移动式多功能防爆监控终端研制及远程监控平台研发

2019-06-05王廷春张亚丽穆波吴瑞青

石油化工自动化 2019年2期

王廷春，张亚丽，穆波，吴瑞青

（中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东青岛266101）

石化行业是一个高风险的行业，涉及高温高压、易燃易爆、有毒有害介质，物料危险性大，发生火灾、爆炸、群死群伤事故概率高，发生事故时损失巨大。为了保障石化企业安全生产，除了加强安全管理工作外，建立安全监控系统也尤为重要，实现现场情景和视频等信息的实时采集及分析，提高应急反应处理能力和反应速度，以及员工和周边的安全，为安全生产和指挥调度提供准确及时的第一手资料，为事故调查与分析提供直接证据。

为了保障企业安全生产，国务院安全生产委员会印发安委［2016］1号文《关于2016年安全生产工作要点的通知》中指出，实施安全技术防范工程，深化信息化与安全生产业务融合，运用互联网、物联网等技术手段提高监管效率和水平。为切实加强直接作业环节安全监督管理，全过程、全方位、全天候的监控生产作业现场和生产经营活动的安全状况，中国石化集团公司2015年下发《中国石化安全视频监控系统配置管理规定》，利用安全监控系统及时发现事故隐患和“三违”现象，遏制和杜绝事故发生。目前，视频监控已在石化行业得到了大量的应用，如：油田无人值守、炼化装置区监控、油库加油站监控、工程现场监控，但仍普遍存在一些问题：一是无法满足视频监控全覆盖、无盲区的要求，对于一些特殊作业地点，如：受限空间、装置集中区作业及一些建设项目施工区域等易被遮挡或有条件限制的区域、临时或流动的作业场所等，固定视频无法实现灵活布置、全覆盖、无盲区；二是移动式多功能的防爆监控设备缺乏，尤其是缺乏具有检测与预警功能的多用途、可移动式的监控设备，对于受限空间作业，现场缺乏多种气体传感器，当作业现场气体浓度发生变化时，不能在第一时间获知风险，同时现场监护人员和远程人员也难以第一时间掌握受限空间内有毒有害气体情况，延误最佳救援时机；三是监控功能单一，大多数视频监控系统仅是单纯监视功能，智能管控尤其是视频智能分析、预警功能少，不能与其他应用进行融合，缺乏包含固定、单体等多类型设备成套解决方案及远程监控平台。因此，有必要研发集视频监控、气体检测与报警、定位、数据传输等功能于一体的新型移动式多功能防爆监控终端，并结合远程监控平台的开发，实现作业人员、现场监护人员和远程人员对高危特殊场所作业过程危险源的全程、无死角的监控，以提高对高危作业风险防控能力和安全监管水平，降低事故的发生。

1 移动式多功能防爆监控终端研发

为实现作业人员、现场监护人员和远程人员对作业现场危险源的全方位、无死角的监控，针对石化企业作业现场风险的特点，通过集成网络技术、视频技术、气体检测技术以及无线定位技术等，并结合石化企业高防爆的要求，研发了移动式多功能防爆监控终端设备。该设备由壳体、摄像头、云台控制器、气体探测器、CPU处理电路、定位电路、远程图像传输电路、报警电路、通信电路、同步电路、电源电路、信息存储电路、信息采集电路等部分组成。其主要部分是防爆摄像系统和气体监测与报警系统。

1.1 防爆摄像系统

防爆摄像系统构成如图1所示，其中，录像模块对监控区域进行实时录像并获得相应的视频；拍照模块对重点区域进行定时拍照；设置模块对各个模块的参数进行设置；上传模块对录像模块获得的视频、拍照模块取得的照片进行上传；视频存储模块对录像模块获得的视频进行存储；时间选择模块可选择白天模式或夜间模式；视频回放模块对录像模块获得的视频进行回放；声音控制模块根据环境特征参数、个性化特征参数进行声音控制；视频质量管理模块对录像模块获得的视频进行质量管理并提高视频质量；处理模块对录像模块、拍照模块、设置模块、上传模块、视频存储模块、时间选择模块、视频回放模块、声音控制模块、视频质量管理模块收集到的信息进行处理。该系统增加的录像、拍照、设置、上传、视频回放等多种功能，方便使用，满足了监控的需求。

图1 防爆摄像系统构成示意

1.2 防爆气体监测与报警系统

防爆气体监测与报警系统构成如图2所示，包括进气口、通道、风扇、检测系统、采集器、处理器、校准器等。其中检测系统中，控制器与监测器相连，用于控制风扇的旋转速度；监测器与探测器相连，用于监测气体是否有泄漏和监视系统的温度；探测器采用红外线探测，与传感器相连，用于探测气体的浓度是否超标；传感器与摄像器相连，用于把气体转换为电信号；摄像器与第一报警器相连，用于拍摄气体流动的过程；第一报警器起警报作用，气体浓度超标或气体泄漏时或系统温度过高，第一报警器发出警报。该系统能够完整采集系统的整体信息，提高了准确性、抗干扰性、安全性能，采集速度更快，结构简单，操作方便。

