智慧傳感芯片成為石化企業安全智能哨兵
——訪青島安全工程研究院副院長、總工程師牟善軍

□ 本刊記者 許帆婷 鄭國江

智能網絡能通過無線信號收集遍布工廠的傳感器數據，集中到數據分析中心“大腦”里。更進一步通過云計算共享的數據“訓練”傳感器，就像訓練導盲犬、搜救犬、緝毒犬一樣，使它實現不同的功能。

青島安全工程研究院副院長、總工程師牟善軍。

今年年初，中國石化青島安全工程研究院的“基于介觀半導體氧化物材料的微型傳感芯片研制與應用”項目獲得集團公司2018年度前瞻性基礎性科學一等獎。

能源化工行業作業環境復雜，近年來多次出現的中毒、燃爆等重大事故為全行業安全生產敲響警鐘。在安全環保形勢日益嚴峻的今天，能夠快速感知異常、識別風險并及時處置，對企業增強核心競爭力有重大意義。

近期，本刊記者采訪了中國石化青島安全工程研究院副院長、總工程師牟善軍。他認為，應該集中全系統的相關技術力量和專家團隊，對各個企業實現服務和支撐。其中，安工院研發的新型芯片有助于構建智慧感知、自主學習的智能監測系統，真正成為企業安全平穩運行的哨兵。

行業競爭倒逼數字化轉型

記者：研究智能傳感芯片的大背景是什么樣的，為什么要做這方面的研究？

牟善軍：近年來，石油化工行業的競爭越來越激烈。參與市場競爭的角色日漸多元化。民營煉廠企業的投資規模和市場份額都在不斷擴大。近年來正在新建或已經投產了一批千萬噸級的大型煉化一體化項目，比如浙江石化、恒力石化等。同時，世界石油化工巨頭巴斯夫、埃克森美孚等公司，也陸續以獨資或合資形式進入中國。可以預見，中國的煉油能力過剩將加劇，市場競爭將進入白熱化階段。市場發生的種種深刻變化讓我們意識到，石油化工行業正在成為一個充分競爭的行業。在這樣的大背景下，安全環保和能效成為企業的核心競爭力。一個企業首先要生產穩定、不出事故，然后才能保證產量，提升效益。

記者：您認為如何才能增強企業的核心競爭力？

牟善軍：首先企業的安全環保要做到不出事，然后才能談到生產效率問題。我們石油化工企業的生產原料原油價格和產品定價，不是某個公司能夠說了算的。唯一能夠比拼的，就是生產過程中如何降低成本，因為生產成本決定了企業的效率。

近年來逐漸成熟的人工智能、云計算和大數據等技術的應用，為企業實現生產優化提供了很好的工具。想要大幅度提高能效，必須實現數字化轉型。比如，中國上千年的農耕文化，包含了老祖宗的智慧：什么樣的季節、土壤和氣候條件，種植什么樣的作物，以及如何播種、施肥、收割。只不過都裝在人的腦袋里，沒有形成系統表述，所以這樣的經驗只能口口相傳。如果用數字化手段，把條件和規則都設計好，自動感知和操作，就能大幅度提高農場效率、降低人工成本。農業的工業化實際上是從經驗到數字化的過程。

石油石化行業是流程行業，在提高自動化水平上有天然的優勢。但從這幾年的發展來看，在智能化方面我們是遠遠落后的。機械加工行業、電子裝備行業都已經實現了無人工廠、黑燈工廠、無人碼頭。但是我們石油石化行業目前還遠遠不能達到無人的標準，離智慧工廠還有很長的路要走。

打一個學駕駛的比方。上世紀80年代駕駛員學習開車，學習內容包括發動機原理和修車技術。但現在學習駕駛越來越普及，很多司機連輪胎都不會換。其中有兩個方面的原因，一是汽車的自動化水平有了很大的提高，有許多智能化、輔助操作的儀表設備；二是有專業的4S店能進行車輛維修保養。我們現在的很多煉廠，還停留在上世紀80年代對司機的要求，不僅要會開車，還要會修車，還要懂發動機的原理。企業自動化水平提升，有賴于一支專業隊伍更好地輔助操作人員。中國石化應該發揮整體優勢，集合各個企業和研究院、設計院的技術實力和團隊成立專業的“4S”店，為系統內的企業做好服務和支撐。

新型芯片打造智能傳感系統

記者：安工院研制的基于介觀半導體氧化物材料的微型傳感芯片，能夠在哪些方面幫助企業實現優化？

牟善軍：現在很多電動汽車在充電的時候就可以完成檢測和設備更新，這有賴于高超的數據傳感和管理水平。在一個大區域內有一個服務中心，能夠根據實時在線監測數據分析汽車的狀況。與此類似，安工院能夠結合相關的信息技術，實現對系統內工廠的服務和支撐。而首先必須要掌握的是工廠運行和設備的各種狀態，這就需要依靠各種現場傳感器。

