智慧传感芯片成为石化企业安全智能哨兵——访青岛安全工程研究院副院长、总工程师牟善军

□ 本刊记者 许帆婷 郑国江

智能网络能通过无线信号收集遍布工厂的传感器数据，集中到数据分析中心“大脑”里。更进一步通过云计算共享的数据“训练”传感器，就像训练导盲犬、搜救犬、缉毒犬一样，使它实现不同的功能。

青岛安全工程研究院副院长、总工程师牟善军。

今年年初，中国石化青岛安全工程研究院的“基于介观半导体氧化物材料的微型传感芯片研制与应用”项目获得集团公司2018年度前瞻性基础性科学一等奖。

能源化工行业作业环境复杂，近年来多次出现的中毒、燃爆等重大事故为全行业安全生产敲响警钟。在安全环保形势日益严峻的今天，能够快速感知异常、识别风险并及时处置，对企业增强核心竞争力有重大意义。

近期，本刊记者采访了中国石化青岛安全工程研究院副院长、总工程师牟善军。他认为，应该集中全系统的相关技术力量和专家团队，对各个企业实现服务和支撑。其中，安工院研发的新型芯片有助于构建智慧感知、自主学习的智能监测系统，真正成为企业安全平稳运行的哨兵。

行业竞争倒逼数字化转型

记者：研究智能传感芯片的大背景是什么样的，为什么要做这方面的研究？

牟善军：近年来，石油化工行业的竞争越来越激烈。参与市场竞争的角色日渐多元化。民营炼厂企业的投资规模和市场份额都在不断扩大。近年来正在新建或已经投产了一批千万吨级的大型炼化一体化项目，比如浙江石化、恒力石化等。同时，世界石油化工巨头巴斯夫、埃克森美孚等公司，也陆续以独资或合资形式进入中国。可以预见，中国的炼油能力过剩将加剧，市场竞争将进入白热化阶段。市场发生的种种深刻变化让我们意识到，石油化工行业正在成为一个充分竞争的行业。在这样的大背景下，安全环保和能效成为企业的核心竞争力。一个企业首先要生产稳定、不出事故，然后才能保证产量，提升效益。

记者：您认为如何才能增强企业的核心竞争力？

牟善军：首先企业的安全环保要做到不出事，然后才能谈到生产效率问题。我们石油化工企业的生产原料原油价格和产品定价，不是某个公司能够说了算的。唯一能够比拼的，就是生产过程中如何降低成本，因为生产成本决定了企业的效率。

近年来逐渐成熟的人工智能、云计算和大数据等技术的应用，为企业实现生产优化提供了很好的工具。想要大幅度提高能效，必须实现数字化转型。比如，中国上千年的农耕文化，包含了老祖宗的智慧：什么样的季节、土壤和气候条件，种植什么样的作物，以及如何播种、施肥、收割。只不过都装在人的脑袋里，没有形成系统表述，所以这样的经验只能口口相传。如果用数字化手段，把条件和规则都设计好，自动感知和操作，就能大幅度提高农场效率、降低人工成本。农业的工业化实际上是从经验到数字化的过程。

石油石化行业是流程行业，在提高自动化水平上有天然的优势。但从这几年的发展来看，在智能化方面我们是远远落后的。机械加工行业、电子装备行业都已经实现了无人工厂、黑灯工厂、无人码头。但是我们石油石化行业目前还远远不能达到无人的标准，离智慧工厂还有很长的路要走。

打一个学驾驶的比方。上世纪80年代驾驶员学习开车，学习内容包括发动机原理和修车技术。但现在学习驾驶越来越普及，很多司机连轮胎都不会换。其中有两个方面的原因，一是汽车的自动化水平有了很大的提高，有许多智能化、辅助操作的仪表设备；二是有专业的4S店能进行车辆维修保养。我们现在的很多炼厂，还停留在上世纪80年代对司机的要求，不仅要会开车，还要会修车，还要懂发动机的原理。企业自动化水平提升，有赖于一支专业队伍更好地辅助操作人员。中国石化应该发挥整体优势，集合各个企业和研究院、设计院的技术实力和团队成立专业的“4S”店，为系统内的企业做好服务和支撑。

新型芯片打造智能传感系统

记者：安工院研制的基于介观半导体氧化物材料的微型传感芯片，能够在哪些方面帮助企业实现优化？

牟善军：现在很多电动汽车在充电的时候就可以完成检测和设备更新，这有赖于高超的数据传感和管理水平。在一个大区域内有一个服务中心，能够根据实时在线监测数据分析汽车的状况。与此类似，安工院能够结合相关的信息技术，实现对系统内工厂的服务和支撑。而首先必须要掌握的是工厂运行和设备的各种状态，这就需要依靠各种现场传感器。

