基于物联网技术的高校实验室气瓶管理

宋明 徐玮玮 王扬 庄文昌 彭景

摘要：物联网技术的发展为高校实验室管理提供了新的思路，针对高校实验室压力容器特别是气瓶屡现事故的情况，因此在总结传统实验室压力容器管理现状及问题的基础上，介绍了本校基于物联网技术管理气瓶的相关尝试，为普通高校实验室的管理提供了新的想法与思路。

关键词：高校实验室管理；物联网；气瓶

中图分类号：F25文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.22.021

1引言

科研人员开展教学、科研工作，离不开高校实验室提供的场所和平台。目前，我国科研水平逐年提升，涉及压力容器、有毒化学品、易燃易爆品的使用领域与课题越来越多。需要指出的是，实验室随处可见的气体钢瓶，不同于易燃易爆及有毒化学品，其本身物化特性存在可变性，出现问题时，往往具有不可预测性，一旦所用的气瓶（特别是氢气、乙炔等气瓶）发生了漏气、破裂等情况，其产生的巨量摧毁力，将给人员造成严重伤害，给财产造成较大损失。

目前，实验室包括气瓶等压力容器的管理多采用传统的定期安全培训与人工检查相结合的方式。然而此方式显然不具有实时性和预警性，而压力容器事故的往往又具有突发性，故此类事故依然频频发生，屡见不鲜。部分研究者通过与物联网技术结合，加强对压力容器的管理。然而专门针对高校实验室的气瓶管理的物联网技术，未见报道。本文首先总结目前实验室压力容器管理现状及问题，在此基础上介绍了本校针对气瓶管理与相关企业合作建立的基于物联网气瓶管理举措。

2传统实验室压力容器管理及问题

压力容器，按照我国关于压力容器的相关规程规定（如《压力容器安全技术监察规程》），泛指容器器壁内外存在一定压力差（最高工作压力需大于01 Mpa）的密闭性质的容器，其内直径一般大于等于015 m，容积大于等于0025 m3，所装的为气体、液化气体或所装物体最高的工作温度大于等于其标准沸点的液体。

高校理工科实验室教学科研工作中，各种压力容器的使用愈为频繁，包括气体钢瓶（如氢气、氧气、乙炔气等气体）、高压的反应罐与釜、包括各类高压反应器等容器。提到压力容器，其使用条件要求一般较高，而且由于其本身内部压力比较高，时常还会在高温、高真空、高腐蚀等各种严酷的工艺条件下操作使用。一旦出现了操作及管理不当，及其容易产生泄露、中毒、爆炸、火灾等安全事故，给人员和财产带来不可弥补的损失和伤害失。故而，为了有效保障和提高高校实验室的安全，保证压力容器能够平稳的运行，亟待加强实验室压力容器是安全管理与使用。

目前，高校实验室压力容器管理所采取的措施主要包括：（1）压力容器的安全性使用。使用压力容器前，采取对实验室相关操作人员进行严格培训的措施，通过让其掌握所需的相关技术规程，保证其使用过程中能够严格遵守安全操作规程，如实和认真的记录与填写压力容器运行记录。此外，对实验室的所有压力容器，按照其相关规定，建立、补充与完善容器的技术资料等档案（如出厂文件、制造和安装技术文件、检验维修记录、使用记录、故障记录等），高压容器的技术档案的建立、更新、保管等需由负责安全的人员按照规定严格执行，进而能够保证压力容器的管理、维修和操作人员能够全面掌握容器使用的历史与目前安全技术状况，获取其运行规律进而防止盲目操作而造成和发生事故。（2）压力容器的维护保养。保证压力容器日常能够进行定期的维护和检修相结合，正确操作、用心维护与细心保养，进而能够保证压力容器长周期、安全的稳定运行。其中，维护保养的重点主要是压力容器本身的防腐、防漏和各类配件等的日常巡检与维护。特别是，每隔一定的时间（压力容器设计使用期限内），通过采用适当的有效方法，对进行必要的承压部件与安全装置的检查和检验。所指压力容器的定期检验主要包括年度性检验、全面的检查和耐压性测试等，建立安全状况等级，根据压力容器不同等级分类设定检验间隔时间。

