云計算場景下安全生產系統(tǒng)的研究與應用

劉濟瑞 張玉芳 徐燕 梁浩 陸秋俊

摘要：經過調研后發(fā)現(xiàn)，?；飞a公司在風險作業(yè)審批、隱患排查治理、職工安全教育等方面已經應用了多套信息化系統(tǒng)，但仍存在功能單一、操作復雜、效率低下、運維成本高等亟待解決的問題。文章在此問題基礎上進行云計算場景下安全生產系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作，主要闡述云計算相關概念，對安全生產業(yè)務進行建模與分析，在這個業(yè)務分析的基礎之上對整個系統(tǒng)的體系架構、網絡架構進行設計，給出系統(tǒng)具體的實施路線。借助云計算信息化平臺建設，提升公司的生產安全監(jiān)管水平，實現(xiàn)綠色環(huán)保達標排放要求。

關鍵詞：云計算;安全生產;?；饭芾?實施路線

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0136-03

1 引言

進入21世紀以來，信息化與智能化進入了新的發(fā)展階段，第四次工業(yè)革命即將到來[1]，其典型代表技術為云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能，其中云計算與物聯(lián)網在各行各業(yè)之中得到了廣泛應用。對于企業(yè)工業(yè)生產而言，其核心關鍵是安全信息化工作，主要業(yè)務包括企業(yè)生產危險源的識別、風險作業(yè)審批、安全生產監(jiān)測與管理等內容，通過安全生產信息化系統(tǒng)能夠快速、高效地保障整個企業(yè)日常的安全生產業(yè)務，有效改善企業(yè)安全生產狀況[2]。企業(yè)整個安全生產業(yè)務處于實時動態(tài)監(jiān)管之中，通過前端各類物聯(lián)網設備能夠完成實時數(shù)據(jù)的采集，這些數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)讲渴鹪谠朴嬎悱h(huán)境之中的平臺之中。安全生產平臺能夠發(fā)揮云計算分布式管理的特點，快速識別各類可能出現(xiàn)的安全隱患，及時進行報警與處理，有效提升企業(yè)安全管理效率，通過多層次、多角度對企業(yè)整個安全生產業(yè)務進行信息化管控[3]。主要作用如下：

1）有利于解決企業(yè)關于安全與環(huán)保領域的現(xiàn)實需求問題

結合企業(yè)的實際情況，因地制宜地設計與研發(fā)適合企業(yè)管理流程與生產過程的業(yè)務模型，整合并且平滑地過渡現(xiàn)有的信息系統(tǒng)，新增數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化等工業(yè)應用[4]，持續(xù)提高軟件信息系統(tǒng)的用戶體驗、兼容性、健壯性，提供開放接口能力與擴展能力，滿足企業(yè)中長期的信息化發(fā)展要求。

2）有利于促進危險化學品的精細化與智能化管理

在整個企業(yè)?；飞a的管理之中，通過物聯(lián)網、云計算等多類信息化技術的融合處理，能夠打造危險化學品管理體系，以此完成危險源的識別與智能化控制，將最新信息技術與安全管理業(yè)務進行深度融合，及時感知各類危險源的最新狀態(tài)信息，將監(jiān)測的這些信息發(fā)送給云計算場景下安全管理平臺，推動企業(yè)安全生產的信息化與處理效率[5]。

3）有利于打造現(xiàn)代化企業(yè)的信息技術支撐體系

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺技術，將人、機器、數(shù)據(jù)連接起來，將符合企業(yè)信息化與工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢[6]，有助于實現(xiàn)安全和環(huán)保業(yè)務的精細化管控、精準化布局、智能化監(jiān)控，將持續(xù)集成、持續(xù)部署、迭代開發(fā)等互聯(lián)網技術和方法論應用到企業(yè)信息化運營與維護的過程中，有利于持續(xù)培養(yǎng)和提高企業(yè)信息化團隊的技術能力，從而產生長期的經濟效益。

