物联网技术在智慧型安全实训基地中的应用研究

乔杰

(中石化安全工程研究院有限公司，山东 青岛 266000)

安全培训是企业做好安全生产工作的治本策略之一，近年来，企业及各级政府对安全培训的重视愈来愈强。实操培训(简称实训)作为提升安全技能最重要的培训方式，也逐渐受到各方重视，近几年，企业级的实训基地数量呈现“指数式”增长。2020年应急管理部、人力资源与社会保障部、教育部等部委颁布《高危行业领域安全技能提升计划实施意见》，意见明确提出2021年年底要实现“遴选培育50个以上具有辐射引领作用的安全技能实训和特种作业人员实操考试示范基地”的目标，夯实安全实训基础，提高实训在安全培训中的重要地位。

1 智慧型安全实训基地

传统的实训基地建设主要以“低级”的实训装备建设为主，除极个别的特种作业实训装备[1-2]外，鲜有相关装备具备数据采集自动化或设备控制智能化等功能，能够实现实训基地全流程信息化的基地数量几乎为零。2020年，工信部和应急管理部印发《“工业互联网+安全生产”行动计划(2021—2023年)》中指出，要在未来3年内，利用先进技术，加快“工业互联网+安全生产”人才培养和评价体系建设与实训基地建设，“智慧型安全实训基地”概念应运而生。智慧型安全实训基地是顺应数字化浪潮的必然结果[3-6]，以智慧建设、智慧管理、智慧服务为主要特征，应用先进的技术，实现“自动化、智能化培训与考核”的综合功能。

物联网技术作为工业互联网技术的延伸与拓展，其概念在2005年由国际电信联盟(ITU)提出[7-9]，经过近20年的孕育与发展，已经渗透并广泛应用于各个“智慧”领域，如智慧制造、智慧医疗、智慧农业、智慧城市[10]等，智慧型安全实训基地建设也是安全培训、安全生产行业的重要使命与担当。以物联网技术作为智慧型安全实训基地的重要技术基础与支撑，将为云计算、人工智能(AI)、虚拟仿真(3D仿真，VR，AR，MR)、大数据、区块链等先进技术在智慧型安全实训基地中的应用提供核心保障与发挥促进作用[11]，加速安全实训基地由“传统、低效”型向“智慧高效型”快速转变。

2 物联网关键技术应用研究

物联网技术主要架构由感知层、网络层和应用层组成，相较于互联网，物联网的服务对象是“物”，通过利用功能各异的传感器、射频识别技术(RFID)收集与“物”相关的信息，然后通过网络通信技术将信息传输至数据库进行数据分析与判断。物联网技术基本架构如图1所示。

图1 物联网技术基本架构示意

由于互联网与物联网的本质特性类似，所以大部分的互联网技术可以在物联网领域中应用，并且适应性表现良好，因此感知层、网络层及应用层中均有众多的技术应用选择，换言之，解决同一个物联网问题的方法有很多。技术性能指标不是判断技术应用的唯一标准，而应该综合考虑多种因素，例如稳定性能、能耗性能、环境/形状适应性能及经济性等。

鉴于安全实训基地一般建在室外，需要学员进行实际作业模拟操作，为保证整个培训与考核过程的流畅以及学员人身安全，技术的选择必须是稳定性能表现优异的；基地培训硬件规模大小不一，形状各异，技术的选择必须能够适应在不同实训装置上的部署或应用需求；室外有线供电或通信难度比较大，容易造成基地现场混乱，技术的选择必须符合低能耗特性；实训基地建设企业一般为劳动力密集行业，为节约物联网技术应用成本，经济性也是必须要考虑的因素。综上所述，技术稳定性、低能耗性、经济性是实训基地物联网技术应用的基本原则。

