基于物联网的危险化学品仓储信息监测与预警系统

2018-03-02李林森朱磊基

智能计算机与应用 2018年1期

倪凯，李林森，朱磊基

(1 上海市安全生产科学研究所，上海 200233; 2 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200241; 3 上海物联网有限公司，上海 200233)

引言

随着中国工业化进程的不断深入，危险化学品的生产、储存、运输、销售和使用等过程的安全和环境问题日益突出。危化品仓储介于产品生产与使用环节之间，存储量大、集中程度高，因而对于存在极大安全隐患的危险化学品仓储而言，其安全管理工作更是社会关注的焦点。由于危化品与普通货物的物理及化学性质存在较大差异，从而使得危化品在包装、运输、装卸、仓储等方面与普通货物明显不同。自天津港区危化品仓库爆炸事件发生以来，危化品的生产、经营、储存、运输、使用、处置各环节受到了国家各级政府部门的高度重视。目前企业安全生产事故风险预警的研究刚刚起步，许多理论问题有待进一步澄清，许多技术问题有待解决[1]。物联网的核心和基础是互联网，关键在于根据监管需求选用技术，能有效识别、定位或跟踪相应的危险化学品载体，能与基于互联网的信息管理平台进行良好的数据交换和通信，最终形成智能化实时监控网络。

物联网技术是通过射频识别RFID(Radio Frequency Identification)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术[2]。物联网技术作为对传统互联网技术的延伸，广泛应用于以数据为中心的环境监测、应急救灾、安全监控等领域。

面对物联网技术的快速发展，国内外学者在物联网和危化品监管领域开展广泛研究。张定义[3]提出了一种基于物联网和 ZigBee 无线通信技术对化工园区进行实时可靠数据采集和监控的系统，通过在化工园区重点安全部位部署传感器节点，实现对易燃易爆及有毒有害物质的实时数据采集和监控。匡蕾[4]等基于射频识别技术(RFID)成功探索研究了对危险化学品移动危险源的实时追踪定位，便于运输、使用危化品的人员对其进行很好的监控。吴凌峰等[5]建立了危险化学品生产与储存场所的危险化学品库容风险当量评估模型，指导危险化学品生产与储存场所对库存进行统筹规划和管理。

目前，中国危化品仓储企业现代化水平普遍较低，在信息化管理上的投入明显不足[6]。很多企业气体泄漏报警系统、消防探测系统和视频监控系统装置只能自成一体，无法实现对仓储和危险化学品货物的联网联控。本文针对危险化学品仓储安全管理现状，提出一套基于物联网的危险化学品仓储信息监测与预警系统，采取电子标签和二维码、条码等综合应用的方式，不仅限于一种标签，以充分发挥物联网识别技术的整体优势，可以有效提高危险化学品仓储企业管理可视化、智能化和标准化，全面提升危化仓储企业本质安全。

1 数据采集关键技术

物联网的各种应用都依赖于物联网形成的信息交换网络，该信息交换网络涉及信息的感知与识别、信息通信与组网、信息处理与应用三个层面，对应也构成物联网的三个层次体系，即感知层、传输层和应用层。在每一层和层与层之间都包含了相应的关键技术和研发领域。

基于物联网的危险化学品仓储信息监测与预警要针对危化仓储关键信息采集与监控，信息监测和预警的目标是危化品全过程管理中事故发生频率较高的危化品仓储环节。数据采集的关键技术是多参数一体化探测节点、自组织信息融合传输网络和信息监测及应急预警等。基于物联网的监测与预警系统数据采集结构如图1所示。

ZigBee由于其低功耗的特性,有着广阔的应用前景,主要应用在数据传输速率不高的短距离设备之间,非常适合物联网中的传感器网络设备之间的信息传输,利用传感器和ZigBee网络,更方便收集数据,分析和处理也变得更简单[7]。

