水利工程智慧安全警示告知IOT系统建设实践

李 扬

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

安全警示告知是水利工程安全标准化达标的重要组成部分，目前国内泵站主要通过视频监控、远程广播、警示牌等形式实现安全警示的目的。例如景电二期智能化泵站中安防系统通过电子围栏系统发现人员，通过远程广播进行语音告知[1]。秦淮河城区水闸泵站工程通过界桩(牌)、警示牌、围栏等形式划定安全警戒区[2]。东水西调供水工程通过安全警示培训提升职工安全意识[3]。中新生态城泵站采用红外四光束对射边界报警设备实现周界报警[4]。油田行业如长庆油田[5]采取物联网技术实现数据采集、远程报警的尝试。江都第四抽水站在对现有安全警示系统进行分析的基础上，完成了水利工程智慧安全警示告知IOT系统建设实践。

1 原安全警示系统分析

原江都第四抽水站安全警示系统包括两个部分：一是目视化，主要包括安全警示标语、标牌、危险源告知牌、场所有害因素告知牌等；二是自动化系统集成基于机组运行参数实时监控的安全警示报警系统。本文重点讨论安全警示报警系统的改进。

1.1 自动化系统中警示报警系统的优点

原自动化系统警示报警有以下优点：

a.实现了对所有数据的实时监控。系统集成了对主辅机系统、压力油系统、水循环系统等电压、电流、功率因素、油压、油温、瓦温、水压、开关量等的实时监控。

b.实现了参数超限报警。主要有三种方式：ⓐ相关数据显示警示色，如瓦温超温时直接显示为红色；ⓑ弹出对话框，文字显示报警内容，如“一号压油装置油压低”；ⓒ当有报警信号发出时，主机音响发出“滴滴”报警音。

1.2 自动化系统中警示报警系统的不足

经过数年的使用，原自动化警示报警存在以下不足：

a.报警通知范围有局限性：目前仅在集中控制室以及机务值班室控制主机上显示报警，运行值班人员巡视时发生的报警信息则无法及时传递给未在控制室或值班室的泵站管理人员。

b.报警信息的消除机制不合理：目前报警消除通过点击报警窗口中的报警消除按钮实现，消除后如参数仍超限值，则反复报警。例如更换铂热电阻通常在机组大修时进行，机组瓦温铂热电阻故障导致的误报警在运行期间就会反复在主控电脑上报警。

c.报警声音单一、指向性不明确：当运行人员听到报警音后，并不能够直接判断出故障点，需要打开组态软件进行查询后才可得知，无形中延长了某些紧急故障的反应处理时间。此外，当有无法立即排除的故障信号反复报警时，则会掩盖新发生的故障报警，导致运行人员不能第一时间发现新报警。当报警音反复不断响起，又无法消除时，运行人员通常会选择关闭报警音响，无形中增加了工程隐患。

1.3 改进方向

在对现有基于自动化控制系统的安全体系进行分析的基础上，提出了安全警示需要更多的人性化、物联化和智能化。

a.人性化。传统的安全警示主要通过安全警示标牌、标语的形式进行安全告知，如“止步、高压危险”“线路有人工作、禁止合闸”等，这样目视化的安全警示适用于有一定专业基础的人员。如果进入工程相关区域的是未成年人则可能无法起到警示效果，这样的情形下，我们需要有一种更容易被广大受众接受的警示方式——语音警示。

b.物联化。目前，很多水利工程已经安装有安全警示系统，能够实现有人进入，播报响应语音。但如果管理者需要进一步了解人员进入该工程区域的时间、频次，则无能为力。此外，如果需要新增安全警示区域，则面临着凿墙、穿管、布线等一系列工作，费工费时。因此需要将安全警示系统各个部件物联化。江都第四抽水站基于IOT平台，通过进一步开发整合，将所有检测部件、发声单元、发光单元等一键联网，管理者可随时用手机APP查询各部件工作状态、人员通过时间等具体信息。

c.智能化。当检测单元(各型传感器)发现有人经过时，触发警示语音。这是一条最简单的逻辑，但会遇到如下问题：ⓐ如果来了几十个人，不断经过该位置，语音系统是否会反复播报；ⓑ如果近距离内有几个触发点，多语音播报是否会此起彼伏，降低语音警示系统的效果。安全警示系统需要更加智能化，即能够判断出如果来的是同一批人，只需播报一次；如果这批人原路返回再次经过这里，无须重复播报；如果两处乃至更多处进行播报，智能安排播报顺序等，这就对安全警示系统提出了更加智能化的需求。

