基于物联网的智能化安全仿真实训研究

苏国胜,王洪雨

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

安全仿真实训又称为体验式安全培训，是一种在模拟或真实环境中亲身感受和体验，掌握相关的安全知识和技能，具备相应的安全能力并应用于实际工作中的培训活动[1]。Kubias的研究指出[2]，在不同培训方式下，学员能够记住阅读内容的10%，聆听内容的20%，观察内容的30%，观察并聆听内容的50%，述说内容的70%，在完成任务过程中进行述说内容的90%。Andrew Stuart的研究表明[3]，在实践中开展的专业能力继续教育，显著改善了工人的安全操作行为，而长期的系统培训是提升企业安全文化的重要条件。刘奕等对救援人员实战心理影响分析的研究表明[4]，实战训练能够帮助救援人员克服紧张和恐惧心理，提高现场救援能力。

通过综合分析当前国内外应用情况，安全仿真实训在实践中仍存在安全仿真实训项目关联度低、实训结果考核的客观性不足、实施效率不能适应工作要求等问题。在培训需求不断扩大的形势下，安全仿真实训有必要通过信息化技术和智能控制技术，建立客观评估机制，提高培训水平和实施效率。

1 物联网技术特点

物联网是指利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的[2]。经过近20年的迅速发展，当前物联网技术整体上具有以下特点。

1.1 感知技术的海量应用

感知层是物联网网络架构的基础，实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制[3]。当前物联网采用的感知设备主要包括传感器、RFID、二维码、电子标签等。为实现物联网既定功能，需要综合应用大量各种类型的感知设备，以达到实时、准确获取物体信息的目的。

1.2 近距离无线通信技术已经成熟

互联网是物联网技术的核心，物联网架构中感知层获取的海量物体信息，需要通过网络及时传递。为了保障庞大信息流的精确、及时传输，近距离无线通信技术获得了广泛应用，这种技术是距离限制在几十米范围内的各种通信终端间无线电波信息直接传输。近距离无线通信技术的成熟，为物联网体系中大量通信终端间互联互通，提供了可靠的技术支持[4]。

当前，物联网技术已经在各个行业得到了推广应用，为解决当前安全仿真实训存在的问题，本文提出了基于物联网的智能化安全仿真实训技术方案。

2 智能化安全仿真实训技术方案

智能化安全仿真实训技术由三部分组成：感知控制层、逻辑控制与数据传输层、智能管理系统。

2.1 感知控制层设计方案

感知控制层负责采集各个安全仿真实训项目的基本过程信息，并执行智能管理系统发送的控制指令。

为采集实训项目中各种工具、设备及环境条件的状态信息，需要大量应用各种感知元件。以安全帽为例，作为最基本的个体防护装备，在安全仿真实训过程频繁使用。为采集不同学员的安全帽佩戴状态，其智能感知设计方案如图1所示。安全帽是否正确佩戴，可通过安全帽与头部的各个接触点受力状态进行判断，因此，主要采用压力传感器和拉力传感器实现智能状态感知。实训项目基本过程信息可根据过程要素特点，优选传感器、RFID、二维码等技术。

实训项目控制指令的执行主要采用执行器、智能装置等技术，用于改变实训项目过程中涉及的压力、流量、温度等工艺参数，以及泄漏、火灾等异常状况触发。

2.2 逻辑控制与数据传输层设计方案

逻辑控制与数据传输层负责对感知控制层采集的信息数据进行既定逻辑判断，并将判断结果数据传输至智能管理系统，以及将智能管理系统发送的控制指令传输至感知控制层。

安全仿真实训通常由多个实训项目组成，每个实训项目是安全仿真实训的基本单元，为保证其应用的独立性，均设置逻辑控制模块，如图1所示安全帽智能感知设计方案中的逻辑判断模块，即设置于其所在实训项目的逻辑控制与数据传输层，从而使其具备本项目范围内的基本过程信息采集分析功能。

图1 安全帽智能感知设计方案

数据传输技术关键在于多项目间的培训状态数据匹配。安全仿真实训通常包括多个实训项目，各个项目在工具设备、培训内容等方面存在不同程度差异，多项目间的培训状态数据匹配，是实现智能化安全仿真实训的技术关键。本方案从培训过程控制角度出发，建立了危害因素分析、安全防控措施、过程监管、工作目标控制等四大类关键控制指标，将每个实训项目产生的状态信息，分别以关键控制指标形式进行智能匹配。

2.3 智能化管理系统设计方案

智能管理系统是安全仿真实训的指挥控制中心，负责安全仿真实训项目的实时、动态、智能化管理，对实训基本过程信息进行智能处理，并根据实训项目的实施进度及需求发送相应控制指令。

