李绪延 刘超 张志锋 罗忠军 王辉 穆波 徐杨 袁志祥

(1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院 山东青岛 266071； 2.中国石油集团电能有限公司 黑龙江大庆 163453； 3.中国石油吉林石化公司乙烯厂 吉林吉林 132022； 4.山东齐旺达石油化工有限公司 山东淄博 255400； 5.中国石化青岛炼油化工有限责任公司 山东青岛 266500)

0 引言

石油炼化行业生产具有易燃易爆、高温高压、有毒有害特点，近年来火灾、爆炸、中毒等事故频频发生，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，对社会产生了巨大的负面影响[1-2]。为保障石化企业安全生产，国家要求大力推进信息化与工业化的不断融合，加强智能化技术在安全管理方面的应用[3-4]。

目前国内很多石化企业基于物联网、智能分析、大数据等技术加强智能化监控技术的应用，解决现场安全监管复杂、监护效率低等问题。莫然等[5]利用移动网络和无线传感器网络技术，建立针对现场危险气体检测的无线实时监控系统；朱亮等[6]将多传感器融合、精确定位和无线传输技术进行集成，开发了现场气体无线监测系统；张宏等[7]基于智能安全帽实现对施工人员不安全行为监测与管理。多种智能化监管监控技术已在油田无人值守、炼化装置区监控、加油站监控、施工现场监控等场景下得到了有效应用。但石油炼化行业的现场智能化监管依然存在较多问题：①现场安全风险复杂多样，目前的监控设备功能单一，缺少多种监控预警信息的有效融合；②装置区环境复杂，现场嘈杂，人员无法及时收到声光报警提示，造成报警失效；③密集装置区或受限空间信号遮挡严重，监测设备的报警信号无法有效传达，导致最佳救援时机的延误。

为解决企业现场报警失效问题，本文介绍了一种移动分体式多功能监控监测系统，基于LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功率广域网络)技术研究传感设备的模块化，提高密集装置区等复杂场景报警信息的传输效率，并集成视频监控及智能分析、无线传感、精准定位等技术，实现工业环境多维数据融合分析和设备自组网联动报警功能，提升现场安全监管和事故应急预警能力，有效防控安全事故的发生。

1 LPWAN技术

1.1 LPWAN技术的优选

LPWAN是可以使用低比特率进行长距离通讯的物联网技术。LPWAN技术的主要特点包括节点功耗低、传输距离远、网络部署简单、运营成本低等[8-10]。与WiFi、蓝牙、ZigBee等其他通信技术相比，LPWAN技术真正实现了大区域物联网低成本全覆盖，因此在工业、农业和城市环境取得了广泛应用，例如共享单车、气象监测、智能仪表、工业基础设施监控等[11]。

目前LPWAN技术应用最多的为LoRa、SigFox和NB-IoT，用户一般根据自身领域和需求选择适合的通讯技术。其中，LoRa作为重要的低功耗长距离无线通信技术，由美国Semtech公司深化研发并进行商业化应用，而LoRaWAN是LoRa物理层技术传输技术之上的MAC(介质访问控制)层的组网协议。LoRa技术通过特殊的线性调频扩频(CSS)技术提供了双向通信，可将窄带跳变为宽带，并通过编码增益增强了抗干扰和噪声能力，提升了信号传输可靠性，具有更优越的理论特性[12]。表1为LoRa与其它两种应用比较广泛的LPWAN技术之间的对比[13-14]，相比之下LoRa技术具有以下主要优势：① 基于Sub-GHz的频段可使其在低功耗情况下实现远距离通信，较低频率的信号受到障碍物引起的信号衰减较少，具有较高的穿透性，利于现场信息的采集传输；② LoRa工作在非授权频段，不必依赖运营商的基础设施，自行组网提高建设的灵活性，同时LoRa模块成本较低，网络架构方便且运营成本低，更适合工业环境的区域性网络部署[15]；③ 较低的数据速率使得电池供电设备的能耗低，有效延长了LoRa的电池寿命，减少了设备维护的精力和费用；另一方面，低能耗也使得设备具有更好的防爆性能。

表1 LoRa、SigFox和NB-IoT技术对比

1.2 LoRa信号传输效果测试

利用基于标准LoRaWAN无线通信协议的信号质量测试仪器，在某企业变换甲烷化-氨吸收制冷密集装置区对LoRa信号的传输效果进行测试：①2个信号测试仪均置于装置区，相互收发信号；②测试点的选取应均匀分布，能够反映该区域内的覆盖情况；③记录不同距离下的信号强度RSSI、信噪比SNR和丢包率PLR，反映信号传输效果。实验中扩频因子SF为12，信号频率为480 MHz，发射功率为6 dBm，数据包大小为10 Byte，测试结果如图1所示。

图1 密集装置区LoRa信号传输效果测试结果

从图1中可以看出，在信号遮挡严重的密集装置区，随着传输距离的增加，信号强度RSSI和信噪比SNR虽均有所降低，但100 m范围内丢包率PLR最高仅为0.1%。因此，利用LoRa技术可有效解决密集装置区域或受限空间预警监控数据传输受限的问题。本文研制了具有LoRa信号传输功能的分体式多功能监控监测设备，以实现工业环境中设备之间监控报警信息的有效传输，为多设备自组网和设备间的联动报警奠定基础。

