一種軍工車間生產安全風險管控的解決方案

張弦弦， 徐曼菲， 張軍娜， 劉治紅

（中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司智能制造事業部， 四川綿陽 621000）

0 引言

“安全、綠色”制造是智能制造的重要目標，各制造企業都十分重視智能制造技術在生產安全領域的推廣應用。 軍工制造企業由于其產品具有“高危險性、污染環境大”等特點，對生產的安全性尤為重視。 但目前國內的軍工企業數字化、信息化水平均處于初級階段，大多仍采用“自動化加人工管控”的生產組織模式，普遍存在設備設施老舊、作業現場人員多、本質安全程度低等問題，生產、安全管控兩條線，生產安全事故時有發生。 因此，軍工制造企業迫切需要一套生產安全風險智能感知、 管控的系統，實現生產過程中人、物、環等安全風險因素的實時感知、監控、分析、預警和控制，達到生產安全風險的“可知可控”，有效降低引發安全事故的幾率。

本文以某軍工企業生產安全日常監控和突發事件應急處置的管控需求為出發點， 以安全技術和信息技術為支撐，以生產管理業務流程為主線，構建一套車間生產安全智能管控系統，實現企業生產現場安全風險實時監測、及時獲取、智能分析、預測預警、輔助決策和聯動處置。 經應用證明，該方案有效提升企業安全生產能力，形成企業生產安全管控的新模式。

1 需求分析

軍工制造企業在生產過程中， 影響安全的風險因素根據其對象的不同，一般分為：人的因素、物的因素、環境因素、管理因素4 類。 人的因素主要指現場操作人員的穿戴及違規行為， 物的因素包括生產物料及設備的安全隱患， 環境因素指生產現場的噪音、 粉塵對環境的污染程度，管理因素指安全組織機構、安全管理制度等[1]。

此4 類風險因素相互影響， 使車間安全狀況呈現多因素耦合特性。因此，在研究生產安全性時，要對這些因素之間的耦合關系進行分析。針對人的因素，可通過智能視頻分析技術進行違規行為的識別和報警； 針對物的因素，通過對設備運行狀態、關鍵工位工藝參數等的實時采集進行設備、物料的監控；針對環境因素，布置傳感器組成傳感網絡，實現生產現場環境數據的監測；針對管理因素，通過建立生產安全標準規范、安全保障體系等進行安全生產。

2 系統設計思路

生產安全智能管控系統包括安全感知、信息、網絡、大數據、人工智能、工業軟件等多領域技術，是集企業生產安全風險采集、分析、決策、處置的軟硬件一體化的復雜系統。 軟件技術體系涵蓋了數據庫、應用系統等；硬件支撐體系包括傳感器網絡、安全設備設施、傳輸網絡、通信系統等。系統利用信息、網絡、大數據、人工智能等多領域技術， 采用模塊化的設計思路， 按照層次化的體系架構，軟硬件緊密結合進行構建。其體系架構分為現場感知層、基礎支撐層、數據庫層、綜合應用層及前端展示層，如圖1 所示[2]。

圖1 車間生產安全智能管控系統體系架構

現場感知層：搭建傳感網絡，實現生產車間安全風險的實時感知和預警。 包括環境傳感網絡、視頻監控網絡、設備運行網絡等。

基礎支撐層：采用物聯網技術建立統一的網絡平臺，實現生產現場和管控終端的互聯互通。 利用公用通信網絡實現手機APP 的應急指揮。

數據庫層：建立生產安全數據中心，統一管理生產過程數據、安全風險數據、應急處置數據以及安全生產標準規范等數據。

綜合應用層： 在對生產安全數據進行綜合分析的基礎上，實現生產安全業務管理、風險監測防控、風險預測預警、智能輔助決策、聯動處置等。

前端展示層：建立統一的信息發布系統，進行信息的可視化展示。

根據系統體系架構， 將系統分為生產現場安全風險感知、網絡傳輸、數據中心、安全風險管控四個部分，如圖2 所示。

圖2 車間生產安全智能管控系統組成

3 生產現場安全風險感知

生產安全風險感知主要對生產人員崗位行為進行分析，對生產設備運行狀態進行實時監控，對生產現場環境污染情況進行監測。

（1）人員崗位行為分析與報警。針對生產現場人員非法進入禁區、物品違規擺放、潔凈服未穿戴、違規操作等行為，建立人員的行為特征模型。通過接入生產現場的視頻進行圖像比對和模型分析。 實現生產現場典型違規操作行為的自動識別與預警。

（2）設備運行安全監控。在生產設備上增加各類安全風險監測傳感器，重點監測設備運行狀態、工藝參數、加工過程數據等，當出現異常時實現聲光報警、連鎖停機等功能，充分保證設備運行狀態的安全。

（3） 環境安全監測。 采用傳感器監測生產現場的溫濕度、粉塵、靜電等環境因素。 通過監測數據的實時采集和融合， 實現監測區域環境因素異常引發的風險識別、定位及報警。

（4）現場報警安燈系統。生產現場各類安全風險異常通過現場安燈（Andon）系統實現。在關鍵工位安裝異常報警按鈕，安燈系統接收現場各類異常報警信息、設備故障信息、 工位求助信息， 通過網絡統一收集并進行數據分發、顯示、提醒處置。

4 網絡傳輸

為保證生產安全信息采集的全面及時、 管理的高效穩定、應急指揮的方便快捷，支撐車間生產安全智能管控系統運行的網絡平臺是一個有線、無線結合，信息分層、分級處理的高效網絡。 網絡范圍不局限于企業內部的工控網絡，與公用通信網絡也可有效連接，如圖3 所示。

