CN105116851A - 隐患排查信息物理融合系统 - Google Patents

Abstract

隐患排查信息物理系统（hidden？danger？investigation？CPS，简写hdiCPS），是信息物理系统在公共安全领域的应用系统，用于安全隐患的监测和发现，是一种实时系统，包括hdiCPS安全平台、hdiCPS适配装置、hdiCPS终端、各种传感器、各种制动器，所述的hdiCPS安全平台是一个后台服务系统，位于县、区、市、省等的信息中心，也可能位于企业控制中心；所述的hdiCPS适配装置是实现CPS底层感知控制的设备；所述的hdiCPS终端是指安装有hdiCPS实时控制软件的PC终端和移动终端。所述的hdiCPS具有隐患信息的采集、监测、通信、预警、分析和远程控制功能，实现以全自动控制为目标，以隐患管理为主线，以生产管理和安全管理为保障，具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治的分布式控制网络。

Description

隐患排查信息物理融合系统

技术领域

本发明专利涉及一种安全生产过程中的安全隐患排查领域，具体地说，本发明涉及一种隐患排查信息物理融合系统。

背景技术

我国现有13000多处煤矿、8万多处非煤矿山，安全生产事故隐患一直存在。生产过程中存在的安全隐患虽然不是安全事故，但安全隐患是安全事故的生长和孕育阶段，它能够直接导致安全事故的发生，若是能够及时发现安全隐患的存在，并进行有效治理，就能够有效避免安全事故的发生。

信息物理融合系统CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。近年来，CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。

信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。信息物理融合系统(CPS)是计算过程和物理过程的融合系统，它强调信息世界与物理世界的融合,强调对交互环境的实时监测与控制，它通过与交互环境的实时交互来增加或扩展新的功能,以安全、可靠和实时的方式检测或者控制一个物理实体。

通过信息物理系统的技术手段建立安全生产隐患排查的全过程动态监管支撑服务系统，提高监管的效率、及时性和权威性，采集并集成各种信息源、多媒体和多格式信息，从而生成完整、准确、及时和有效的综合信息过程，为分析、估计和校准不同形式的信息、适应海量数据处理的需要，同时利用这些信息正确反映实际情况提供了可能。根据现场采集的数据推断出现场状态、给出决策结果，并尽可能地找出事故的原因。

发明内容

对于煤矿和化工园区等生产场所的安全隐患，目前缺乏有效的信息监管手段，更不能从整体上和全局上，实时监控和把握隐患信息。

从信息角度看，就是要有一个完善的信息支撑服务系统，系统地实时监测安全隐患、预测安全隐患、把握安全态势，对于安全隐患进行长期有效地安全预警，并不断地加以改进，逐步提高隐患发现、隐患预警、安全控制的实时性和准确性。

CPS核心是3C融合，自主适应交互环境的变化，从其交互环境的角度来看，其功能的关键是感知与控制，而感知与控制对时间非常敏感，时间是CPS系统非常重要的元素。

所以，采用CPS来系统地解决隐患预警的实时性和准确性是非常合适的。

隐患排查信息物理系统，英文hiddendangerinvestigationCPS，简写hdiCPS,

是信息物理系统在公共安全领域的应用系统，用于安全隐患的监测和发现，是一种实时系统，包括hdiCPS安全平台、hdiCPS适配装置、hdiCPS终端、各种传感器、各种制动器，具有隐患信息的采集、监测、通信、预警、分析和远程控制功能，实现以全自动控制为目标，以隐患管理为主线，以生产管理和安全管理为保障，具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治的分布式控制网络。

hdiCPS安全平台是一个后台服务系统，位于县、区、市、省等的信息中心，也可能位于企业控制中心。该平台主要用于数据融合并给出决策结果，将设备上传的信息进行识别，将事故隐患按照隐患级别进行分类，即无隐患、一般事故隐患、重大事故隐患，并更新数据信息统计，为管理部门提供事故隐患管理数据、重大事故隐患治理情况、事故隐患排查治理情况分析等，使得管理部门实时掌握隐患排查工作的最新动态。

hdiCPS适配装置是实现CPS底层感知控制的设备，因为传统设备大多数不能满足CPS系统的要求，因此，这个适配装置起到一个转换的用处。hdiCPS装置要求物理构建和软件构建必须能够在不关机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。可以动态加入传感器、制动器等物理节点，或者进行软件升级的过程中不需关掉整个系统或者停机。

hdiCPS终端是指安装有hdiCPS实时控制软件的PC终端和移动终端，hdiCPS软件重点提供通信和控制的实时性，实现终端的CPS属性，即通信、控制、实时和安全。

