文/鄧術(shù)章 周兆欣 張安西 馬建文

基于物聯(lián)網(wǎng)的?；穬?chǔ)存智能監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

文/鄧術(shù)章 周兆欣 張安西 馬建文

?；穬?chǔ)存事故時(shí)有發(fā)生，危害極大。而目前?；穬?chǔ)存區(qū)的監(jiān)測(cè)大多為表面的視頻監(jiān)控，安全隱患較大。本文通過(guò)調(diào)研分析，針對(duì)危化品儲(chǔ)存區(qū)安全管理工作的實(shí)際需要，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了?；穬?chǔ)存智能監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與智能管理控制于一體，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警、專家應(yīng)急決策服務(wù)、遠(yuǎn)程智能化管理等功能。平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)為?；菲髽I(yè)的安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急決策以及政府有效監(jiān)管等提供了重要手段，有力地保障了?；菲髽I(yè)的安全營(yíng)運(yùn)和經(jīng)濟(jì)效益。

?；?；智能監(jiān)測(cè)；管理平臺(tái)；物聯(lián)網(wǎng)

引言

危險(xiǎn)化學(xué)品（簡(jiǎn)稱“?；贰保┦蔷哂幸兹家妆?、毒害、腐蝕和輻射等危險(xiǎn)危害特性的物品，一旦危化品儲(chǔ)存區(qū)發(fā)生泄漏，勢(shì)必引起火災(zāi)、爆炸、污染、中毒和死亡等嚴(yán)重事故發(fā)生，對(duì)社會(huì)公共安全造成重大威脅［1］。而隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，?；返氖褂闷髽I(yè)數(shù)量和規(guī)模仍在不斷的擴(kuò)大，盡管我國(guó)為加強(qiáng)?；返陌踩珒?chǔ)存管理制定了諸多法規(guī)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，?；穬?chǔ)存事故還是頻繁發(fā)生［2～3］。目前，對(duì)?；穬?chǔ)存區(qū)的監(jiān)測(cè)大都僅對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行視頻監(jiān)控，而對(duì)儲(chǔ)罐液位、溫度壓力等重要實(shí)時(shí)參數(shù)仍由手工測(cè)量或人工監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)儀表，在非作業(yè)時(shí)段更處于無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)，安全隱患重重［4～6］。因此，有必要研究一套高精度、高效率，集自動(dòng)預(yù)警、險(xiǎn)情控制、專家系統(tǒng)綜合指導(dǎo)等功能于一體的危化品儲(chǔ)存智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［7～8］。

為了解決目前危化品儲(chǔ)存區(qū)監(jiān)測(cè)平臺(tái)報(bào)警機(jī)制不完善，信息共享能力欠缺，多部門(mén)聯(lián)動(dòng)的快速反應(yīng)應(yīng)急機(jī)制仍未形成，綜合智能遠(yuǎn)程管理平臺(tái)監(jiān)管能力不足等問(wèn)題，構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的?；穬?chǔ)存智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)?；穬?chǔ)存區(qū)與相關(guān)的管理部門(mén)之間對(duì)?；穬?chǔ)存信息的實(shí)時(shí)共享，加大政府部門(mén)對(duì)危化品企業(yè)的監(jiān)控力度，在最大程度上降低?；穬?chǔ)存時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，并且可以在事故發(fā)生后以最快的速度向相關(guān)部門(mén)和專家發(fā)出報(bào)警信息，使得相關(guān)部門(mén)可以從速對(duì)事故的情況進(jìn)行了解和處理。同時(shí)，可通過(guò)平臺(tái)設(shè)置的專家指導(dǎo)系統(tǒng)盡快獲得事故處理的相關(guān)建議。這對(duì)提高?；穬?chǔ)存安全系數(shù)、增強(qiáng)應(yīng)急處理能力及提高其智能化管理水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.平臺(tái)功能需求分析

針對(duì)?；穬?chǔ)存區(qū)監(jiān)管現(xiàn)狀存在的諸多不足，通過(guò)細(xì)致的企業(yè)調(diào)研和對(duì)險(xiǎn)情、事故等信息的分析，初步確定基于物聯(lián)網(wǎng)的危化品智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)具有全面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)控制、一鍵應(yīng)急處理及綜合智能管理等功能。

1.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

可以通過(guò)各種傳感器、設(shè)備和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)危化品儲(chǔ)存狀態(tài)信息（罐內(nèi)溫度、可燃?xì)怏w濃度、壓力、液體質(zhì)量，罐外的風(fēng)向風(fēng)速、溫度等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值提供預(yù)警報(bào)警功能。同時(shí)，平臺(tái)應(yīng)具備龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠安全地存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)到各種狀態(tài)信息，并可以實(shí)現(xiàn)歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)的查詢、分析和處理，有助于掌握?；窢顟B(tài)變化的趨勢(shì)，從而可有效預(yù)防類似險(xiǎn)情、事故的再次發(fā)生。

