云计算场景下安全生产系统的研究与应用

刘济瑞 张玉芳 徐燕 梁浩 陆秋俊

摘要：经过调研后发现，危化品生产公司在风险作业审批、隐患排查治理、职工安全教育等方面已经应用了多套信息化系统，但仍存在功能单一、操作复杂、效率低下、运维成本高等亟待解决的问题。文章在此问题基础上进行云计算场景下安全生产系统的研究与开发工作，主要阐述云计算相关概念，对安全生产业务进行建模与分析，在这个业务分析的基础之上对整个系统的体系架构、网络架构进行设计，给出系统具体的实施路线。借助云计算信息化平台建设，提升公司的生产安全监管水平，实现绿色环保达标排放要求。

关键词：云计算;安全生产;危化品管理;实施路线

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）05-0136-03

1 引言

进入21世纪以来，信息化与智能化进入了新的发展阶段，第四次工业革命即将到来[1]，其典型代表技术为云计算、物联网、大数据、人工智能，其中云计算与物联网在各行各业之中得到了广泛应用。对于企业工业生产而言，其核心关键是安全信息化工作，主要业务包括企业生产危险源的识别、风险作业审批、安全生产监测与管理等内容，通过安全生产信息化系统能够快速、高效地保障整个企业日常的安全生产业务，有效改善企业安全生产状况[2]。企业整个安全生产业务处于实时动态监管之中，通过前端各类物联网设备能够完成实时数据的采集，这些数据信息传输到部署在云计算环境之中的平台之中。安全生产平台能够发挥云计算分布式管理的特点，快速识别各类可能出现的安全隐患，及时进行报警与处理，有效提升企业安全管理效率，通过多层次、多角度对企业整个安全生产业务进行信息化管控[3]。主要作用如下：

1）有利于解决企业关于安全与环保领域的现实需求问题

结合企业的实际情况，因地制宜地设计与研发适合企业管理流程与生产过程的业务模型，整合并且平滑地过渡现有的信息系统，新增数据采集、数据可视化等工业应用[4]，持续提高软件信息系统的用户体验、兼容性、健壮性，提供开放接口能力与扩展能力，满足企业中长期的信息化发展要求。

2）有利于促进危险化学品的精细化与智能化管理

在整个企业危化品生产的管理之中，通过物联网、云计算等多类信息化技术的融合处理，能够打造危险化学品管理体系，以此完成危险源的识别与智能化控制，将最新信息技术与安全管理业务进行深度融合，及时感知各类危险源的最新状态信息，将监测的这些信息发送给云计算场景下安全管理平台，推动企业安全生产的信息化与处理效率[5]。

3）有利于打造现代化企业的信息技术支撑体系

基于工业互联网平台技术，将人、机器、数据连接起来，将符合企业信息化与工业4.0的发展趋势[6]，有助于实现安全和环保业务的精细化管控、精准化布局、智能化监控，将持续集成、持续部署、迭代开发等互联网技术和方法论应用到企业信息化运营与维护的过程中，有利于持续培养和提高企业信息化团队的技术能力，从而产生长期的经济效益。

2 云计算概念

整个企业安全生产业务平台主要运行在云计算场景下配置的服务器端。目前在整个信息化的应用过程中，云计算是重要的资源需求。从广域的角度进行分析，云计算主要满足各行各业对计算资源的需求，整个云计算的环境通过网络存储、效用计算、负载均衡及分布式管理等多门技术实现，不同的用户自身计算的需求通过网络资源共享池来获取，整个用户支付的费用由具體获取的资源容量来计算[7]。云计算目前根据用户的需求提供三种不同的模式：第一种是软件服务。云计算提供资源管理、应用程序及虚拟桌面的管理，以此满足不同行业软件的使用需求;第二种是基础设施服务。主要提供虚拟机及存储设备方面的服务;第三种是提供平台类的服务。主要为应用程序的开发与部署提供Web应用服务器、数据库及开发环境等，通过这些工具完成应用程序的快速开发。整个云计算能够提供性价比高的服务，以此满足各类行业应用程序扩展性、通用性及虚拟化方面的服务[8]。

3 安全生产业务分析

在系统需求的确认过程中，第一步工作目标是完成业务流程的确认，主要工作需要用户与技术人员共同参与，用户主要叙述不同业务的处理过程，之后由技术人员通过界面原型图、会议讨论法等多种方式来确定这些系统的业务功能，最大限度地提升前期工作的效率。