无线传感器网络不但具有感知和通信能力，还具有计算能力，通过传感节点采集环境信息，并可将信息传输到很远的协调器，WSN 网络典型特点就是多跳的星形网络，这样就为任意两点的通信提供了多种路径，即使某一个节点不工作了，也可以通过其它路径传输，所以 WSN 网络有很高的稳定性，而且传感节点的工作方式都采用定时发送，功耗也较其它网络更低[8-9]。

图1 数据采集监测系统结构Fig. 1 System structure of data collection

射频识别，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频标签是产品电子代码(EPC)的物理载体，附着于可跟踪的物品上，可全球流通，并对其进行识别和读写。RFID技术作为构建物联网的关键技术近年来受到人们的关注[10]。

二维码与RFID都可以作为物品标签发挥作用，使物体信息得以整合管理。二维码是物联网感知层的一部分，属于物联网感知与识别技术的一种[11]。二维码误码率不超过千万分之一，具有对不同行的信息自动识别功能。同时二维码标签价格低廉、体积小，既克服了RFID电子标签对金属和液体目标识别的困难，又克服了RFID电子标签对危化品质量的影响，二维码在仓储物流系统已经有很多成功应用案例，针对危化仓储系统，通过制定统一的危化品二维码编码形成标签，采用移动终端识别二维码标签，从而识别与二维码绑定的危化品信息。

2 ZigBee和RFID集成

作为独自作用的系统,RFID与ZigBee各自的体系架构都比较成熟,但对于两者融合的架构,国内外都还在研究探索[12]。

由于目前物联网的协议标准还没有统一,各个标准化组织提出了基于其自身协议的物联网体系架构,如日本Ubiquitous ID中心提出的泛在识别(Universal Identification, UID) 网络和美国EPC Global推行的电子产品编码(Electronic Product Code, EPC) 方案；这样物联网架构下RFID和ZigBee融合就分别形成了 UID传感器网络系统和EPC传感器网络系统。这2种系统都是为了建立全球化的信息流通和共享的网络体系而在现有的物联网架构上将ZigBee釆集到的数据通过合适的接口融入到物联网当中,这个网络能综合利用传感器和RFID标签中的数据[12]。

针对危化品仓库监测，通过集成温度、湿度、CO/CH4气体浓度、RFID标签读卡器的多参数一体化探测节点实现监测数据采集，基于模块化的设计思路，集成RFID射频通信模块、ZigBee无线通信模块、核心数据处理模块和电源模块等关键模块形成一体化的信息探测节点，节点可实现危化品仓储环境温度、湿度、CO/CH4气体浓度等信息监测，同时，借助集成的RFID射频通信模块，可完成一体化节点监测区域内危化品RFID标签信息获取。

考虑监测区域内部署节点活跃状态和休眠状态的轮换机制，通过覆盖控制算法，在保证网络覆盖质量的情况下，让冗余节点进入休眠状态，降低网络的覆盖耗能。同时，减少活动节点数目，降低网络监测的冲突率和网络数据流量，减少信息传输能耗，节约网络能力，提高网络生存时间。在部署的覆盖网络区域中，基于一跳转发的EMSH网络架构，形成无缝覆盖的三层传输骨干网络模型。通过网络层加载动态网络路由算法，完成快速高效的信息路由功能，支撑节点数据的监测传输需求。

系统采用集成方式实现，搭建危化品仓库监测系统的信息采集和传输子系统。主要模块功能是温湿度变送器、甲烷变送器及一氧化碳浓度变送器采用标准的4～20 mA通信接口与RTU进行数据交互，RTU将采集到变送器的数据送入工控机进行协议解析，无线传输部分采用DTU方案，利用GPRS实现传感器与云平台的数据同步。

3 物联网监测数据采集

3.1 气体监测

气体浓度检测报警仪，包括可燃气体检测报警仪和有毒气体检测报警仪，少量情况下需要安装氧含量报警仪。可燃气体浓度检测报警仪，主要针对可燃气体或甲类、乙类可燃液体气化后形成的可燃气体的浓度进行浓度探测。有毒气体检测报警仪，主要针对通过肌体接触可引起急性或慢性有害健康的气体。目前强制安装有毒气体报警仪的是《高毒物品目录》中所列的有毒蒸气或有毒气体，常见的有二氧化氮、硫化氢、苯、氰化氢、氨、氯气、一氧化碳、丙烯腈、氯乙烯、光气等。氧含量报警仪，主要用于检测环境中的氧含量，对于一些较封闭的储存惰性气体的仓库需要安装，但无强制性规定。

