一种基于工业物联网的含能材料生产现场安全数字化监控系统

刘治红， 邱 枫， 张弦弦

（中国兵器装备集团自动化研究所 智能制造事业部 四川 绵阳 621000）

0 引言

含能材料主要指炸药、发射剂、推进剂、烟火剂等，它的生产是有毒、有害、易燃、易爆的高危险制造过程[1]。 国内外非常重视安全、绿色、高效的含能材料相关技术的研究与应用，生产现场安全的监控是行业关注的重点[2]。 我国含能材料的生产大多采用间断式工艺， 生产人工操作比较多，安全保障能力要求高。 近年来，企业迫切需要采用先进的技术手段来保证含能材料的安全生产。

制造业作为我国国民经济的支柱产业， 是我国工业化的首要驱动力，是信息化带动工业化的主战场。 工业物联网基于物联网和互联网信息技术发展而来， 是信息技术和制造技术深度融合的产物[3]。 因此，基于工业物联网的数字化监控技术也随之生产应用越来越广泛[4]。 但是，由于含能材料生产过程安全相关数据采集困难， 且安全影响因素繁多， 国内仍未开展含能材料安全数字化监控相关技术的研究。

本文以某企业生产现场安全监控需求为出发点，结合数据采集与工业物联网相关技术手段， 构建含能材料生产过程数字化监控方法和技术体系， 并进行了系统验证，系统实现生产现场安全风险的全面监测、智能分析和自动预警，可有效促进含能材料行业安全生产能力提升。

1 含能材料生产现场安全监控需求背景

我国含能材料生产过程普遍存在：工序不连续、自动化程度低、生产现场人员多、物料存量大、安全隐患大；同时，部分工序的生产环境存在浓度较高的粉尘、有机溶剂，极大的危害生产操作人员的健康。含能材料生产现场安全监控突出问题主要体现在：

一是在非常危险的处理工序仍采用员工现场操作模式， 人员与危险源接触多，生产现场本质安全度低，操作人员安全存在很大隐患。

二是含能材料的生产制造活动涉及多种危险化学品（简称危化品），主要包括爆炸品、剧毒品、易致毒化学品、易致爆化学品和溶试剂等。每一种危化品都有自己独特的危险特性和安全措施，其生产、加工、搬运、使用或贮存都需有严格规定，迫切需要对不同的工作场景重大危险源进行实时监控，对超量、存放位置不合理等违规情况及时报警并采取措施。

三是目前生产现场的视频监控系统主要用于录像和事后追查，迫切需要对人员劳保服具的使用、超员、人员进出不及时等违规行为进行实时监控报警。

四是对温湿度、可燃气体浓度等环境的监测手段定点、范围有限、没有联网报警。需要将报警信息集中直观显示，便于快速定位。或将报警与处置装置或工艺设备关联，实现联动处置。

针对以上问题， 通过研究一种基于工业物联网的含能材料生产现场安全数字化监控方法， 结合安全生产相关标准规程、业务流程，实现生产线安全危险的分析、报警、可视化展示及安全防范措施的联动控制，有效预防安全事故发生或减少事故损失， 提高含能材料生产线安全监管水平，提升含能材料生产本质安全程度。

2 生产现场安全风险数字化监控方法

含能材料生产现场安全数字化监控方法研究包括生产现场安全风险数字化评估模型建立、 现场安全监控物联网络构建、安全风险分析与预测预警、安全风险应急处置辅助决策等，形成一体化的感知、决策、执行的安全风险监控方法，保证含能材料生产现场环境、人员、物料、产线等运行的安全。

2.1 生产现场安全风险数字化评估模型建立

综合分析含能材料生产现场安全监控突出问题，将其中的影响因素按照现场物、 人员、 环境等要素进行归类， 并总结提炼出生产现场安全风险的表征量和表征方法，形成生产现场安全风险数字化评估模型，含能材料生产安全分先评估要素如表1 所示。

表1 含能材料生产安全风险评估要素

图1 安全风险层次化评估模型

含能材料生产过程中安全风险中部分指标以人的经验为主，首先需要对定性指标进行定量化处理，将不同的定性化描述赋予一定的分值， 按不同的专家的经验对安全要素进行评分，实现对指标定量描述；其次，建立不同安全因素之间的量化关系， 包括下级安全因素与上级安全因素的关联关系、同级安全因素之间的权重等。 最后，在危险因素定量关联描述的基础上， 建立安全风险层次化评估模型[5]。 层次化评估模型如图1 所示。

2.2 生产现场安全监控物联网络构建

现场安全监控物联网络是实现安全风险智能监控的支撑平台[6]。 主要实现功能包括：含能材料生产现场人、物、环安全风险因素需要通过传感器、扫描枪、摄像机以及专用的巡检、 门禁等系统进行实时采集和监测，并通过现场监控网络将监测结果传输到后端服务器进行处理，并将安全风险识别结果、报警信息等直观显示，并对报警进行联动处理。 生产现场安全监控物联网络构建技术要点包括：

