海上風(fēng)電機組消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

康健 陳靜 袁志鋼 劉亞波

摘 要：為提高海上風(fēng)電機組的消防安全水平，設(shè)計開發(fā)了一個消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能實時監(jiān)測海上風(fēng)電機組消防系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)各類消防安全隱患，并可遠程控制消防系統(tǒng)進行滅火。該系統(tǒng)已在國家電投集團江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司投入運行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組;消防系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)

0? ? 引言

在碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標下，可再生能源的開發(fā)利用日益受到許多國家的重視。海上風(fēng)電是可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，是近年來全球風(fēng)電發(fā)展的重要方向之一[1]。

海上風(fēng)電機組由于遠離陸地，相比陸上風(fēng)電機組更加不易維護管理。海上風(fēng)機在無人值守狀態(tài)下運行，當發(fā)生火災(zāi)時，由于海況和天氣情況的影響，很可能無法派人前往滅火，從而給風(fēng)機帶來毀滅性的破壞[2]。因此，海上風(fēng)電機組需要安裝自動消防系統(tǒng)，并接入消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對消防系統(tǒng)運行狀態(tài)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)各類消防安全隱患，以便及時派人處理，避免火災(zāi)事故的發(fā)生。如果一旦發(fā)生火災(zāi)，也可以遠程控制風(fēng)電機組內(nèi)的消防系統(tǒng)進行滅火，從而保障風(fēng)電機組的消防安全。本文設(shè)計和實現(xiàn)了一套海上風(fēng)電機組消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用于江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司濱海北H1/H2#項目風(fēng)力發(fā)電機組的遠程消防監(jiān)控。

1? ? 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心三部分組成，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1? ? 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用ARM處理器，安裝在海上風(fēng)電機組內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的分析和轉(zhuǎn)換功能。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過RS485串口與消防系統(tǒng)相連接，采集消防系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)（火警、故障、反饋等信息），并將各類報警信息通過100M以太網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心之間的通信協(xié)議采用國家標準《城市消防遠程監(jiān)控系統(tǒng) 第3部分：報警傳輸網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議》（GB/T 26875.3—2011）[3]，并在該通信協(xié)議的基礎(chǔ)上擴充了遠程控制的命令，實現(xiàn)在監(jiān)控中心遠程控制風(fēng)電機組消防系統(tǒng)啟動滅火功能。

1.2? ? 通信網(wǎng)絡(luò)

在陸地上的監(jiān)控中心與海上風(fēng)電機組之間建有光纖環(huán)網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)采用冗余技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，環(huán)網(wǎng)上的某一處鏈路斷開，不會影響網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)通信。為了提高安全性，本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、計算機都分配有固定的IP地址，并建立虛擬局域網(wǎng)，與光纖環(huán)網(wǎng)上的其他應(yīng)用系統(tǒng)進行隔離。

1.3? ? 監(jiān)控中心

軟件結(jié)構(gòu)采用瀏覽器/服務(wù)器模式，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server，應(yīng)用軟件部署在監(jiān)控中心的服務(wù)器上，在監(jiān)控計算機上通過瀏覽器進行操作。兩臺服務(wù)器采用雙機熱備份的工作模式，一臺服務(wù)器為主機，另一臺為備機，當主機出現(xiàn)異常，不能保障系統(tǒng)正常運行時，備機則主動接管主機的工作。每臺服務(wù)器的硬盤均采用RAID1方式，當主硬盤出現(xiàn)故障時，鏡像硬盤自動代替主硬盤工作，從而提高系統(tǒng)的容錯能力。隨著系統(tǒng)接入風(fēng)電機組數(shù)量的增加，當目前的服務(wù)器不能滿足數(shù)據(jù)處理要求時，可以動態(tài)擴充服務(wù)器數(shù)量，來分擔(dān)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并按功能將服務(wù)器分為接入服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等。