圖3 生產安全智能管控系統網絡平臺

（1）現場物聯網絡。利用物聯網技術連接生產現場的物料、設備、環境、人員等要素狀態感知系統，建立生產安全智能管控系統與生產現場之間的通路， 實現現場數據的實時采集、集成融合、計算分析、高效分發等。

軍工車間現場的物聯網系統建設：重點考慮安全、保密、穩定、可靠。 車間現場的工業通訊系統可采用成熟的工業總線，實現現場傳感器、邏輯控制器、手持終端、人機界面等車間級設備全面聯網， 再通過企業以太網實現同生產安全管控層的互聯互通[3]。

（2）公用通信網絡?？衫霉惨苿油ㄐ啪W絡實現應急指揮。 公網的應用需要與企業的安全管理網絡之間構建隔離區。將可對外公開的服務器放置于隔離區，增加防火墻和網絡入侵防御系統后與企業安全管控網絡進行連接，既能有效保護內部網絡，又能更好的對外服務。

5 數據中心

生產安全數據類型包括傳感器數據、 視頻數據、圖片、文檔等。實時和非實時結合，數據量十分龐大。由于各類數據的內容、格式不一，采集方式多樣、分散，因此，根據業務需求和數據的實時性， 建立實時數據庫和非實時的業務數據庫，實現數據的分級、分類存儲。

通過實時采集現場安全風險感知設備設施的數據包，采用串口通信技術、動態數據交換技術（DDE）、數據庫互連技術（ODBC）、WinSock 技術、OPC 技術等，進行數據解析、 處理后存入實時數據庫； 實時數據通過數據融合、抽取、處理、裝載后，存入業務數據庫；再通過數據分發服務器與生產現場各類數據服務器建立連接， 采用MQTT 協議完成各服務之間數據的分發， 實現現場信息經過處理后按需向各類終端系統實時同步推送。

6 生產現場安全風險監控

在生產現場各種安全風險感知系統互聯互通以及安全數據統一存儲在數據中心的基礎上， 依據企業生產安全管控業務需求，構建生產現場安全風險管控系統，對各類安全風險信息進行融合處理，實時生成安全風險態勢，并結合三維場景模型進行安全信息-物理融合顯示，實現安全風險可視化監控、 安全風險智能分析與決策以及安全風險聯動處置等功能。

（1）安全風險數字化建模。 針對生產現場危險源、人員、設備設施、應急預案、產品工藝、?；沸畔⒌冗M行數字化定義， 并定義安全風險要素的相互關系和風險監控的業務流程。

（2）安全風險數據采集。 針對具有不同通信接口、協議的異構設備，開發數據采集軟件，研制通用的接口和協議轉換程序，建立開放協議庫，實現生產現場各類設備信息數據的采集。

（3）安全風險智能分析與決策。對生產過程危險因素進行識別、評價、篩選，建立安全評估模型，將采集到的風險數據與安全模型進行實時對比、分析，根據分析評估結果進行安全狀態的跟蹤、預警、決策[4]。

（4）安全風險可視化監控。對生產場景進行建模仿真，建立安全風險信息與仿真模型的關聯關系。 基于實時監測的安全風險數據進行綜合分析， 形成生產安全風險態勢信息， 并將生產現場的三維場景與安全態勢信息進行融合顯示，生成重大危險源分布圖、風險隱患分布圖、安全態勢分布圖等，實現生產過程安全風險的全局掌控[5]。

（5）安全風險聯動處置。當安全風險管控系統接收到安全態勢報警信息時， 一方面將該信息推送到現場安燈系統進行燈光、聲音報警，提醒操作人員發生危險；一方面進行安全聯動處置。 采用安全預警事件預案模擬推演技術進行態勢推演，判斷危險等級、定位故障原因，針對不同級別的預警響應作出不同的處置方案， 并將該異常事件的解決方案推送給管理人員進行處置。 當危險排除后，重新將安全等級調整到閾值范圍內。

安全聯動處置的方式包括通過生產現場廣播通知車間人員撤離，管理人員下發控制指令遠程停機，通過網絡對安防設備進行遠程操作等，以確保車間安全生產。

安全風險管控系統可部署在監控中心、會議室、分控制中心等固定的電腦或拼接大屏上進行顯示， 也可由安全管理人員通過便攜式移動終端進行隨時隨地訪問。 系統部署效果圖如圖4 所示。

圖4 生產安全智能管控系統部署效果圖

7 系統特點

軍工制造企業車間生產安全智能管控系統針對車間生產環節風險因素多，進行生產現場安全風險感知；在各種生產現場安全風險感知系統互聯互通的基礎上實現各類安全風險信息的融合處理； 結合生產現場的三維場景模型和態勢圖進行綜合顯示， 實現安全風險的可視化監控；根據企業安全風險管控的先驗知識，建立安全評估模型，通過對風險因素深入的分析，進行風險預測預警、輔助決策和聯動處置。 系統搭建了企業生產安全 “實時采集—高效管理—應急指揮”的一體化支撐平臺，實現生產安全風險高效協同管控， 重點提升企業以下三大生產安全能力：第一，面對不同產品生產工藝條件、生產場景中的人、物、環等安全風險，全面監測、科學預測其發展趨勢及后果，并快速進行預警；第二，面對生產過程各種安全風險，實現現場信息的準確獲取和傳遞，快速、動態、全面地了解事件現場狀況的能力；第三，面對生產過程安全突發事件，實現跨部門、跨層級、跨地域快速協同決策、綜合協調和高效處置的能力。

8 結束語

軍工車間生產安全風險管控的解決方案整體符合“感、聯、知、控”的智能系統構建模式，能實現生產與安全的場景、信息、操作和資源等聯動，滿足企業安全生產需求。 對企業生產優化、降低能耗、規避安全事故風險有顯著的指導和改進意義。