海洋工程安全生产实时监控平台设计

刘 勇

(海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913)

0 引 言

海洋工程是国家大力支持的产业，不断引进的新设备、新材料和新工艺等对建造安全提出更高要求。目前各船厂对海洋工程安全生产十分重视，不仅建立较为完善的安全管理体系和应急预案，而且在信息化方面积极投入，分别建立门禁系统、视频监控系统等，开始在人员定位和设备监控等新技术方面开展应用尝试。这些已建立或规划建立的系统往往为独立建设，各系统之间缺少数据共享，难以建立全厂协调一致的安全生产实时监控平台。

安全生产实时监控平台是解决监控信息孤岛的有效途径。研究海洋工程安全生产实时监控平台解决方案，开展监控平台规划，对于提高海洋工程建造的安全生产保障能力、整合当前较为零散的安全生产监控手段，具有重大的理论和工程意义。

1 研究内容

安全生产实时监控平台基于网络监控，由单一监控功能越来越向集约化和综合化方向发展，不局限于传统的视频监控，而是进一步扩展至人员定位、设备监控、企业运营和生产看板等，形成一个综合性的应用管理平台，实现各子系统之间的数据交换和融合。在同一集中监控平台内实现对不同子监控系统的综合管理、控制和显示；将各子系统的分布式部署与集中式管理有机结合，实时采集各子系统的数据、运行状态和报警信息，并就相关的信息与状态进行集中展示和综合分析，调动相应的子系统，实现事件的系统间联动，完成系统之间的资源共享、信息交换及警情联动处理[1]。

2 监控平台框架

海洋平台建造环境复杂，且钢板对电磁信号具有较强屏蔽作用，因此如何解决定位信号的传输是研究的关键问题。ZigBee技术主要应用于短距离无线网络传输，布置的监测点较多，传输的信息量小，整体成本不高；可靠度高，安全稳定，无干扰；检测节点体积小，布置不需要较大空间[2]；可用干电池供电，定位区域相对固定。通过基站与便携式定位器组合，可提高定位精度，避免金属舱壁对电磁信号的反射干扰。

安全生产实时监控平台总体架构采用分层设计，如图1所示。安全生产实时监控平台部署方案如图2所示。

图1 安全生产实时监控平台总体架构

图2 安全生产实时监控平台部署方案

分系统层：主要由综合接入的各子系统构成。

接入功能层：各子系统的接入功能，由综合业务接入抽象层构成，完成各接入子系统接入功能的抽象，对上层应用提供统一的数据功能结构。在出现新的子系统需要接入时，仅修改平台的接入抽象层即可实现对子系统的对接工作。

通用功能层：主要实现生产及安防监控系统的通用功能，如报警联动管理、报警预案管理、报警数据查询、报警数据统计及电子地图等通用功能，并可通过统一的对外接口向上一层提供通用服务。

应用层：利用生产及安防监控系统提供接口并结合企业特点及事件处理与管理流程，实现深度企业化的综合管理[2]。

现场使用范围为海洋平台建造的工作人员定位和管理。整个监控平台在建成后可准确考勤，实时监测人员的位置、工作状态及区域的人员分布和数量，实时查询工作人员的行动轨迹。在出现紧急情况时，可与监控中心及时通信联系，通过定位卡求救报警及通过监控平台预先设定的规则超限报警，实现双向报警，管理部门可通过网络调用查看。

人员定位系统主要由本质安全型通信分站、定位器、船舱内无线定位基站、定位卡等组成。定位通信基站采用以太网和控制器局域网(CAN)总线接口，各种终端设备采用有线/无线接合，各种传感器、摄像头等就近通过基站连接至通信骨干网。

3 监控平台技术方案

3.1 技术概述

海洋平台建造环境较为复杂。海洋平台主要由钢板焊成，每层甲板、每个舱室均由钢板组成，为多金属和多舱室结构。多金属环境对无线射频信号的影响主要为信号屏蔽和反射加强。有些舱室采用金属隔断，有些舱室采用普通非金属建筑材料，增加信号传输难度[3]。