2.1 感知层

感知层作为信息收集的源头，主要包含传感器技术与RFID技术。

2.1.1 传感器技术

由于传统传感器通常具有较大的尺寸与功耗，小/微型智能传感器是目前的主要发展方向[12-13]，其由微传感器与微处理器构成，能够进行数据采集与简单的数据处理，具有稳定性高、能耗低、适应性强等特点。因此，传感器技术的应用主要以解决实际问题或需求为主，并综合考虑扩大小/微型智能传感器技术的应用覆盖范围。

2.1.2 射频识别技术

RFID技术是利用无线信号识别或感知特定目标，具有环境适应性强、经济成本低等特点。待感知的特定目标形状供选择性强，甚至为一张可任意弯曲的卡片，能够匹配大部分模拟作业工器具或个体防护装备。在能耗性能上，目前RFID技术主要分为有源、半有源、无源三种模式[14-15]，有源模式因其功率较大可以实现较远距离的识别，因此在技术应用上，在保证实训现场规整的前提下，选择有源RFID技术。需要注意的是，RFID技术信号会随着距离或高度的增大而呈现特定的衰减规律，而在实训硬件中，会存在较多的大型设备，例如罐、塔、高处作业平台等，因此需要综合考虑识别或感知距离，优化部署位置。特殊应用场景下，需要瞬时完成多个特定目标的识别或感知，例如对“作业人员个体防护装备选择穿戴”进行检测，可以采用多通道RFID技术。

2.2 传输层

传输层技术应用需结合实训基地规模、通信量规模、功耗、经济成本等因素综合考虑。

2.2.1 网络层通信技术

目前中国基础网络设施完善，实训基地内部基本实现4G甚至5G网络信号全覆盖，宽带接入便捷，因此网络层方面，可充分利用现有的网络基础设施与条件，确定通信技术： 对于视频、图片等通信量规模较大的传输资源，宜采用有线宽带技术，并尽量压缩应用范围，控制成本；对于语音、文字等通信量规模较小的传输资源，宜采用4G或5G网络技术；Wifi或蓝牙等技术由于传输距离较小，不适合作为网络层技术应用。

2.2.2 设备层通信技术

每一套培训装置之间的设备与设备或工器具之间的通信，由于距离较小，可以采用目前技术成熟、成本较低的蓝牙、ZigBee及Wifi无线通信技术，无线传感器网络节点原理如图2所示。电源模块根据功耗及周围环境要求，选择蓄电池、太阳能发电、自发电等供电模式，在功耗允许的条件下，首选自发电供电模式。

图2 无线传感器网络节点原理示意

特殊情况下，当安全实训基地面向军工方或类似行业，或金属储罐、装置对无线信号屏蔽影响较大时，传输层技术的选择宜采用LoRa扩频通信技术[16-17]，由实训基地管理企业自主搭建有线网络与无线网络，而非借助目前运营商网络，虽然技术难度较大、经济成本较高，但是LoRa技术具有信号防屏蔽性强、网络安全性高、功耗较低等特点，特别适合军工方或类似行业、存在大面积屏蔽或遮挡的实训基地。

2.3 应用层

应用层主要由物联网中间件、物联网应用、云计算构成。物联网中间件主要功能是通过逻辑解耦协调异类检测数据或感知层软件；物联网应用主要是为用户提供一个需求交互、功能交互的窗口与渠道，开展各种应用服务；云计算的主要功能是数据存储、数据挖掘与数据分析。应用层功能架构如图3所示。

图3 应用层功能架构示意

2.3.1 数据自动汇集中间件

智慧型安全实训基地感知层应用的传感器种类繁杂，传感器节点众多，并且每类传感器或传感器控制软件之间缺乏统一的技术标准或协议，不同传感器在信息监测、接收、传输等方面表现差别较大，两方面原因使得中间件在多元异构数据的收集、传输与汇总等方面的难度较大，需要研究并设计合适信息机制，确保信息传输与处理水平。

