特种设备物联网监控.docx
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特种设备物联网监控
1概述
1.1现状分析
特种设备是涉及生命安全、危险性较大的设备,而且广泛使用在城市、农村,工厂、机关、家庭,一旦发生事故,往往会因为爆炸、燃烧和有毒介质泄漏,或者因为剪切、坠落、触电、失稳、失效和倒塌等造成人员伤亡。
目前，国家质量监督检验检疫总局认定的特种设备主要有锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内机动车辆设备等。
特种设备与人身、财产安全、健康和环保等问题密切相关，因此世界各国政府对特种设备的管理工作都高度重视，并运用法律手段、行政手段、经济手段等各种强制措施予以管理。
特种设备安全监察指负责特种设备安全监督管理的政府机关为了实现安全的目的而从事的决策、组织、管理、控制和监督检查等活动的总和。
我国主要通过国家质量技术监督总局及其下属各质量技术监督部门对锅炉压力容器等特种设备从设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造7个环节进行专项监察管理。
发达国家如美国的NBBI、加拿大的TSSA、德国的TUV等机构都已经利用现代网络技术和信息处理技术建立了先进的信息管理系统,实现了统一管理,规范数据、资源共享等,大大提高了工作效率。
我国近年来在推进计算机网络监察平台、报检平台及开发各种管理软件上做了大量工作,但基础数据的缺失或基础数据的不规范、滞后取得或间接取得等使得特种设备的动态监管目标难以实现。
近年来,我国特种设备监管加强规范标准体系、动态监管体系、安全评价体系建设,坚持从源头抓安全质量、从薄弱环节抓专项整治。
我国所有的特种设备都是从设计、型式试验、生产、制造、安装、监督检验（验收检验）、定期检验所有环节进行监控。
其中型式试验、监督检验（验收检验）、定期检验是所有监督检验中的重点环节。
国内的检验机构是政府行为，是受政府（监察机构）委托的检验行为，机构唯一，检验具有强制力，而国外，检验机构多样化，有专门的检验机构、保险公司、咨询公司、电梯公司、使用单位，甚至机电类还有独立的有资质的个人。
国外特种设备安全管理的一个重要特点是利用权威的民间机构（团体）统一全国的单位资格和人员资格，统一全国的设计、制造和检查标准。
整个特种设备安全管理体系充分发挥民间机构在统一资格、统一标准的优势和监管机构执行法规的强制力优势，实现优势互补。
而国内监督、检验、标志指定等，全部都是由政府机构主导。
起重机械是特种设备中改善物料搬运条件，实现生产过程自动化、机械化，提高劳动生产率不可缺少的物流运输设备。
由于工业规模的不断扩大,促使大型或高速起重机械的需求量不断增长,工作速度越来越高,并对能耗和可靠性提出了更高的要求,大多数起重机械，需要在较大的空间范围内运行，一旦造成事故，影响的范围也较大。
鉴于起重机械具有较大危险性和在经济、社会生活中的特殊作用，其安全问题得到我国政府的高度重视，并通过立法、采取行政手段等强制性措施予以专门的监督管理，建立了起重机械安全监察制度。
加强起重机械设备管理，提高设备的利用率与完好率，强化设备的使用、维修、保养及检测工作是迫在眉睫的事。
1.2存在问题
目前，全国范围内各特检院的检测手段相对落后，虽然采用了一些先进的检测仪器，但特种设备分布散且检验全部是现场检验不利于信息的同步。
虽然有些单位建立计算机管理系统，但是检验员仍旧要提前准备好纸质的原始记录，回到单位后再手动录入计算机系统，特种设备的检验检测信息存在信息传递慢，加工时效差，共享度低的问题。