采用射频信号的定位算法一般采用接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)、飞行时间(Time of Flight，TOF)/到达时间(Time of Arrival，TOA)、到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)等方法。金属对射频信号的多次反射，使RSSI系统无法计算标签的准确距离。由于金属对无线信号的多次反射，因此TOF/TOA系统在计算标签位置的应用软件中难度加大，准确性较差。TDOA系统需要精准的时间同步定位基站，定位标签成本为上述标签的4～5倍，系统成本较高，在多舱室环境中方案和施工调试工程量较大，实施难度大[4]。上述3种定位系统均适合安装在视距(LOS)定位系统或较少非视距(NLOS)定位系统中，不适合复杂的海洋工程环境。

结合上述方法的优缺点，所设计的定位系统利用有线/无线网络传输，设备占用带宽较小，安装施工简单。为使较复杂的海洋平台可更好更快地实现定位区域划分，采用微型定位器实现区域分割功能，在一些关键的通道口、上下层、大舱室出入口等位置安装定位器，识别卡接收定位器信息发送位置信号。考虑布线施工难度，对小舱室内部工作人员的定位采取移动式无线定位基站，在人员进出舱室时均可感知，在需要定位的盲区可根据实际情况采用该设备。较大区域采用无线信号覆盖，人员识别卡、无线定位基站等设备实时收发无线信息，舱室内部的CAN通信分站、以太网通信分站采用有线通信和供电，通信分站内置ZigBee接收板可实时接收无线信息。定位系统如图3所示。

图3 定位系统示例

3.2 硬件构成

(1)监控中心定位服务器：安装数据库管理系统软件，连接人员定位系统的下端数据集控器，监控平台采集处理后的数据统一存放至监控中心服务器进行管理。

(2)以太网通信分站(数据集控器)：实现数据集中和设备控制功能，通过以太网接口上联定位服务器，通过CAN总线下链CAN通信分站，通过CAN接口与多个设备连接，在收集数据和计算人员位置后通过连接监控平台网络将计算结果数据传送至监控中心服务器。

(3)CAN通信分站(数据采集器)：通过ZigBee无线模块与周围无线设备进行数据通信，负责收集、处理和计算识别卡定位等信息，并通过CAN总线将数据传送至数据集控器进行处理。

(4)定位器：间歇发送位置码，并强制唤醒进入该区域的人员定位标签，人员定位标签在收到位置编码后持续发送位置编码信息。

(5)人员定位标签(识别卡)：采用ZigBee双向通信机制，可实现向上报警求救功能，识别卡平时间隔发送定位信息，在不发送时休眠，内置加速度传感器,可感知人员静止或运动。

(6)室内无线人感定位基站：采用电池供电，内置人体感知模块，在人员接近时可识别，通过自身ZigBee网络模块传送至CAN通信分站，同时通过RSSI计算距离。

(7)室外定位基站：内置无线ZigBee定位模块，与标签实时通信，定位数据通过设备的CAN总线上传至监控中心定位服务器。

3.3 硬件系统设计

(1)舱室内部。无线射频定位方案主要采用低功耗ZigBee技术实现。微型定位器内置射频强制唤醒功能，可实现空间区域划分、楼梯层间等复杂环境的定位及方向识别；小型舱室内部可采用无线人感微型基站，识别人员进入后的定位和测距功能，使用电池供电；大舱室区域内部可安装具有覆盖功能的ZigBee通信分站，收集人员识别卡的位置信息；通信分站与定位基站之间可采用CAN总线通信方式或ZigBee无线组网通信方式；人员定位识别卡采用低功耗ZigBee技术，可有效减小终端体积尺寸，使定位终端设备更加小巧，可佩戴性更强。佩戴定位标签的人员在经过微型定位器时，定位标签被强制唤醒，基站同时发送位置码，定位标签在收到位置码后通过ZigBee无线发送位置信息至微型定位基站，经CAN总线传送至通信分站，最终传送至监控中心定位服务器。舱室内部安装无线人感微型基站，在佩戴定位标签的人员进入舱室时，基站可识别人员的存在，并完成定位和识别通信[5]。定位原理如图4所示。

