基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險源遠程監(jiān)測方法

張 震

（安徽工商職業(yè)學院應(yīng)用工程學院，安徽 合肥 231131）

物聯(lián)網(wǎng)通過信息間的交換和通信，實現(xiàn)智能識別、定位、監(jiān)視、跟蹤和管理等操作［1］。物聯(lián)網(wǎng)利用計算和通信的特點快速查詢被監(jiān)測事物，適用范圍廣泛［2］。加強研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有利于人們更加細致地管理生產(chǎn)和生活，使社會更加規(guī)律和諧，從而提高資源利用率。

王廷春等［3］利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線定位技術(shù)和視頻技術(shù)等方式對高危作業(yè)現(xiàn)場進行全方位監(jiān)控。通過研發(fā)移動式多功能監(jiān)控終端，增強風險發(fā)現(xiàn)、監(jiān)控、分析研判的能力，可有效防范安全生產(chǎn)事故，提高安全監(jiān)管水平。徐堅強等［4］將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法引入重大危險源風險定量評估中，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建智能監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了風險評估準確性。

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的重大危險源遠程監(jiān)測方法缺少對重大危險源因子的分析。重大危險源因子的有效識別可有效降低事故發(fā)生頻率，將事故發(fā)生后果控制在可控范圍內(nèi)。因此，本文以危險源因子為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險源遠程監(jiān)測方法。

1 重大危險源因子遠程采集

本文依托物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計重大危險源遠程監(jiān)測方法，需先了解物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點，可以更好地利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍和前景越發(fā)廣泛，并且還有更多未開發(fā)的價值［5-6］。物聯(lián)網(wǎng)具有數(shù)據(jù)信息承載的能力，基于物聯(lián)網(wǎng)的互通性等特點，發(fā)展出了感知層、傳輸層、應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［7］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工作原理：先通過感知層對物體的信息進行智能感知，然后通過傳輸層將信息傳送到目標，最后將得到的信息加以應(yīng)用［8-9］。

作為3層結(jié)構(gòu)的第1層，感知層相當于物理接觸層，其結(jié)構(gòu)由智能芯片、識別芯片和傳感器等構(gòu)成，負責收集重大危險源因子，主要功能是智能感知，也包括信息的采集、識別等工作。物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的主要功能如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)的主要功能

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要包括兩種基本的技術(shù)：傳感器技術(shù)和嵌入技術(shù)［10］。正確利用傳感器技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)中對重大危險源因子進行遠程采集是必要的。通過該技術(shù)對一些重化工業(yè)進行監(jiān)控，可以有效地遏制和減少重大危害事件的發(fā)生。重化工業(yè)危險源基本監(jiān)控無線傳感網(wǎng)如圖1所示。

圖1 重化工業(yè)危險源基本監(jiān)控無線傳感網(wǎng)

事故發(fā)生后，通過客戶端穿過防火墻和重大危險源監(jiān)控預(yù)警服務(wù)器，對基于ZigBee的通信網(wǎng)關(guān)發(fā)出信號［11］。根據(jù)傳感器的工作模式向遠程監(jiān)控中心輸入模擬信號，對危險源做出云計算。

2 重大危險源遠程分析

采集相關(guān)重大危險源因子，對傳輸層輸入模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，利用基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的計算結(jié)構(gòu)對其進行分析。判斷重大危險源因子是否會對周圍居民產(chǎn)生人身和財產(chǎn)性危害，如判斷結(jié)果為是，向有關(guān)部門發(fā)出警報，預(yù)防重大災(zāi)害事故發(fā)生；如判斷結(jié)果為否，則直接輸出安全模擬信號。在電力系統(tǒng)中，通過物聯(lián)網(wǎng)可以查看所有用戶的電力使用情況，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)對危險源進行研究與檢測，可提高監(jiān)測的安全性。采用牛頓-拉夫遜算法［12］將未來網(wǎng)絡(luò)看作一個整體計算危險因子。因此，通過分析危險因子可以有效處理物聯(lián)網(wǎng)的分支，具有二階收斂性，對所求解有逼近性。當初始值保持在穩(wěn)定值時，只需要進行兩到三次的計算即可求得結(jié)果。重大危險源數(shù)模計算流程如圖2所示。

圖2 重大危險源數(shù)模計算流程

重大危險源數(shù)模計算介于第1層感知層和第2層傳輸層之間，主要負責數(shù)模轉(zhuǎn)換和計算，同時可以給第3層應(yīng)用層發(fā)出安全指示信號。

3 重大危險源遠程監(jiān)測

經(jīng)過第1層感知層和第2層傳輸層之后，重大危險源因子信號傳送到第3層應(yīng)用層。根據(jù)原始危險源因子中的貢獻值大小選取對應(yīng)的危險源數(shù)據(jù)變量［13］，危險源因子數(shù)據(jù)變量對前k個子塊的貢獻值為

式中：v=1，2，…，k為某個危險源數(shù)據(jù)變量；w=1，2，…，k為某個危險源數(shù)據(jù)主成分；p w為第w列的所有元素；p vw為第v行、第w列的元素。

