基于物聯網的危險化學品倉儲信息監測與預警系統

倪 凱， 李林森， 朱磊基

(1 上海市安全生產科學研究所， 上海 200233; 2 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院， 上海 200241; 3 上海物聯網有限公司， 上海 200233)

引言

隨著中國工業化進程的不斷深入，危險化學品的生產、儲存、運輸、銷售和使用等過程的安全和環境問題日益突出。危化品倉儲介于產品生產與使用環節之間，存儲量大、集中程度高，因而對于存在極大安全隱患的危險化學品倉儲而言，其安全管理工作更是社會關注的焦點。由于危化品與普通貨物的物理及化學性質存在較大差異，從而使得危化品在包裝、運輸、裝卸、倉儲等方面與普通貨物明顯不同。自天津港區危化品倉庫爆炸事件發生以來，危化品的生產、經營、儲存、運輸、使用、處置各環節受到了國家各級政府部門的高度重視。目前企業安全生產事故風險預警的研究剛剛起步，許多理論問題有待進一步澄清，許多技術問題有待解決[1]。物聯網的核心和基礎是互聯網，關鍵在于根據監管需求選用技術，能有效識別、定位或跟蹤相應的危險化學品載體，能與基于互聯網的信息管理平臺進行良好的數據交換和通信，最終形成智能化實時監控網絡。

物聯網技術是通過射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡技術[2]。物聯網技術作為對傳統互聯網技術的延伸，廣泛應用于以數據為中心的環境監測、應急救災、安全監控等領域。

面對物聯網技術的快速發展，國內外學者在物聯網和危化品監管領域開展廣泛研究。張定義[3]提出了一種基于物聯網和 ZigBee 無線通信技術對化工園區進行實時可靠數據采集和監控的系統，通過在化工園區重點安全部位部署傳感器節點，實現對易燃易爆及有毒有害物質的實時數據采集和監控。匡蕾[4]等基于射頻識別技術(RFID)成功探索研究了對危險化學品移動危險源的實時追蹤定位，便于運輸、使用危化品的人員對其進行很好的監控。吳凌峰等[5]建立了危險化學品生產與儲存場所的危險化學品庫容風險當量評估模型，指導危險化學品生產與儲存場所對庫存進行統籌規劃和管理。

目前，中國危化品倉儲企業現代化水平普遍較低，在信息化管理上的投入明顯不足[6]。很多企業氣體泄漏報警系統、消防探測系統和視頻監控系統裝置只能自成一體，無法實現對倉儲和危險化學品貨物的聯網聯控。本文針對危險化學品倉儲安全管理現狀，提出一套基于物聯網的危險化學品倉儲信息監測與預警系統，采取電子標簽和二維碼、條碼等綜合應用的方式，不僅限于一種標簽，以充分發揮物聯網識別技術的整體優勢，可以有效提高危險化學品倉儲企業管理可視化、智能化和標準化，全面提升危化倉儲企業本質安全。

1 數據采集關鍵技術

物聯網的各種應用都依賴于物聯網形成的信息交換網絡，該信息交換網絡涉及信息的感知與識別、信息通信與組網、信息處理與應用三個層面，對應也構成物聯網的三個層次體系，即感知層、傳輸層和應用層。在每一層和層與層之間都包含了相應的關鍵技術和研發領域。

基于物聯網的危險化學品倉儲信息監測與預警要針對危化倉儲關鍵信息采集與監控，信息監測和預警的目標是危化品全過程管理中事故發生頻率較高的危化品倉儲環節。數據采集的關鍵技術是多參數一體化探測節點、自組織信息融合傳輸網絡和信息監測及應急預警等。基于物聯網的監測與預警系統數據采集結構如圖1所示。

ZigBee由于其低功耗的特性,有著廣闊的應用前景,主要應用在數據傳輸速率不高的短距離設備之間,非常適合物聯網中的傳感器網絡設備之間的信息傳輸,利用傳感器和ZigBee網絡,更方便收集數據,分析和處理也變得更簡單[7]。