3.2 消防探测

包括各种火灾自动报警系统的探测器，主要包括感温火灾探测器、感烟火灾探测器、火焰探测器、一氧化碳火灾探测器、可燃气体探测器等。同时增加与自动灭火设施相关的消防水的压力、消防泡沫的储量监控等。这些信息通过消防系统终端(火警控制盘)进行汇总。

3.3 视频监控

主要的视频监控包括各出入口，各仓间门口、通道、仓间内部的监控，针对爆炸危险区域使用防爆型监测设备，通过画面了解各被监控场所的实时情况，管理人员远程巡视库房现场情况，也可以通过存储视频进行事件重演。

3.4 气象数据

主要包括环境温度、湿度、风力、风向，可以通过直接安装气象测量设备进行数据采集，也可以通过接入天气预报数据。在仓库内，根据规范要求安装温度计、湿度计，要求巡检人员每日巡查、做好记录。

4 信息监测与预警系统

信息监测与预警系统遵循企业管理与政府监管一体化思路建设，一方面解决中小危险化学品仓储企业仓储管理的实际需求，通过基于物联网监测数据采集，提高危化仓储企业安全管理水平，防范风险事故发生。同时通过数据交换接口，将不涉及企业商业秘密的数据上传政府监管部门，可以在宏观层面实时掌握危化品存储总量分布。基于物联网技术，构建基础数据采集、企业仓储管理、危化物流监控、事故预警、政府监管、应急救援为一体的信息服务平台。

基于物联网的危险化学品仓储信息监测与预警系统采用模块化结构，按业务组件化、功能服务化为设计思路，构建一个完整的分布式信息管理平台体系。平台由感知层、传输层和应用层三层结构构成，通过数据交换接口，实现与政府监管平台和应急管理平台的对接，形成企业应用、政府监管、应急管理的多方位应用。系统平台架构如图2所示。

感知层是数据来源的基础，这些数据除了基于物联网的各类采集数据，也包括危化品特征数据、仓储管理和运输环节的数据。危化品的特征数据包括成份信息、危险性概述、急救措施、消防措施、泄露应急处理、操作处置与储存、理化特性、防护措施等。仓储管理信息包括品名、规格、计量单位、入库时间、有效期、生产厂家、库位、操作人员等。运输数据包括货物名称、计量单位、物流来源、货物去向、运输人员、运输车辆等。

图2 危险化学品仓储信息监测与预警系统

Fig.2Informationsystemofmonitoringandwarningonhazardouschemicalstorage

传输层完成感知层信息和应用层的信息传递，由于数据采集方式的多样性，数据传输也是通过ZigBee无线网、无线传输、3G/4G骨干网和以太网等多种方式实现，基于协同信息采集技术和信息采集中间件技术，利用异构网融合、信息存储管理和远程控制技术进行协调和控制。

针对危化仓储货物，系统采用RFID和二维码结合的方式进行管理。通过二维码动态认证方案，引入认证次数和第一次认证时间的参数，使得二维码不能被重复利用，彻底杜绝造假者的仿制、复制、重复利用，真正实现一码一产品的认证效果，抵御中间人攻击、重放攻击、小数攻击等安全威胁，并实现二维码标签和服务器端的双向认证，具有较高的安全性。

通过设计安全性能好的本质安全型防爆读写器和电子标签，使得RFID系统的热能、电能均低到不会使爆炸性气体燃烧。利用RFID技术，通过建立托盘数据库，托盘绑定RFID电子标签ID号和二维码标签标识，托盘区位标识，托盘材质、尺寸，以及托盘上危化品二维码标签标识、危化品名称、数量等。通过把电子标签和二维码标签贴在托盘、货架和危化品上，用RFID阅读器和二维码识别终端可以非常迅速地将货物拣取出来。二维码识别能够通过关联查询功能，与产品数据库有效结合，从而可以实现危化品的全生命周期管理。

