【计算机设计大赛】国赛一等奖项目分享——基于多端融合的化工安全生产监管可视化系统

今年参加计算机设计大赛软件应用与开发获得了国赛一等奖。
参加了两届计算机设计大赛，个人感觉拿奖还是比较容易。目前了解的几个参赛项目获奖级别都比较高，但是感觉几个项目实际也都没有什么特别之处，使用的技术栈也都比较平常。最重要的是我自己的参赛项目的开发投入也比较低（自己做的自己肯定最清楚喽）。并且，看下来985参赛队伍比较少（顶尖学校好像不参加？），所以竞争压力并不大。
但是因为我个人水平较低，大学四年就拿了这一次计算机设计大赛国奖，所以特地写下这篇博客以作纪念。

一、计算机设计大赛国赛一等奖

二、项目背景

近年来，全国化工安全生产形势持续稳定向好，但高风险性质没有改变，长期快速发展积累的深层次问题尚未根本解决，部分企业安全基础薄弱，安全管理水平低，防范化解重大安全风险任务艰巨复杂。
国务院办公厅印发了《关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见》，要求加强源头治理、综合治理、精准治理，着力解决基础性、源头性、瓶颈性问题，加快实现危险化学品安全生产治理体系和治理能力现代化，为经济社会发展营造安全稳定环境。
综合利用电子标签、大数据、人工智能等高新技术开展全过程信息化管理和监控，实现危险化学品来源可循、去向可溯、状态可控；建立化工园区安全生产信息化智能化平台，实现对园区内企业、重点场所、重大危险源、基础设施实时风险监控预警，对于有效提升化工园区数字化、精准化和系统化安全管理水平具有重要意义。

三、项目简介

本项目基于多端融合、数据可视化与计算机视觉技术，设计并实现了一款化工安全生产监管可视化系统。该系统包括Web端、微信小程序端、安卓端与硬件监测端四类终端。Web端包括安全生产监控平台、基础数据管理、安全风险分区管理、危险源监测预警、生产全流程管理以及在岗在位管理六大子系统。微信小程序端包括安全隐患随手拍、安全生产知识测验等模块。安卓端负责数据上报，上报数据包括企业基础数据、危险源数据等。硬件监测端为其它各端提供硬件设备实时检测数据。多端的融合提高了用户体验、化工企业效率以及系统数据安全性。此外，该系统的火苗实时检测算法能够高效、准确地实时检测视频监控画面是否出现火苗，达到了人工检测难以达到的精度和效率，实现了计算机视觉算法与实际应用场景的紧密结合。

四、系统架构

系统数据存储采用Mysql+Redis+七牛云联合存储模式。
系统包含四类终端：Web端、微信小程序端、移动端以及硬件监测端。
第一，Web端面向园区安全生产监管部门使用，负责各项事务的审批及系统数据的管理、统计及可视化等。
第二，微信小程序端面向企业用户及社会人员使用，负责数据上报及反馈。
第三，安卓端面向企业用户使用，负责数据上报及反馈等。
第四，硬件监测端为其他各端提供数据服务。

五、系统功能结构

系统面向四类终端、三类用户，包含十八个功能模块，业务涵盖安全生产监督、管理、预警、考核全流程。

六、项目特色

（1）多端融合

系统实现了Web端、安卓端、微信小程序端、硬件监测端等各类终端的无缝连接，有效发挥各类终端优势，提升了用户使用体验。

（2）数据可视化

数据可视化采用了Sugar BI、Echarts、百度地图实现了安全生产实时监控平台，用户可以实时、动态、高效、直观地查看化工安全生产全阶段的数据。

（3）计算机视觉（目标检测）

系统将目标检测技术有机融入安全生产监管全过程，显著地提升了系统的智能化水平，实现了算法理论与实际应用场景紧密结合。
YOLOv5部署，并实现Java客户端向Python服务端发送请求进行图片火苗检测