2 技术方案与实施效果

2.1 网络拓扑图

江都第四抽水站安全警示告知IOT系统包括两个层面：ⓐ对于人员监测，播报响应语音；ⓑ对重要数据(如泵站廊道水位)进行监测，超限时则在特定区域进行播报，并通过手机APP通知数据超限。安全警示告知系统的网络拓扑图见图1，系统包括监测单元、网络模块、报警单元和APP报警等组成部分。

图1 安全警示告知系统网络拓扑图

监测单元主要由各类传感器组成，如人体传感器、门窗传感器、水浸传感器等，传感器信号通过网络传输到手机APP，通过APP对相关参数及报警或警示方式以及传感器与报警方式之间的逻辑关系进行设置，在获取的信息达到报警或警示要求时，进行相应的报警或做出警示动作，报警或警示方式主要有灯光、声音等，手机APP同步监测报警信息。

2.2 人员监测警示系统

对人员的警示语音系统主要布置在四站门厅、励磁变压器室、站变室、主厂房等管理区域，使得有人员进入时发出语音信息。当参观人员进入门厅时播报安全告知，对运行人员进入设备区域时播报重点巡视检查内容。

2.2.1 警示语音人性化

警示系统人性化通过语音的形式表现。针对不同人员、事件需要有相应的语音播报。如参观人员进入四站门厅时需要进行安全告知：“欢迎进入第四抽水站管理所。请按参观通道文明有序参观，严禁携带危险品进入工程现场，不得跨越警戒线，严禁触摸机电设备。”当参观人员进入工程运行区域时播报：“即将进入四站工程运行区域，请保持安全距离。”当运行人员进行巡视检查时，则播报所在区域检查项目内容，如检查10kV站用变压器室时播报：“绕组温度正常，最高温度不得超过100℃，运行声音正常无放电声及其他异常声音，变压器冷却风扇运行正常……。”警示语音通过手机APP录音后直接上传至网关存储。播报时，网关直接调用该录音即可。

2.2.2 基于IOT的警示装置

江都第四抽水站选用IOT(Internet of Things)平台，进行进一步开发整合，实现警示系统装置的微型化、简易化、物联化。传感器内置纽扣电池(使用时间达到2年)，微型化的传感器例如门窗传感器通过胶贴的方式进行安装，安装方式简单、隐蔽，不影响美观。传感器通过ZigBee协议一键连接网关。各装置动作可通过手机随时进行查询记录，见图2。汛期机组运行时，管理人员可以通过记录查询，知道运行人员是否巡视检查到位。网关一体集成了报警发声单元以及发光单元，具备语音存储功能。

图2 站变室东人体传感器记录

2.2.3 程序设计智能化

逻辑关系的设计通过传感器和播放装置的相互配合实现，通过程序编写过程实现警示系统的智能化。

简单程序设计：例如参观人员进入四站门厅参观，由于四站是封闭式管理，当人员进入时必须由接待人员打开指纹锁方可进入。由此设计了一条简单的逻辑：四站大门打开—播报外来人员安全告知。中间加了一个延迟3s执行，目的是使得参观人员走进门厅，见图3。

图3 门厅程序逻辑

当运行人员进入10kV站变室时，通过人体传感器(检测到有人通过时)播放相应语音，播报设备检查的具体要求。

通过程序设计实现智能化：当同一批参观人员首次进入工程运行区域时，播报警示语音，即便同一队参观人员人数过多拉长了队伍，也不重复播报。

我们通过两个人体传感器来实现队伍的判断，即：门厅过道人体传感器检测到有人通过且工程运行区域参观通道人体传感器2min内未检测到人通过，此时播报警示语音(参观通道人体传感器在门厅过道人体传感器的前方，见图4)。这样的程序逻辑同样实现了同一批人参观完毕后原路返回时，门体过道人体传感器检测到人体通过时，不会进行语音播报。程序逻辑见图5。

图4 人体传感器布置位置

图5 工程管理区域程序逻辑

2.3 重要数据监测警示系统

江都第四抽水站安全警示告知IOT系统可实现对温度、湿度、水位、烟雾等数据的实时监测报警。

以四站廊道水位超限报警为例，如果机组渗漏量过大，超过排水泵抽排能力，或者排水泵故障，均会导致廊道水位上升淹没水泵层、进人孔层、联轴器层等，造成极大的损失和事故的发生。

2.3.1 增设水位警示系统的必要性

原四站廊道水位的控制经历了以下三个阶段：

第一阶段：通过干簧管水位计进行控制，平稳运行一年后，故障频发，主要有由于廊道泥沙量大导致浮子卡阻，湿度大导致线路短路等。

第二阶段：四站进线自动化改造后，通过浮子水位计进行排水廊道水位控制。运行半年后浮子水位计转动部分锈蚀卡阻，钢丝线与转盘不同步，导致基准点漂移，水位数据产生较大误差，排水泵不能正常工作。