5 系统应用功能

系统采用基于互联网Web模式的B/S结构开发，配置Web服务器和其它各类应用服务器，以危化品仓储信息监测与预警为核心，通过用户权限控制，不同用户访问不同功能页面，仓储操作人员通过手持式RFID读写设备与系统进行数据传输，系统平台汇集仓储及运输作业前端传送的动态信息及数据。

各类传感器负责采集仓库内危化品状态信息和仓库内外部环境状态信息，利用ZigBee网络将采集到的消防、环境、气体浓度数据经过多跳的方式传递到上位机数据库中，当参数达到危险值时开启警报。对货物的RFID数据、二维码危化品库存汇总监测，发现超量、违规运输即时报警。对入库危化品进行监测，依据禁忌规则发现违规存储进行预警。危险化学品仓储信息监测与预警系统界面如图3所示。

图3 危险化学品仓储信息监测与预警系统界面

Fig.3Systeminterfaceofmonitoringandwarningonhazardouschemicalstorage

基于物联网基础数据采集，系统通过数据挖掘技术，抽取仓储企业危险化学品重要数据，利用物联网技术，侦测危化品运输车辆到达或离开，该危化品的车辆、人员信息、装卸行为是否存在违规行为的信息。实时监测危化品品种、数量信息、物流去向，根据危险化学品的仓库中的品种、数量、储存地点等变化的情况，通过大数据分析关键技术，制定超量存储、违规存储预警策略，有效查询和监控各相关企业危险化学品的库存、出入库数量和时间等信息。

基于系统平台实现对RFID设备、二维码设备、气体浓度、消防等各类数据采集设备的管理，可以对所有的设备的信息进行增加、删除以及状态査询，设备损坏后的信息提示，各类数据采集设备的查询统计等。

6 结束语

基于物联网的危险化学品仓储信息监测与预警系统能够有效防范危化仓储企业安全风险，提高数据采集的准确度和便捷性，提高企业运行管理效率。通过远距离手持终端、多协议电子标签读写器等，在危险化学品出入库、运输转移、接收使用环节实时采集数据，为危险化学品信息全程追溯提供基础。基于物联网实现危化仓储监控信息融合，提高危化仓库企业的管理安全和运行安全，有利于形成完善的危险化学品联管联控体系，提高危险化学品安全监管信息化水平。

[1] 杨涛,党光远. 企业安全生产事故风险预警研究综述[J]. 安全与环境学报，2014,14(4):123-129.

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[3] 张定义. 基于物联网和ZigBee 的化工园区危险源监控系统设计[J]. 科技通报, 2012,28(8):201-204.

[4] 匡蕾,吴起,汪丽莉. 化工园区整体安全性探索与展望[J]. 中国安全生产科学技术,2008, 4(4): 73-76.

[5] 吴凌峰,兰乾玉,吴凤山，等. 危险化学品生产与储存场所的安全库容评价模型与方法研究[J]. 安全与环境学报，2015,14(4):25-28.

[6] 范祥,叶春明,仝伟亮. 新形势下我国危化品仓储安全问题研究[J]. 物流科技,2016(10):148-151.

[7] 梁龙. RFID与无线传感网络融合研究及应用实践[D]. 成都：电子科技大学,2012.

[8] 吴娜. 基于RFID和WSN的冷链仓储管理系统设计[D]. 成都：电子科技大学,2015.

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[10]百度文库. 射频识别技术[EB/OL]. [2012-04-18]. https:////wenku.baidu.com/view/.

[11]王爽. 二维码在物联网中的应用[J]. 硅谷,2013,137(17):117-118.

[12]李韵. 基于RFID和ZigBee融合的危险化学品安全监控系统研究与设计[D]. 银川：宁夏大学,2014.