对特种设备进行现场检验，需要填写大量原始记录，检验后再通过网络，出具和公布其检验报告。
由于检验人员长期在外流动工作，受到时间、空间、设备网络等条件限制，使检验工作的信息查询、实时反馈、快速出具检验报告等十分的不便，因此影响监管部门的监管力度。
我国特种设备的事故发生率相对于发达国家偏高，总体上是工业发达国家的4至6倍，一些设备事故多发的势头仍未得以根本扭转。
事故系统通常涉及四个要素：
人、设备、环境、管理。
其中，人的不安全行为和机械的不安全状态是事故的直接原因，生产环境的不良，将对人和机械设备产生不良的作用，是构成事故的重要因素，是产生事故的重要因素;而管理上的欠缺是事故发生的间接因素，对人、设备、环境都会产生作用。
不少使用单位对特种设备的安全使用管理不到位，处于被动管理状态。
设备过来期也不做检查，造成安全隐患
主要问题有：
特种设备数量大、分布广，实现对每台特种设备监管到位难度较大；重大事故时有发生，安全形势依然严峻；监管资源投入严重不足，基础建设比较薄弱，事故隐患大量存在；监管体制机制改革有待深化，工作体系有待完善，方式方法还欠科学，检验资源配置效率有待提高，监管效能有待增强。
1.3研究目标及内容
随着我国信息化水平的不断提高，以信息化带动工业化的跨越式发展路途已经成为共识，在特种设备行业以及使用特种设备的场合也迫切需要采用信息化提高产业层次，创造更高的附加价值。
但特种设备的运行环境相对恶略，一般工作与户外高温，潮湿，粉尘，震动冲击等场合，如何才能实现对特种设备进行行之有效的管理成为一个难题。
本项目主要开发一套基于物联网技术的安全监控管理系统。
该系统将涵盖电梯，起重机，厂车。
综合运用RFID射频信息编码、网络通信、计算机控制、信息管理等技术，建立起重机及吊车安全物联网监控系统。
特种设备现场检验管理系统。
系统要实现特种设备、操作员、维修员、检验员、监察员之间的信息互动。
系统可以实现现场工作记录、现场出具检验资料、查询相关信息等既快速又准确，有效地实现各个环节的安全责任的相互监督，使特种设备安全运行的责任可追溯，同时又提高了检验效率和检验的质量。
特种设备现场检验系统建设，将通过物联网管理，对每台特种设备的电子标牌或智能传感系统，进行便捷准确的智能化终端采集，将提升质检工作的信息化水平，增强特种设备的监管和服务能力。
系统实现总体目标：
特种设备在运行的全过程跟踪。
信息清晰、追溯快捷。
系统建设的主要内容：
围绕实现特种设备、操作人员、维修人员、检验人员、监察人员信息采集系统为基础整合南京市特检院现有信息资源，通过基础数据的采集、整合、处理、存储、建立“特种设备现场检验管理系统”。
实现统一管理,规范数据、资源共享等,大大提高工作效率。
1.4研究依据
编制依据：
《中华人民共和国安全生产法》、《特种设备安全监察条例》《国务院关于特大安全事故行政责任追究的规定》（国务院第302号令）、《国务院关于进一步加强安全生产工作的决定》、《江苏省安全生产条例》、国家质检总局印发的《特种设备特大事故应急预案》、《特种设备安全发展战略纲要》、《起重机械安全规程》-GB60607.1-2010、《起重机械定期检验规则》、《TSG-Q002-2008-起重机械安全技术监察规程》、《起重机械监督检验规程》。
2需求分析
今年来国家制造业在向着信息化、智能化、绿色化、全球化发展。
国家对于特种设备有建立法规标准、实行动态监管、明确安全责任、应急反应、安全评价五方面的需求。
需求建立完善的安全监察与节能监管，完善动态监管体系。
完善安全监察组织网络和信息化网络，着力提升电子监管水平，逐步实现动态监管体系对各个设备、各个环节、各个地区的全覆盖，对特种设备进行全过程、有效、动态跟踪监督。
