基于物联网技术的气瓶安全状态在线监测系统设计

谭 凯，徐 义，杨 拓，何梦莹，杨文睿

（1.湖北特种设备检验检测研究院，湖北 武汉 430000；2.国家工业数字成像无损检测设备质量监督检验中心（湖北），湖北 武汉 430000）

0 引 言

新冠肺炎的突然袭来使得全球医疗体系面临巨大挑战，有“生命之气”之称的医用氧气用量剧增，氧气作为呼吸机、ECOMO等医疗设备的气源[1]，其稳定供应对于仪器的正常运行与病人的救治至关重要。医用氧气瓶是盛装氧气的主要容器，同时也是典型的移动式压力容器，目前其安全检验还是基于固定周期的静态检验。更多的风险是在设备充装、卸载等使用过程中[2-4]，如何对使用过程中的压力容器设备进行有效监测，对于特种设备的安全监管具有重要意义。姜吉武等[5-6]对移动式压力容器的互联网+模式进行了探讨，认为这种模式的管理能提高管理质量、减少人力资源消耗、降低安全风险。运用互联网技术对特种设备进行安全动态监测是特种设备安全监管的一个发展方向[7-9]。尽管很多学者提倡互联网+的管理模式，但真正有效的风险监测平台却鲜见报道。

目前国内有部分机构采用物联网技术对供气系统的压力、温度等技术指标进行监测，虽然提高了供气系统的管理水平，但这些监测主要针对储存气体介质的压力、温度和流量，针对特种设备装载气体的气瓶本体的安全监测较少[10-11]。本文从特种设备的安全状态监测入手，通过建立缺陷识别、风险评价及预警模型，采用传感器、互联网技术、物联网技术实现对气瓶系统中特种设备安全状态的动态监测。基于物联网技术的气瓶安全监测系统主要运用光纤传感技术、互联网技术、云服务大数据分析技术、数据挖掘技术对封闭容器本体的应变及其内介质的温度、压力进行远程监测，并进行对应的安全状态预警。

1 系统架构

气瓶安全状态监测平台的主要目的是为了保证能够对气瓶状态进行实时监测，对故障状态进行预警和风险评估。该系统实现了气瓶的传感器数据实时监测，可及时发现气瓶状态的异常，在充气或者出现缺陷时，可对应力变化的极限和压力变化率进行预警或报警，使其保持良好的供应状态，避免依靠人工识别带来的医疗风险。系统所监测的物理量包含气体压力、气瓶表面微应力、气体温度等。

通过对气瓶系统运行的数据进行分析，实现关于气瓶充卸使用等过程的状态评估和预警报告。通过对监测数据的历史分析，对各气瓶的质量演变情况做出预估。系统根据气瓶的应力变化量和相关规程及历史数据进行对比分析，从而更好地预防气瓶故障带来的意外伤害风险，更好地为医院安全提供支持，为监管机构提供相应的大规模设备监管手段。基于物联网技术的气瓶安全状态在线监测系统结构设计如图1所示。

图1 系统结构设计

该气瓶安全状态在线监测平台是物联网的典型应用，分为3个层次。

底层为传感器感知层。在医院移动气瓶供应领域，其感知层对象主要为供应医用气体气瓶的气体压力、气瓶表面微应力、温度等。在气瓶上加装光纤应力传感器，可以将不同气体所在气瓶当前的物理状态参数转换成光电信号送入调制器，在调制器内与气瓶相关物理量的相互作用下，使器件的光学性质等发生变化，形成特定的光信号，再经过光纤通信通道送入光电器件，经光栅解调仪后获得被测物理量，成为可方便进行数据传输的数字电信号。

系统第二层为通信层，主要包括数据打包、封装、通信等，以嵌入式通信设备为中心，将光纤传感器解调仪的解调数据转发至云平台进行模型计算分析。通信层的主要功能是实现数据的采集与发送，运用队列算法实现本层处理器对上层监测数据的解析及本层监测数据的封装；同时建立数据流结构及数据结构模型，对达到预警值的数据是否启动故障处理进程进行区别；保证自身数据的安全，同时管理本级系统与互联网的级联及通信配置。

系统第三层为应用层，该层借助云服务器平台和大数据分析技术，基于云平台建立系统管理模式，易于数据汇集、存储、分析。目前，大数据分析系统多采用B/S架构，该架构采用信息分布式处理方式，可有效降低资源成本，优化系统性能。在移动客户端使用气瓶安全状态在线监测系统的用户可以与互联网连接的电脑、智能手机、移动互联设备上的云服务器、云虚拟主机连接，记录医用气体储存现场的气瓶状态信息，并及时得到关于气瓶安全状态上限/下限的预警、报警信息。监管人员可以通过推送信息等进行气瓶安全状态的预警，提前通知用户及时处理，在提高监管人员工作效率的同时，减少因故障带来的损失。