2 云計算概念

整個企業(yè)安全生產業(yè)務平臺主要運行在云計算場景下配置的服務器端。目前在整個信息化的應用過程中，云計算是重要的資源需求。從廣域的角度進行分析，云計算主要滿足各行各業(yè)對計算資源的需求，整個云計算的環(huán)境通過網絡存儲、效用計算、負載均衡及分布式管理等多門技術實現(xiàn)，不同的用戶自身計算的需求通過網絡資源共享池來獲取，整個用戶支付的費用由具體獲取的資源容量來計算[7]。云計算目前根據(jù)用戶的需求提供三種不同的模式：第一種是軟件服務。云計算提供資源管理、應用程序及虛擬桌面的管理，以此滿足不同行業(yè)軟件的使用需求;第二種是基礎設施服務。主要提供虛擬機及存儲設備方面的服務;第三種是提供平臺類的服務。主要為應用程序的開發(fā)與部署提供Web應用服務器、數(shù)據(jù)庫及開發(fā)環(huán)境等，通過這些工具完成應用程序的快速開發(fā)。整個云計算能夠提供性價比高的服務，以此滿足各類行業(yè)應用程序擴展性、通用性及虛擬化方面的服務[8]。

3 安全生產業(yè)務分析

在系統(tǒng)需求的確認過程中，第一步工作目標是完成業(yè)務流程的確認，主要工作需要用戶與技術人員共同參與，用戶主要敘述不同業(yè)務的處理過程，之后由技術人員通過界面原型圖、會議討論法等多種方式來確定這些系統(tǒng)的業(yè)務功能，最大限度地提升前期工作的效率。

3.1 安全生產系統(tǒng)業(yè)務分析

在安全生產系統(tǒng)日常的業(yè)務分析之中，需要緊密結合公司的業(yè)務流程進行梳理與管理，詳細業(yè)務如圖1所示。

在整個業(yè)務功能的分析之中，綜合上述多個用例來明確整個系統(tǒng)的開發(fā)功能，程序開發(fā)人員需要根據(jù)用例的詳細內容進行闡述與分析，具體用例內容如下：

1）危化品管理：對公司現(xiàn)存的?；愤M行信息登記與維護，日常工作人員及時對這些信息進行維護更新操作。

2）風險作業(yè)審批：每一次危險源作業(yè)過程需要經過申請與審批，作業(yè)結束之后需要進行作業(yè)過程的記錄，便于后期對相關風險進行回溯與分析。

3）隱患排查：在日常巡檢過程之中，排查各類風險隱患信息，及時進行記錄與上報，公司專人安排對這些隱患進行處理，記錄處理過程。

4）大屏可視化：在整個安全生產過程之中，大屏及時記錄各類實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，方便值班人員及時發(fā)現(xiàn)危險因素。

5）系統(tǒng)管理：此業(yè)務功能模塊主要負責對用戶、權限、日志等信息進行記錄與維護。

3.2 系統(tǒng)非功能需求

系統(tǒng)具體非功能需求要求內容如下：

1）性能要求：系統(tǒng)具有良好的并發(fā)相應能力，中心對現(xiàn)場設備的控制相應信息返回時間不大于 5s。

2）響應時間：操作員點擊任意操作之后，在5秒之內獲得反饋。

3）并發(fā)：系統(tǒng)支持1000QPS。

4）系統(tǒng)SLA： 99.99%。

5）系統(tǒng)恢復時間小于1小時。

4 安全生產系統(tǒng)研究與設計

4.1 系統(tǒng)設計原則

在整個安全生產系統(tǒng)的設計之中，需要遵循多方面的設計原則，主要包括滿足要求、遵從標準、具備統(tǒng)一的出口與擴展性等，詳細的內容如下面所示。

1）安全性與保密性良好：在整個安全生產設計之中，安全性與保密性是第一方面的要求，整個系統(tǒng)之中運行的數(shù)據(jù)信息包括業(yè)務數(shù)據(jù)、生產數(shù)據(jù)等信息，這些數(shù)據(jù)對保密性的要求特別高。若發(fā)生泄密事件，必然導致嚴重的影響，因此，應該加強整個系統(tǒng)安全過程之中的密碼控制、系統(tǒng)日志監(jiān)督、權限控制等操作，最大限度地提升數(shù)據(jù)信息的防護性。