2? ? 系統(tǒng)功能

2.1? ? 實時監(jiān)控

實時監(jiān)測所有風(fēng)電機組消防設(shè)施的運行狀態(tài)，收到報警信息后，在監(jiān)控計算機上顯示報警點信息（編號、名稱、報警類型、位置、時間等），通過聲光告警提示值班人員，并對報警點進行定位，在風(fēng)電機組建筑物消防設(shè)備布局圖中顯示具體的報警對象，也可以將風(fēng)電機組建筑物位置在GIS地圖上進行定位。當收到報警時，可以根據(jù)不同級別的報警事件，顯示相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，值班人員根據(jù)應(yīng)急預(yù)案提示的操作流程進行操作，避免因慌亂而出現(xiàn)差錯。當海上風(fēng)電機組發(fā)生火災(zāi)時，在監(jiān)控中心可以發(fā)送控制命令給風(fēng)電機組內(nèi)的消防系統(tǒng)，遠程啟動消防系統(tǒng)進行滅火。發(fā)送遠程控制命令時需要兩名值班人員輸入口令進行確認，避免誤操作，值班人員的操作都記錄進數(shù)據(jù)庫。

2.2? ? 視頻聯(lián)動

通過數(shù)據(jù)接口與視頻監(jiān)控系統(tǒng)對接，在數(shù)據(jù)庫中建立消防監(jiān)控點與攝像機的關(guān)聯(lián)表格，每個消防監(jiān)控點可以與多個攝像機進行關(guān)聯(lián)。這樣，當收到報警信息時，可以自動調(diào)取與該報警點關(guān)聯(lián)的所有視頻圖像，值班人員可以從多個角度查看現(xiàn)場的視頻圖像，以便值班人員分析判斷，避免因現(xiàn)場設(shè)備誤告火警而啟動滅火裝置，造成不必要的損失。

2.3? ? 消防系統(tǒng)運行情況一覽圖

將消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息在一張總圖上顯示，使企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、各級消防主管人員對消防設(shè)備運行情況能一目了然，包括消防設(shè)備（氣體滅火控制器、感煙探測器、感溫探測器等）數(shù)量、當前存在的各類報警數(shù)量、當前設(shè)備完好率、報警趨勢圖、報警數(shù)量排名等。

2.4? ? 風(fēng)電機組消防資料的信息化管理

實現(xiàn)風(fēng)電機組消防資料的信息化管理，包括風(fēng)電機組建筑物資料、消防設(shè)備在建筑物內(nèi)安裝位置布局圖、消防設(shè)備的信息資料（型號、生產(chǎn)廠家、類型、編號、名稱等），并提供各類查詢、統(tǒng)計、修改手段。完整的消防資料是消防物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，也為消防設(shè)備的檢查、維護、保養(yǎng)工作提供了技術(shù)保障。為了管理消防設(shè)備布局圖，設(shè)計了圖形制作工具軟件，功能包括：（1）圖元制作。編制各類圖元，分別表示各類消防設(shè)備（感煙探測器、感溫探測器等），消防設(shè)備圖元符合標準《火災(zāi)報警設(shè)備圖形符號》（GA/T 229—1999）。（2）消防設(shè)備布局圖制作。建筑物圖紙可以從建筑物CAD圖紙中導(dǎo)出，也可以在本系統(tǒng)中編制。在建筑物圖紙上添加圖元，記錄圖元在建筑物圖上的坐標信息，并將圖元與消防設(shè)備的編號建立對應(yīng)關(guān)系，這樣，消防設(shè)備布局圖上的圖元就與安裝在現(xiàn)場的消防設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，當消防設(shè)備發(fā)生報警時，可以自動在消防設(shè)備布局圖上顯示該設(shè)備的位置。當建筑物規(guī)模較大、消防設(shè)備很多時，可以制作多個消防設(shè)備布局圖，可以按建筑物樓層來劃分，也可以按照防火區(qū)域來劃分。