构建风险管理体系，应用风险理论实施特种设备分类监管，对系统性、广泛性和重大事故风险实施监测预警，对特种设备重大危险源实施治理监控，对特种设备事故及时做出应急反应和妥善处理，科学实施特种设备事故调差处理，提高风险控制和事故预防能力和水平。
实现了对特种设备事故由事后处理向事前预警的转变，建立安全风险监控机制，对重大隐患实施治理监控。
2.1信息需求
2.1.1人员信息
（1）操作人员信息
系统需采集操作人员的有效信息，包括操作人员的工号，姓名、操作资格、所属部门、操作等级、有效期时间，违规记录信息等信息。
（依据《起重机械安全技术监察规程》第二十条，《特种设备安全监察规定》第二十一条）
（2）维护人员信息
系统需采集维护人员的有效信息，包括维护人员的工号、姓名、维修等级、所属单位，所属部门、有效时间、可维修设备等信息。
（依据起《重机械安全监察规定>第十三条》）。
（3）检验人员信息
系统需采集检验人员的有效信息，包括人员的工号、姓名、等级、有效时间、所属单位、所属部门、可检验设备等信息。
（4）监察人员信息
系统需采集监察人员的有效信息，包括人员的工号、姓名、职位、有效时间、所属单位、所属部门等信息，以便对监察人员进行管理。
2.1.2设备信息
（1）起重机定位管理信息
系统需采集起重机的实时位置信息，包括大/小车工作位置，吊钩工作位置信息，防止起重机不在安全工作范围之内。
（2）起重机基本信息
系统需存储起重机的基本信息，包括起重机的名称、类别、型号、设备代码、制造许可证编号、出厂日期、跨度、轨距、幅度、起重力矩、最大轮压、起升高度、工作速度、起重机整机工作级别、防爆等级、生产厂商名称、额定起重量的基本已有信息如附件1所示。
（依据《起重机械安全技术监察规程》第十一条）
（3）起重机安全运行信息
系统需采集起重机运行时的基本信息，包括起重重量、大/小车实时工作速度、起重力矩、轮压、电机温升、幅度、风速等起重机运行时的实时信息（通过起重机本身自带传感器或外接智能传感器获得）。
A起重重量的采集，用力传感器采集其中后的受力，设定额定的90%为报警值并记录。
B力矩的采集，用力矩传感器采集，设定额定值的90%为报警值并记录。
C幅度的采集，用幅度传感器，设定额定值的90%为报警值并记录。
D速度的采集，用旋转编码器，设定额定值的90%为报警值并记录。
E轮压的采集，用力传感器采集轮胎受力，设定额定的90%为报警值记录。
F电机温升采集，用起重机本身自带或外接温度传感器，设定额定的90%为报警值并记录。
G磁力的采集，用起重机本身自带或外接磁敏传感器，设定额定的90%为报警值并记录。
H大小车的实时速度，采用旋转编码器或得大小车实时速度，以达到额定值的90%为报警值并记录。
I一些安全装置的实效，采用起重机本身自带或外接压力传感器，大安全装置作用起重机本身自带或外接时受力变化远远低于设定值，则报警。
J机械零件高负荷下的振动，采用起重机本身自带或外接振动传感器，当振动量达到额定值的90%时报警并记录。
K风速，由风速传感器获得，当达到额定风速的90%时报警并记录
L回转角度，采用回转角度传感器采集，设置危险值的90%为报警值，当达到回转角度危险值的90%报警并记录。
M大小车实时位置，由旋转编码器获得。
表2-7监控量信息表
监控量
监控数据来源
额定值或安全范围
报警设置值或报警范围
所在设备号
报警信息
起重重量
力传感器
设备超载
起重力矩
力矩传感器
力矩超限
幅度
幅度传感器
幅度过大
轮压
力传感器
轮胎受力过大
电机温升
温度传感器
电机温升过大
大车车速
旋转编码器
大车超速
小车车速
旋转编码器
小车超速
吊钩速度
旋转编码器
吊钩超速
机械振动
振动传感器
机械振动过大
防碰装置
