基于物聯網的冶金企業事故預警體系研究

劉祖德，李鵬飛

（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

冶金企業生產工藝復雜，作業線長且具有較強的連續性，在生產過程中既有高溫、高壓、高能量的自身作業環境特點，又涉及到石油化工生產中的有毒有害、易燃易爆物質，同時還潛藏著在高層建筑、機械加工等作業中易發生的高處墜落、物體打擊等機械傷害危險性。隨著我國現代化進程的加快，冶金企業得到了高速發展，但與此同時火災爆炸、中毒、泄漏等重大事故發生的概率也在逐年加大。當事故不能絕對避免時，從事故發生的規律入手，對事故征兆進行有效的預警，已成為降低事故損失的關鍵手段。

隨著科技的快速發展，物聯網得到越來越多的關注，已經被納入到國家“十二五”技術發展規劃中，目前已在國防軍事、智能電網、智能交通、智能家居、醫療衛生等領域的示范工程中發揮了積極的作用。在冶金企業事故預警體系中引入物聯網技術，必定能發揮其技術優勢，通過建立一套適用于冶金企業的快速、科學的事故預警體系［1-2］，從制度預防到技術預警，徹底改變“靠天吃飯”的落后管理現狀，最大程度地降低事故發生的概率，保障冶金企業安全生產。

1 物聯網概述

1.1 物聯網的定義

物聯網（Internet of Things，IOT）的概念最早由麻省理工學院的Auto-ID 研究中心于1999年提出，雖然只經歷了短暫的發展，但已經被認為是繼計算機、互聯網之后的又一次信息科技革命。由于不同領域的專家學者思考的角度各異，至今對物聯網的定義尚未統一［3］。通常人們將物聯網看作是在傳感器、射頻識別（RFID）、GPS定位等感知技術之上，應用各種通信網絡將物品接入互聯網，并融合云計算、數據挖掘等數據存儲處理的優點，實現對物體的智能化識別、定位、監控、控制和管理，最終構建一個完整的5A（Anyone，Anything，Anytime，Anywhere，Anyway）相連的物理網絡世界。

1.2 物聯網的架構

全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的物聯網在架構上通常被分為三層，即具有RFID、傳感器等構成的感知層，基于互聯網通信建立的網絡傳輸層，具有智能運算與決策優化的管理應用層［4］，如圖1所示。

圖1 物聯網架構Fig.1 Architecture of internet of things

由圖1可見，為了使物聯網的關鍵環節有個更清晰的構架，還可以從信息科學視角出發，將物聯網分為信息獲取、信息傳輸、信息處理三個層次。

2 物聯網在冶金企業事故預警體系中的應用

2.1 冶金企業事故預警體系現狀分析

事故預警（Early-Warning）系統是指運用現代技術手段在事故發生前對其預兆進行及時的預報預警，并采取對策措施解除危險，阻止事故最終形成。

目前，我國大部分冶金企業沒有建立科學有效的事故預警體系，缺少在線動態監測監控技術，而是過度地依賴人工經驗，難以及時發覺事故征兆，將事故杜絕在萌芽階段，因此一旦發生事故，往往會讓企業措手不及，造成無法挽回的人員傷亡和財產損失。另一方面，即使已經建立事故預警體系的企業在實施過程中仍然存在著一些問題，如部分企業由于缺少相應的安全投入，導致預警體系所需的設備設施配置不足，使體系成了“空中樓閣”，難以發揮真正的作用；還有少數企業，因為管理模式陳舊，缺乏有效的執行力，對事故的預警還處于定性階段，導致應急處理不當，達不到防范事故于未然的目的［5］。可見，在我國冶金企業建設事故預警體系是非常必要的，也是十分緊迫的。

2.2 基于物聯網的冶金企業事故預警體系架構

物聯網作為信息技術發展的最新產物，能夠為冶金企業事故預警體系提供新的思想指導和強有力的技術輔助，具有較強的操作性。依靠物聯網技術建立的冶金企業事故預警體系架構如圖2所示。

2.2.1 預警體系感知層

感知層是整個預警體系的基礎。冶金企業中游離著大量的事故征兆信息，以往依靠人工采集數據的信息單一且缺乏動態性，加上處理判斷技術落后，致使不能對危險因素進行及時預警。而通過物聯網的RFID、傳感器、GPS定位等感知技術，可以對冶金企業復雜生產系統下的人員、機器設備、作業環境進行實時有效的動態監控、識別、定位，從而實現對企業的全面感知。

對人員的感知：通過不同的感應器，實時監控作業人員的生理特征和行為特征，及時發現工人的不安全行為，并針對生產車間大、人員流動頻繁等問題，可利用GPS對人員進行準確的跟蹤定位。

對機器設備的感知：冶金企業的工藝流程線長，設備設施分散，將RFID 的非接觸自動識別與傳感器的監測感應相結合，無須人工干預，通過技術間的相互協作就可保證即使在惡劣的環境中，仍能對設備的名稱、型號等靜態屬性和振動、轉動等動態屬性的參數變化進行監測［6-8］。

對作業環境的感知：運用物聯網技術可以對冶金企業特殊作業環境中的有毒有害氣體、粉塵濃度、溫度、濕度、噪音和照明情況進行實時感知，并結合GIS系統，實現對環境的遙感圖像顯示。

