基于大數(shù)據(jù)的鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺設(shè)計(jì)

周曉舸,姚文英

（北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司,北京市100041）

基于大數(shù)據(jù)的鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺設(shè)計(jì)

周曉舸,姚文英

（北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司,北京市100041）

闡述了鋼鐵企業(yè)安全保障管理體系創(chuàng)新面臨的形勢,分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)的內(nèi)涵,提出了構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算平臺、大數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化控制的鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺的思路,并設(shè)計(jì)出相應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┖侠淼陌踩h(huán)保管理策略,實(shí)現(xiàn)對企業(yè)安全環(huán)保監(jiān)管全程動態(tài)監(jiān)控及長效預(yù)警,進(jìn)一步提升企業(yè)安全監(jiān)控能力。

大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控；平臺架構(gòu)；安全環(huán)保管理

當(dāng)前,我國經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入從高速增長轉(zhuǎn)為中高速增長,結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級,從要素驅(qū)動、投資驅(qū)動轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動的新常態(tài),鋼鐵行業(yè)也隨之發(fā)生新變化。進(jìn)入2015年,鋼鐵行業(yè)仍然由于下游需求減弱,鋼材價(jià)格大幅下跌,企業(yè)資金緊張凸顯等處于轉(zhuǎn)型升級的“陣痛期”,企業(yè)面臨的生產(chǎn)經(jīng)營形勢依然嚴(yán)峻。同時,隨著國家新修訂的 《安全生產(chǎn)法》、《環(huán)境保護(hù)法》的出臺,對鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理工作中的生產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)管理工作也提出了更高的要求。而保障生產(chǎn)安全和環(huán)境的因素?cái)?shù)據(jù)眾多、分散,不同類型數(shù)據(jù)包含的信息又各具特點(diǎn),只有綜合各類因素?cái)?shù)據(jù)所包含的信息才能得出影響生產(chǎn)安全和環(huán)境的真正因素并預(yù)測出安全環(huán)境信息。因此探索既符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向,又契合企業(yè)發(fā)展實(shí)際的分析方法去管控新常態(tài)下的生產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)工作,為企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障,是鋼鐵企業(yè)迫在眉睫、亟待解決的頭等課題[1]。

在大數(shù)據(jù)概念提出后,我國將大數(shù)據(jù)納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),并相繼在各行業(yè)采取了一系列政策措施促進(jìn)其發(fā)展。2015年4月12日,由京津冀三地科技主管部門推動,整合70余家鋼鐵企業(yè)、節(jié)能減排機(jī)構(gòu)、高校院所及金融機(jī)構(gòu),以企業(yè)為主體,建立了以大數(shù)據(jù)為支撐的“鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟技術(shù)創(chuàng)新中心”,構(gòu)筑我國鋼鐵行業(yè)第一個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化的創(chuàng)新平臺,推動我國鋼鐵行業(yè)污染排放達(dá)標(biāo)治理。因此,積極推廣應(yīng)用“大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算”等智能化新技術(shù)與鋼鐵企業(yè)融合創(chuàng)新,推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計(jì)劃,在企業(yè)安全環(huán)保管理方面著力建設(shè)數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺,搭建鋼鐵安全生產(chǎn)保障系統(tǒng),打造“安全鋼鐵”、“綠色鋼鐵”、“互聯(lián)網(wǎng)鋼鐵”,目前是各鋼鐵企業(yè)對生產(chǎn)安全保障體系提質(zhì)增效熱點(diǎn)研究的一個創(chuàng)新模式[2]。

1 大數(shù)據(jù)的基本概念

1.1 大數(shù)據(jù)的定義

在“互聯(lián)網(wǎng)+”正在向第一和第二產(chǎn)業(yè)全面滲透的大背景下,越來越多的數(shù)據(jù)使得單純擴(kuò)展服務(wù)器硬盤容量、提升磁盤陣列性能等傳統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)的方式越來越不適應(yīng)企業(yè)的實(shí)際需求,以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的分布式計(jì)算平臺也必然成為時代的新寵,大數(shù)據(jù)分析也應(yīng)運(yùn)而生。大數(shù)據(jù)是指無法在一定時間內(nèi)用傳統(tǒng)流程或軟件工具對其內(nèi)容進(jìn)行擷取、管理和處理的,需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的數(shù)據(jù)集合。而大數(shù)據(jù)分析就是通過收集、整理生活及生產(chǎn)中方方面面的這些數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行分析挖掘,進(jìn)而從中獲得有價(jià)值的信息,最終衍化出的一種商業(yè)模式[3]。

1.2 大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)用于在成本可承受的條件下,通過非?？焖?velocity)的采集、發(fā)現(xiàn)和分析,從大量化(volume)、多類別(variety)的數(shù)據(jù)中提取出價(jià)值(value)。其要處理的數(shù)據(jù)不僅量大,而且呈現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn),因此在各個處理環(huán)節(jié)中可以采用分布式存儲、并行處理等方式進(jìn)行。大數(shù)據(jù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)據(jù)采集技術(shù)、分布式并行處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)、云計(jì)算等。可以說,大數(shù)據(jù)融合云計(jì)算已經(jīng)成為IT領(lǐng)域新一代的技術(shù)與架構(gòu)。