七、系统界面设计

（1）视频监控平台

（2）可燃气体浓度监测

（3）危险源管理

（4）安全知识考核题库管理

（5）事故上报管理

（6）人员在岗在位管理

（7）危化品运输车辆管理（车辆实时位置跟踪）

八、系统界面实现

九、答辩PPT

十、答辩台词（九分三十秒）

（1）PPT台词

各位老师好，我们是基于多端融合的化工安全生产监管可视化系统项目小组，我是汇报人邢立豹。
下面我将从以下四方面进行汇报。
安全生产监管工作涉及方方面面，各类风险相互交织叠加，只有坚持系统思考，科学统筹，才能形成强大合力，在尽可能提高化工生产效率的同时，保障化工生产安全。
系统数据存储采用Mysql+Redis+七牛云联合存储模式。系统包含四类终端。第一，Web端面向园区安全生产监管部门使用，负责各项事务的审批及系统数据的管理、统计及可视化等。第二，微信小程序端面向企业用户及社会人员使用，负责数据上报及反馈，包含安全隐患随手拍等模块。第三，安卓端面向企业用户使用，负责企业数据上报及反馈等。第四，硬件监测端为其他各端提供数据服务。
系统面向四类终端、三类用户，包含十六个功能模块，业务涵盖安全生产监督、管理、预警、考核全流程。
Web端采用SpringBoot框架、Shiro安全控制框架以及Thymeleaf模板。
微信小程序端使用WXML、WXSS以及云开发技术。
安卓端采用Android四层架构、SQLite、Okhttp框架开发。
硬件监测端的视频监控模块使用GB28181推流至七牛云服务器，系统通过视频流地址播放视频监控画面。
硬件监测端的GPS定位模块采用车载北斗GPS追踪定位器，可以实时定位上传车辆位置等信息。
硬件监测端的可燃气体传感器实现了室内可燃气体浓度实时监测以及可视化大屏展示.
系统的核心功能之一是数据分析可视化。系统将数据以图表的形式多维度地展现在可视化大屏上，增强了数据的直观性。
系统的核心功能之二是火苗实时监测与预警。系统视频监控平台实现了生产过程实时监控、视频监控画面火苗检测，以及检测到火苗后自动发布预警信息。
系统的核心功能之三是可燃气体浓度实时监测。系统配备的可燃气体传感器可以实时检测上传周围环境中可燃气体的浓度。
项目特色与创新主要包括以下三点。第一，系统实现了多端的无缝连接，有效发挥了各类终端优势。第二，系统采用数据可视化技术实现了安全生产实时监控平台，用户可以实时、动态、高效、直观地查看化工安全生产全阶段的数据。第三，系统将目标检测有机融入安全生产监管全过程，显著地提升了系统的智能化水平，实现了算法理论与实际应用场景紧密结合。
这是团队成员部分获奖及证书情况。
这是团队成员发表的论文与知识产权情况。
这是团队成员发表的论文。
这是团队成员取得的软件著作权以及发明专利证书。
下面进入系统展示环节。

