解决的问题。

1　系统研发必要性

航天企业的安全生产模式相对复杂，生产品种较多、批量少、生产过程要求严格，涉及各种设备设施的监测、维修、维护，生产操作人员的规范操作、防护设备的正确使用，特种作业过程中的环境监测等。航天各生产工业区之间地理位置较分散，生产设备新旧不一，作业环境复杂，加大了统一监测管理的难度。而传统的航天安全生产管理通常采用人工、巡检监测方式，在安全监测处理上有一定的空白，已无法满足航天事业迅猛发展的需求［2］。

物联网中传感和有线技术的应用弥补了上述的空白。物联网具有全面感知、可靠传递和智能处理等特性［3］，可提高航天企业安全生产管理的能力和水平，促进航天企业经济效益的提高，减少安全生产事故的发生。物联网通过搭建传感器网络和控制平台，实时采集待监测设备的声、光、热、电等各种信息，实现对物体和过程的智能化感知、识别和管理。航天安全生产管理的关键问题在于安全事故的提前预防、预警，采用物联网技术可使安全生产具有先知先决的预知能力，显著的提高航天企业的管理水平和安全防范能力。同时，在能源管理监测上，也具有统筹兼备、合理规划的能力。

2　系统方案

2.1系统架构

系统架构分为三个层次，分别为物理层、数据层、应用层。其中，物理层主要是一些基础设施，主要包括：各种传感器，负责数据的采集和上传；数据层主要负责把各种采集数据汇聚存储、备份，并上传给应用层；应用层即业务层，主要负责业务功能的实现、设备与环境数据展示。系统架构如图1所示。

图1　系统架构图Fig.1 Structure of the system

系统特点如下：

1）设备监控及能源优化：改善环境的舒适性、节能及提升建筑系统的操作效率；

2）预警报警机制：为确保人员、财产及信息安全，设置了预警机制，如出现异常，可及时提醒相关人员采取措施；

3）系统集成：对所有的系统及信息进行融合，全局的高效监控管理、减少系统风险，实现智慧型物业管理；

4）生命周期服务：确保楼宇设施及系统得到完善的维护管理和运营支持，包括日常性及应急性的服务。

2.2网络拓扑

系统采用分布式的管理方式，每一个生产厂区对应一个子系统。在每个子系统中，采用传感器—控制器—服务器的方式对设备进行监控和信息采集。数个子系统之间采用以太网或内部网的方式相连接。系统充分考虑了冗余设计，拥有极高容错性，子系统之间相对独立，在遇到突发事件时，不会影响到其他子系统。系统不仅保证了每个子系统能不间断正常运行，而且预留了足够的延时来处理故障，以确保在发生意外故障和突发事件时，系统能正常运行，系统的网络拓扑结构如图2所示。

图2　系统网络拓扑图Fig.2 Network topology of the system

2.3系统功能

系统功能主要由3D全景展示、智能设备监测和报警、3D虚拟救援培训等模块组成。

（1）3D全景展示

系统以BIM模型为基础，采用虚拟化技术，呈现给用户更直观、更绚丽的3D画面，如图3所示。

（2）智能设备监测

系统可监控空调、送排风、给排水、照明等各功能设备，设备模型以组态图形式呈现，用户无需到现场，即可通过操作系统来实现对设备的实时控制，如图4所示。

图3　工业园3D模型Fig.3 3D model of industrial park

图4　设备组态图Fig.4 Equipment configuration

（3）安防报警监测

通过系统平面图展现各厂房的位置，当出现事故或超标情况，相应的厂房位置会标红，弹出提示框，提醒用户可采取的措施，如事故相关负责人的联系方式等，以达到提高管理效率、合理利用人力资源、安全防护的目的，如图5所示。

（4）虚拟救援培训

以各种事故处理为主线，穿插各种救援知识和经验问答，通过虚拟化技术模拟事故现场环境，让救护人员熟悉救援流程，全面感受灾难的发生情景，在面临真正的事故时，做到组织有力、判断准确、措施可靠、行动有效、安全施救、科学救援。虚拟救援培训如图6所示。

3　关键技术与研究基础

3.1多子系统集成

研究多子系统数据采集、实时传输、交换以及数据异常报警与安全管理、现场或远程设备、环境监测的软硬件集成系统。

由于已有设备及子系统存在多种通信协议，例如：RS485/LonWorks/BACnet/Modbus/TCP等，所以系统面临着同时和这些子系统以不同通信协议通信的要求。实际情况中存在异构网络，如何实现网络与网络之间的可靠、快速通信［4］也是系统面临的问题。

怎样能高效、准确地将各个子系统的数据集成到上层平台就成为了关键问题。设计一条统一数据总线，经过路由算法将数据汇集到上层系统平台成为了解决以上问题的方法。

图5　报警监测系统图Fig.5 Alarm monitoring system

图6　虚拟培训系统Fig.6 Virtual training system

3.2视景虚拟化技术

（1）3D场景及检测量展示

利用直观的建筑及设备模型，对监测设备及环境参量进行展示。其中，设备、环境异常报警和预警是通过直观的颜色变化或者界面提示。研究人性化的操作方式，结合先进的管理流程，提高安全管理部门的工作效率。