2.2.1 现场安全风险数字化采集手段选型及安装

在进行采集手段选型时需要重点考虑生产现场防爆、防腐蚀、精度要求高、工作温度、防静电、防辐射等特殊要求。对人、物、环数据进行采集，需要用到的硬件设备也不相同，实现方式也有所差异。对环境数据的采集主要是通过在厂房不同位置安装传感设备对环境数据进行实时监控； 对物料信息的采集需要使用扫描枪对物料的标识进行采集识别，获取生产物料数据信息；对人员身份信息的采集，通过配发人员身份识别卡，使用读卡设备读取识别卡数据实现； 对安全巡检及门禁监控数据采集主要通过安装读卡器和金属检测门通道实现， 巡检人员打卡实现安全巡检数据采集，进入作业区前，人员应首先通过门禁，身份合格方可进入。

生产现场布线需要考虑防爆的要求， 所有走线需要穿φ20mm 的镀锌钢管，强电线和弱电线分别走线，避免信号干扰。 现场防爆传感器布线如图2 所示。

图2 现场防爆传感器安装布线

2.2.2 现场传感网络拓扑结构设计

传感器节点间的网络拓扑对网络信息传递的通畅性与否、信息传递效率的高低，对危险因素的及早发现、消除等起到至关重要的作用。 网络拓扑结构主要有总线拓扑结构、分布式结构、星型结构等。 含能材料生产现场传感器网络具有节点种类多、数目大、分布密集等特性，因此采用分布式网络结构。 分布式网络结构又分为串行结构、分散式结构、并行结构以及树形结构等。 考虑到含能材料生产现场传感器网络结构的安全、可靠、易用、易维护性，网络布局选用分布式网络拓扑结构中的并行结构，系统网络拓扑如图3 所示。

2.2.3 生产现场安全风险监控信息处理流程

基于实时采集的含能材料生产现场安全风险数据，进行安全风险的综合评判和集中监控。 根据安全风险评估数字化模型，将实时采集的生产现场数据进行预处理、修正、融合，并与模型进行匹配、对比、识别，得到整个生产现场的安全风险等级。

图3 系统网络拓扑

分布式传感网络中的每一个局部传感探测器基于自己的观测值进行预处理， 不同的传感器类型有不同的处理模块。将处理结果上传数据修正融合中心，中心首先根据监测数据类别进行判定与修正，如多个温湿度传感器，将各自检测到的温湿度数值同时传递给温湿度判定与修正模块， 完成同一个决策任务， 即当前车间综合温度分析；中心然后对各类传感器的分析结果，根据安全风险评估数字化模型，利用最优融合规则作最终决策，即根据温湿度、压力等各因素，评估出含能材料生产现场的综合安全等级。 分布式网络信息处理流程如图4 所示。

图4 分布式网络信息处理流程

3 含能材料生产现场安全风险监控系统

在对某含能材料生产企业的生产安全标准规范、安全保障体系等进行调研、分析的基础上，依据基于工业物联网的含能材料生产现场安全风险数字化监控方法，构建了含能材料生产现场安全风险监控系统。 系统在生产现场安全风险监测传感器网络、 安全风险管理网络的基础上，实现风险监测传感器、安全设备、现场告警设备等的互联互通。 系统软件通过对含能材料生产现场安全风险数据的采集、分析、判断，实现安全监控、威胁预警和安全事件处置方案辅助决策， 并实现决策方案的模拟推演和评估。 系统体系结构如图5 所示。

3.1 安全数据采集管理功能

图5 系统体系结构

通过协议解析采集各类传感器或设备的监测数据，并进行数据处理、修正，建立安全基础数据库和安全事件数据库，对安全数据进行分类管理。

3.2 综合预测预警功能

根据含能材料生产现场安全风险监控要求、 安全防控经验知识、安全事故案例等，建立安全风险预测模型，根据现场采集的实时数据，进行安全风险自动辨识、事件预测和威胁预警。

3.3 安全监控与应急处置功能

含能材料生产现场安全数字化监控系统的界面图如图6 所示。实现生产现场安全风险实时监控，安全状态可视化显示，安全风险处置方案辅助决策，安全联动处置，安全风险处置预案模拟推演等功能。

图6 生产现场安全数字化监控系统

4 结束语

本文提出一套基于工业物联网的含能材料生产现场安全风险数字化监控方法，针对某含能材料生产现场安全风险数字化监控系统能实现生产过程安全风险的“感、联、知、控”，提高“人、物、环”等要素的安全风险的防控能力，提升企业本质安全生产水平。随着工业物联网技术的迅猛发展以及在制造业的广泛应用，基于物联网的含能材料生产现场安全风险数字化监控方法具有很好的参考价值，但在具体的实现过程中，对风险监测传感器选型、安装、网络布局及信息融合处理是系统建设的重点和难点，需要根据企业的生产线布局、现场的环境、企业安全风险防控要求等，进行具体的分析，才能构建实用、准确、高效的安全风险监控系统，提升企业安全防控的数字化水平。