2.2.2 預警體系傳輸層

傳輸層在整個預警體系中具有承上啟下的作用。目前冶金企業的傳輸系統大都是基于有線方式，在成本和技術上都受到許多限制。另外，車間里密密麻麻的線路，不僅給人造成了恐懼感，而且任何一次調整都涉及到復雜的設備移動甚至重新布線。由于事故的發生不是單一因素的影響，而是人的不安全行為與物的不安全狀態在一定的環境中發生結合，所以在數據采集傳輸時應充分考慮指標的完備性，避免“信息孤島”。

圖2 基于物聯網的冶金企業事故預警體系架構Fig.2 Infrastructure of accident early-warning system for metallurgical enterprises based on IOT

在傳輸層首先運用先進的WLAN、ZigBee、WiMax、藍牙、Wi-Fi、超寬帶無線通信技術（UWB）等短距離無線傳輸技術，通過自組網與中間件，將各種工藝設備物聯成網，并將原始數據轉換成利于傳輸或者應用的信號形式，壓縮提取出有用信息，實現協同感 測；然后通 過 GSM／CDMA、3G／4G、Ad Hoc、移動、衛星通信等長距離無線與有線網絡的融合，將在感知層采集到的數據信息準確、無障礙地傳輸到管理應用層，并將應用層的指令回傳感知層，實現感知網與互聯通信網的數據存儲和傳輸。

2.2.3 預警體系應用層

應用層作為事故預警體系的核心支撐層，主要借助云計算、數據挖掘、人工智能等后臺智能平臺對海量的原始數據進行分析、處理和動態反饋，起到預警決策和控制的作用。

應用層的功能主要表現在以下方面：一是建立事故庫。對冶金企業的典型事故或未遂事故進行搜集，結合數據倉庫建立冶金行業事故庫，并利用數據挖掘［9］對倉庫事故開展關聯性研究，獲取事故發生的規律特點，為預警指標的確定提供有力的技術支持并輔助預警對策庫的構建；二是24小時專家咨詢。利用人工智能技術，依靠分布在各個企業和機構的專家，在監測數據定量分析的基礎上，為冶金企業提供在線警情解除、現場指導等援助活動；三是預警分析。以云計算技術為中心，整合資源組建計算群，結合專業知識和相關安全生產標準明確預警臨界值，根據當前警戒狀態，確定預警等級［10］；四是演化仿真系統。以企業生產條件、作業環境為背景，對傳入的數據進行科學計算，對警情的發展趨勢進行演化仿真，給出定量評估；五是預警對策。一旦參數值超出預警臨界值并有增長趨勢，可通過傳感器給出聲、光等報警，應用GPS進行警情定位，決策指揮中心通過電話短信等手段立即通知預警小組，組織廠區、車間、班組相關人員將預警對策庫與實際警情結合［11］，實施有效的控制措施，實現人機互動，在警情轉化為事故之前及時解除危機，恢復安全狀態，必要時提示企業負責人做好緊急啟動事故應急預案的準備。

3 結語

隨著科技的發展，物聯網技術會逐步變得完善，將其與現代冶金生產工藝相結合，建立有效的事故預警體系，對冶金生產進行實時動態監控，對預警的事故征兆采取合理的控制措施，將事故消滅在萌芽狀態，從根本上降低冶金企業事故發生的概率，實現“感覺—感知—控制”的科學程序化管理，保證冶金企業生產的快速穩定。當然，基于物聯網的預警體系建設是一項長期復雜的系統工程，建設過程中仍然需要面對諸多問題，如物物相連之后的數據信息及網絡安全問題、不完善的標準化問題、需要進一步提高的技術問題等，這些都需要企業和相關研究機構在今后的實踐生產中不斷去摸索解決。

［1］施祖建，汪麗莉.物聯網在安全生產領域的應用研究［J］.能源技術與管理，2010（6）：99-100.

［2］孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述［J］.北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.

［3］馬靜，唐四元，王濤.物聯網基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［4］薛燕紅.物聯網組網技術及案例分析［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［5］張旭，蘇東亮，趙利軍，等.冶金企業融合構建事故預警機制初探［J］.河南冶金，2009，17（6）：26-27，53.

［6］魏秋萍，朱順兵，杜春泉.淺談物聯網感知安全的關鍵技術［J］.工業安全與環保，2012，38（2）：86-88，92.

［7］竇站，蔣軍成，張明廣，等.基于物聯網技術的移動危險源監測研究［J］.工業安全與環保，2013，39（8）：71-73.

［8］王三明.基于物聯網的企業安全生產監測預警一體機研發［J］.石油化工安全環保技術，2012，28（3）：30-34.

［9］劉強，莊東明，王偉.數據挖掘在應急救援決策支持中的應用研究［J］.安全與環境工程，2011，18（4）：116-118.

［10］王建強.物聯網在感知礦山建設中的應用研究［J］.中國安全生產科學技術，2012，8（5）：178-183.

［11］賀延偉，劉鵬剛.化工園區突發事件應急管理信息系統研究［J］.安全與環境工程，2012，19（2）：106-109.