一种军工车间生产安全风险管控的解决方案

张弦弦， 徐曼菲， 张军娜， 刘治红

（中国兵器装备集团自动化研究所有限公司智能制造事业部， 四川绵阳 621000）

0 引言

“安全、绿色”制造是智能制造的重要目标，各制造企业都十分重视智能制造技术在生产安全领域的推广应用。 军工制造企业由于其产品具有“高危险性、污染环境大”等特点，对生产的安全性尤为重视。 但目前国内的军工企业数字化、信息化水平均处于初级阶段，大多仍采用“自动化加人工管控”的生产组织模式，普遍存在设备设施老旧、作业现场人员多、本质安全程度低等问题，生产、安全管控两条线，生产安全事故时有发生。 因此，军工制造企业迫切需要一套生产安全风险智能感知、 管控的系统，实现生产过程中人、物、环等安全风险因素的实时感知、监控、分析、预警和控制，达到生产安全风险的“可知可控”，有效降低引发安全事故的几率。

本文以某军工企业生产安全日常监控和突发事件应急处置的管控需求为出发点， 以安全技术和信息技术为支撑，以生产管理业务流程为主线，构建一套车间生产安全智能管控系统，实现企业生产现场安全风险实时监测、及时获取、智能分析、预测预警、辅助决策和联动处置。 经应用证明，该方案有效提升企业安全生产能力，形成企业生产安全管控的新模式。

1 需求分析

军工制造企业在生产过程中， 影响安全的风险因素根据其对象的不同，一般分为：人的因素、物的因素、环境因素、管理因素4 类。 人的因素主要指现场操作人员的穿戴及违规行为， 物的因素包括生产物料及设备的安全隐患， 环境因素指生产现场的噪音、 粉尘对环境的污染程度，管理因素指安全组织机构、安全管理制度等[1]。

此4 类风险因素相互影响， 使车间安全状况呈现多因素耦合特性。因此，在研究生产安全性时，要对这些因素之间的耦合关系进行分析。针对人的因素，可通过智能视频分析技术进行违规行为的识别和报警； 针对物的因素，通过对设备运行状态、关键工位工艺参数等的实时采集进行设备、物料的监控；针对环境因素，布置传感器组成传感网络，实现生产现场环境数据的监测；针对管理因素，通过建立生产安全标准规范、安全保障体系等进行安全生产。

2 系统设计思路

生产安全智能管控系统包括安全感知、信息、网络、大数据、人工智能、工业软件等多领域技术，是集企业生产安全风险采集、分析、决策、处置的软硬件一体化的复杂系统。 软件技术体系涵盖了数据库、应用系统等；硬件支撑体系包括传感器网络、安全设备设施、传输网络、通信系统等。系统利用信息、网络、大数据、人工智能等多领域技术， 采用模块化的设计思路， 按照层次化的体系架构，软硬件紧密结合进行构建。其体系架构分为现场感知层、基础支撑层、数据库层、综合应用层及前端展示层，如图1 所示[2]。

图1 车间生产安全智能管控系统体系架构

现场感知层：搭建传感网络，实现生产车间安全风险的实时感知和预警。 包括环境传感网络、视频监控网络、设备运行网络等。

基础支撑层：采用物联网技术建立统一的网络平台，实现生产现场和管控终端的互联互通。 利用公用通信网络实现手机APP 的应急指挥。

数据库层：建立生产安全数据中心，统一管理生产过程数据、安全风险数据、应急处置数据以及安全生产标准规范等数据。

综合应用层： 在对生产安全数据进行综合分析的基础上，实现生产安全业务管理、风险监测防控、风险预测预警、智能辅助决策、联动处置等。

前端展示层：建立统一的信息发布系统，进行信息的可视化展示。

根据系统体系架构， 将系统分为生产现场安全风险感知、网络传输、数据中心、安全风险管控四个部分，如图2 所示。

图2 车间生产安全智能管控系统组成

3 生产现场安全风险感知

生产安全风险感知主要对生产人员岗位行为进行分析，对生产设备运行状态进行实时监控，对生产现场环境污染情况进行监测。

（1）人员岗位行为分析与报警。针对生产现场人员非法进入禁区、物品违规摆放、洁净服未穿戴、违规操作等行为，建立人员的行为特征模型。通过接入生产现场的视频进行图像比对和模型分析。 实现生产现场典型违规操作行为的自动识别与预警。

（2）设备运行安全监控。在生产设备上增加各类安全风险监测传感器，重点监测设备运行状态、工艺参数、加工过程数据等，当出现异常时实现声光报警、连锁停机等功能，充分保证设备运行状态的安全。

（3） 环境安全监测。 采用传感器监测生产现场的温湿度、粉尘、静电等环境因素。 通过监测数据的实时采集和融合， 实现监测区域环境因素异常引发的风险识别、定位及报警。

（4）现场报警安灯系统。生产现场各类安全风险异常通过现场安灯（Andon）系统实现。在关键工位安装异常报警按钮，安灯系统接收现场各类异常报警信息、设备故障信息、 工位求助信息， 通过网络统一收集并进行数据分发、显示、提醒处置。

4 网络传输

为保证生产安全信息采集的全面及时、 管理的高效稳定、应急指挥的方便快捷，支撑车间生产安全智能管控系统运行的网络平台是一个有线、无线结合，信息分层、分级处理的高效网络。 网络范围不局限于企业内部的工控网络，与公用通信网络也可有效连接，如图3 所示。