智能化管理的技术关键在于项目智能管理、人机智能匹配，以及考核智能化技术。

项目智能管理系指根据学员培训需求，以及当前各个实训项目的功能和使用状态信息，自动为学员分配符合其需求的单个或多个实训项目。同时，对该培训项目的全流程，进行自动档案归集。

人机智能匹配技术主要解决实训过程中，每个学员与其所使用的个体防护装备、工具、设施等的匹配问题。如图2所示，人机智能匹配技术包括人员特征采集和智能关联两部分。人员特征采集技术可根据情况，选择身份证识别、人脸识别、指纹识别等技术，要求采集人员个性化信息。智能关联是指个体防护装备等配备的识别仪，通过对人员个性化信息进行识别，实现与特定人员在管理系统中的绑定。

智能化安全仿真实训的考核由实践考核和理论考核组成。实践考核主要采集实训项目中的关键信息，如个体防护装备、安全防护措施等的正确选择及使用。关键信息分为扣分项和否决项，如安全帽佩戴不规范为扣分项，而未佩戴安全帽为否决项。系统根据为学员智能分配的实训项目的预定培训目标，预置实训关键信息点，并对实训过程进行全程监控与智能分析，如图2所示。同时，系统还可以根据各实训项目特点，预置项目间的干扰条件，在培训过程中，根据各个项目的使用状态及培训需求，进行智能化的干扰指令发送、实训项目锁定等。

图2 智能集散控制式实训管理系统架构示意

3 技术特点分析

与当前企业普遍应用的安全仿真实训相比，基于物联网的智能化安全仿真实训技术在培训的各个阶段均有明显差异，具体如表1所示。

表1 两种安全仿真实训技术实施流程对比

通过培训实施流程的对比分析，智能化安全仿真实训在培训考核客观性、培训实施效率等方面具有显著优势。

3.1 有效提升培训考核客观性

智能化安全仿真实训技术通过对培训关键控制指标的筛选以及感知元件应用，形成了对学员培训表现智能化判断机制，整个过程按照既定标准，不需要培训师的人工干预，使培训考核更具客观性。

3.2 大幅提升安全仿真实训的效率

该技术的应用使得安全仿真实训的全流程实现智能化管理，培训师仅需做好系统后台维护和培训现场安全监管等工作。大量培训管理与档案维护工作的自动化实施，必然使安全仿真实训的效率大幅提升，从而更好的满足企业全面应用安全仿真实训的需求。

3.3 减轻安全培训管理工作量

传统意义上的安全培训通常需要较多专业培训师分工合作完成，同时，学员注册、培训考核、培训档案管理等方面的工作也需要投入大量人员和时间。本技术的应用使培训全流程实现了智能化，有效减少了安全管理部门和培训机构的工作量。

4 结语

智能化安全仿真实训技术通过引入物联网等新兴技术，能够有效克服当前安全仿真实训存在的各种问题，符合当前企业在安全仿真实训方面的迫切需要，具有广阔的应用前景。

与此同时，在当前安全培训体制和形势下，本技术的推广应用仍存在一些限制因素：

a)在应用过程将形成电子化培训记录，在当前安全法律法规体系下，其有效性需要进行确认，并建立配套管理机制。

b)参加安全培训的学员素质参差不齐，部分文化水平较低的学员在新技术应用方面会存在困难。

尽管还存在上述限制因素，但毋庸置疑的是，通过深入研发和技术进步，智能化安全仿真实训技术必将日益成熟，在企业安全培训中得到越来越广泛的应用。

[1] 王林,苏国胜,李欣,等.石化企业体验式安全培训模式探讨[J].安全、健康和环境,2012,12(12): 52-54.

[2] F.O.Kubias．Tools and Techniques for Chemical Safety Training，in Safety and accident investigation in chemical operations[M]

[3] Andrew Stuart. A blended learning approach to safety training Student experiences of safe work practices and safety culture[J]. Safety Science, 62 (2014): 409-417.

[4] 刘奕，甘勇，陈建国，等.知识和经验对救援人员实战心理的影响分析[J].中国安全科学学报,2009(10): 36-41.

[5] 工业和信息化部电信研究院. 物联网白皮书(2011年)[R]. 北京：工业和信息化部电信研究院, 2011.1-2.

[6] 皇甫伟. 物联网的技术发展与应用[J]. 信息通信,2016(11): 131-132.

[7] 李云洁.新兴低速近距离无线通信技术简介[J]. 移动通信,2008(6): 10-13.