研究已有的3D楼宇建模与管理技术（如BIM），在其基础上根据航天安全生产管理的特殊性定制设计，实现具有特色的管理系统也是系统实现的关键。

（2）基于地理信息系统（GIS）的多地区数据整合

由于航天系统多场所、多地域办公的特点，分布式的地理信息系统可以直观地在多个地域进行漫游，获得直观的数据信息，进而实现管理逻辑一致。所以系统立足于多点分布式管理方式，研究基于地理信息系统的多地区数据整合及统一管理。

（3）虚拟演练技术

增强现实技术可以将计算机虚拟技术与实际工作环境、场景高度结合，利用此技术可以真实模拟日常生产流程，尤其是可以根据脚本设计事故发生现场。

演练培训在安全生产流程中有着举足轻重的作用，研究运用增强现实技术和虚拟现实技术，将安全事故场景及操作规程进行真实模拟再现，使培训人员身临其境地完成培训项目。

虚拟培训演练系统是以增强现实技术和虚拟现实技术为核心，应用 “交互式培训演练”的技术方案，以满足安全生产中救援演练、事故救护培训以及安全生产知识培训的需求。用户通过交互式培训演练分系统、教育培训管理分系统，开展问答式教学、演练式教学、虚拟课堂等多种教学形式，达到培训、展示、考核的目的。

3.3光线传感技术

（1）分布式光纤测温传感器

分布式光纤温度传感器是基于光在光纤中产生的非弹性散射效应及光时域反射原理来实现分布式温度测量和定位的。光纤中的自发拉曼散射产生斯托克斯光（stokes）和反斯托克斯光（antistokes），而反斯托克斯光的强度与外部温度存在一定关系。测量反斯托克斯光和斯托克斯光的强度并进行解算，即可得到散射点处的温度信息，进而实现对整个光纤所处温度场的分布式温度测量。同时采用OTDR技术，通过探测脉冲光从入射进光纤到返回至光纤入射端面的时间可以推算出反射光产生的位置，从而确定出温度信息的位置，利用该技术可以实现整条光纤上温度信息的长距离、分布式测量。

在电缆沟温度监测中，必须采用稳定、安全、连续的测温技术。故可选用分布式光纤测温传感器。

（2）全光纤电流互感器和光学电压互感器

在配电柜电压、电流、谐波的监测中，必须采用电流、电压互感器。而传统的电流、电压互感器安全性较差，甚至有爆炸危险；存在电磁谐振、二次开路等危险；存在磁饱和、动态测量精度差等问题。另外，传统的互感器绝缘结构复杂，体积大、耗材多，离自动化、数字化、智能化等要求差距大。

采用全光纤电流互感器和光学电压互感器，全光纤电流互感器基于磁光法拉第效应，具有安全、可靠、精准、智能、低碳环保等特点，且大电流暂态特性完美，无二次压降。全光纤电流互感器10kV开关柜如图7所示。

图7　全光纤电流互感器10kV开关柜Fig.7 Full optical current transformer 10kV switch cabinet

4　结论

综上所述，物联网技术应用范围广泛，十三所物联网的研究工作也已取得了初步成效，但是还有很多疑难问题需要我们去探索解决，例如：异构系统集成，信息安全保护等问题［5］。开展物联网技术在航天安全生产管理中的应用研究，具有良好的社会效益和广阔的经济前景，是物联网技术应用的另一个突破口。

［1］ 马军，孙颖，穆士乐.应需而生的物联网应用［J］.现代电信科技，2010（4）：57-61. MA Jun，SUN Ying，MU Shi-le.The internet of things application of should be born［J］.Modern Telecommunication Technology，2010（4）：57-61.

［2］ 王显政.安全生产与社会经济发展报告［M］.北京：煤炭工业出版社，2006. WANG Xian-zheng.The safety production and social economic development report［M］.Beijing：Coal Industry Press，2006.

［3］ 蒋林涛.互联网与物联网［J］.电信工程技术与标准化，2010，23（2）：1-5. JIANG Lin-tao.Internet and internet of things［J］.Telecommunication Engineering Technology and Standardization，2010，23（2）：1-5.

［4］ Tu Shih-Chung，Tsai Meng-Han.Technological development and process of BIM［J］.Construction News Record，2009，316：60-67.

［5］ 刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用［J］.计算机技术，2010，37（6）：1-4. LIU Qiang，CUI Li，CHEN Hai-ming.Key technology and application of internet of things［J］.Computing Machine Technology，2010，37（6）：1-4.

［6］ Dakin J P.Distributedopticalfibersensors［C］. Proceedings of SPIE，The International Society for Optical Engineering，1993.

［7］ 黎学明，杨文静，江梅.斜拉桥拉索结构中钢绞线腐蚀行为初探［A］.第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集），2005. LI Xue-ming，YANG Wen-jing，JIANG Mei.Cable-stayed bridge cable structure corrosion behavior of steel strand ［A］.The 13thSession of the National Electrochemical Paper（2nd），2005.

Application of Internet of Things Technology in the Aerospace Safety Production Management System

WANG Liang-jie，HU Da-wei，DONG Hao，ZHANG Shu-yu
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

The development of aerospace industry relates to people's life，the management of production safety become probably considerable，how to form a set of high standards and standardized system，which is going to solve in this paper.Firstly，the necessity of studying the whole system is analyzed，and the solution such as system structure，network topology，system function are put forword.The key technologies are introduced which mainly includes integration，virtual technology and optical fiber sensing and so on.Finally，the application prospect of the system is analyzed.

safety production；internet of things；fiber optic sensing；integration；virtualization

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01149

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.019

2015-07-01

王亮洁，女，工程师，研究方向为物联网技术应用。