图3 生产安全智能管控系统网络平台

（1）现场物联网络。利用物联网技术连接生产现场的物料、设备、环境、人员等要素状态感知系统，建立生产安全智能管控系统与生产现场之间的通路， 实现现场数据的实时采集、集成融合、计算分析、高效分发等。

军工车间现场的物联网系统建设：重点考虑安全、保密、稳定、可靠。 车间现场的工业通讯系统可采用成熟的工业总线，实现现场传感器、逻辑控制器、手持终端、人机界面等车间级设备全面联网， 再通过企业以太网实现同生产安全管控层的互联互通[3]。

（2）公用通信网络。可利用公共移动通信网络实现应急指挥。 公网的应用需要与企业的安全管理网络之间构建隔离区。将可对外公开的服务器放置于隔离区，增加防火墙和网络入侵防御系统后与企业安全管控网络进行连接，既能有效保护内部网络，又能更好的对外服务。

5 数据中心

生产安全数据类型包括传感器数据、 视频数据、图片、文档等。实时和非实时结合，数据量十分庞大。由于各类数据的内容、格式不一，采集方式多样、分散，因此，根据业务需求和数据的实时性， 建立实时数据库和非实时的业务数据库，实现数据的分级、分类存储。

通过实时采集现场安全风险感知设备设施的数据包，采用串口通信技术、动态数据交换技术（DDE）、数据库互连技术（ODBC）、WinSock 技术、OPC 技术等，进行数据解析、 处理后存入实时数据库； 实时数据通过数据融合、抽取、处理、装载后，存入业务数据库；再通过数据分发服务器与生产现场各类数据服务器建立连接， 采用MQTT 协议完成各服务之间数据的分发， 实现现场信息经过处理后按需向各类终端系统实时同步推送。

6 生产现场安全风险监控

在生产现场各种安全风险感知系统互联互通以及安全数据统一存储在数据中心的基础上， 依据企业生产安全管控业务需求，构建生产现场安全风险管控系统，对各类安全风险信息进行融合处理，实时生成安全风险态势，并结合三维场景模型进行安全信息-物理融合显示，实现安全风险可视化监控、 安全风险智能分析与决策以及安全风险联动处置等功能。

（1）安全风险数字化建模。 针对生产现场危险源、人员、设备设施、应急预案、产品工艺、危化品信息等进行数字化定义， 并定义安全风险要素的相互关系和风险监控的业务流程。

（2）安全风险数据采集。 针对具有不同通信接口、协议的异构设备，开发数据采集软件，研制通用的接口和协议转换程序，建立开放协议库，实现生产现场各类设备信息数据的采集。

（3）安全风险智能分析与决策。对生产过程危险因素进行识别、评价、筛选，建立安全评估模型，将采集到的风险数据与安全模型进行实时对比、分析，根据分析评估结果进行安全状态的跟踪、预警、决策[4]。

（4）安全风险可视化监控。对生产场景进行建模仿真，建立安全风险信息与仿真模型的关联关系。 基于实时监测的安全风险数据进行综合分析， 形成生产安全风险态势信息， 并将生产现场的三维场景与安全态势信息进行融合显示，生成重大危险源分布图、风险隐患分布图、安全态势分布图等，实现生产过程安全风险的全局掌控[5]。

（5）安全风险联动处置。当安全风险管控系统接收到安全态势报警信息时， 一方面将该信息推送到现场安灯系统进行灯光、声音报警，提醒操作人员发生危险；一方面进行安全联动处置。 采用安全预警事件预案模拟推演技术进行态势推演，判断危险等级、定位故障原因，针对不同级别的预警响应作出不同的处置方案， 并将该异常事件的解决方案推送给管理人员进行处置。 当危险排除后，重新将安全等级调整到阈值范围内。

安全联动处置的方式包括通过生产现场广播通知车间人员撤离，管理人员下发控制指令远程停机，通过网络对安防设备进行远程操作等，以确保车间安全生产。

安全风险管控系统可部署在监控中心、会议室、分控制中心等固定的电脑或拼接大屏上进行显示， 也可由安全管理人员通过便携式移动终端进行随时随地访问。 系统部署效果图如图4 所示。

图4 生产安全智能管控系统部署效果图

7 系统特点

军工制造企业车间生产安全智能管控系统针对车间生产环节风险因素多，进行生产现场安全风险感知；在各种生产现场安全风险感知系统互联互通的基础上实现各类安全风险信息的融合处理； 结合生产现场的三维场景模型和态势图进行综合显示， 实现安全风险的可视化监控；根据企业安全风险管控的先验知识，建立安全评估模型，通过对风险因素深入的分析，进行风险预测预警、辅助决策和联动处置。 系统搭建了企业生产安全 “实时采集—高效管理—应急指挥”的一体化支撑平台，实现生产安全风险高效协同管控， 重点提升企业以下三大生产安全能力：第一，面对不同产品生产工艺条件、生产场景中的人、物、环等安全风险，全面监测、科学预测其发展趋势及后果，并快速进行预警；第二，面对生产过程各种安全风险，实现现场信息的准确获取和传递，快速、动态、全面地了解事件现场状况的能力；第三，面对生产过程安全突发事件，实现跨部门、跨层级、跨地域快速协同决策、综合协调和高效处置的能力。

8 结束语

军工车间生产安全风险管控的解决方案整体符合“感、联、知、控”的智能系统构建模式，能实现生产与安全的场景、信息、操作和资源等联动，满足企业安全生产需求。 对企业生产优化、降低能耗、规避安全事故风险有显著的指导和改进意义。