3.1 安全生产系统业务分析

在安全生产系统日常的业务分析之中，需要紧密结合公司的业务流程进行梳理与管理，详细业务如图1所示。

在整个业务功能的分析之中，综合上述多个用例来明确整个系统的开发功能，程序开发人员需要根据用例的详细内容进行阐述与分析，具体用例内容如下：

1）危化品管理：对公司现存的危化品进行信息登记与维护，日常工作人员及时对这些信息进行维护更新操作。

2）风险作业审批：每一次危险源作业过程需要经过申请与审批，作业结束之后需要进行作业过程的记录，便于后期对相关风险进行回溯与分析。

3）隐患排查：在日常巡检过程之中，排查各类风险隐患信息，及时进行记录与上报，公司专人安排对这些隐患进行处理，记录处理过程。

4）大屏可视化：在整个安全生产过程之中，大屏及时记录各类实时传输的数据信息与统计数据，方便值班人员及时发现危险因素。

5）系统管理：此业务功能模块主要负责对用户、权限、日志等信息进行记录与维护。

3.2 系统非功能需求

系统具体非功能需求要求内容如下：

1）性能要求：系统具有良好的并发相应能力，中心对现场设备的控制相应信息返回时间不大于 5s。

2）响应时间：操作员点击任意操作之后，在5秒之内获得反馈。

3）并发：系统支持1000QPS。

4）系统SLA： 99.99%。

5）系统恢复时间小于1小时。

4 安全生产系统研究与设计

4.1 系统设计原则

在整个安全生产系统的设计之中，需要遵循多方面的设计原则，主要包括满足要求、遵从标准、具备统一的出口与扩展性等，详细的内容如下面所示。

1）安全性与保密性良好：在整个安全生产设计之中，安全性与保密性是第一方面的要求，整个系统之中运行的数据信息包括业务数据、生产数据等信息，这些数据对保密性的要求特别高。若发生泄密事件，必然导致严重的影响，因此，应该加强整个系统安全过程之中的密码控制、系统日志监督、权限控制等操作，最大限度地提升数据信息的防护性。

2）可用性：这是整个安全生产系统的基本设计要求，根据业务处理的需要，需要完成整个企业不同区域的处理业务要求，以此为后期整个信息管理系统与数据信息的共享奠定良好的基础。

3）接口统一：为了加强整个安全生产业务的规范性管理，需要在不同业务功能模块之中实现统一的接口管理方式，包括软件的内部与外部出口，方便后期进行设备改动时能够进行一定的参考。

4）具备良好的扩展性：在整个安全生产业务设计之中，需要着重考虑后期不同区域进行功能扩展的需求，同时为了提升整个安全生产数据信息处理的需要，充分考虑业务处理的需要，在确保控制成本的前提之下，最大限度地提升系统数据信息的传输效率，满足不同功能的互联业务处理需要。

5）遵循相关标准：在安全生产业务过程之中，严格遵循国家、行业与地区等标准，提升整个系统的规范性与标准性;采用统一的出口标准，使得后期不同类型的功能进行升级与维护;按照标准来完成不同类型终端用户权限设置操作。

4.2 系统体系架构设计

整个企业安全生产管理系统研发的关键重点是完成体系架构的设计，与整个业务的处理紧密结合。企业体系架构核心的业务主要分为数据信息的感知层、数据传输的网络层及数据处理的平台层，其与目前工业物联网平台的设计保持一致，整个安全生产平台采用微服务的理念进行设计，主要优点在于打造持续可优化升级的平台，整个平台内部低耦合高内聚，根据依据采集业务处理的不同及时更新与优化，降低后期整个平台开发的成本。

详细体系架构设计如图2所示。

系统体系架构图明确系统分为数据信息采集传输的感知层、具备风险作业审批、大屏可视化、隐患排查、危险源识别的业务处理层及数据信息存储的数据层，满足企业安全生产各类业务的处理需求。

坚持使用安全可控的开源软件、国产软件，以Kubernetes管理Docker容器集群，将所有软件组件在容器中运行，与各大云厂商的容器技术相兼容，能够快速迁移上云，也易于迁移到Serverless架构中。以微服务的形式设计后台组件，采用高内聚、低耦合的思想划分服务，在各个重要节点配置负载均衡服务，支持灰度发布。API网关采用“零信任”软件定义网络的理念，“持续验证、永不信任”，重视内网的信息安全。结合团队人员的技术实力，设计适合自己的DevOps持续集成、持续部署方案，打造一套具有版本控制、代码审查、自动化测试、自动化部署的软件开发流程，从而能够应对未来更精细化的信息化和智能化工业互联网软件需求。

4.3 系统网络拓扑设计

企业安全生产管理系统主要部署在云计算场景中，项目现场的网络拓扑设计需要围绕各类数据信息的采集、传输、云平台业务等过程进行分析，需要紧密贴合企业的生产业务，识别整个生产过程中可能存在的危险源并加以有效的管理，整个系统网络拓扑架构设计如图3所示。