1.2遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)控制

能夠?qū)崿F(xiàn)與通信網(wǎng)絡(luò)的連接，建立監(jiān)測(cè)中心、?；饭尽⑾?、公共安全、醫(yī)療救援、政府管理等各個(gè)部門(mén)的互聯(lián)平臺(tái)，將監(jiān)測(cè)中心的信息數(shù)據(jù)與各個(gè)部門(mén)實(shí)時(shí)共享，提供完善的監(jiān)控、管理和應(yīng)急救援功能；同時(shí)，設(shè)計(jì)平臺(tái)手機(jī)客戶端系統(tǒng)，用戶可隨時(shí)隨地掌握危化品儲(chǔ)存的所有信息，對(duì)于某些需要特殊關(guān)注的?；返臓顟B(tài)設(shè)置自動(dòng)提醒功能。這有助于公司管理人員、政府等部門(mén)對(duì)?；酚行ПO(jiān)管，有助于在事故發(fā)生時(shí)相關(guān)負(fù)責(zé)人及專家可以與現(xiàn)場(chǎng)人員遠(yuǎn)程指揮、互動(dòng)溝通，提供全面有效的應(yīng)急救援手段。

1.3一鍵應(yīng)急處理

目前?；穬?chǔ)存區(qū)監(jiān)控值班人員大都是非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，且對(duì)?；分R(shí)的了解較少，即使?；繁O(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，仍不能立即做出正確反應(yīng)。針對(duì)這一現(xiàn)象，?；繁O(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)設(shè)置一鍵處理功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)出現(xiàn)報(bào)警后，在自動(dòng)提示問(wèn)題部位和性質(zhì)，請(qǐng)值班操作人員及時(shí)關(guān)注和處理的同時(shí)，自動(dòng)完成一套預(yù)先設(shè)置好的緊急處理方案，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急操作，控制并阻止事故規(guī)模擴(kuò)大。

1.4綜合智能管理

圖1　平臺(tái)監(jiān)測(cè)層主界面

開(kāi)發(fā)面向?；菲髽I(yè)的智能信息管理系統(tǒng)，提供企業(yè)基本信息、儲(chǔ)存區(qū)及設(shè)備設(shè)施信息、危化品物質(zhì)信息、相關(guān)人員安全培訓(xùn)信息、標(biāo)準(zhǔn)化管理文件等文檔信息的管理功能，提供?；稭SDS、?；沸再|(zhì)、應(yīng)急預(yù)案、專家?guī)斓然A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理維護(hù)，包括基本的增、刪、改、查等業(yè)務(wù)操作功能［9］。另外，平臺(tái)應(yīng)能夠結(jié)合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，提供事故接警、專家決策信息生成等的全流程管理，為?；肥鹿蕬?yīng)急救援指揮提供相關(guān)的應(yīng)急救援知識(shí)庫(kù)、專家?guī)煲约捌髽I(yè)、?；返幕A(chǔ)信息等決策支持信息，提高應(yīng)急救援的反應(yīng)能力和救援的科學(xué)性、合理性。

2.平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述?；穬?chǔ)存監(jiān)測(cè)功能需求分析，綜合考慮各個(gè)功能要點(diǎn)，根據(jù)?；穬?chǔ)存區(qū)安全管理工作的實(shí)際需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)一套先進(jìn)實(shí)用、操作簡(jiǎn)單方便、功能全面、可擴(kuò)展性廣、性能可靠地?；分悄鼙O(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2.1平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)以STM32為單片機(jī)芯片，整體采用I/O架構(gòu)，利用程序?qū)⑵脚_(tái)各個(gè)功能有效地結(jié)合在一起。平臺(tái)系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由各種傳感器、邏輯運(yùn)算器、最終控制單元、上位機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)組成；同時(shí)，平臺(tái)設(shè)有具有遠(yuǎn)程訪問(wèn)接口，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和手機(jī)客戶端可通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)或Internet，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)管理，隨時(shí)查看儲(chǔ)存區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)情況和?；返臓顟B(tài)信息。

