基于物聯(lián)網(wǎng)技術的高校實驗室氣瓶管理

宋明 徐瑋瑋 王揚 莊文昌 彭景

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為高校實驗室管理提供了新的思路，針對高校實驗室壓力容器特別是氣瓶屢現(xiàn)事故的情況，因此在總結(jié)傳統(tǒng)實驗室壓力容器管理現(xiàn)狀及問題的基礎上，介紹了本?；谖锫?lián)網(wǎng)技術管理氣瓶的相關嘗試，為普通高校實驗室的管理提供了新的想法與思路。

關鍵詞：高校實驗室管理；物聯(lián)網(wǎng)；氣瓶

中圖分類號：F25文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.22.021

1引言

科研人員開展教學、科研工作，離不開高校實驗室提供的場所和平臺。目前，我國科研水平逐年提升，涉及壓力容器、有毒化學品、易燃易爆品的使用領域與課題越來越多。需要指出的是，實驗室隨處可見的氣體鋼瓶，不同于易燃易爆及有毒化學品，其本身物化特性存在可變性，出現(xiàn)問題時，往往具有不可預測性，一旦所用的氣瓶（特別是氫氣、乙炔等氣瓶）發(fā)生了漏氣、破裂等情況，其產(chǎn)生的巨量摧毀力，將給人員造成嚴重傷害，給財產(chǎn)造成較大損失。

目前，實驗室包括氣瓶等壓力容器的管理多采用傳統(tǒng)的定期安全培訓與人工檢查相結(jié)合的方式。然而此方式顯然不具有實時性和預警性，而壓力容器事故的往往又具有突發(fā)性，故此類事故依然頻頻發(fā)生，屢見不鮮。部分研究者通過與物聯(lián)網(wǎng)技術結(jié)合，加強對壓力容器的管理。然而專門針對高校實驗室的氣瓶管理的物聯(lián)網(wǎng)技術，未見報道。本文首先總結(jié)目前實驗室壓力容器管理現(xiàn)狀及問題，在此基礎上介紹了本校針對氣瓶管理與相關企業(yè)合作建立的基于物聯(lián)網(wǎng)氣瓶管理舉措。

2傳統(tǒng)實驗室壓力容器管理及問題

壓力容器，按照我國關于壓力容器的相關規(guī)程規(guī)定（如《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》），泛指容器器壁內(nèi)外存在一定壓力差（最高工作壓力需大于01 Mpa）的密閉性質(zhì)的容器，其內(nèi)直徑一般大于等于015 m，容積大于等于0025 m3，所裝的為氣體、液化氣體或所裝物體最高的工作溫度大于等于其標準沸點的液體。

高校理工科實驗室教學科研工作中，各種壓力容器的使用愈為頻繁，包括氣體鋼瓶（如氫氣、氧氣、乙炔氣等氣體）、高壓的反應罐與釜、包括各類高壓反應器等容器。提到壓力容器，其使用條件要求一般較高，而且由于其本身內(nèi)部壓力比較高，時常還會在高溫、高真空、高腐蝕等各種嚴酷的工藝條件下操作使用。一旦出現(xiàn)了操作及管理不當，及其容易產(chǎn)生泄露、中毒、爆炸、火災等安全事故，給人員和財產(chǎn)帶來不可彌補的損失和傷害失。故而，為了有效保障和提高高校實驗室的安全，保證壓力容器能夠平穩(wěn)的運行，亟待加強實驗室壓力容器是安全管理與使用。