2）可用性：這是整個安全生產系統(tǒng)的基本設計要求，根據(jù)業(yè)務處理的需要，需要完成整個企業(yè)不同區(qū)域的處理業(yè)務要求，以此為后期整個信息管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)信息的共享奠定良好的基礎。

3）接口統(tǒng)一：為了加強整個安全生產業(yè)務的規(guī)范性管理，需要在不同業(yè)務功能模塊之中實現(xiàn)統(tǒng)一的接口管理方式，包括軟件的內部與外部出口，方便后期進行設備改動時能夠進行一定的參考。

4）具備良好的擴展性：在整個安全生產業(yè)務設計之中，需要著重考慮后期不同區(qū)域進行功能擴展的需求，同時為了提升整個安全生產數(shù)據(jù)信息處理的需要，充分考慮業(yè)務處理的需要，在確保控制成本的前提之下，最大限度地提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的傳輸效率，滿足不同功能的互聯(lián)業(yè)務處理需要。

5）遵循相關標準：在安全生產業(yè)務過程之中，嚴格遵循國家、行業(yè)與地區(qū)等標準，提升整個系統(tǒng)的規(guī)范性與標準性;采用統(tǒng)一的出口標準，使得后期不同類型的功能進行升級與維護;按照標準來完成不同類型終端用戶權限設置操作。

4.2 系統(tǒng)體系架構設計

整個企業(yè)安全生產管理系統(tǒng)研發(fā)的關鍵重點是完成體系架構的設計，與整個業(yè)務的處理緊密結合。企業(yè)體系架構核心的業(yè)務主要分為數(shù)據(jù)信息的感知層、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W絡層及數(shù)據(jù)處理的平臺層，其與目前工業(yè)物聯(lián)網平臺的設計保持一致，整個安全生產平臺采用微服務的理念進行設計，主要優(yōu)點在于打造持續(xù)可優(yōu)化升級的平臺，整個平臺內部低耦合高內聚，根據(jù)依據(jù)采集業(yè)務處理的不同及時更新與優(yōu)化，降低后期整個平臺開發(fā)的成本。

詳細體系架構設計如圖2所示。

系統(tǒng)體系架構圖明確系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)信息采集傳輸?shù)母兄獙印⒕邆滹L險作業(yè)審批、大屏可視化、隱患排查、危險源識別的業(yè)務處理層及數(shù)據(jù)信息存儲的數(shù)據(jù)層，滿足企業(yè)安全生產各類業(yè)務的處理需求。

堅持使用安全可控的開源軟件、國產軟件，以Kubernetes管理Docker容器集群，將所有軟件組件在容器中運行，與各大云廠商的容器技術相兼容，能夠快速遷移上云，也易于遷移到Serverless架構中。以微服務的形式設計后臺組件，采用高內聚、低耦合的思想劃分服務，在各個重要節(jié)點配置負載均衡服務，支持灰度發(fā)布。API網關采用“零信任”軟件定義網絡的理念，“持續(xù)驗證、永不信任”，重視內網的信息安全。結合團隊人員的技術實力，設計適合自己的DevOps持續(xù)集成、持續(xù)部署方案，打造一套具有版本控制、代碼審查、自動化測試、自動化部署的軟件開發(fā)流程，從而能夠應對未來更精細化的信息化和智能化工業(yè)互聯(lián)網軟件需求。

4.3 系統(tǒng)網絡拓撲設計

企業(yè)安全生產管理系統(tǒng)主要部署在云計算場景中，項目現(xiàn)場的網絡拓撲設計需要圍繞各類數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、云平臺業(yè)務等過程進行分析，需要緊密貼合企業(yè)的生產業(yè)務，識別整個生產過程中可能存在的危險源并加以有效的管理，整個系統(tǒng)網絡拓撲架構設計如圖3所示。