2 嵌入式硬/软件设计

嵌入式通信转发设备主要具有专用性、灵活性、实时性、可靠性等优点。

（1）专用性指嵌入式系统擅长于对相应设备完成对应任务，这是区别于通用计算机系统的重要特点。

（2）灵活性指嵌入式系统一般可灵活配置于系统内部而不影响整个系统的运行。

（3）实时性指系统采集外部数据的频率能够在受控时间内对事件或用户的干预做出响应。

（4）可靠性指嵌入式系统一旦运行就会在很长一段时间内不必进行监测和维护，能够可靠运行。

嵌入式系统由硬件和软件组成。硬件主要包括处理器、存储器和输入/输出接口等。软件包括操作系统软件和专门解决某类问题的专用软件，这两种软件可以组合使用，由应用软件控制系统运行，由操作系统控制程序与硬件的交互。

由于物联网涉及各种各样的传感器设备，而不同的传感器设备遵循不同的通信协议，同时针对大规模的传感器数据存储和分析，也会极大地浪费云端和网络带宽资源，尤其随着时代的发展，视频、音频等流媒体数据也会加入到评估模型的识别中。因此，嵌入式设备需要具备更强大的功能。

目前的嵌入式通信设备不仅需要保留通信功能，还需要具备一定的分析存储能力，能够在边缘端进行算法分析，筛除部分数据，节省网络带宽。

目前大部分嵌入式设备都采用Linux系统或者裁剪的Linux系统。考虑到实时性的要求，可以扩展相应的FPGA板用于逻辑和信号处理，而针对通信转发、数据封装及边缘计算等内容的处理，大多在操作系统中进行。

对于某些小规模的单一设备不涉及视频等信号，考虑到量产和成本的问题，可以选择STM32Fx系列单片机，配置FPGA板用于部分特殊传感器的接入和信号处理。针对实时数据，可以应用5G模块或4G模块，通过网络或者工业串口转发。图2所示为嵌入式设备简易设计图。

图2 嵌入式设备简易设计图

3 云服务平台设计

3.1 系统涉众分析

系统针对的用户主要是医院的气瓶管理人员、供应气瓶的厂商及部分使用人员。医院的气瓶管理人员和供应商需要了解气瓶实时运行情况，更加重视气瓶的细节参数、故障信息。同时，医院的气瓶管理人员还需要了解各类气体的投入使用情况，对各种指标进行管控和监管，并通过历史使用情况预判下一批需要采购的各类气体气瓶的数量。医用气瓶的使用人员需要了解对应气瓶的使用情况，判断是否需要更换气瓶，并预判可用时间。

3.2 系统预期目标

建立气瓶安全状态评价标准体系和安全状态监测平台，通过监测平台与安全附件的自动联动、联锁技术，将医用气瓶相关数据及辅助分析数据实时发送到相关工作人员的智能手机上，便于医护管理人员掌握对应气瓶的使用信息，还可提出一些辅助决策建议，供管理人员参考。实现气瓶安全状态的预警及风险控制管理，最终以动态监测替代现有气瓶的定期检测。

气瓶数据统计管理：优化医用气瓶运行数据库，统计医用气瓶及其传感器运行信息，包括日/月/年告警记录、投运状态等，实现数据交互与展示功能，并提供辅助决策。

设备基础数据统一管理：优化医用气瓶基础资料存储管理数据库，实现医用气瓶编号、位置、所含传感器信息等台账的统一存储。通过规范化、精细化的基础资料管理，全面掌握医用气瓶的基本投运情况，并实现数据交互与展示。

数据报表信息管理：对医用气瓶数据信息进行展示的同时，实现对传感器数据历史记录、气瓶设备上下线、告警记录等信息的导出。

气瓶告警信息实时监测：依据用户提供的传感器阈值指标要求，实现对医用气瓶运行情况的自动化告警，并实现数据交互与展示。

3.3 功能设计

系统云服务包括气瓶历史数据监测、气瓶在线数据实时监测、传感器数据趋势分析图表、设备异常状态预警、设备数值超限报警服务、气瓶总数统计、各类气瓶投入使用数量及状态统计、报警信息数量阶段统计、气瓶及传感器设备增删改查功能以及设备通过Excel文件批量导入功能等。这些功能紧密围绕着云端数据库的应用展开，由云端存储系统和云端发布系统组成。云端主界面设计如图3所示。

图3 气瓶安全在线监测软件主界面

4 结 语

本文采用物联网技术、光纤传感技术搭建了气瓶安全状态在线监测系统的构架。针对气瓶的具体结构特点、使用特点设计合理的传感器布置方式：使用光纤传感技术可以有效监测医用氧气瓶的应力变化；特种设备在线安全监测软件可以实时监测关键部位是否超过预警值而发出警告信息；大数据分析可以有效实现气瓶安全状态的预测；采用嵌入式通信设备进一步保证了设备数据的安全与用户信息安全，同时能够保证数据更加顺畅的传输。