目前，高校實驗室壓力容器管理所采取的措施主要包括：（1）壓力容器的安全性使用。使用壓力容器前，采取對實驗室相關操作人員進行嚴格培訓的措施，通過讓其掌握所需的相關技術規(guī)程，保證其使用過程中能夠嚴格遵守安全操作規(guī)程，如實和認真的記錄與填寫壓力容器運行記錄。此外，對實驗室的所有壓力容器，按照其相關規(guī)定，建立、補充與完善容器的技術資料等檔案（如出廠文件、制造和安裝技術文件、檢驗維修記錄、使用記錄、故障記錄等），高壓容器的技術檔案的建立、更新、保管等需由負責安全的人員按照規(guī)定嚴格執(zhí)行，進而能夠保證壓力容器的管理、維修和操作人員能夠全面掌握容器使用的歷史與目前安全技術狀況，獲取其運行規(guī)律進而防止盲目操作而造成和發(fā)生事故。（2）壓力容器的維護保養(yǎng)。保證壓力容器日常能夠進行定期的維護和檢修相結(jié)合，正確操作、用心維護與細心保養(yǎng)，進而能夠保證壓力容器長周期、安全的穩(wěn)定運行。其中，維護保養(yǎng)的重點主要是壓力容器本身的防腐、防漏和各類配件等的日常巡檢與維護。特別是，每隔一定的時間（壓力容器設計使用期限內(nèi)），通過采用適當?shù)挠行Х椒ǎ瑢M行必要的承壓部件與安全裝置的檢查和檢驗。所指壓力容器的定期檢驗主要包括年度性檢驗、全面的檢查和耐壓性測試等，建立安全狀況等級，根據(jù)壓力容器不同等級分類設定檢驗間隔時間。

上述傳統(tǒng)使用和管理方法，對于高校壓力容器的隱患消除起到了一定的作用，然而各高校實驗室的安全管理能力參差不齊，傳統(tǒng)的定期安全培訓與人工檢查相結(jié)合方式顯然不具有實時性和預警性，而壓力容器事故的往往又具有突發(fā)性，故此類事故依然頻頻發(fā)生，屢見不鮮。究其原因，主要存在以下幾個方面的問題： （1）壓力容器安全培訓較理論。目前，各大高校實驗室基本都進行定期的實驗室安全培訓，包括各類鋼瓶等壓力容器的安全使用與管理。盡管很多培訓的內(nèi)容已經(jīng)較為豐富，涵蓋的面已較廣，然而大部分還停留在理論培訓的范疇，培訓也常流于形式，效果可想而知。（2）壓力容器信息登記較分散。各類壓力容器具體信息不盡相同，包括容器類型、氣瓶型號、工作壓力、試驗日期、使用記錄等信息的登記通常采用人工錄入和紙質(zhì)登記的方式進行，不同實驗室登記方式又常存在差異，導致壓力容器的信息登記較為分散，難以實現(xiàn)統(tǒng)一化、系統(tǒng)化的管理。（3）壓力容器安全檢查較滯后。定期檢查是目前保證壓力容器安全運行的主要手段，此方式確實對于降低事故發(fā)生的可能性，起到了一定防患于未然的效果。然而，面對壓力容器的突發(fā)泄露、爆炸等情況，定期檢查顯然具有一定的滯后性，難以保證事故的“零事件”。

因此，針對上述問題，亟待相關實驗室管理人員改進管理方式、轉(zhuǎn)變管理思路，從而提高實驗室的安全性。通過與物聯(lián)網(wǎng)技術相結(jié)合，為我們解決上述問題提供了新的思路。

3氣瓶管理的物聯(lián)網(wǎng)技術

高校實驗室管理的智能化是高校管理的大勢所趨，隨著網(wǎng)絡認證、遠程監(jiān)控、指紋識別云計算等技術在實驗室管理中的應用，物聯(lián)網(wǎng)技術也開始在高校實驗室管理中發(fā)揮作用。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things），其標準的定義是：通過全球定位系統(tǒng)（GPRS）、射頻識別（RFID）技術、紅外感應設備等傳感設備，在此基礎上，按其約定協(xié)議，基于互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)實中的任何物體進行連接，進而產(chǎn)生信息的交換與通信，從而能夠達到對物體的智能化定位、識別、監(jiān)控、跟蹤與管理的一種網(wǎng)絡。和其上述基本概念定義的一樣，物聯(lián)網(wǎng)這一概念基于互聯(lián)網(wǎng)的概念之上，其下游的用戶端可以拓展到任何物體（如公路、鐵路、隧道、大壩、橋梁、電梯等）與物品之間。endprint