無線傳感器網絡不但具有感知和通信能力，還具有計算能力，通過傳感節點采集環境信息，并可將信息傳輸到很遠的協調器，WSN 網絡典型特點就是多跳的星形網絡，這樣就為任意兩點的通信提供了多種路徑，即使某一個節點不工作了，也可以通過其它路徑傳輸，所以 WSN 網絡有很高的穩定性，而且傳感節點的工作方式都采用定時發送，功耗也較其它網絡更低[8-9]。

圖1 數據采集監測系統結構Fig. 1 System structure of data collection

射頻識別，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需在識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。射頻標簽是產品電子代碼(EPC)的物理載體，附著于可跟蹤的物品上，可全球流通，并對其進行識別和讀寫。RFID技術作為構建物聯網的關鍵技術近年來受到人們的關注[10]。

二維碼與RFID都可以作為物品標簽發揮作用，使物體信息得以整合管理。二維碼是物聯網感知層的一部分，屬于物聯網感知與識別技術的一種[11]。二維碼誤碼率不超過千萬分之一，具有對不同行的信息自動識別功能。同時二維碼標簽價格低廉、體積小，既克服了RFID電子標簽對金屬和液體目標識別的困難，又克服了RFID電子標簽對危化品質量的影響，二維碼在倉儲物流系統已經有很多成功應用案例，針對危化倉儲系統，通過制定統一的危化品二維碼編碼形成標簽，采用移動終端識別二維碼標簽，從而識別與二維碼綁定的危化品信息。

2 ZigBee和RFID集成

作為獨自作用的系統,RFID與ZigBee各自的體系架構都比較成熟,但對于兩者融合的架構,國內外都還在研究探索[12]。

由于目前物聯網的協議標準還沒有統一,各個標準化組織提出了基于其自身協議的物聯網體系架構,如日本Ubiquitous ID中心提出的泛在識別(Universal Identification, UID) 網絡和美國EPC Global推行的電子產品編碼(Electronic Product Code, EPC) 方案；這樣物聯網架構下RFID和ZigBee融合就分別形成了 UID傳感器網絡系統和EPC傳感器網絡系統。這2種系統都是為了建立全球化的信息流通和共享的網絡體系而在現有的物聯網架構上將ZigBee釆集到的數據通過合適的接口融入到物聯網當中,這個網絡能綜合利用傳感器和RFID標簽中的數據[12]。

針對危化品倉庫監測，通過集成溫度、濕度、CO/CH4氣體濃度、RFID標簽讀卡器的多參數一體化探測節點實現監測數據采集，基于模塊化的設計思路，集成RFID射頻通信模塊、ZigBee無線通信模塊、核心數據處理模塊和電源模塊等關鍵模塊形成一體化的信息探測節點，節點可實現危化品倉儲環境溫度、濕度、CO/CH4氣體濃度等信息監測，同時，借助集成的RFID射頻通信模塊，可完成一體化節點監測區域內危化品RFID標簽信息獲取。

考慮監測區域內部署節點活躍狀態和休眠狀態的輪換機制，通過覆蓋控制算法，在保證網絡覆蓋質量的情況下，讓冗余節點進入休眠狀態，降低網絡的覆蓋耗能。同時，減少活動節點數目，降低網絡監測的沖突率和網絡數據流量，減少信息傳輸能耗，節約網絡能力，提高網絡生存時間。在部署的覆蓋網絡區域中，基于一跳轉發的EMSH網絡架構，形成無縫覆蓋的三層傳輸骨干網絡模型。通過網絡層加載動態網絡路由算法，完成快速高效的信息路由功能，支撐節點數據的監測傳輸需求。