上述传统使用和管理方法，对于高校压力容器的隐患消除起到了一定的作用，然而各高校实验室的安全管理能力参差不齐，传统的定期安全培训与人工检查相结合方式显然不具有实时性和预警性，而压力容器事故的往往又具有突发性，故此类事故依然频频发生，屡见不鲜。究其原因，主要存在以下几个方面的问题： （1）压力容器安全培训较理论。目前，各大高校实验室基本都进行定期的实验室安全培训，包括各类钢瓶等压力容器的安全使用与管理。尽管很多培训的内容已经较为丰富，涵盖的面已较广，然而大部分还停留在理论培训的范畴，培训也常流于形式，效果可想而知。（2）压力容器信息登记较分散。各类压力容器具体信息不尽相同，包括容器类型、气瓶型号、工作压力、试验日期、使用记录等信息的登记通常采用人工录入和纸质登记的方式进行，不同实验室登记方式又常存在差异，导致压力容器的信息登记较为分散，难以实现统一化、系统化的管理。（3）压力容器安全检查较滞后。定期检查是目前保证压力容器安全运行的主要手段，此方式确实对于降低事故发生的可能性，起到了一定防患于未然的效果。然而，面对压力容器的突发泄露、爆炸等情况，定期检查显然具有一定的滞后性，难以保证事故的“零事件”。

因此，针对上述问题，亟待相关实验室管理人员改进管理方式、转变管理思路，从而提高实验室的安全性。通过与物联网技术相结合，为我们解决上述问题提供了新的思路。

3气瓶管理的物联网技术

高校实验室管理的智能化是高校管理的大势所趋，随着网络认证、远程监控、指纹识别云计算等技術在实验室管理中的应用，物联网技术也开始在高校实验室管理中发挥作用。

物联网（Internet of Things），其标准的定义是：通过全球定位系统（GPRS）、射频识别（RFID）技术、红外感应设备等传感设备，在此基础上，按其约定协议，基于互联网和现实中的任何物体进行连接，进而产生信息的交换与通信，从而能够达到对物体的智能化定位、识别、监控、跟踪与管理的一种网络。和其上述基本概念定义的一样，物联网这一概念基于互联网的概念之上，其下游的用户端可以拓展到任何物体（如公路、铁路、隧道、大坝、桥梁、电梯等）与物品之间。endprint

基于物联网的技术，目前研究已通过射频识别技术，部分应用于电梯、医用气体供应等系统，其研究具有前瞻性亦取得了较好的效果。然而针对高校实验室压力容器，特别是气瓶的管理中，采用射频识别建立电子标签，并通过阅读器识别的方式，显然不具有现实的可行性，这主要源于：（1）气站所用气瓶难以实现全部电子标签的建立，更换过程中高校自建电子标签的气瓶易被气站普通气瓶替换；（2）电子标签在气瓶搬运过程中易产生标签丢失、破损等问题；（3）气瓶使用单位全面建立射频识别技术往往受到技术，特别是费用的限制，难于实现。

因此，本校与相关企业合作，采用简单的DTU模块，通过气体探头及控制器，实现气体泄露情况下，第一时间反馈直接管理人员并及时处理，以避免安全事故的发生。其具体构架示意图如图1所示。

其中，感知层为专门检测可燃气体的探测器，包括氢气、甲烷、乙炔等，通过数据采集电路实时监测气瓶情况，其得到的气瓶信息传入处理层主机。主机配备高速CPU数据处理，并通过查询方式而获得探测器的信息，在此基础上，通过LCD显示出探测器相应的状态、浓度进而输出相应的控制信号。主机运算与存储的同时，担负初始化DTU模块的职责，完成基于 GPRS 的网络接入功能（基于特定指令与GSM/GPRS模块（DTU模块）进行通讯），既可以收发短信息，还能够事先预存电话号码，并通过监控中心拨打上述指定电话号码。当远程监控中心的终端层电脑发送请求时，其可将包含全部气瓶信息的数据包通过网络发送到相应的监控中心电脑查询软件中，也可直接发送信息，进而实现了监控中心（终端层）和站点（感知层）的交互功能。紧急情况时（如气体意外泄露），主动触发报警、排气，同时给负责人发送短信及拨打电话，并将情况及时上传终端层电脑。

相较于RFID技术，基于GSM/GPRS结合技术的气瓶监控，利用了我国GSM 通信网具的优点，投入成本低、覆盖范围广、可靠性好，GPRS可实现在任何时间、地点的快速连接互联网。因此，利用 GPRS/GSM 相结合的通信方法，不但能很好适应目前的网络通信的需求，也能保证数据传输的时效性與准确性，且大大降低了系统的运行成本。

4总结

目前高校压力容器的管理主要通过培训和定期人工检查的方式，存在安全培训较理论、信息登记较分散、安全检查较滞后等问题。本文基于物联网技术，采用GSM/GPRS相结合的通信模式，很好的实现了实验室气瓶的实时监控，日常情况下可实时存储和查询气瓶状态，紧急情况下可第一时间拨打安全员电话或发送短信，同时完成现场报警与自动排气功能，取得了较好的效果。本校的物联网与实验室管理相结合的尝试，为高校实验室管理提供了新的想法与思路。

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