2.2平臺(tái)監(jiān)測(cè)層的實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)監(jiān)測(cè)層通過(guò)各種傳感器對(duì)罐內(nèi)溫度、液位、壓力、質(zhì)量、可燃?xì)怏w濃度、泄漏狀況及罐外風(fēng)向風(fēng)速等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該部分采用DCS（分布式控制系統(tǒng)），上位機(jī)采用通用組態(tài)軟件組態(tài)王6.52作為軟件監(jiān)控平臺(tái)，組態(tài)王6.52將產(chǎn)生的信息具體地呈現(xiàn)給監(jiān)控中心的操作者，并方便獲得各類信息。其主要特點(diǎn)為：由多個(gè)組件組成，具有完成可視化、獲取數(shù)據(jù)、擴(kuò)充外接組件/系統(tǒng)、歷史趨勢(shì)、事件處理、報(bào)警記錄、報(bào)表和分析工具的功能［10］。

在確定上位機(jī)與I/O板卡通訊協(xié)議后，就可由總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與I/O板卡（直接插入上位機(jī)的PCI插槽）的通訊，通過(guò)設(shè)置的各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、指令發(fā)送、歷史記錄存儲(chǔ)等控制操作，其中系統(tǒng)最重要的兩個(gè)模塊為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和參數(shù)設(shè)置部分。平臺(tái)監(jiān)測(cè)主界面如圖1所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的流程圖如圖2所示。

圖2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

2.2.1平臺(tái)監(jiān)測(cè)層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

平臺(tái)監(jiān)測(cè)功能主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知層，平臺(tái)設(shè)置液位、溫度、可燃?xì)怏w、壓力、風(fēng)向風(fēng)速等傳感器來(lái)對(duì)灌內(nèi)外?；返臓顟B(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。進(jìn)而利用組態(tài)王6.52可在Windows系統(tǒng)上與多種應(yīng)用程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的功能，通過(guò)傳感器接收到的各種信號(hào)，由C語(yǔ)言程序接收，并存放在設(shè)置好的變量中，在組態(tài)王的字典中建立相應(yīng)的I/O變量，組態(tài)王軟件從中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)換，將相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號(hào)，然后利用組態(tài)王軟件提供的控件將這些信號(hào)呈現(xiàn)在軟件界面上。當(dāng)獲取到的參數(shù)不在正常值范圍之內(nèi)時(shí)，報(bào)警窗口顯示越限時(shí)間、變量名、當(dāng)前值以及界限值等。當(dāng)新報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，報(bào)警窗口自動(dòng)滾動(dòng)，窗口總是顯示最后出現(xiàn)的報(bào)警事件。對(duì)燈光圖片進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接和調(diào)用PlaySound函數(shù)驅(qū)動(dòng)喇叭，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

2.2.2平臺(tái)監(jiān)測(cè)層的參數(shù)設(shè)置

監(jiān)測(cè)層參數(shù)的設(shè)置主要是參照儲(chǔ)存物質(zhì)特性和儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)形式的不同并依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［11～12］要求及?；菲髽I(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)需求，選取相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)并設(shè)置監(jiān)測(cè)報(bào)警閾值，通過(guò)管理后臺(tái)，對(duì)預(yù)設(shè)報(bào)警值進(jìn)行集中處理。系統(tǒng)將傳感器實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與報(bào)警值進(jìn)行對(duì)比分析，一旦超出正常范圍將在系統(tǒng)前臺(tái)界面進(jìn)行閃動(dòng)和聲音提示報(bào)警，并與專家服務(wù)模塊、應(yīng)急救援模塊進(jìn)行應(yīng)急處置聯(lián)動(dòng)。另外，系統(tǒng)將自動(dòng)保存歷史監(jiān)測(cè)值與歷次報(bào)警記錄，為安全趨勢(shì)分析、事故原因分析等提供數(shù)據(jù)參考。

2.3平臺(tái)專家應(yīng)急決策服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)

專家決策應(yīng)急服務(wù)層是該平臺(tái)的重要部分，為方便操作人員的操作，該部分采用觸控式屏幕人機(jī)界面，基于EasyBuilder8000軟件系統(tǒng)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。EasyBuilder8000軟件不僅人機(jī)交互界面可操作性強(qiáng)，人性化設(shè)計(jì)，而且還具備強(qiáng)大的以太網(wǎng)通訊功能，除了可以與帶以太網(wǎng)口的PLC等控制器通訊外，還可以實(shí)現(xiàn)HMI之間的聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)Internet或者局域網(wǎng)對(duì)HMI和與HMI連接的PLC等上下載程序，可較好滿足本平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)。該部分主界面入圖3所示。