微波防碰转装置
两车干涉
风速
风速仪
风速过大
钩头上升高度
RFID芯片
吊钩超出安全区域
大车运行极限位置
旋转编码器
大车超出安全区域
回转角度
回转角度传感器
回转角度过大
小车运行极限位置
旋转编码器
小车超出安全区域
（4）设备重要零件信息
为使系统能对设备进行预测性维护，系统需存储设备重要零件的基本信息和零件的维护与跟换信息。
2.1.3检验信息
（1）检验计划信息
为了监管和保证起重机的使用安全，起重机需进行日常检验和定期检验，为方便在外检验人员能及时的获得检验信息，系统需能共享检验计划，包括受检单位、受检设备、检验设备检验项目表、检验开始时间、参检人员、检验单位等计划信息。
（2）历史检验信息
为了提高检验效率，系统需存储历史检验信息，包括检验结束时间、检验单位、检验人员、受检单位、受检设备、设备检验报告、检验整改通知（查看附件1）等历史检验信息。
（3）检验设备信息
为方便或动态帮助检验人员的检验工作，系统需存储检验起重机的不同部位所需的检验设备。
2.1.4维护信息
（1）维护计划信息
为使的设备能够正常运行，设备需经常维护，系统需能共享维护计划，包括维护单位、维护设备、维护部位、维护项目、维护人员、维修公司、维护开始时间等维护计划信息。
（2）设备维护信息
为使维护人员能更有维护的针对性，系统需经常跟新那些零件需要经常维护或者报废的信息，即那些零件的使用起重机本身环境比较恶劣，需要定期保养或更换。
（3）零件维护周期信息
根据国家和特种设备行业对零件或设备维护的周期设置，系统需存储零件的可靠性曲线，运行周期、维护周期等基本信息。
（4）维护公司信息
系统需存储相应维修公司的基本信息。
2.1.5报废信息
（1）经常跟换零件的基本信息
为了便于起重机的正常运行，系统需存储经常跟换的零件的信息，包括零件的名称、使用起重机本身自带或外接部位、重要等级、供应商、价格、库存信息等基本信息。
（2）零件的报废准则
为了使得零件在不能使用起重机本身自带或外接时能正常报废，系统需存储零件的使用起重机本身自带或外接情况和报废依据等信息。
（3）零件使用寿命
为使得零件在报废前系统能对相关人员进行预警，及时跟换零件，保证起重机的正常运行，系统需存储零件在特定部位使用起重机正常报废时的使用寿命。
2.1.6故障信息
（1）常见故障信息
为使设备故障时系统能识别出故障，对故障进行排除，系统需存储常见的故障信息，包括故障部位，故障类型，以及引起故障的原因。
（2）特殊故障信息
当出现未知新故障时，系统需能存储相应的故障信息，下次故障发生时，未知故障将作为已知故障进行处理。
（3）故障处理信息
为使出现故障时能及时对故障进行处理，系统需存储相应故障的处理与解决信息。
（4）故障预测信息
为使设备正常运行，系统需存储故障的预测信息。
包括设备故障的时间、故障的设备、故障的部位、故障的等级、处理信息等预测信息《特种设备安全监察条例》。
2.1.7已有信息
待定
2.1.8其他信息
（1）系统需存储国家，行业对特种设备从设计、制造、安装、使用起重机本身自带或外接、检验、修理、改造、报废全过程的标准与法规。
（2）零件检验、维护、报废、故障的基于的算法
（3）关键运行部位的视频信息
2.2功能需求
（1）监控系统采集传感器实时信息，对信息进行传输、分析、存储。
（2）当系统发现采集的传感器信息中有违规或者危险运行的信息时，系统启动报警装置，记录违规设备、违规类型、违规时间、违规人员等信息。
并动态提示操作人员违规信息。
（3）监控系统定期采集人员RFID信息，以便系统对人员进行管理并能对即将过期的人员卡进行预警。
（4）基于历史统计数据和可靠性的算法对起重机的重要零部件进行定期维护预警，并短信通知相关人员