针对上述问题，遵循“高内聚、低耦合”的原则[18-19]，模块化设计“数据自动汇集中间件”，实现整个实训基地的实时检测数据自动化处理汇总与存储。数据自动汇集中间件主要包括： 数据收集、数据处理、数据预存储三个功能模块。数据收集模块的主要功能是自动化轮询收集感知层传感器的监测数据，并与数据处理模块进行数据通信，该模块的功能流程如图4所示，该模块的最大特点是除保留常用的通过解析数据传输协议收集感知层监测数据模式外，还增加了利用感知层自带软件的API/SDK收集数据的模式。

图4 数据收集模块功能流程示意

数据处理模块主要功能是按照既定的序列格式，自动归一化处理来自数据收集模块的数据，并与数据预存储模块、云计算模块进行数据通信，该模块对来自数据收集模块的数据，直接利用文件处理函数等按行处理，无需其他通信机制进行数据传递或者转换工作。数据处理模块功能流程如图5所示。

图5 数据处理模块功能流程示意

数据预存储模块的主要功能是自动将数据序列中的实时检测数据存入数据库，与目前主流的做法类似，利用类似数据序列的缓存机制达到数据异步存储。数据预存储模块功能流程如图6所示。

图6 数据预存储模块功能流程示意

2.3.2 云计算数据处理技术

应用层主要通过云计算数据处理技术，包括数据存储、分析、挖掘、预测等，对实训基地集中完成安全实训、安全考核、实训与考核分析、实训咨询与诊断等工作。

对照组护理人员的常规操作评分、健康宣教评分以及无菌操作评分低于实验组，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表1。

安全实训数据处理技术主要包含MapReduce编程模型、人工智能理论、EAS进化算法、GA遗传算法等技术[12]，详细技术功能与应用见表1所列。

表1 典型数据处理技术功能与应用

2.4 本章小结

综上所述，结合实训基地物联网功能建设需求，按照“人-机-环境”，明确了适合应用于智慧型安全实训基地建设的物联网关键技术。智慧型安全实训基地建设的物联网关键技术见表2所列。

表2 智慧型安全实训基地建设的物联网关键技术

3 智慧型安全实训基地典型功能设计

目前，基于物联网的智慧型安全实训基地建设尚处于起步阶段，位于由“点状智能型”到“面状智慧型”的爬坡期，未来发展前景广阔，物联网技术应用是安全培训或实训实现信息化的必经之路。智慧型安全实训基地的功能设计如图7所示。

图7 智慧型安全实训基地功能设计示意

3.1 智慧建设

智慧建设是指通过在实训基地建设过程中，在实训装置特定位置、工器具与个体防护装备上，利用强磁、铆接、绑带等方式部署安装指定类型的传感器或射频检测部件；相应的软件建设层面，制定检测时机与规则实现节能、低能耗，例如受限空间作业安全实训，“空气呼吸器穿戴”的传感器或射频检测应以人员进罐为结束点。利用通信技术终端，实现传感器或射频检测部件与云计算终端进行数据信息交互，一方面，传感器或射频检测部件可将检测收集的数据传输至云计算终端，用以数据分析、行为判断，例如将安全帽上部署的人体红外传感器检测信号传输至云计算终端，判断人员是否佩戴安全帽；另一方面，云计算终端将约定或培训师自定义的控制命令发送至传感器或射频检测部件，实现实训模拟环境的快速调整，例如将约定的气体检测仪示数“φ(O2)=17%”发送至四合一气体检测仪，快速且逼真模拟构建典型缺氧作业环境。

实训基地搭建中心控制系统，通过“传感器+平板电脑”，对整个安全实训基地内的用电设备，如体感设备、照明灯具、LED屏、触摸一体机、VR设备、空调、电视、投影系统、视频播放等设施进行开启、关闭、选择等操作，方便实训基地用电设施及设备的管理。

3.2 智慧管理

实训基地在物联网技术赋能下，可以实现对安全实训、安全考核的智能管理。

安全考核阶段，对考生进行作业人员、管理人员角色分类，作业人员按常规作业流程，先后进行工器具检查、个体防护设备选择与穿戴、安全措施落实、模拟作业、作业完工、应急处置等环节的操作，利用物联网技术，进行数据检测与考生行为判断，以“进入受限空间喷砂除锈作业”为例，“安全措施落实”环节，不同的安全要求需要收集的检测信号详见表3所列。

