基于物联网的高危产业生产事故隐患监测及预警系统的研发

张国玲，亓文斌

（1.河北省特种设备监督检验研究院沧州分院，河北沧州,061001；2.沧州职业技术学院，河北沧州,061001)

0 引言

所谓“安全生产”，是指在生产经营活动中，为了避免造成人员伤害和财产损失的事故而采取相应的事故预防和控制措施，保证生产经营活动得以顺利进行的相关活动。是指采取一系列措施使生产过程在符合规定的物质条件和工作秩序下进行[1]，有效消除或控制危险和有害因素，使生产经营活动得以顺利进行的一种状态。

随着物联网（IOT）技术的发展，通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、红外线感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，可实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

开发一种将物联网技术运用到高危产业生产事故隐患的监测及预警系统，实现对高危产业生产事故隐患的监测及预警是本课题组的研究目的。

1 应用环境及技术分析

沧州市石油和化学工业发展历史悠久，经过多年的发展已经形成了包括石油化工、盐化工、煤化工和精细化工等在内的完整的生产体系，成为沧州市工业经济最重要的支柱产业。

石油化工行业属于高危产业，其具有显著的特殊性，

(1)化工行业危险物品较多，火灾危险性级别高，发生事故后极易造成重大人员伤亡和财产损毁。

(2)使用危险物品多，事故易造成环境污染和火灾发生。

(3)危险物品多，火灾情况复杂，灭火救援难度大，加大救援人员的危险性。

针对以上特点，进行归纳总结。可知本监测及预警系统主要监测的重点在于特种设备、专用设备、工业流程、规范操作和生产环境几个主要方面。通过各种类型的传感器获取如温度、压力、振动、电压、电流及浓度等相关参数从而获得各种设备或介质的工作状态；同时通过对环境温度、湿度、风向、风速以及气压的监测获取生产环境的实时数据；再有就是引入机器视觉技术，通过对人员或设备的异常现象进行分析并作出预判，避免不安全行为导致的后果。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。

2 监控系统结构设计和制作

■2.1 系统需求分析

通过调研高危产业生产安全事故的种类，并结合本地区产业结构的实际情况，设计实现多种实用功能，保障本系统针对高危产业的生产事故隐患的监测和预警发挥应有的功能[2]，设计技术指标及实现功能如下：

首先，实时监测生产设备，通过各种类型的传感器获取如温度、压力、振动、泄漏电流等安 全相关的参数，并记录存储相关数据及预警；

其次，实时监测生产环境，如温度、风向、风速、大气压强、相对湿度、粉尘浓度等参数 ，并记录存储相关数据；

再次，通过基于物联网的机器视觉技术，对操作人员的异常现象进行分析，针对分析结果进 行预判，避免人的不安全行为导致的后果；

最后，政府监管部门可以利用物联网提供的数据及时了解各个企业的安全生产现状，对其安全监管做出指导。

■2.2 系统设计方案

监控系统的整体设计方案包括系统的基本处理流程、系统的组织结构、模块划分、功能分配、接口设计、运行设计等。

本系统的网络基本拓扑结构如图1所示。

图1 网络基本拓扑结构图

本系统可采用多种组网技术混合的方式，针对生产流程和生产环境的实际情况进行灵活配置。

针对传输距离不超过100米且数据流量较小的子节点如温度传感器、压力传感器、应力传感器等，可采用Zigbee技术和导线传输的组网方式[3]。

针对数据流量大，且传输距离不超过500米的子节点如机器视觉应用节点，可采用Wi-Fi技术配合Zigbee、LoRa技术或导线传输进行组网。

图2 信息结构模型图

针对跨区域或异地的监控节点，可采用Gprs、4G或5G移动通讯技术配合其他组网方式，从而达到跨区域或异地监测预警。

■2.3 系统硬件搭建

传感器与MCU采用I2C总线进行数据传输，其优点是数据吞吐量大并且由于其为两线制串行总线，可大大减少PCB的复杂程度。

I2C是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

根据MCU与传感器的选型和通讯方式和系统原理验证试验的测试结果，采用完全开源的立创EDA系统设计PCB板。

图3 ESP8266配合RDA8955样板图

■2.4 系统软件开发

针对选用的基于NODEMCU固件的ESP8266 MCU和基于OpenLuat固件的RDA8955 MCU，采用轻量级的脚本语言“Lua”进行主程序开发。

Lua是一种小巧的脚本语言，其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。最重要的是一个完整的Lua解释器不过200k，在目前所有脚本引擎中，Lua的速度是最快的，并且同时具备很高的执行效率。

其进行socket连接的简单代码示例如下：

■2.5 系统整合与部署

本系统在行业内的应用应结合监测目标企业实际生产流程中各个监测节点的情况灵活配置。

在其工艺流程中的关键节点配置相应参数采集装置，以获取设备运行中的相关安全参数。相应的传感器，可根据实际情况进行调整。可使整套监测预警系统获得设备运行时的相应参数，从而根据设定的阈值进行判断，整体生产过程是否在可控范围之内。同时根据生产企业实际的地理布局，将各个生产环节通过物联网有机的结合在一起，使整个生产、贮存及运输过程全部处于本系统的监测之内。并且通过广域网，将涉及安全生产因素的设备运行参数直接报送政府监管部门和紧急救援部门。

3 监测预警系统测试和验证

本系统在设计定型之后，通过采用计算机仿真模拟的方式进行了大量的验证。通过验证数据可知本系统针对高危行业的生产安全有着较大的促进作用[4]。本系统实现了以下技术关键点：

(1)实时监测生产设备，通过各种类型的传感器获取如温度、压力、振动、泄漏电流等安全相关的参数，并记录存储相关数据及预警。

(2)实时监测生产环境，如温度、风向、风速、大气压强、相对湿度、粉尘浓度等参数，并记录存储相关数据。

(3)通过基于物联网的机器视觉技术，对操作人员的异常现象进行分析，针对分析结果进行预判，避免人的不安全行为导致的后果。

图4 有限元仿真结果图例

4 结论

由于本系统涉及问题方面大、涵盖内容多，且研究小组人力资源和经济资源有限，因此本系统在现阶段难免还存在各种问题。

但是通过研究小组的不懈努力和相关合作单位的大力支持，本系统已经在实现原理和实际开发部署方面取得了很大的成果。但是，本监测预警系统距离实际场景的应用还存在一定的距离，研究小组日后还有很多的研究工作需要继续进行，争取能早日将该系统引入到实际生产应用中去，使其产生较大的社会效益和经济效益。