hdiCPS主要实现隐患信息的采集、存储、融合、提取、识别、评价，以列表、图形、动画形式展示分析结果，给予辅助决策，实现安全隐患的实时监测与预警。

hdiCPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理设备。

hdiCPS的意义在于将物理设备联网，连接到互联网上。hdiCPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统，它把通信放在与计算和控制同等地位上，因为hdiCPS强调的分布式应用系统中，物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。

hdiCPS是物理过程和计算过程的集成系统，是通过CPS系统包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互，这种交互的主体既包括现场传感器和后台系统，后台系统在无人操作下不断地接收数据、分析数据和发送结果，同时监测人员也可以随时随地通过终端来浏览现场信息、发送控制指令。

hdiCPS适配装置和hdiCPS终端可以动态地加入hdiCPS系统，向hdiCPS安全平台发送申请加入请求，后者收到请求后对设备提交的数据格式和信息，进行校验核对，如果符合本系统要求，将为hdiCPS适配装置分配一个系统内唯一ID，以后hdiCPS适配装置和安全平台的通信都有以此ID为标识；而hdiCPS终端申请加入时，将自身的身份信息发送给hdiCPS安全平台，平台同意后，hdiCPS终端以身份信息为通信标识。

hdiCPS系统下的设备可以相互关联，如一个hdiCPS终端可以请求和某个hdiCPS适配装置进行关联，关联是通过hdiCPS安全平台实现的，当然hdiCPS安全平台可以任意指定若干个设备相互关联。

相互关联的结果：hdiCPS终端可以实时获取hdiCPS适配装置的数据，查看其工作状况，甚至可以控制hdiCPS适配装置下面的生产控制设备，如安全制动器，关联需要权限，而权限是分级的。安全制动器是用于接入生产线的总控阀，起到开启和关闭整条生产线，也可以在开启的情况下，动态控制生产量，具体如原料输入的进料量、生产线的运行速度等；在本hdiCPS系统下，可根据安全隐患曲线实时控制生产总量,从而降低从隐患生成为风险的临界值和几率。

安全隐患曲线由专家系统给出，一般要建立隐患数据模型，模型基于安全生产隐患数据的特点和隐患排查过程进行构建，并支持动态调整。安全隐患曲线分为无隐患阶段、一般隐患阶段、重大隐患阶段。无隐患阶段和重大隐患阶段只是开关控制，而一般隐患阶段可进行连续控制。安全隐患曲线反映了安全隐患程度和生产量之间的关系,生产量即是生产规模，生产规模的增大势必增大隐患点的数量，通过降低生产规模来消减风险发生的临界点，减少隐患点数，从而抑制或消除安全隐患的风险发生程度。

hdiCPS安全平台通过融合、提取和分析得出安全隐患程度，具体的数据融合算法会随着应用场景和目标需求的不同而变化，一般遵循数据结构化、链路数据融合、特征数据融合、隐患识别、安全决策的处理流程。并依据安全隐患曲线不同阶段进行相应控制：无隐患阶段，安全制动器是关闭的，不对生产线的生产量进行控制；而重大隐患阶段是开启到最大，对生产线完全控制，切断工作电源，禁止生产；在一般隐患阶段，安全制动器的开启程度随安全隐患曲线变化，安全隐患程度越大，安全制动器开启的越大，安全隐患程度越小，安全制动器开启的越小。

上传给hdiCPS安全平台的数据，不但可从现场的hdiCPS适配装置获得，也可以从hdiCPS终端获取。

hdiCPS安全平台也可以将决策输出给hdiCPS终端，为管理部门提供事故隐患管理数据、重大事故隐患治理情况、事故隐患排查治理情况分析等，使得管理部门实时掌握隐患排查工作的最新动态，以便监管部门对隐患排查工作安排做出决策。

hdiCPS终端一般由隐患排查工作人员随身携带，输入现场排查结果，如录入企业信息、执法谈话内容、现场安全环境的描述，或者拍照现场证据等等，上传给hdiCPS安全平台；接收hdiCPS安全平台的决策输出，实现人员和后台系统的有效互动，如对有效信息实时更新、修改和完善等管理操作。并对信息进行维护，提供移动查询。

附图说明

附图说明

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1为分层结构图。

图2为系统结构图。

图3为隐患发现和控制流程图。

具体实施方式

对于拥有化工园区的市县而言，化工企业的危险隐患要实时给予监测和预警，本系统应用到这种场景是十分适当的。

化工企业的生产现场有很多传感器，如：温度传感器、浓度传感器、压力传感器，这些传感器通过hdiCPS适配装置接入到hdiCPS系统，实现hdiCPS系统底层的感知，而化工企业的制动器也通过hdiCPS适配装置接入hdiCPS系统，实现hdiCPS系统底层的控制。

hdiCPS适配装置实时获取现场传感器采集的数据，将这些数据进行链路数据融合，如：以数据的种类或阀值为关键词进行排序排列，或者按照时间顺序进行衔接。实现数据的结构化，将所述至少两个传感器以上相同或相近应用的数据，按照其时间戳的顺序进行排列构造。