我们人身上的每一块皮肤，都可以看作传感器，能够感知外界的温度、压力等的变化。前端收集到的信号传送到大脑里，通过大脑分析得出结论。对于前端传感器来说，要求是很低的，但是通过大脑的不断尝试、学习，能够建立认识，甚至进行综合判断。比如品酒师不仅能品尝出酒精度数，还能喝出酒的品种和产地、贮藏时间、品质优劣等。这就是智能传感。智能传感有几个阶段。我们通过气体传感器感知气体的种类、浓度，把这些数据收集在一起进行综合判断，就好像人的1万多个味蕾把酸甜苦辣等基本的味觉综合起来分析，尝出酒的味道一样。

记者：为什么要研制这种新型传感器，与传统传感器相比有什么优点？

牟善军：现在采用的传感器大部分是传统的传感器。比如测温度、压力、可燃气体等的传感器，基本都是专用的，而且体积很大、价格昂贵。

在传统的管理理念和体系下，这样的传感设备可以满足需求。但是在全新的数字化、智能化管理理念中，需要打造全新的传感体系。首先，我们要实现传感器的微型化、廉价化。如果要像人的皮肤遍布全身一样，就需要传感器材料成本低、体积小，能够集成多种功能。其次，我们需要建立一个体系，不是单一的产品，而是一个智能网络。通过无线信号收集遍布工厂的传感器数据，集中到数据分析中心“大脑”里，判断工厂有没有异常泄漏、源头在哪里、是否有害。更进一步，我们这个系统将实现多途径发展，通过云计算共享的数据“训练”传感器，就像训练导盲犬、搜救犬、缉毒犬一样，使它实现不同的功能。

安工院的研发团队经过4年攻关，以介观结构组装与表界面调控技术为核心，通过水热合成、化学气相沉积等方法，实行纳米化制备，改善材料性能，开发出三类20余种对有毒、可燃气体具有灵敏甄别能力的新型气敏材料。

在此基础上，我们的科研人员进一步采用集成工艺，将纳米尺度敏感材料与微尺度芯片有机结合，构建具有快速响应、低能耗与灵敏甄别能力的广谱传感芯片矩阵。开展了针对硫化氢、苯系物等有害可燃气体响应特性研究，初步形成集可进行长时间混合气氛实时监测、数据处理、组网定位和信息传输于一体的便携式监测节点，为突破感知盲区、实现精细化在线监测提供了基础和支持。

记者：下一步我们可以利用这种传感器做哪些方面的尝试，进一步的研发方向是什么？

牟善军：通过大量的传感前端，我们可以组建神经网络或者对设备环境建立指纹。人的基本味觉只有酸甜苦咸等几种，但程度可以不一样，每一个味蕾感知到的味觉排列组合，能够组成上千种味道。我们的传感器每一个都是广谱的，对各种气体都有一个不同的反应曲线，排列组合之后，就能得到多种可能性。对于每种背景气体，我们都能建立独一无二的指纹。

第一步我们先做硫化氢识别传感器，提高准确性，下一步可以识别可燃气体等多种有害气体，甚至成为哨兵报警器。我们知道，事故发生之前会有所谓的哨兵事件，即在很多事故隐患和未遂事件中，有一些未遂事件可能会直接导致重大事故。通过一个不到1000元钱的微型便携式传感器，就可以随时随地监测有毒危险气体、缺氧环境等，未来我们会努力让其成为现场操作者的标配。利用无线传输技术连接的大规模密布的固定报警器，也能够广泛应用于能源化工行业各类作业场景，可以灵敏识别作业现场的危险气态组分，结合后端应用可以实现智能预警，被称为企业未来最值得信赖的智能哨兵。

在此之前，安工院研制了基于无线通信、大数据与云计算和移动应用技术的蜂窝布局雷电预警系统，能够提前10～30分钟预报雷电，提高了石化工厂、油库等雷电安全管理水平，保障了生产安全。将来我们希望这种智慧传感系统能够在系统内企业、全国范围内逐步推广，提高企业的数字化管理水平。

记者：在助力企业建设智慧工厂、实现智能化方面，安工院下一步还有哪些工作设想？

牟善军：智能工厂建设，首先要实现智能感知。感知的最前端就是传感器，为了适应将来发展，传感器的小型化、智能化是迈不过去的坎儿。这与数据的移动应用是一个紧密关联的体系。

目前，我们正在建立中国石化HSSE大数据中心，将成为整个中国石化的生产设备的健康中心和服务中心。我们将从系统、专业、风险和数字化这四个要素出发，对生产企业进行关键指标的跟踪、实时监控和定期指导。希望这个数据中心能在工艺平稳性、设备完整性、设计合规性等方面保障工厂的安全，能成为整个中国石化系统企业原始数据的支撑平台。这是我们的构想和努力方向。