1.3 监控终端主要部件设计及选型

为了使该设备能够具有高防爆、低功耗、视频画面清晰、气体监测精度高、数据传输快等高性能，在部件的设计、选型等方面充分借鉴国内外先进设备，其主要部件设计、选型及参数见表1所列。

图2 防爆气体监测与报警系统构成示意

表1 监控终端主要部件设计、选型及参数

续表1

1.4 监控终端设备主要特点

与国内外类似设备相比，该设备集视频监控、气体检测与智能报警、定位、数据传输等多功能于一体，且具有高防爆、低功耗、在线流量消耗小，检测气体种类达26种，电池使用温度-25～+55℃、续航时间大于12 h等优势，其主要特点如下：

1）兼具视频监控、气体监测与报警、GPS/北斗双模定位、数据传输等功能。

2）整机防爆设计，可适用于防爆I区，防爆型号：ExdibIIB+H2T4Gb。

3）支持移动、联通、电信的3G/4G/华为专网，可使用所有运营商网络。

4）本地和远程可360°调节防爆云台，进行旋转监视和巡视。

5）可对H2S，CH4等常见的26种有害气体快速分类测定，气体检测探头更换简单。

6）配备便携式外接声光报警器，可同时实现受限空间内外气体浓度显示及报警。

7）本机自带的显示屏和远程后台均可实时显示、查看视频摄制位置与效果及内容。

8）适应性强，另外支持本地与远程异常流量保存与查看，降低数据流量费用成本。

9）采用“三串两并”磷酸铁锂电池，可在-25～+55℃的作业环境中连续工作12 h以上。

10）外配三脚架，可升降，垂直角度可调节，便于将监控终端设备放置于作业现场适当位置。

2 远程监控平台研发

2.1 平台总体架构

为实现对石化企业高风险作业全方位、全过程远程监控，利用本文研发的移动式多功能监控设备，并结合物联网、互联网、视频监控与分析、远程通信、气体探测及位置服务等技术进行集成应用开发，形成高效联动的作业现场全过程远程监管平台，有序地对相关信息进行采集、传输、管理、分析、显示、报警和控制，提高对作业现场风险发现、监控、预警、分析研判和应急处置的能力，实现石化企业高风险作业的全过程有效监控。因此，该平台应能对作业现场中的音视频信息、有毒有害气体浓度、作业场所的位置等信息进行实时监测和远程发布，远程人员可通过该平台获取作业现场安全信息，进行监管。平台总体架构是基于物联网架构设计，主要包括感知层、传输层和应用层三个层面［1-2］，其网路拓扑结构如图3所示。

图3 远程监控平台网络拓扑结构示意

1）感知层。感知层通过带有视频摄像头、气体监测等多种类型传感器的可移动终端设备来获取高危作业场所发生的各种物理事件及数据信息。视频摄像头获取作业场所中关键作业行为的音视频信息，气体传感器识别作业场所中有毒有害气体浓度，GPS/北斗识别作业场所位置坐标信息，陀螺仪精确测量摄像头偏转、倾斜时的转动角速度。

2）传输层。传输层是将来自感知层的各类信息进行接入和传输，通过基础承载网络上传到应用层的平台服务器，包括：移动/电信3G/4G，华为专网4G，WIFI，APN内网。

3）应用层。应用层包括平台服务器、数据库服务器、云端服务器以及客户端。平台服务器利用标准协议接口（GB 28181）及国际标准协议接口（ONVIF）进行通信控制、数据处理、驱动交互、视频传播及基础服务，同时将数据保存到数据服务器中。应用服务层采用C/S与B/S混合模式开发，使得平台既具有良好的安全性、较强的交互性、较强的数据处理能力、不受各种浏览器制约等C/S模式的优点，同时也具有使用简单、界面友好、易于维护、升级扩展性好等B/S的优点［3］。数据库服务器提供数据的可靠存储和查询等任务。客户端供用户方便地完成浏览、操作等，该监控平台支持多种客户端终端设备如计算机、平板电脑、智能手机等，可供企业管理人员随时监管作业现场的安全生产情况。同时，平台服务器还可以把数据存储在云端，提供云服务，方便用户远程访问。

2.2 平台主要功能

远程监控平台帮助企业建立先进、高效的高风险作业环节管理模式，借助移动视频监测监控手段实现用火、用电、受限空间、高处、起重、盲板抽堵、破土等高风险作业环节全程、全方位监管，平台主要包括作业现场风险监测、智能分析、报警管理与处置、区域联动、监控历史查询、GIS应用及电子看板、综合统计、监控设备管理等功能模块，下面从各个功能模块来解析远程监控平台在高危作业的安全管控方法，远程监控平台功能结构如图4所示。