一旦实现了数据的结构化，hdiCPS适配装置就将其上传给hdiCPS安全平台，hdiCPS安全平台位于市县的安全中心，hdiCPS安全平台和hdiCPS适配装置通过VPN互联网或专用光纤网连接其中，是hdiCPS系统的重要组成部分。

hdiCPS安全平台首先对底层上传的数据进行特征数据融合，是以数据中的关键词为融合手段，如：安全等级、隐患、报警等等。比如：对于输入文本数据的特征融合，根据隐患级别进行排序，将包含有隐患的数据罗列起来，把重大隐患的放在首位，将一般隐患的放在后面，而将无隐患的放在末尾。

其次，hdiCPS安全平台在特征数据的基础上进行决策数据融合。决策融合一般和专家系统同时工作，动态建立隐患数据模型，模型基于安全生产隐患排查数据的特点和隐患排查过程进行构建，并进行数据挖掘，数据挖掘算法支持聚类、关联、回归等，分别用于隐患管理的分类管理、预测分析。

具体如开展化工园区安全风险评价，基本内容为:隐患识别、源项分析、后果计算、风险评价、以及风险管理，识别生产设施和生产过程所涉及安全隐患的风险，确定最大可能事故的发生概率和危险化学品的泄漏量，预测园区内各企业安全隐患在风险事故下对生态、空气、水、健康的影响。

进一步地可提供园区风险决策支持系统可视化，为园区应急指挥中心提供决策支持系统。包括系列大气污染扩散模型和水质污染扩散模型，实现隐患事故下对大气环境和水域影响的快速预测，并建立园区危险化学品物性库、园区风险源数据库、基于各风险源的应急预案库、基于危险源的敏感保护目标库、应急救援力量库等等。

另外一个使用场景是煤层气开采，煤层气的浓度和气压是煤层气安全生产中关键的安全监管要素，需要动态地保持生产和安全的平衡。

井场传感器采集天然气流量、温度、压力、差压信号、开关状态等参数，并将数据传送至hdiCPS适配装置，后者再发送给hdiCPS安全平台。

hdiCPS安全平台汇总井场上传的各种参数数据，对数据进行分类、汇总、以及数据的统计优化，给出发生问题的统计报表，从问题统计表中很容易确认问题的占有率和排名，就此，提出解决问题方法；同样，也可以导出产量表，通过分析影响产量表的生产状况和因素，改进生产工艺。不仅如此，还可以生成实际排采曲线、工况诊断曲线等，并比较计划排采曲线，根据工况条件，实时调整排采计划，将调整后的排采计划及时下发给井场终端。

hdiCPS安全平台进行安全分析，如安全分类，对每个分类加以判断是否在安全阈值范围内，并且给出目标安全的发展趋势。根据联动报警事件的规则，判断和分析目标安全状态，自动发出报警，输出联动信号，提示安全人员进行相应的操作或采取相关的措施。根据工况条件和事故发生频次，自动找出存在安全隐患的井场工作站和井场控制终端，依据安全级别决定是否减缓和停止井场生产，甚至通过强制干预和人工停止的方式，关停存在重大隐患的生产井场。

煤层气生产hdiCPS系统，是集合了现场生产和安全管理的复合系统，系统实现了数据采集、信息存储、数据挖掘、隐患管理、预警预报。

部署在井场的hdiCPS装置对井场的环境变量、资源信息进行实时采集和人工巡查，上传至hdiCPS安全平台，对数据进行存储，并进行清理；同时，隐患数据进行预处理，并使用聚类、关联对数据进行处理，输出分类、预测结果；hdiCPS安全平台整理出数据结果，展现事故管理的汇总、统计和分析的结果，并根据事故隐患处理的业务流程进行隐患的识别、分流、整改、复查、销号、评价功能，并将所发现的异样情况及时通知用户进行相应的操作或根据报警场景采取相关的措施。

从以上应用例子可以看出，hdiCPS是一个智能的有自主行为的系统，不仅能够从环境中获取数据，进行数据融合，提取有效信息，而且能根据系统规则通过效应器作用于环境，形成了基于场景的信息控制系统。

为了便于理解本发明专利，下面将参照相关附图对本发明专利进行更全面的描述。附图是对上面化工园区和煤层气开采两个应用例子进行阐述。附图中介绍了分层结构图、系统结构图、隐患发现和控制流程图。