2.5? ? 數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對數(shù)據(jù)庫中的各類信息進行大數(shù)據(jù)分析，如根據(jù)消防設(shè)備的運行狀況、每日/每月報警信息總數(shù)等指標，評估風(fēng)電機組的消防安全水平;根據(jù)消防設(shè)備的完好率、消防設(shè)備故障的修復(fù)時間等，對消防維保工作進行評價。通過大數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)分析風(fēng)電機組消防安全水平和進行決策提供依據(jù)，以便采取措施，及時消除安全隱患，有效保障風(fēng)電機組的消防安全。

2.6? ? 權(quán)限管理

將操作人員分成不同的組，并分配不同的權(quán)限，權(quán)限包括菜單權(quán)限、功能按鈕權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限。菜單權(quán)限是指是否允許看到某一菜單，功能按鈕權(quán)限是指增加、刪除、修改、查看等按鈕操作權(quán)限，數(shù)據(jù)權(quán)限是指能看到的數(shù)據(jù)范圍。通過這種權(quán)限管理方法，可以靈活配置操作人員監(jiān)控哪些風(fēng)電機組，當系統(tǒng)接入的風(fēng)電機組數(shù)量較多時，可以實現(xiàn)分級監(jiān)控的管理模式，如根據(jù)風(fēng)電機組的地理區(qū)域設(shè)立分中心，每個分中心負責(zé)監(jiān)控本區(qū)域的風(fēng)電機組，總監(jiān)控中心可以監(jiān)控所有的風(fēng)電機組。

2.7? ? 系統(tǒng)自身運行狀況監(jiān)控

系統(tǒng)由運行于不同地理位置的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心計算機組成，系統(tǒng)對自身設(shè)備的工作狀態(tài)也進行自動監(jiān)測，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，監(jiān)控中心值班人員能夠及時得知，并通知相關(guān)人員進行維修。

2.8? ? 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件遠程調(diào)試和軟件升級

在GB/T 26875.3協(xié)議基礎(chǔ)上擴展了實現(xiàn)遠程調(diào)試和軟件升級的命令，在監(jiān)控中心的計算機上，可以讀取物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)ARM處理器內(nèi)部寄存器和存儲器的內(nèi)容，從而掌握網(wǎng)關(guān)內(nèi)部嵌入式軟件的運行情況，幫助開發(fā)人員分析和定位網(wǎng)關(guān)軟件中存在的缺陷。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的嵌入式軟件保存在ARM處理器的閃存（flash memory）中，如果需要更新嵌入式軟件，一般是開發(fā)人員到現(xiàn)場通過編程工具軟件將嵌入式軟件重新燒錄閃存。由于ARM處理器支持在應(yīng)用程序中編程功能，因此可以在嵌入式軟件中增加功能來控制閃存編程。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心發(fā)來的嵌入式軟件更新文件數(shù)據(jù)報文，檢驗無誤后，從這些數(shù)據(jù)報文中提取數(shù)據(jù)生成嵌入式軟件更新文件，并燒錄閃存，從而實現(xiàn)軟件升級。遠程調(diào)試和軟件升級能夠大大提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)和維護工作效率。

3? ? 結(jié)語

本文介紹的消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)了對海上風(fēng)電機組消防系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，能及時發(fā)現(xiàn)各類消防安全隱患;如果風(fēng)電機組發(fā)生火災(zāi)，可以遠程控制風(fēng)電機組內(nèi)的消防系統(tǒng)進行滅火，提高了海上風(fēng)電機組的消防救援水平。本系統(tǒng)已在江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司投入運行，隨著海上風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展，本系統(tǒng)也將得到進一步的推廣和應(yīng)用。

[參考文獻]

[1] 戴瑜.德國海上風(fēng)電發(fā)展經(jīng)驗及啟示[J].開放導(dǎo)報，2021（2）：102-109.

[2] 吳喜.海上風(fēng)電場火災(zāi)風(fēng)險防控技術(shù)措施研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（3）：112-114.

[3] 城市消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)：GB/T 26875—2011[S].

收稿日期：2021-08-16

作者簡介：康健（1976—），男，上海人，工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)。