并行處理技術(shù)將傳統(tǒng)的查詢、分解及數(shù)據(jù)分析進(jìn)行分布式處理,將處理任務(wù)分配到不同的處理節(jié)點(diǎn),對數(shù)據(jù)一致性要求不高,具有很高的擴(kuò)展性和可用性,特別適用于海量的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的混合處理。

數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)采用可視化分析、數(shù)據(jù)挖掘算法、預(yù)測性分析、語義引擎、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析技術(shù)有效地從大量的、不完全的、模糊的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)中,提取隱含在其中的潛在有用的信息和知識,揭示出大量數(shù)據(jù)中復(fù)雜的和隱藏的關(guān)系。

云計(jì)算主要基于資源虛擬和分布式并行架構(gòu)兩大核心技術(shù),將大量異構(gòu)的服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)、存儲設(shè)備構(gòu)建為統(tǒng)一的資源池進(jìn)行監(jiān)控和管理,并根據(jù)實(shí)際資源使用情況對資源池靈活分配和調(diào)度,從而為各類系統(tǒng)應(yīng)用提供可擴(kuò)展的海量存儲資源及超強(qiáng)計(jì)算能力。云計(jì)算技術(shù)具有按需服務(wù)、超大規(guī)模、高擴(kuò)展性、虛擬化、高可靠、通用化等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺采用基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的Hadoop開源架構(gòu),通過集群及節(jié)點(diǎn)的分布式部署,使數(shù)據(jù)存儲于多個節(jié)點(diǎn),利用節(jié)點(diǎn)分布式計(jì)算架構(gòu),并行進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,從而有效解決了鋼鐵企業(yè)海量生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)集中存儲模式下前期投入空置資源較多、而后期擴(kuò)展需求不定的問題。系統(tǒng)能夠動態(tài)擴(kuò)展部署、在線升級,同時保持原有系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備平滑過渡,極大提升了生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)（工業(yè)電視/安防視頻、重要設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控值、火災(zāi)消防設(shè)備運(yùn)行值、產(chǎn)線運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)、廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測值等）讀寫的效率,挖掘出生產(chǎn)安全價(jià)值信息進(jìn)行分析,為當(dāng)前流行的預(yù)防型和精細(xì)化安全管理模式提供科學(xué)、有效的安全危險(xiǎn)因素和隱患分析,并提供相應(yīng)的措施供安全管理人員提前預(yù)防或消除事故隱患。

鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺架構(gòu)[4]以Master節(jié)點(diǎn)（或命名節(jié)點(diǎn)）作為管理核心,其上運(yùn)行多個后臺服務(wù)（如JobTracker）,負(fù)責(zé)客戶端服務(wù)的請求響應(yīng)及反饋。采集的安全數(shù)據(jù)分布保存在HDFS（Hadoop分布式文件系統(tǒng)）集群節(jié)點(diǎn)內(nèi),通過HBase建立訪問的索引。MapReduce對分布存儲在HDFS不同節(jié)點(diǎn)的安全數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,以就近進(jìn)行分析、計(jì)算。多個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)可以并行進(jìn)行計(jì)算分析,然后將結(jié)果匯總,存儲到HDFS或者反饋給客戶端。鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺架構(gòu)如圖1所示。本平臺主要包括信息采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與存儲、智能安全預(yù)警和環(huán)境評測、信息檢索查詢顯示等部分。

圖1 平臺架構(gòu)

2.1 信息采集

鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺通過在鋼鐵生產(chǎn)線的各個重要安全監(jiān)控點(diǎn)及環(huán)境檢測點(diǎn)布局視頻監(jiān)控、傳感器、數(shù)據(jù)采集器,借助平臺定義的數(shù)據(jù)采集接口及通信接口,實(shí)時地利用傳感器及數(shù)據(jù)采集器對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及環(huán)境參數(shù),生產(chǎn)現(xiàn)場安防、消防、安全防護(hù)設(shè)備、環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)、廠區(qū)大氣環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行采集,同時將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、視頻圖像進(jìn)行合成壓縮,然后通過無線局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)傳入平臺數(shù)據(jù)庫中。

2.2 信息傳輸

鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺基于WLAN無線局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對信息安全、可靠、穩(wěn)定的傳輸,滿足大數(shù)據(jù)共享的要求?，F(xiàn)場生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)采集器通過WLAN無線局域網(wǎng)或局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至HDFS分布存儲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲, Master節(jié)點(diǎn)與分布節(jié)點(diǎn)之間采用高速網(wǎng)絡(luò)（千兆甚至更高）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互,移動客戶端則基于GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)與平臺之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的互動。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與存儲

在分布式監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中的虛擬機(jī)上安裝轉(zhuǎn)發(fā)及存儲（類傳統(tǒng)NVR或流媒體服務(wù)）軟件,采用并發(fā)的、帶有緩存的模塊來處理數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及轉(zhuǎn)發(fā)、虛擬機(jī)之間共享計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源。由于用戶端設(shè)備所支持的數(shù)據(jù)格式不同,并且圖像顯示分辨率受到傳輸帶寬的限制,在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時需要對源數(shù)據(jù)流進(jìn)行格式和分辨率轉(zhuǎn)碼,以適應(yīng)用戶實(shí)際的格式和圖像分辨率。