系統采用集成方式實現，搭建危化品倉庫監測系統的信息采集和傳輸子系統。主要模塊功能是溫濕度變送器、甲烷變送器及一氧化碳濃度變送器采用標準的4～20 mA通信接口與RTU進行數據交互，RTU將采集到變送器的數據送入工控機進行協議解析，無線傳輸部分采用DTU方案，利用GPRS實現傳感器與云平臺的數據同步。

3 物聯網監測數據采集

3.1 氣體監測

氣體濃度檢測報警儀，包括可燃氣體檢測報警儀和有毒氣體檢測報警儀，少量情況下需要安裝氧含量報警儀。可燃氣體濃度檢測報警儀，主要針對可燃氣體或甲類、乙類可燃液體氣化后形成的可燃氣體的濃度進行濃度探測。有毒氣體檢測報警儀，主要針對通過肌體接觸可引起急性或慢性有害健康的氣體。目前強制安裝有毒氣體報警儀的是《高毒物品目錄》中所列的有毒蒸氣或有毒氣體，常見的有二氧化氮、硫化氫、苯、氰化氫、氨、氯氣、一氧化碳、丙烯腈、氯乙烯、光氣等。氧含量報警儀，主要用于檢測環境中的氧含量，對于一些較封閉的儲存惰性氣體的倉庫需要安裝，但無強制性規定。

3.2 消防探測

包括各種火災自動報警系統的探測器，主要包括感溫火災探測器、感煙火災探測器、火焰探測器、一氧化碳火災探測器、可燃氣體探測器等。同時增加與自動滅火設施相關的消防水的壓力、消防泡沫的儲量監控等。這些信息通過消防系統終端(火警控制盤)進行匯總。

3.3 視頻監控

主要的視頻監控包括各出入口，各倉間門口、通道、倉間內部的監控，針對爆炸危險區域使用防爆型監測設備，通過畫面了解各被監控場所的實時情況，管理人員遠程巡視庫房現場情況，也可以通過存儲視頻進行事件重演。

3.4 氣象數據

主要包括環境溫度、濕度、風力、風向，可以通過直接安裝氣象測量設備進行數據采集，也可以通過接入天氣預報數據。在倉庫內，根據規范要求安裝溫度計、濕度計，要求巡檢人員每日巡查、做好記錄。

4 信息監測與預警系統

信息監測與預警系統遵循企業管理與政府監管一體化思路建設，一方面解決中小危險化學品倉儲企業倉儲管理的實際需求，通過基于物聯網監測數據采集，提高危化倉儲企業安全管理水平，防范風險事故發生。同時通過數據交換接口，將不涉及企業商業秘密的數據上傳政府監管部門，可以在宏觀層面實時掌握危化品存儲總量分布。基于物聯網技術，構建基礎數據采集、企業倉儲管理、危化物流監控、事故預警、政府監管、應急救援為一體的信息服務平臺。

基于物聯網的危險化學品倉儲信息監測與預警系統采用模塊化結構，按業務組件化、功能服務化為設計思路，構建一個完整的分布式信息管理平臺體系。平臺由感知層、傳輸層和應用層三層結構構成，通過數據交換接口，實現與政府監管平臺和應急管理平臺的對接，形成企業應用、政府監管、應急管理的多方位應用。系統平臺架構如圖2所示。

感知層是數據來源的基礎，這些數據除了基于物聯網的各類采集數據，也包括危化品特征數據、倉儲管理和運輸環節的數據。危化品的特征數據包括成份信息、危險性概述、急救措施、消防措施、泄露應急處理、操作處置與儲存、理化特性、防護措施等。倉儲管理信息包括品名、規格、計量單位、入庫時間、有效期、生產廠家、庫位、操作人員等。運輸數據包括貨物名稱、計量單位、物流來源、貨物去向、運輸人員、運輸車輛等。