（5）对起重机从产品出厂、日常使用、日常保养、定期维护、定期检验、报废全生命周期监控与信息记录，对起重机运行实现电子监管。
（6）对操作人员、检验人员、维修人员、监察人员实现管理，记录其日常工作情况，并对设备检验、设备维护、零件跟换等进行预警。
（7）系统可实现起重机基本信息、历次检验与维护信息的查询与共享。
（8）对检验人员进行实时跟踪监测和定位，为检验人员提供设备位置、检验项目信息、相应提示的动态工作信息
（9）远程数据共享，检验和维护信息实时反馈，快速出具检验和维护报告
（10）对故障、报废等危险项及时预警。
2.3性能需求
2.3.1适用起重机本身自带或外接性
本系统的内容符合实际需要，不片面追求系统的超前性而造成投资过大。
同时，系统的前端产品和系统软件均有良好的可学习性和可操作性，让用起重机本身自带或外接户通过简单的培训就能熟练操控系统。
2.3.2灵活性和可扩展性
本系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要，各管理单元以子系统和功能模块的形式出现，根据企业不同建设时期的需要，系统可以灵活增减或更新各个子系统或功能模块,并保证实现各功能模块的合理配置。
2.3.3兼容性、安全容错及保密性
系统应和企业已有生产管理系统相兼容，利用起重机本身自带或外接已有数据库的交换接口，达到现场数据一次录入，多处共享，避免数据的重复录入和非一致性差错。
系统应具备数据备份和防止病毒的能力，可保存3-5年的历史数据记录，以方便查询以往信息。
2.3.4可靠性和安全性
可靠性和安全性对一个网络系统是至关重要的。
因此，在网络的规划和设计中，要充分考虑可能出现的各种问题，采用起重机本身自带或外接各种技术、尽可能减少网络故障，并在出现网络故障时把损失降低到最低限度。
2.3.5实时性
系统已使得现场信息与检验服务中心的信息传递实时准确。
3总体方案设计
3.1监控系统结构
整个监控系统分为上下两个功能模块，下位机功能模块（即车载智能监控设备）的作用主要是对监控对象的基本信息的采集；对违规操作以及设备危险运行的实时报警：
将采集到的信息通过GPRS进行无线传输，传输到特检院现有网络平台。
上位机功能模块的主要作用是对采集的人员，设备信息进行管理；对设备的检验与维护预警进行管理，并在检验与维护一个月前对相关人员进行通知：
对设备故障的智能预测：
实现与特检院原有检验服务器的对接；方便用户进行信息的查询。
其系统结构图如图3-1所示。
图3-1监控系统结构图
3.2监控层次结构
在传统的数据库与网络应用体系中，客户端与数据库完全分开，在客户端上运行了大部分任务，如数据访问，合法性效验，网络通信等。
这种层级结构应用的优势包括开发周期较短，能适应大部分中小型数据库与网络应用系统的要求。
但随着数据库与网络技术的日渐发展，数据库容量不断增加，客户端数量不断增加，这种体系结构在可扩充性、可维护性、可重用性等方面显示出了诸多缺陷。
正是因为以上诸多缺陷，使得三层（多层）体系结构成为目前中型、大型数据库与网络应用系统开发的首选。
本系统为三级体系结构，分为数据层、业务逻辑层、图形接口层。
数据层包括企业现有的各数据库、设备信息数据库、人员信息数据库、设备故障库以及未来系统数据库等。
业务逻辑层则可以在数据层的基础上将现有系统的各个功能封装为设备管理子系统模块、人员管理子系统模块、预警模块、故障预测管理。
图形接口层则包括各个业务客户端、手持终端设备等，它们可以是浏览器形式，也可以是客户端形式，能适应各种需求。
系统层次体系结构图如图3-2所示。
图3-2系统层次
3.3数据库E-R图
3.3.1检验数据库E-R图