（2）Web端演示台词

首先进行系统Web端的展示。
安全生产监控平台主要包括以下模块。安全生产监管一张图基于百度Sugar BI实现，采用数据可视化大屏展示化工园区实时监测数据以及系统统计数据。这是视频监控平台，视频监控平台实现了生产车间实时监控、火苗实时检测与预警。
下面进行火苗检测功能展示，点击添加按钮上传图片后，系统将使用YOLOv5模型对该图片进行高效目标检测。该功能通过数据增强优化了模型泛化性能，并且利用GPU加速和模型量化等技术实现了实时推理。同时，对模型进行了压缩和剪枝等优化，以适应特定场景和硬件设备需求。该功能为火灾监测和消防安全提供了强有力的支持。
基础数据管理子系统实现了企业及人员等信息的管理与维护。
危险源监测预警子系统包括以下功能模块。可燃气体浓度监测模块实现了可燃气体浓度实时检测、可视化，以及历史数据查看。在硬件设备与服务器通信方面，通过采用线程池技术，避免了线程频繁创建和销毁带来的性能消耗，避免了过多的线程会占用过多的内存等资源，以及带来的过多的上下文切换，导致系统不稳定的问题。
危险源管理模块实现了危险源备案信息登记与管理等功能。企业向应急管理局备案的危险源信息需要通过移动端上报至系统。在Web端，通过表格展示危险源档案详细信息，通过百度地图展示危险源分布位置情况，点击危险源标记可以查看该危险源的相关信息，使用微信小程序扫码即可查看详细信息。
生产全流程管理子系统主要包括以下功能。其中设备巡检模块实现了设备信息管理及设备统计大屏，此外该模块整合了Quartz框架实现了定时生成巡检任务的功能。系统能够按预定时间自动创建巡检任务，确保巡检工作高效有序地进行。
隐患排查治理实现了安全隐患举报、审批与处理业务全流程。移动端设有安全隐患随手拍模块，用户可方便快捷地将隐患信息提交到系统。
八大作业票管理模块实现了八大作业票的登记、监管和预警功能。
安全知识考核模块。实现了考试题库管理、考试任务管理、考试成绩管理。用户通过微信小程序进行安全生产知识定期考核。
生产事故上报管理模块，企业通过安卓端进行生产事故上报，Web端实现了通过百度地图API实现了事故发生地点热力图，通过将上报的事故发生地点转化为经纬度，进而转化为热力图图层，从而可以直观地发现事故多发区域，辅助制定针对性整治策略。
在岗在位管理子系统包含以下两个模块。人员在岗在位管理模块实现了关键场所场所码管理以及人员进出记录管理。点击添加按钮输入信息即可自动生成进出二维码，使用微信小程序扫码自动上传进出记录信息。
危化品运输车辆管理模块整合了百度鹰眼轨迹。实现了车辆实时位置以及历史轨迹查看，并且通过轨迹纠偏功能消除GPS误差，确保了轨迹数据的准确性。该模块为企业提供了高效的车辆监控和安全管理手段，优化了运输效率，确保危化品运输的安全合规性。

（3）微信小程序端演示台词

下面展示的是微信小程序端，微信小程序端包括以下三个模块。
第一个模块是小程序的首页，包括应急视频查看，安全测验，点击立即交卷即可查看当前测验正确率等功能。这里是事故案例与一些新闻资讯。
第二个模块是安全隐患随手拍，该模块包含一键上报、上报说明、隐患公示、我的上报四大功能，通过安全隐患随手拍的一键上报功能，用户可方便快捷地将隐患信息提交到系统。通过隐患公示可以查看化工园区内的隐患公示信息，我的上报功能可以展示当前用户历史上报隐患信息及隐患消除状态。
第三个模块是危险源分布可视化，该模块将用户周边的危险源分等级展现在地图。同时，用户可以通过点击危险源标点查看危险源的详细信息。

（4）安卓端与硬件展示台词

我们通过播放视频的方式展示安卓端与硬件。

十一、QA准备

（1）你们为什么想起来做这个题目？

首先是近年来，我国化工行业安全生产形势持续稳定，但化工行业高风险特性并未改变，化工安全生产事故频发。为了解决长期快速发展所积累的深层次问题，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见》，要求通过源头治理、综合治理、精准治理，解决基础性、源头性、瓶颈性问题，防范和化解重大安全风险。
并且，我们XXX市当地有较多的化工园区和化工企业，我们学校XXX学院与XXX学院老师也共同承接了相关的产学研、校企合作项目。因此我们团队学生，在学校老师以及XXXX网络科技有限公司的技术总监需求与技术的指导下，独立开发了此项目。
此项目对提升化工安全生产监管数字化、精准化、系统化水平，加速危险化学品安全生产治理体系的现代化，以及对经济社会发展营造安全稳定环境具有重要意义，具有一定的推广与应用价值。