第三阶段：将原有干簧管水位计改为投入式液位变送器，通过4～20mA数据采集控制器进行水位数据显示以及两台排水泵的控制。稳定运行一年半后，由于主机层至水泵层线路老化，导致线路绝缘降低，出现排水泵启动后不自动停止的故障。经更换线路后故障排除使用至今。

三个阶段由于各种原因均导致排水泵不能正常工作、排水廊道水位失控的结果，因此，需要增加一套廊道水位警示告知系统作为第二道防线。

2.3.2 四站水位警示系统的实现

布置检测单元，在四站6号主机廊道增设3个水浸传感器，命名为-6档、-4档、-2档水浸传感器，分别对应廊道水位2.5m、3.0m、3.5m。以上三个档位对应的是廊道检修口楼梯阶，便于现场查看确认廊道水淹情况，更加直观，0档对应的是淹没到水泵层。

报警信息通过以下三种方式传达：

a.当水位超限时，立即向负责人等管理人员手机发送消息，相关人员可由手机APP查询相关报警，见图6。

图6 廊道水位报警记录

b.通过机务值班室、自动化集中控制室、正副所长办公室等场所的智能网关进行语音播报：“6号主机，廊道水位超过2.5米，请立即前往查看。”

c.6号主机廊道处网关报警红灯闪烁，并发出警报音。

当运行人员现场检查排除故障，水位降低后，按下6号主机廊道网关故障排除按钮，方可消除警报，见图7。

图7 现场警报消除

“6号主机，廊道水位超过2.5米，请立即前往查看”等语音或者手机APP文字报警信息准确地描述了廊道水位紧急情况，供决策者迅速采取相应措施。采用多种警报方式尽可能保障报警信息能够传递到相关责任人，如泵站机务值班员、电气值班员、泵站负责人等。甚至，我们可以进一步在泵站负责人卧室增设智能网关进行语音报警，这样即便是在睡觉时，也可以将报警信息通知传递到位。

2.4 实施效果

门厅的安全警示告知系统在监测到有来人时会通过现场的音响自动宣读“欢迎进入第四抽水站管理所。请按参观通道文明有序参观，严禁携带危险品进入工程现场，不得跨越警戒线……”，提醒来人注意安全，这一系统的运用，不仅减少了人力资源的浪费，也使得被告知人员覆盖率更高。江都第四抽水站的排水廊道水位监测也是安全生产管理的重要内容，该告知系统的使用，打破了原先只能在几个固定地点看到监测信息的局限，使得安全监控更加全面，提升了工作效能。同样，该系统还应用到了励磁变压器室、站变室等各工程现场，实现了安全告知提醒的目的，且留有进一步拓展应用的接口，供不断完善改进。

3 应用价值分析

3.1 现实意义

工程区域增加安全警示告知系统，检测到来人或数据异常时，会发出警示信息，这对于工程安全具有重要意义:首先，增加了安全告知的覆盖面，提升了时效性，警示的效果更明显；并且安全警示告知系统的应用也有利于营造安全生产的氛围，增强职工群众的安全意识。

3.2 价值分析

该系统具有安装便利性，所有传感器均实现微型化，自带纽扣电池，电池每两年更换一次，通过ZigBee接入网关，无须开槽布线，以胶贴的方式进行布置，极大降低了安装难度及费用，不影响工程整体美观。该系统具有无线扩展性，可根据工程需要，随时新增检测对象，如增加距离传感器、红外传感器、温湿度传感器、门窗传感器、水位传感器、烟雾传感器等，通过无线直接接入该系统，且无数量限制。该系统简单易用，一是报警语音通过手机麦克风直接录入，上传后直接存储在网关内；二是传感器与播报语音、报警逻辑关系均由手机APP进行设定，编程语言简单易懂，逻辑清晰便于应用推广。该系统可有效提升管理效率，单位负责人可在手机上实时查看各工程管理区域门窗是否开启，是否有人经过；主机开机运行期间，运行班人员是否巡检到位，做到无感化巡视考核。

4 结 论

水利工程智慧安全警示告知IOT系统打破了警示信息的时间和空间限制，能够精确地将报警信息传递给相关人员。同时，管理人员可以通过手机APP跟踪故障解决进展，实时掌控水利工程的安全状态。人性化的语音系统的使用进一步增强了安全告知效用，适用人群更为广泛。整套系统简单易用、可靠性高、成本低廉、安装方便、无线扩展，可有效提高管理水平，易于在水利工程中推广应用。