图4 远程监控平台功能结构示意

1）作业现场风险监测。石化高风险作业日常管理中，存在一些突出的共性问题：作业前执行的安全措施虽然已落实，但由于作业过程中某些操作会导致作业条件发生变化，例如：受限空间中气体浓度变化，而作业人员无法及时、连续获知相关信息［4-5］。为此，在作业现场利用移动式多功能监控设备实时检测现场气体环境，当气体浓度发生变化时，可对作业人员及时提醒并发出预警信息，提醒作业人员迅速撤离现场，同时远程人员也可以利用远程监控平台，实时获取作业现场危害气体浓度、视频信息、作业场所位置等信息，当发现报警时迅速通知安全监管人员采取安全管控措施，从而实现有效地风险监控，及时为作业人员、现场监护人员和远程人员提供风险警示。

2）智能分析。平台能够对获取的作业现场信息进行智能分析，包括视频智能分析、视频智能分发与转发、危害气体浓度超标智能分析、应急撤离路线智能分析等。视频监控是一种很重要的监控和震慑违章行为的手段，而完全依靠人工监视视频画面极易出现监控盲区和漏查漏报情况，利用视频智能分析技术，可实现在线自动识别不戴安全帽、不系安全带、违规使用通信设备、抽烟等典型违章行为，并实施报警和视频信息智能推送至相关管理人员，提高监测监控的针对性［6］。当现场危害气体浓度超标时，监控设备根据报警规则能够进行周边与远程报警，平台可将报警信息智能地推送给相关人员，同时根据报警信息、作业点的分布及现场人员分布等信息，结合专家知识库，平台还可智能推荐现场人员应急撤离和救援路线，并在地图上展示。通过这些智能分析，大幅提高了对作业现场风险的防控能力和应急处置能力。

3）报警管理与处理。该平台主要包括危害气体浓度超标智能报警、典型违章行为智能报警、现场监管人员手动操作监控设备进行报警、远程人员通过监控平台手动触发监控设备报警、监控设备传感器发生故障时自动报警等多种类型报警。当出现这些报警，平台会主动将报警信息推送给作业负责人、作业人员、监控人员、监控设备负责人，并由作业负责人填写报警原因、处理情况等相关信息，实现报警的闭环管理。

4）区域联动。高风险作业过程中，当发生报警事件时，会引发报警设备以外的相关设备报警，及时提醒同一区域内的作业人员，提前做好防范措施。如：当气体浓度超标报警时，自动触发同一区域的设备报警；当手动报警或违规报警时，可从同一区域的关联设备中选择设备报警。

5）监控历史查询。该平台可实现本地和远程实时记录监控设备采集的视频信息、危害气体浓度信息、作业场所的位置信息以及摄像头转动角速度信息，日后可进行查询和统计，为管理决策提供支持，为事故调查与分析提供直接证据。

6）GIS应用及电子看板。借助移动监控设备自带的GPS/北斗定位，一是可将厂区各作业分布情况、报警点分布情况实时展示在地图中，帮助企业安全管理人员全面、及时、准确地掌握厂区内作业动态分布情况，一旦发生事故需要疏散或救援人员时，及时掌握人员的位置信息及撤离路线，及时高效地派遣人员实时营救；二是可将厂区历史报警位置分布情况展示在地图中，帮助管理者分析报警原因，采取有效措施，减少异常情况发生；三是可将监控设备历史位置轨迹展示在地图中，据此判断高风险作业现场是否按规定架设移动监控设备，保证视频监控的震慑作用；四是可将系统推荐的应急撤离和营救的路线展示在地图中，提高作业现场应急处置能力。

此外，利用平台中电子看板和作业地理信息，在三维地图中将厂区的信息进行目视化管理，借助现场视频监控，方便安全监管人员及时了解安全生产情况，同时建立可视化事故应急预案，提高事故应急处理时效性。

7）综合统计。利用监控平台中存储的作业现场信息、报警及处置信息，可进行实时监控汇总、报警次数统计、危害气体浓度历史趋势分析、监控设备访问和连接情况统计等多种统计分析和数据挖掘，为管理决策提供支持。

8）监控设备管理。该模块包括监控设备增减管理、监护设备使用计划管理、监控设备维修情况管理、监控设备关联关系维护等，是监控平台正常运行的基础。

3 应用情况

移动式多功能防爆监控终端及远程监控平台，已在青岛石化、天津石化、荆门石化及神华集团有限责任公司等多家企业进行了应用，解决了对高风险特殊作业现场危险源全程、全方位监控的难题。通过监控设备可移动、高防爆且集成视频监控、危险气体浓度检测、作业场所位置、智能报警和联动以及远程监管，提高了监控设备及平台适用范围，增强了对作业现场风险发现、分析研判、预警、监控和应急处置能力，提升了作业现场风险管控的实时性和有效性，大幅提高了监管的执行力和工作效率，有效控制了直接作业环节风险，提高了对作业现场风险防控能力和安全监管水平，显著提高了企业安全业绩，取得了较好的效果。