危險源因子各個變量在殘差載荷矩陣［14］全部主元上的均值為

式中：n s-l為重大危險源均值矩陣元素；S i為均值主元協(xié)方差矩陣。

根據(jù)均值矩陣得出重大危險源代表性模型為

式中：K t為S i的行向量；e k為S i的列向量；x k、xˉk分別為危險源數(shù)據(jù)變化特征值矩陣和均值矩陣。

控制限用時間T2，可采用分布函數(shù)［15］F R，I-R，?計算，即

式中：?為顯著性水平；R為重大危險源主元數(shù)量；I為建模數(shù)據(jù)變量的數(shù)量。

依據(jù)式（6）計算重大危險源的控制限量，計算過程如下：

式中：L為重大危險源的控制限量；g k為前k個主成分構(gòu)成的危險源特征參數(shù)；h k為在線重構(gòu)統(tǒng)計量；mk為重大危險源數(shù)據(jù)特征，用于描述危險源數(shù)據(jù)代表性模型；v k為m k的相應(yīng)方差。

獲取當前階段的危險源數(shù)據(jù)之后，對重大危險源遠程監(jiān)測的過程如下：

（1）獲取當前階段的新重大危險源并進行標準化處理。

（2）依據(jù)重大危險源相對變化特征，建立重大危險源代表性模型，計算當前階段的控制限用時間和統(tǒng)計量如下：

式中：Xk為當前階段的危險源數(shù)據(jù)數(shù)量；X?k為標準化處理后的危險源數(shù)據(jù)個數(shù)。

判定T2k、Q是否超出相應(yīng)的控制限量，若T2k、Q均未超出，則當前階段監(jiān)測的重大危險源正常，否則判定當前階段發(fā)生了異常，發(fā)出警告，進而完成危險源數(shù)據(jù)重大危險源遠程在線監(jiān)測。

根據(jù)被監(jiān)控地點環(huán)境的各參數(shù)進行分析計算，可以有效地做出危險性判別，分析數(shù)據(jù)庫做出及時應(yīng)對方案。重大危險源遠程監(jiān)測過程如圖3所示。

圖3 重大危險源遠程監(jiān)測過程

由圖3可知，本文方法可以及時對危害做出分析報告和處理，有效預(yù)測危害的發(fā)生，將安全隱患降到最低。至此完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險源遠程監(jiān)測方法的設(shè)計，為了驗證本文監(jiān)測方法的工作效果進行實驗分析。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險源遠程監(jiān)測方法的整體有效性，對物聯(lián)網(wǎng)平臺中重大危險源信息監(jiān)測結(jié)果準確率、識別時間和數(shù)據(jù)完整性進行測試。

4.1 監(jiān)測結(jié)果準確率分析

以重化工業(yè)企業(yè)的設(shè)備工作情況為分析對象，當危險物質(zhì)溫度超過臨界值60℃時，系統(tǒng)將會發(fā)出警示信號。在60 s內(nèi)，測試本文與文獻［3-4］中方法的重大危險源監(jiān)測結(jié)果與臨界值情況，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測準確率結(jié)果

由圖4可知，隨著時間的增加，本文監(jiān)控方法準確率較穩(wěn)定，與危險物質(zhì)臨界值大致相同，而文獻［3-4］中方法的溫度監(jiān)測結(jié)果波動較大。文獻［3］中方法溫度監(jiān)測誤差大約為1.5℃，文獻［4］中方法溫度監(jiān)測誤差大約為1.7℃，本文方法溫度監(jiān)測誤差大約為0.1℃。這是由于本文方法對重大危險源因子進行了分析，通過構(gòu)建殘差載荷矩陣，有效提高了重大危險源識別準確率。

4.2 重大危險源識別時間分析

在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中隨機選取120個不同類型的重大危險源作為實驗對象。通過對比3種不同監(jiān)測方法的危險源識別時間，驗證本文方法的優(yōu)越性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 識別時間結(jié)果

由圖5可知，由于本文方法利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3層結(jié)構(gòu)，逐層分解重大危險源因子，故重大危險源識別時間較短，僅用43 s可以有效識別120個重大危險源，效率明顯高于另外兩種方法，具有較強實用性。

4.3 數(shù)據(jù)完整性分析

通過迭代方式，分析式（5）中重大危險源主元數(shù)量R的數(shù)據(jù)完整性，R的數(shù)值越大，表明數(shù)據(jù)越完整，方法應(yīng)用價值越高。計算公式為

式中：H為識別的重大危險源數(shù)據(jù)；K為數(shù)據(jù)總量。

將數(shù)據(jù)完整性作為測試指標，3種不同監(jiān)測方法的測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)完整性測試結(jié)果

由圖6可知，采用本文方法獲取重大危險源數(shù)據(jù)時，R值均在83以上；采用文獻［3-4］中方法獲取重大危險源數(shù)據(jù)時，R值在44～84之間波動。對比上述方法的測試結(jié)果可知，本文方法獲得的數(shù)據(jù)完整性較高。這是因為本文方法通過對比數(shù)據(jù)庫資料，提高了數(shù)據(jù)的完整性。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)這一概念的提出，打破了傳統(tǒng)的信息傳輸方式，使信息傳輸變得更加靈活、快速。本文對物聯(lián)網(wǎng)進行研究，參考前人設(shè)計的實時監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的重大危險源遠程監(jiān)測方法，該方法可以實時監(jiān)控重大危險源，并對重大危險源因子進行分析計算。通過對比數(shù)據(jù)庫，還可及時做出災(zāi)害應(yīng)對措施方案，可以有效降低因重大危害所造成的損失，對于增強城市安全性有重要意義。