基于物聯(lián)網(wǎng)的技術，目前研究已通過射頻識別技術，部分應用于電梯、醫(yī)用氣體供應等系統(tǒng)，其研究具有前瞻性亦取得了較好的效果。然而針對高校實驗室壓力容器，特別是氣瓶的管理中，采用射頻識別建立電子標簽，并通過閱讀器識別的方式，顯然不具有現(xiàn)實的可行性，這主要源于：（1）氣站所用氣瓶難以實現(xiàn)全部電子標簽的建立，更換過程中高校自建電子標簽的氣瓶易被氣站普通氣瓶替換；（2）電子標簽在氣瓶搬運過程中易產(chǎn)生標簽丟失、破損等問題；（3）氣瓶使用單位全面建立射頻識別技術往往受到技術，特別是費用的限制，難于實現(xiàn)。

因此，本校與相關企業(yè)合作，采用簡單的DTU模塊，通過氣體探頭及控制器，實現(xiàn)氣體泄露情況下，第一時間反饋直接管理人員并及時處理，以避免安全事故的發(fā)生。其具體構(gòu)架示意圖如圖1所示。

其中，感知層為專門檢測可燃氣體的探測器，包括氫氣、甲烷、乙炔等，通過數(shù)據(jù)采集電路實時監(jiān)測氣瓶情況，其得到的氣瓶信息傳入處理層主機。主機配備高速CPU數(shù)據(jù)處理，并通過查詢方式而獲得探測器的信息，在此基礎上，通過LCD顯示出探測器相應的狀態(tài)、濃度進而輸出相應的控制信號。主機運算與存儲的同時，擔負初始化DTU模塊的職責，完成基于 GPRS 的網(wǎng)絡接入功能（基于特定指令與GSM/GPRS模塊（DTU模塊）進行通訊），既可以收發(fā)短信息，還能夠事先預存電話號碼，并通過監(jiān)控中心撥打上述指定電話號碼。當遠程監(jiān)控中心的終端層電腦發(fā)送請求時，其可將包含全部氣瓶信息的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡發(fā)送到相應的監(jiān)控中心電腦查詢軟件中，也可直接發(fā)送信息，進而實現(xiàn)了監(jiān)控中心（終端層）和站點（感知層）的交互功能。緊急情況時（如氣體意外泄露），主動觸發(fā)報警、排氣，同時給負責人發(fā)送短信及撥打電話，并將情況及時上傳終端層電腦。

相較于RFID技術，基于GSM/GPRS結(jié)合技術的氣瓶監(jiān)控，利用了我國GSM 通信網(wǎng)具的優(yōu)點，投入成本低、覆蓋范圍廣、可靠性好，GPRS可實現(xiàn)在任何時間、地點的快速連接互聯(lián)網(wǎng)。因此，利用 GPRS/GSM 相結(jié)合的通信方法，不但能很好適應目前的網(wǎng)絡通信的需求，也能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性與準確性，且大大降低了系統(tǒng)的運行成本。

4總結(jié)

目前高校壓力容器的管理主要通過培訓和定期人工檢查的方式，存在安全培訓較理論、信息登記較分散、安全檢查較滯后等問題。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，采用GSM/GPRS相結(jié)合的通信模式，很好的實現(xiàn)了實驗室氣瓶的實時監(jiān)控，日常情況下可實時存儲和查詢氣瓶狀態(tài)，緊急情況下可第一時間撥打安全員電話或發(fā)送短信，同時完成現(xiàn)場報警與自動排氣功能，取得了較好的效果。本校的物聯(lián)網(wǎng)與實驗室管理相結(jié)合的嘗試，為高校實驗室管理提供了新的想法與思路。

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