图4 定位原理示例

(2)舱室外部工作区。定位方案主要采用ZigBee多基站测量RSSI强度技术，通过RSSI强度大小确定识别卡位置，室外基站每50 m布设1个，定位精度为10 m[2]。

3.4 安装工艺

为实现对各层甲板、舱室和通道的监测，确定在20 m通道区域内，主要保障关键出入口、重点舱室的监控，各层以太网通信分站负责该层的设备控制和数据通信。CAN通信分站在各层甲板的布置数量以结构和面积具体确定，每层为5～10个，安装在各层甲板的主要舱室和通道内，无线通信可覆盖各舱室。定位器布置在各层甲板的楼梯口和主要通道、关键出入口、露天部位出入口及重要的较大舱室出入口。室内无线人感定位基站可布置在较小舱室内，采用休眠工作模式，供电电池可使用较长时间。室外定位基站采用CAN总线连接。在控制室内安装人员定位服务器，控制主机及显示器，实时显示现场情况。进场人员发放人员定位卡。

4 监控平台界面功能设计

4.1 定位查询界面

对现场人员的分布情况分区域实时监测，由于人员移动，各区域显示的人数会实时更新。可显示指定区域人员名单，可查询人员在施工现场的行动轨迹。定位查询界面如图5所示。输入任一人员的姓名或编号，可显示其当前所处位置，动态显示施工人员的行动轨迹。在设定的时段内可随时查询并统计进入指定区域的人员，统计其进出时间。

图5 定位查询界面

4.2 考勤界面

标识卡提供施工现场位置数据，通过软件整合人员考勤和劳动行为数据，可统计施工人员上下班时间，并按部门和班次生成日和月考勤单。

4.3 双向通信界面

在报警状态下，调度中心的监控界面会即刻跳出告警框，报告报警类型及人员姓名、所处精确位置等。若出现携卡施工人员在重点区域工作超时或进入控制区域等异常状态，监控系统会自动报警。若出现突发状态(比如火灾、爆炸等)，携卡施工人员可通过标识卡上的报警按钮发出报警信号。按键报警如图6所示。若出现特殊情况，需要指挥现场工作人员迅速撤离，监控中心可向全区域发送报警撤离信号。告警撤离应用如图7所示。

图6 按键报警

图7 告警撤离应用

4.4 安全管理界面

可对班组带班情况进行统计和监管，管理人员在后台可清晰看到海洋平台施工现场的人员及所在区域等。对设定区域进行人员数量限制，超员即告警；进入禁区即告警；施工人员没有达到规定时间或超过设定时间即告警。若施工现场发生紧急事故，可通过标识卡报警按钮通知监控平台，监控平台在收到紧急信号后会启动应急救援备案[5]。

4.5 设备界面

若标识卡电量过低，监控系统会提前告警，红灯闪烁提醒及时充电。若综合分站出现连接故障，监控系统会提示基站不在线告警。问题得到处理，监控系统自动结束告警并可在历史记录中查询。

4.6 管理界面

可设置多级权限用户，所有用户可同时运用软件，查询海洋工程施工现场的实时状况，由管理员修改进行各级别权限；用户可通过服务器查看施工现场的实效数据、现场人员分布及其他状态。

4.7 与其他系统的集成界面

可与视频系统及其他通信系统融合，调用视频和其他系统的数据及图像，在人员定位界面显示。

5 结 语

针对海洋工程特殊环境，安全生产实时监控平台总体设计以通道为主线、以各舱室为支线进行布点编号，在整个施工现场范围内可实现人员定位和监控全部人员。增加监控中心呼叫和现场应急报警功能模块，实现监控中心与现场人员互动。监控中心根据上传的状态信息可了解每个移动节点定位和海洋平台运行状态，若出现紧急情况，可立即通知附近人员组织抢险救灾，排除隐患。该监控平台结合计算机网络和通信等手段，推进船厂对施工现场人员状态与位置的监测与预警新应用。