2.4 智能安全預(yù)警和環(huán)境評測

24小時持續(xù)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)安全視頻摘要和特征數(shù)據(jù),體量大、增長快、結(jié)構(gòu)多樣、價(jià)值密度低,借助Hadoop分布式存儲技術(shù),統(tǒng)一存儲至Hadoop大數(shù)據(jù)集群,形成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)云存儲資源庫,使用Hadoop MapReduce分布式計(jì)算模型進(jìn)行快速、多次、全局性的智能安全預(yù)警和環(huán)境評測。智能安全預(yù)警和環(huán)境評測包括實(shí)時預(yù)警評測分析和離線預(yù)警評測分析。安全預(yù)警和環(huán)境評測分析模式主要包括圖像識別、行為檢測、移動跟蹤、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對比、生產(chǎn)安全相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)、環(huán)境參數(shù)與產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)、安全/環(huán)境影響因素建模識別等。

2.5 信息檢索查詢顯示

在監(jiān)控中心采用Web技術(shù),以圖形化人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時/歷史動態(tài)查詢檢索以及預(yù)警評測信息的實(shí)時顯示報(bào)警。職工信息查詢則采用多種常用的網(wǎng)絡(luò)傳播途徑,擴(kuò)散和發(fā)送實(shí)時和歷史的生產(chǎn)安全和環(huán)境動態(tài)消息。職工可以根據(jù)自己不同的需求,通過短信、WAP網(wǎng)站、手機(jī)應(yīng)用程序、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站等方式主動感知周圍人員、環(huán)境、設(shè)備,獲知周圍安全信息,及時獲取預(yù)警預(yù)報(bào)信息,從而在災(zāi)害發(fā)生或即將發(fā)生時快速撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

3 結(jié)束語

如今在“互聯(lián)網(wǎng)+”的強(qiáng)力推動下,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與制造業(yè)融合不斷深化,同時也為鋼鐵業(yè)帶來了新的契機(jī)。作為安全環(huán)保監(jiān)控大戶的鋼鐵企業(yè)以及各級安全監(jiān)管部門,面對鋼鐵行業(yè)“三低一高”,即低增長、低效益、低價(jià)格,以及環(huán)保治理保持高壓態(tài)勢的新常態(tài),應(yīng)搶占先機(jī),加速推進(jìn)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺的建設(shè),有效提升鋼鐵安全環(huán)保管理信息化水平,實(shí)現(xiàn)對安全生產(chǎn)的實(shí)時、遠(yuǎn)程和全方位綜合監(jiān)管,從而增強(qiáng)鋼鐵企業(yè)的安全保障、應(yīng)急救援能力,有效防范和遏制安全事故發(fā)生,促進(jìn)鋼鐵行業(yè)持續(xù)安全、穩(wěn)定、健康發(fā)展。

盡管大數(shù)據(jù)技術(shù)較新,存在著很多問題,諸如：各系統(tǒng)互聯(lián)互通缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、大數(shù)據(jù)平臺建模分析稚嫩缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),大數(shù)據(jù)平臺缺乏專業(yè)的規(guī)模運(yùn)營等,其在鋼鐵企業(yè)安全監(jiān)控管理的應(yīng)用還在探索階段,但大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)該也必將成為提升鋼鐵企業(yè)安全監(jiān)控管理水平的重要技術(shù)手段。鋼鐵數(shù)字安全監(jiān)控管理平臺建成后將從本質(zhì)上提升鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)管理水平。

[1] 馬小平,胡延軍,繆燕子.物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].工礦自動化,2014,40(4)：5-9.

[2] 黃育德.大數(shù)據(jù)與鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)力提升[J].經(jīng)濟(jì)研究參考,2014 (10):49-52.

[3] 孟小峰.大數(shù)據(jù)管理：概念、技術(shù)與挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 2013,50(1)：146-169.

[4] 黃素萍,葛萌.Hadoop平臺在大數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2013（29）:12-15.

Design of Steel Digital Security Monitoring and Management Platform Based on Big Data

ZHOU Xiaoge,YAO Wenying
(Beijing Shougang Automation Information Technology Co.,Ltd.,Beijing 100041,China)

The paper describes rigorous situation of innovation of iron&steel enterprise safety security and management system, analyzes the connotation of big data technology,puts forward thought of iron&steel digital security monitoring and management platform based on Internet,cloud computing platform,big data analysis and optimal control,and the corresponding system has been designed.The system can provide the users reasonable safety and environmental management strategies,achieve dynamic monitoring and long-term early warming for enterprise safety and environmental during the whole period and further enhance enterprise safety monitoring ability.

big data;cloud computation;steel digital security monitoring;platform architecture;management of safety and environmental protection

TP393

B

1004-4345(2015)03-0048-03

2015-05-11

周曉舸（1984—）,男,主要從事冶金自動化、信息化、智能綜合管理平臺的應(yīng)用與研究。