2 分体式多功能监控监测系统

为实现对石化企业现场全方位的智能化远程监控，利用本文所研发的分体式多功能监控监测设备，基于LoRa/蜂窝通信技术混搭融合无线网络环境的部署，结合气体传感监测、精准定位、视频监控及智能分析等技术，形成现场的全方位安全监管和监测预警系统，对现场多维信息进行高效采集、传输、分析和管理。监控监测系统可实现企业现场风险智能化识别分析，根据异常事件类别进行联动报警和在线提醒，提升应急响应时效性和应急处置能力。LoRa通讯技术的应用，实现了气体监测、GPS/BD定位、视频监控功能的模块化和设备的分体式，扩大了单台设备的监测覆盖范围，同时降低了设备能耗，使其具有EX d IIC T4 Gb的防爆等级，可在更广泛的工业环境中应用。

分体式多功能监控监测系统主要由分体式气体监测仪(下文简称监测终端)、移动监控终端(下文简称监控终端)、LoRa/蜂窝通信技术混搭融合无线网络和安全监控平台4部分组成，系统组成及网络拓扑结构如图2所示。

图2 系统组成及网络拓扑结构

2.1 混搭融合网络信息采集与传输

监测终端和监控终端作为系统的感知层，主要通过气体传感监测、视频摄像头、GPS/BD定位等多种设备对现场有毒有害气体浓度、地理位置和视频监控信息采集，其主要功能模块组成如图3所示。为实现信息的实时有效传输，传输层采用了LoRa/蜂窝通信技术混搭和融合组网方案。监测终端一般置于受限空间、密集装置区或其他信号遮挡严重区域，因此利用LoRa技术实现监测终端与监控终端之间的通信；监控终端需向安全监控平台实时传输视频监控信息，因此所述设备利用移动/电信的3G/4G典型蜂窝通信技术进行大数据量的高效传输。

图3 监控监测终端主要功能模块

(1)监测终端。气体信息采集模块可同时配置4种气敏传感器，可检测O2、CO、H2S、CH4等26种气体；获取的气体信息经过A/D转换接口模块转换为数字信号，再交由监测终端处理器模块进行处理；处理器分析气体信息，根据设定阈值判断其是否到达报警极限，可激发报警模块进行声光报警；LoRa模块与处理器模块相连，用于气体信息或报警信息的收发。

(2)监控终端。视频图像获取信息模块用于获取现场视频或图像，GPS/BD定位模块用于获取地理位置信息，并交由监控终端处理器模块进行处理；处理器分析处理LoRa模块获取的气体信息或报警信息，通过无线通信模块连接蜂窝网络基站向安全监控平台进行相关信息传输；设置模块可对各个模块的参数进行设置；用户可通过信息管理模块进行气体浓度、定位和实时录像的查看。

针对石化企业装置区信号遮挡严重的情况，本文所述终端所采用的LoRa模块为基于SX1278射频芯片的无线串口模块(UART)，支持LoRa直序扩频技术，具有更远的通讯距离和抗干扰能力强的优势。数据加密和压缩功能减小了数据受干扰的概率，提高了可靠性、保密性和传输效率，表2为模块默认的相关标准参数。

表2 所配置LoRa模块相关标准参数

2.2 信息分析研判与联动报警2.2.1 多设备组网和设备间报警联动程序

(1)监控监测终端自组网联动报警。单台监控终端可连接多个监测终端，实时获取多个监测终端的报警信息，对区域内多个风险点进行监控，如图2所示。通过建立配套监控监测终端的LoRaWan协议，实现监控监测终端的自组网模式。单台监测终端检测到气体浓度异常情况时，协议绑定的监控终端及其他监测终端将联动报警。

(2)区域内监控终端联动报警。根据气体异常情况波及范围参数设置，结合多台监控终端设备间的组网模式，实现范围区域报警联动。基于PHP语言开发多设备间的组网程序，单点监控终端报警后进行报警命令传输，服务器根据气体浓度异常信息、GPS/BD定位信息和内置的波及范围参数精确定义关联范围，确定联动监控终端设备后发送联动报警指令，并对系统客户端进行异常事件的报警提醒，如图4所示。自组网联动报警可有效扩大报警范围，及时提醒区域内外相关人员采取应急处置措施。

图4 区域联动报警程序流程

2.2.2 风险分析展示与应急处置机制

安全监控平台可对获取的视频实时监控信息进行智能分析。基于图像特征识别的深度学习算法和模块，利用视频智能分析技术对采集到的现场视频图像素材进行处理。通过建立相应的报警规则和阈值，智能识别出现场不戴安全帽、不穿戴安全带、叉车危险操作、抽烟等多种典型违章行为，自动进行报警。最终结合现场多维信息的融合分析，根据风险报警数据的应急处置措施、流程和权限进行异常处置程序的配置，实现视频实时监控、电子地图和报警信息和应急措施的通知等功能，以智能手段辅助人员识别、分析和处置现场多风险异常情况，如图5所示。

图5 报警信息分析研判与应急处置

3 结论

针对石化企业安全监管上的问题，提出了一种分体式多功能监控监测系统，实现了视频监控、视频智能分析、气体监测、报警联动和主动推送功能。

(1)深入分析了LoRa技术在工业环境中的适用性，设备利用LoRa穿透性强的特点，有效解决了信号屏蔽严重的生产现场风险数据传输受阻的问题，从而实现了监控监测设备的分体式模块化，LoRa模块的应用使得设备具有更广泛的监测范围和更高的防爆性能。

(2)基于LoRa/蜂窝通信技术混搭融合网络方案，实现设备间的组网关联和联动报警，形成区域监测覆盖，解决监控设备覆盖面广而报警范围小的问题，提高应急响应的时效性。

(3)利用视频智能分析、多维数据融合分析研判和报警管理与处置等智能化手段，实现“被动”人员监管向“主动”智能监控的转变，增强现场风险防控和事故应急预警能力，不断提升石化企业智能化安全监管水平。