图3显示了整个企业安全生活的网络设计模式，其主要基于B/S网络设计模式进行，危险源识别、隐患排查、风险作业审批等核心业务功能部署在云平台一端，主要通过云计算的方式进行管理与维护，负载均衡、分布式的管理保障系统总体运行的安全性与可靠性;各类前端危险源的状态信息主要由传感器进行采集，之后通过不同类型的网关与DTU等进行传输，部署在云端的业务处理层负责对这些数据信息进行处理与接收，按照相应格式要求来完成数据信息的处理与存储要求。整个前端监测数据之中若出现报警，会及时在大屏之中显示此报警信息，方便值班人员按照预案进行处理，保障企业生产的安全性。

4.4 系统设计思路

1）总体思路

整个企业安全生产系统的实施需要对整个项目的部署进行谋划，从而将安全生产管理系统分阶段进行实施与管理，逐步完成整个安全生产管理系统的设计与交付工作。在项目交付过程中，以XXX作为试点，部署少量的传感器、DTU、5G 网关、摄像头等设备，对软件的功能进行验证;开发工业互联网平台的框架，始终保持平台和应用具有一个能运行的版本，采用互联网公司的敏捷开发软件工程方法作为指导，逐步迭代、完善系统。

2）试点区域

以XXX作为试点，部署和监控三个摄像头，用于采集和记录装卸作业的视频影像，以人工智能图像识别技术实现装卸作业中安全帽识别、工装识别、抽烟识别、护目镜识等四种不规范作业;部署一个DTU设备，用于采集现场的可燃气体传感器的数据;部署一个大屏设备，用于展示和使用数据可视化大屏软件;部署二维码标签等装置，用于手机客户端进行隐患排查和巡检;使用一台无人机对二硫化碳库区进行巡检;对二硫化碳库区以及库区的主要设备建立三维示意模型和平面示意图。

3）分步实施

在试点区域充分测试和验证了系统功能之后，开始逐步推广到公司的各个车间与室外工作区域。在不影响正常生产活动的情况下，完成设备安装、设备采集调试、数据建模等工作，最终实现整个企业的安全生产平台信息化部署，在此过程中保证系统的可用性、一致性。

5 结论

云原生架构的应用天生具有云计算的特点，例如：通过网络访问、远端部署执行、可扩展弹性伸缩、共享、按需使用自助服务、高可用、可远程监控计费审计、与位置无关等。整个安全生产管理系统部署在云计算的环境之下，能够发挥云计算高计算性、分布式管理等优点，快速对危险源的识别、风险作业审批等业务进行处理，使得各类业务功能模块具备低耦合度，具备良好的可扩张性，方便安全管理系统以后的升级，其主要技术特征有：微服务、DevOps、持续交付、容器化等。

本系统中应用云原生思想，可以采用微服务架构、容器、DevOps、SAAS等技术构建轻量、无状态的云原生应用，使应用具备云端部署、可远程访问、弹性、共享、按需自助服务、高可用、与位置无关等特征，使之天生就具备云的基因，易于迁移到云环境部署运行，兼容私有云、公有云、混合云的运行环境，也更有利于未来向其他企业推广。

参考文献：

[1] 叶东旭.论中小型企业安全发展理念[J].中小企业管理与科技，2019（13）：15-16.

[2] 寇向宇，吴玓文，张翼翔.基于移动通信的矿山安全生产管理平台[J].采矿技术，2020，20（4）：149-152.

[3] 宋锐.基于人机料法环测理论的企业安全管理策略探讨[J].工程技术研究，2021，6（11）：181-182.

[4] 何阳宇.企业安全生产标准化管理模式的构建[J].企业科技与发展，2019（12）：227-228.

[5] 张广泉，杨晓青，王小婷.科学编制预案 强化体系响应——安全生产应急救援分论坛发言选登[J].中国应急管理，2018（10）：28-29.

[6] 马跃.企业安全文化建设方法研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2017.

[7] 陈荣，张磊，冉杰.基于Entity Framework技术的安全生产标准化管理系统设计与应用[J].安全，2015，36（9）：5-8.

[8] 马文婷.目前我国中小企业安全生产方面存在的问题及建议[J].农家参谋，2019（7）：277.

【通联编辑：代影】

收稿日期：2021-06-26

作者簡介：刘济瑞（1998—），男，江苏淮安人，专科，主要研究方向为Web网页设计、云计算平台部署、人工智能等;指导老师：陆秋俊（1969—），男，江苏无锡人，无锡职业技术学院讲师/工程师，硕士研究生，主要研究方向为计算机/工业电气自动化网页设计、云计算平台部署、人工智能。