表3 安全要求及检测信号

类似的，管理人员按常规作业流程，先后进行安全措施落实、作业现场安全管理、作业完工、应急处置等环节的操作，利用物联网技术，判断数据检测与考生行为。

3.3 智慧服务

智慧服务功能主要依托MapReduce编程模型、人工智能理论、EAS进化算法、GA遗传算法等技术在内的安全实训数据处理技术，提供实训与考核分析、实训咨询与诊断服务。

针对每位学员或考生，需要实训与考核的技能点众多，实训与考核分析服务指的是通过分析学员的实训过程行为(相关评价指标例如： 实训点实训重复次数、知识点实训时长)、考核过程行为(相关评价指标例如： 知识点完成时间)、考核扣分项等，形成个人实训与考核分析报告，满足学员针对性地安全能力自我提升需求。

以地区、行业、企业作为横向指标，以各个实训点的掌握程度、及格率作为纵向指标，针对性地开展实训咨询与诊断服务，为地区、行业或者企业范围内的安全培训或实训水平与安全管理水平提升，提供切实可靠的建议。

4 展望与总结

通过对智慧型实训基地典型物联网技术进行应用研究，结合基地建设实际功能需求，遴选了一批适合的物联网技术，并对多元异构检测数据中间件进行设计，明确智慧型实训基地功能设计架构。过程中也暴露出物联网技术在智慧型实训基地的应用与设计过程中存在诸多不足： 感知层技术创新性不足、应用层功能欠缺、物联网标准规范欠成熟[20-23]等。基于此，笔者对物联网技术在安全实训领域中的未来发展方向进行了展望。

1)以需求为导向做好感知层技术创新工作。在安全实训基地建设与设计过程中，对物联网技术的应用都具有明确的功能需求，应用对象也固定统一为“人-机-环境”。物联网技术在智慧城市、智慧医疗等行业领域的应用探索过程中，感知层技术已取得较好的发展，但现有的感知层技术并非可以完全迁移至智慧安全实训领域。此外，考核过程中，一方面，要保证数据检测与行为判断的准确性，另一方面，还需避免由过多的感知装置对学员考核过程中产生的“提示”效应与负面影响，这对感知设备的分布优化以及技术的微型化、多功能化、低功耗提出了较强的要求。

2)加强底层模型与算法研究，扎实提高应用层水平。安全实训是一项见效很慢的安全管理措施，很难起到立竿见影的效果，总是在潜移默化地影响着整个企业、地区乃至全国的安全管理与安全生产工作。智慧型安全实训基地通过物联网技术，收集了大量的实训相关数据，应用层通过MapReduce编程模型、人工智能理论、EAS及GA等模型算法，可以准确地提供“当前阶段的”安全实训诊断与咨询服务，具有较为严重的“滞后性”，亟需研究底层模型与算法，基于历史或同行业安全事故，综合考虑行业、地区、气候、企业生产特点、现有员工安全技能水平、安全培训记录等因素，做好安全实训咨询与诊断服务，提高应用层水平。

3)加快安全实训物联网技术基础标准、行业标准的研究与制定。政府及行业学会需明确主体地位与引领地位，在感知装置通信接口标准、感知装置自控系统开发标准、感知装置分布标准、多元异构数据融合处理标准网络层通信接入与传输标准、设备层通信接入与传输标准等方面达成共识，尽快形成相关基础标准及行业标准，加速物联网技术在安全实训领域的发展。

安全实训基地或行业应把握此次物联网技术变革的重要发展机会，加大经济投入，深耕技术应用核心，挖掘技术应用潜力，加速探索物联网技术在智慧型实训基地中的应用，实现安全实训基地由“传统型”向“智慧型”的华丽转身。