圖3　平臺(tái)專家應(yīng)急決策服務(wù)層主界面

為滿足企業(yè)需要，本部分核心功能主要包括：

（1）專家系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查詢

一是為?；菲髽I(yè)提供常用?；钒踩夹g(shù)說(shuō)明書(shū)的編輯、修改、刪除和査詢管理，為?；诽峁┯嘘P(guān)安全生產(chǎn)儲(chǔ)存、防護(hù)措施、應(yīng)急處置及環(huán)境保護(hù)等方面的各種信息和資料，為?；钒踩珒?chǔ)存和科學(xué)高效預(yù)防事故提供依據(jù)。二是根據(jù)不同?；肺镔|(zhì)的特性和危化品企業(yè)儲(chǔ)存事故處理的經(jīng)驗(yàn)，為企業(yè)編制應(yīng)急預(yù)案和管理標(biāo)準(zhǔn)，在企業(yè)日常的?；穬?chǔ)存管理和應(yīng)急響應(yīng)程序中，提供防火防漏措施、消防器材及防毒防爆設(shè)備的配置使用、醫(yī)療救護(hù)藥品應(yīng)急物資的配備等各方面的管理標(biāo)準(zhǔn)；并能根據(jù)險(xiǎn)情、事故類型模糊匹配提供相應(yīng)險(xiǎn)情、事故應(yīng)急處置預(yù)案。

（2）專家指導(dǎo)功能

對(duì)平臺(tái)監(jiān)測(cè)層監(jiān)測(cè)到的各種報(bào)警情況，通過(guò)該功能操作人員可以快速獲取該報(bào)警最可能的所有原因供操作人員參考，以便操作人員逐一排除，迅速查明報(bào)警原因，盡早阻斷險(xiǎn)情、事故的發(fā)生。

（3）專家求助功能

當(dāng)危化品儲(chǔ)存區(qū)發(fā)生事故時(shí)，操作人員可利用該功能與相關(guān)專家取得通訊，專家可通過(guò)該平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)功能獲取危化品物質(zhì)特性及實(shí)時(shí)、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)事故的性質(zhì)、嚴(yán)重程度為企業(yè)提供應(yīng)急處理指導(dǎo)。另外，操作人員還可以通過(guò)該部分與消防、醫(yī)院等部門(mén)取得通訊聯(lián)系，全方位保證事故得到有效處理。

2.4智能標(biāo)準(zhǔn)化管理的實(shí)現(xiàn)

?；菲髽I(yè)的安全生產(chǎn)離不開(kāi)政府的有效監(jiān)督和企業(yè)的高效管控，本平臺(tái)利用EasyBuilder8000軟件的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能和平臺(tái)設(shè)有的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)政府相關(guān)管理部門(mén)與?；菲髽I(yè)的信息共享及集中統(tǒng)一的智能標(biāo)準(zhǔn)化遠(yuǎn)程管理平臺(tái)。政府和企業(yè)相關(guān)部門(mén)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置的訪問(wèn)權(quán)限對(duì)本企業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)化管理信息進(jìn)行查詢和監(jiān)管。該部分主要功能模塊如圖4所示。

圖4　平臺(tái)智能標(biāo)準(zhǔn)化管理功能模塊

3.結(jié)論

（1）該?；分悄鼙O(jiān)測(cè)管理平臺(tái)以物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的組態(tài)王軟件及EasyBuilder8000人機(jī)界面，根據(jù)目前?；穬?chǔ)存企業(yè)的安全生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)并成功開(kāi)發(fā)。

（2）平臺(tái)功能全面，可操作性強(qiáng)，擴(kuò)展性高；平臺(tái)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、專家應(yīng)急決策服務(wù)及智能標(biāo)準(zhǔn)化管理功能的實(shí)現(xiàn)，將很好地解決目前危化品儲(chǔ)存區(qū)監(jiān)測(cè)手段單一、應(yīng)急不及時(shí)、缺少專家指導(dǎo)、政府監(jiān)管脫節(jié)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

（3）如在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，再增加對(duì)?；愤\(yùn)輸船舶的運(yùn)輸過(guò)程、裝卸過(guò)程等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理，將會(huì)大大降低?；吩谒愤\(yùn)輸、裝卸、儲(chǔ)存整個(gè)環(huán)節(jié)的事故率，對(duì)避免?；肥鹿实陌l(fā)生、降低事故損失具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此該平臺(tái)將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

（作者單位：山東交通學(xué)院海運(yùn)學(xué)院/威海市臨港?；分悄鼙O(jiān)測(cè)中心）

［1］危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例［Z］． 2002年3月15日實(shí)施．2002．3．15

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山東省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的?；分悄鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”、“山東省臨港?；钒踩O(jiān)管機(jī)制研究”（2013YD05002），威海市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“威海市臨港?；分悄鼙O(jiān)測(cè)平臺(tái)”（2013GGH006 ）。