图3-3检验数据库E-R图
3.3.2维护数据库E-R图
图3-4维护数据库E-R图
3.3.3运行数据库E-R图
图3-5运行数据库E-R图
3.4功能树
3.4.1下位机功能树
图3-6下位机功能模块树
3.4.2上位机功能树
图3-7上位机功能树
4详细设计
4.1详细数据库设计
4.1.1基础信息
（1）人员信息
A操作人员基本信息
操作人员基本信息设计如表4-1所示。
表4-1操作人员基本信息表
属性（名称）
数据类型
PK/FK
规则
说明
数据来源
证件编号
STRING
PK
EPC编码
与RFID编码相同，作为其他调用的标识。
企业内部统一编号
姓名
STRING
姓名可重复
企业人事数据
设备类型
STRING
需通过相应资格考试
说明其可操作的特种设备类型
企业
所属部门
STRING
企业
证件有效期
INTEGER
若不在有效期内在不能操作设备
依据发放和有效时间计算证书失效时间，假设证书发放时间是2011年5月1日，证书有效期4年，则在2015年3月做证件过期预警。
国家标准
B维修人员基本信息
维修人员基本信息设计如表4-2所示。
表4-2维修人员基本信息表
属性（名称）
数据类型
PK/FK
规则
说明
数据来源
证件编号
STRING
PK
EPC编码
作为其他调用的标识
维修公司员工编号
姓名
STRING
姓名可以重复
维修公司员工信息
设备类型
STRING
可维修设备类型
维修公司
所属单位
STRING
维修公司
所属部门
STRING
维修公司人事
维修等级
STRING
需通过相应维修等级考试
维修公司员工信息
证件有效期
INTEGER
依据相应标准
若不在有效期内则不具有维修资格
国家标准
C检验人员基本信息
检验人员基本信息设计如表4-3所示。
表4-3维修人员基本信息表
属性（名称）
数据类型
PK/FK
规则
说明
数据来源
证件编号
STRING
PK
EPC编码
作为其他调用的标识
检验机构统一编号
姓名
STRING
姓名可相同
检验机构
设备类型
STRING
当非可检设备时报警
所检验设备必须是可检验设备
检验机构
所属单位
STRING
检验机构
所属部门
STRING
检验机构
证件有效期
INTEGER
检验时证件必须在有效期之内
证件若不在有效期之内则不具有检验资格
国家标准
D监察人员基本信息
监察人员基本信息设计如表4-4所示。
表4-4维修人员基本信息表
属性（名称）
数据类型
PK/FK
规则
说明
数据来源
证件编号
STRING
PK
EPC编码
作为其他调用的标识
检验机构统一编号
姓名
STRING
姓名可相同
检验机构
设备类型
STRING
当非可检设备时报警
所检验设备必须是可检验设备
检验机构
所属单位
STRING
检验机构
所属部门
STRING
检验机构
证件有效期
INTEGER
检验时证件必须在有效期之内
证件若不在有效期之内则不具有检验资格
国家标准
（2）设备信息
A设备基本信息
系统存储的设备基本信息如表4-5所示。
表4-5设备基本信息表
属性（名称）
数据类型
PK/FK
规则
说明
数据来源
设备编号
STRING
PK
EPC编码
作为其他调用的标识
起重机铭牌
设备注册代码
STRING
PK
注册机构
设备类别
STRING
国家对特种设备的分类
起重机铭牌
设备型号
STRING
PK
国家对特种设备的型号命名
起重机铭牌
企业内部编号
STRING
起重机安全技术文件
名称
STRING
国家对特种设备的命名规则
起重机铭牌
制造许可证编号
STRING
国家对特种设备的命名标准
起重机铭牌
制造单位
STRING
起重机铭牌
制造日期
DATE
作
升级会员 