如图1所示，为本发明专利的分层结构图。

化工企业的生产现场有很多制动器140和传感器142，这些制动器140和传感器142通过hdiCPS适配装置120接入到hdiCPS远程安全平台100，实现hdiCPS远程安全平台100底层的控制和感知。制动器140用于接入现场生产线的总控阀。

传感器141采集现场温度、浓度、压力等数据，通过hdiCPS适配装置120通信和互动后，接入到hdiCPS远程安全平台100进行计算和仿真，形成安全隐患曲线，安全隐患通过hdiCPS适配装置120来实时控制生产总量，从而降低从隐患生成为风险的临界值和几率。

如图2所示，为本发明专利的系统结构图。

hdiCPS230包括hdiCPS安全平台200、hdiCPS适配装置（210、240、260、261）、hdiCPS终端270、制动器220、瓦斯传感器250、温度传感器280和粉尘传感器290，其中hdiCPS适配装置分别连接着制动器和各种传感器。

如图3所示，为本发明专利的隐患发现和控制流程图。

hdiCPS适配装置10和hdiCPS终端30可以动态地加入hdiCPS安全平台20，向hdiCPS安全平台20发送申请加入请求，后者收到请求后对设备提交的数据格式和信息，进行校验核对，如果符合本系统要求，将为hdiCPS适配装置10分配一个系统内唯一ID，以后hdiCPS适配装置10和安全平台20的通信都有以此ID为标识；而hdiCPS终端30申请加入时，将自身的身份信息发送给hdiCPS安全平台20，平台20同意后，hdiCPS终端30以身份信息为通信标识。

hdiCPS适配装置10实时获取hdiCPS现场传感器1采集的数据，将采集数据11实现数据的结构化12，进行链路数据融合13，将输出格式化数据传给hdiCPS安全平台20；hdiCPS终端30实现隐患信息的人工输入31和无线采集32，将采集到的隐患数据也传给hdiCPS安全平台20，hdiCPS安全平20首先对底层上传的数据进行特征数据融合22，是以数据中的关键词为融合手段，根据隐患级别进行排序，进行隐患识别23，并建立安全隐患曲线，安全隐患曲线分为无隐患阶段、一般隐患阶段、重大隐患阶段。依据安全隐患曲线调节24，输出制动指令给hdiCPS适配装置10，输出决策结果给hdiCPS终端30，hdiCPS适配装置10根据指令对hdiCPS现场制动器2进行控制，无隐患阶段和重大隐患阶段只是开关控制，而一般隐患阶段可进行连续控制；在hdiCPS终端30上可以显示查看决策结果信息。

Claims (9)

1.隐患排查信息物理系统（hiddendangerinvestigationCPS，简写hdiCPS），是信息物理系统在公共安全领域的应用系统，用于安全隐患的监测和发现，是一种实时系统，包括hdiCPS安全平台、hdiCPS适配装置、hdiCPS终端、各种传感器、各种制动器；所述的hdiCPS安全平台是一个后台服务系统，位于县、区、市、省等的信息中心，也可能位于企业控制中心；所述的hdiCPS适配装置是实现CPS底层感知控制的设备；所述的hdiCPS终端是指安装有hdiCPS实时控制软件的PC终端和移动终端；所述的hdiCPS具有隐患信息的采集、监测、通信、预警、分析和远程控制功能，实现以全自动控制为目标，以隐患管理为主线，以生产管理和安全管理为保障，具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治的分布式控制网络。

2.根据权利要求1所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS安全平台主要用于数据融合并给出决策结果，将设备上传的信息进行识别，将事故隐患按照隐患级别进行分类，使得管理部门实时掌握隐患排查工作的最新动态。

3.根据权利要求2所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：通过所述隐患级别分类来建立安全隐患曲线，所述的无隐患阶段和所述的重大隐患阶段只是开关控制，而所述的一般隐患阶段可进行连续控制。

4.根据权利要求1所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS适配装置要求物理构建和软件构建必须能够在不关机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。

5.根据权利要求4所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS适配装置，可以动态加入传感器、制动器等物理节点，或者进行软件升级的过程中不需关掉整个系统或者停机。

6.根据权利要求1所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS终端的软件重点提供通信和控制的实时性，实现终端的CPS属性。

7.根据权利要求6所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS终端可以实时获取所述hdiCPS适配装置的数据，查看其工作状况，甚至可以控制所述hdiCPS适配装置下面的生产控制设备。

8.根据权利要求6所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS终端一般由隐患排查工作人员随身携带，输入现场排查结果，上传给所述hdiCPS安全平台；接收所述hdiCPS安全平台的决策输出，实现人员和后台系统的有效互动，并对信息进行维护，提供移动查询。

9.根据权利要求1所述的隐患排查信息物理系统，其特征在于：所述hdiCPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统。