圖2 危險化學品倉儲信息監測與預警系統

Fig.2Informationsystemofmonitoringandwarningonhazardouschemicalstorage

傳輸層完成感知層信息和應用層的信息傳遞，由于數據采集方式的多樣性，數據傳輸也是通過ZigBee無線網、無線傳輸、3G/4G骨干網和以太網等多種方式實現，基于協同信息采集技術和信息采集中間件技術，利用異構網融合、信息存儲管理和遠程控制技術進行協調和控制。

針對危化倉儲貨物，系統采用RFID和二維碼結合的方式進行管理。通過二維碼動態認證方案，引入認證次數和第一次認證時間的參數，使得二維碼不能被重復利用，徹底杜絕造假者的仿制、復制、重復利用，真正實現一碼一產品的認證效果，抵御中間人攻擊、重放攻擊、小數攻擊等安全威脅，并實現二維碼標簽和服務器端的雙向認證，具有較高的安全性。

通過設計安全性能好的本質安全型防爆讀寫器和電子標簽，使得RFID系統的熱能、電能均低到不會使爆炸性氣體燃燒。利用RFID技術，通過建立托盤數據庫，托盤綁定RFID電子標簽ID號和二維碼標簽標識，托盤區位標識，托盤材質、尺寸，以及托盤上危化品二維碼標簽標識、危化品名稱、數量等。通過把電子標簽和二維碼標簽貼在托盤、貨架和危化品上，用RFID閱讀器和二維碼識別終端可以非常迅速地將貨物揀取出來。二維碼識別能夠通過關聯查詢功能，與產品數據庫有效結合，從而可以實現危化品的全生命周期管理。

5 系統應用功能

系統采用基于互聯網Web模式的B/S結構開發，配置Web服務器和其它各類應用服務器，以危化品倉儲信息監測與預警為核心，通過用戶權限控制，不同用戶訪問不同功能頁面，倉儲操作人員通過手持式RFID讀寫設備與系統進行數據傳輸，系統平臺匯集倉儲及運輸作業前端傳送的動態信息及數據。

各類傳感器負責采集倉庫內危化品狀態信息和倉庫內外部環境狀態信息，利用ZigBee網絡將采集到的消防、環境、氣體濃度數據經過多跳的方式傳遞到上位機數據庫中，當參數達到危險值時開啟警報。對貨物的RFID數據、二維碼危化品庫存匯總監測，發現超量、違規運輸即時報警。對入庫危化品進行監測，依據禁忌規則發現違規存儲進行預警。危險化學品倉儲信息監測與預警系統界面如圖3所示。

圖3 危險化學品倉儲信息監測與預警系統界面

Fig.3Systeminterfaceofmonitoringandwarningonhazardouschemicalstorage

基于物聯網基礎數據采集，系統通過數據挖掘技術，抽取倉儲企業危險化學品重要數據，利用物聯網技術，偵測危化品運輸車輛到達或離開，該危化品的車輛、人員信息、裝卸行為是否存在違規行為的信息。實時監測危化品品種、數量信息、物流去向，根據危險化學品的倉庫中的品種、數量、儲存地點等變化的情況，通過大數據分析關鍵技術，制定超量存儲、違規存儲預警策略，有效查詢和監控各相關企業危險化學品的庫存、出入庫數量和時間等信息。

基于系統平臺實現對RFID設備、二維碼設備、氣體濃度、消防等各類數據采集設備的管理，可以對所有的設備的信息進行增加、刪除以及狀態査詢，設備損壞后的信息提示，各類數據采集設備的查詢統計等。

6 結束語

基于物聯網的危險化學品倉儲信息監測與預警系統能夠有效防范危化倉儲企業安全風險，提高數據采集的準確度和便捷性，提高企業運行管理效率。通過遠距離手持終端、多協議電子標簽讀寫器等，在危險化學品出入庫、運輸轉移、接收使用環節實時采集數據，為危險化學品信息全程追溯提供基礎。基于物聯網實現危化倉儲監控信息融合，提高危化倉庫企業的管理安全和運行安全，有利于形成完善的危險化學品聯管聯控體系，提高危險化學品安全監管信息化水平。

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