我們人身上的每一塊皮膚，都可以看作傳感器，能夠感知外界的溫度、壓力等的變化。前端收集到的信號傳送到大腦里，通過大腦分析得出結論。對于前端傳感器來說，要求是很低的，但是通過大腦的不斷嘗試、學習，能夠建立認識，甚至進行綜合判斷。比如品酒師不僅能品嘗出酒精度數，還能喝出酒的品種和產地、貯藏時間、品質優劣等。這就是智能傳感。智能傳感有幾個階段。我們通過氣體傳感器感知氣體的種類、濃度，把這些數據收集在一起進行綜合判斷，就好像人的1萬多個味蕾把酸甜苦辣等基本的味覺綜合起來分析，嘗出酒的味道一樣。

記者：為什么要研制這種新型傳感器，與傳統傳感器相比有什么優點？

牟善軍：現在采用的傳感器大部分是傳統的傳感器。比如測溫度、壓力、可燃氣體等的傳感器，基本都是專用的，而且體積很大、價格昂貴。

在傳統的管理理念和體系下，這樣的傳感設備可以滿足需求。但是在全新的數字化、智能化管理理念中，需要打造全新的傳感體系。首先，我們要實現傳感器的微型化、廉價化。如果要像人的皮膚遍布全身一樣，就需要傳感器材料成本低、體積小，能夠集成多種功能。其次，我們需要建立一個體系，不是單一的產品，而是一個智能網絡。通過無線信號收集遍布工廠的傳感器數據，集中到數據分析中心“大腦”里，判斷工廠有沒有異常泄漏、源頭在哪里、是否有害。更進一步，我們這個系統將實現多途徑發展，通過云計算共享的數據“訓練”傳感器，就像訓練導盲犬、搜救犬、緝毒犬一樣，使它實現不同的功能。

安工院的研發團隊經過4年攻關，以介觀結構組裝與表界面調控技術為核心，通過水熱合成、化學氣相沉積等方法，實行納米化制備，改善材料性能，開發出三類20余種對有毒、可燃氣體具有靈敏甄別能力的新型氣敏材料。

在此基礎上，我們的科研人員進一步采用集成工藝，將納米尺度敏感材料與微尺度芯片有機結合，構建具有快速響應、低能耗與靈敏甄別能力的廣譜傳感芯片矩陣。開展了針對硫化氫、苯系物等有害可燃氣體響應特性研究，初步形成集可進行長時間混合氣氛實時監測、數據處理、組網定位和信息傳輸于一體的便攜式監測節點，為突破感知盲區、實現精細化在線監測提供了基礎和支持。

記者：下一步我們可以利用這種傳感器做哪些方面的嘗試，進一步的研發方向是什么？

牟善軍：通過大量的傳感前端，我們可以組建神經網絡或者對設備環境建立指紋。人的基本味覺只有酸甜苦咸等幾種，但程度可以不一樣，每一個味蕾感知到的味覺排列組合，能夠組成上千種味道。我們的傳感器每一個都是廣譜的，對各種氣體都有一個不同的反應曲線，排列組合之后，就能得到多種可能性。對于每種背景氣體，我們都能建立獨一無二的指紋。

第一步我們先做硫化氫識別傳感器，提高準確性，下一步可以識別可燃氣體等多種有害氣體，甚至成為哨兵報警器。我們知道，事故發生之前會有所謂的哨兵事件，即在很多事故隱患和未遂事件中，有一些未遂事件可能會直接導致重大事故。通過一個不到1000元錢的微型便攜式傳感器，就可以隨時隨地監測有毒危險氣體、缺氧環境等，未來我們會努力讓其成為現場操作者的標配。利用無線傳輸技術連接的大規模密布的固定報警器，也能夠廣泛應用于能源化工行業各類作業場景，可以靈敏識別作業現場的危險氣態組分，結合后端應用可以實現智能預警，被稱為企業未來最值得信賴的智能哨兵。

在此之前，安工院研制了基于無線通信、大數據與云計算和移動應用技術的蜂窩布局雷電預警系統，能夠提前10～30分鐘預報雷電，提高了石化工廠、油庫等雷電安全管理水平，保障了生產安全。將來我們希望這種智慧傳感系統能夠在系統內企業、全國范圍內逐步推廣，提高企業的數字化管理水平。

記者：在助力企業建設智慧工廠、實現智能化方面，安工院下一步還有哪些工作設想？

牟善軍：智能工廠建設，首先要實現智能感知。感知的最前端就是傳感器，為了適應將來發展，傳感器的小型化、智能化是邁不過去的坎兒。這與數據的移動應用是一個緊密關聯的體系。

目前，我們正在建立中國石化HSSE大數據中心，將成為整個中國石化的生產設備的健康中心和服務中心。我們將從系統、專業、風險和數字化這四個要素出發，對生產企業進行關鍵指標的跟蹤、實時監控和定期指導。希望這個數據中心能在工藝平穩性、設備完整性、設計合規性等方面保障工廠的安全，能成為整個中國石化系統企業原始數據的支撐平臺。這是我們的構想和努力方向。