圖3顯示了整個企業(yè)安全生活的網絡設計模式，其主要基于B/S網絡設計模式進行，危險源識別、隱患排查、風險作業(yè)審批等核心業(yè)務功能部署在云平臺一端，主要通過云計算的方式進行管理與維護，負載均衡、分布式的管理保障系統(tǒng)總體運行的安全性與可靠性;各類前端危險源的狀態(tài)信息主要由傳感器進行采集，之后通過不同類型的網關與DTU等進行傳輸，部署在云端的業(yè)務處理層負責對這些數(shù)據(jù)信息進行處理與接收，按照相應格式要求來完成數(shù)據(jù)信息的處理與存儲要求。整個前端監(jiān)測數(shù)據(jù)之中若出現(xiàn)報警，會及時在大屏之中顯示此報警信息，方便值班人員按照預案進行處理，保障企業(yè)生產的安全性。

4.4 系統(tǒng)設計思路

1）總體思路

整個企業(yè)安全生產系統(tǒng)的實施需要對整個項目的部署進行謀劃，從而將安全生產管理系統(tǒng)分階段進行實施與管理，逐步完成整個安全生產管理系統(tǒng)的設計與交付工作。在項目交付過程中，以XXX作為試點，部署少量的傳感器、DTU、5G 網關、攝像頭等設備，對軟件的功能進行驗證;開發(fā)工業(yè)互聯(lián)網平臺的框架，始終保持平臺和應用具有一個能運行的版本，采用互聯(lián)網公司的敏捷開發(fā)軟件工程方法作為指導，逐步迭代、完善系統(tǒng)。

2）試點區(qū)域

以XXX作為試點，部署和監(jiān)控三個攝像頭，用于采集和記錄裝卸作業(yè)的視頻影像，以人工智能圖像識別技術實現(xiàn)裝卸作業(yè)中安全帽識別、工裝識別、抽煙識別、護目鏡識等四種不規(guī)范作業(yè);部署一個DTU設備，用于采集現(xiàn)場的可燃氣體傳感器的數(shù)據(jù);部署一個大屏設備，用于展示和使用數(shù)據(jù)可視化大屏軟件;部署二維碼標簽等裝置，用于手機客戶端進行隱患排查和巡檢;使用一臺無人機對二硫化碳庫區(qū)進行巡檢;對二硫化碳庫區(qū)以及庫區(qū)的主要設備建立三維示意模型和平面示意圖。

3）分步實施

在試點區(qū)域充分測試和驗證了系統(tǒng)功能之后，開始逐步推廣到公司的各個車間與室外工作區(qū)域。在不影響正常生產活動的情況下，完成設備安裝、設備采集調試、數(shù)據(jù)建模等工作，最終實現(xiàn)整個企業(yè)的安全生產平臺信息化部署，在此過程中保證系統(tǒng)的可用性、一致性。

5 結論

云原生架構的應用天生具有云計算的特點，例如：通過網絡訪問、遠端部署執(zhí)行、可擴展彈性伸縮、共享、按需使用自助服務、高可用、可遠程監(jiān)控計費審計、與位置無關等。整個安全生產管理系統(tǒng)部署在云計算的環(huán)境之下，能夠發(fā)揮云計算高計算性、分布式管理等優(yōu)點，快速對危險源的識別、風險作業(yè)審批等業(yè)務進行處理，使得各類業(yè)務功能模塊具備低耦合度，具備良好的可擴張性，方便安全管理系統(tǒng)以后的升級，其主要技術特征有：微服務、DevOps、持續(xù)交付、容器化等。

本系統(tǒng)中應用云原生思想，可以采用微服務架構、容器、DevOps、SAAS等技術構建輕量、無狀態(tài)的云原生應用，使應用具備云端部署、可遠程訪問、彈性、共享、按需自助服務、高可用、與位置無關等特征，使之天生就具備云的基因，易于遷移到云環(huán)境部署運行，兼容私有云、公有云、混合云的運行環(huán)境，也更有利于未來向其他企業(yè)推廣。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2021-06-26

作者簡介：劉濟瑞（1998—），男，江蘇淮安人，?？?，主要研究方向為Web網頁設計、云計算平臺部署、人工智能等;指導老師：陸秋?。?969—），男，江蘇無錫人，無錫職業(yè)技術學院講師/工程師，碩士研究生，主要研究方向為計算機/工業(yè)電氣自動化網頁設計、云計算平臺部署、人工智能。