（2）系统开发周期有多长时间，每人的分工是什么

系统自去年十月份开始开发，目前以及完成项目一期，属于内部测试阶段，可以接入企业数据。我主要负责项目需求分析与调研、服务器运维、系统Web端开发、系统各端对接、项目相关文档撰写、项目进度推进等工作。XX负责微信小程序端与安卓端的开发。XX负责的是硬件开发。

（3）系统主要面向的用户（使用者）有哪些？做了哪些前期调研工作

系统面向的用户包括化工园区安全生产监管部门、化工企业以及社会人员。我们做了如下调研工作，首先我们阅读、分析并参考了《危险化学品企业双重预防机制数字化建设工作指南（试行）》、《连云港经济技术开发区智慧应急信息平台建设方案》、《2023年危险化学品企业重大危险源企业双重预防机制数字化应用管理指南》等官方文件，并且在老师的帮助下前往连云港板桥工业园以及江苏三吉利、江苏丰益等化工企业进行了实地调研，充分进行需求分析，在XXX学院与XXX学院老师以及XXXX网络科技有限公司的技术总监负责需求与技术上的指导下，进行项目的独立开发。

（4）系统目前数据量有多少？是否有推广应用？应用前景如何？

目前刚刚结束项目一期开发，正处于化工园区、企业内部使用、测试阶段，需要进一步进行功能的调整和优化，并未正式投入使用，但是已经可以接入企业现有平台系统的数据，并且产生了一部分实际生产数据。目前系统数据库文件有9MB，但是因为数据的隐私性，不便对外公开展示。系统推广应用价值极大，应用前景非常良好。举例来说，（回答第11问答案）。

（5）系统数据来源于哪里，如何获取的？

我们系统数据来源主要来自互联网官方公开知识库数据，XXX工业园以及园内部分化工企业。数据组成主要包括以下三个方面。一是在调研时该园区与企业提供的脱敏数据。二是该园区与企业使用系统产生的实际生产数据。三是因为数据比较私密，不适合对外展示，因此我们模拟了一部分数据。

（6）火苗识别的是图片，应该能检测视频更合理吧？

是的，实际应用场景应该是视频流实时检测。但是因为我已经大四离校，其他两位队员分别在外实训，我们的硬件设备在学校宿舍，目前学校宿舍已经关闭，无法取得我们的视频监控摄像头，所以原有的视频流实时检测功能暂时无法使用，临时修改为图片检测供各位评委老师查看检测效果。

（7）火苗识别算法用的是什么？为什么要选择这个算法？

火苗识别采用的是YOLOv5模型。因为YOLOv5是一种高速、轻量级、准确且易用的目标检测算法。其快速推理速度和较小的模型结构使其在嵌入式设备和边缘计算平台上具备良好的部署能力。同时，它通过改进模型结构和训练策略，提供了优越的检测准确性，适用于多种应用场景，如工业自动化、无人驾驶、人脸识别和行人检测等。

（8）系统要想推广应用还需要解决哪些方面的问题？

目前系统推广主要是有两方面的问题。第一个问题是与园区、企业现有平台系统的对接问题。（此处回答第9问的内容）。第二个问题是目前系统是单租户的设计，在推广之前需要升级系统架构为多租户架构。我打算在数据库隔离层面实现多租户。为每个租户创建独立的数据库实例。每个租户都有自己的数据库，数据表以及对应的连接凭据。从而确保每个租户的数据在物理存储层面得到分离，防止不同租户之间的数据混淆。并且在此基础上要增强处理更多租户、更大数据量和更高并发等方面的能力。

（9）目前化工企业是否已经有类似的平台系统，你们如何接入这些系统或推广你们自己的系统？

我们的系统开发依据《危险化学品企业双重预防机制数字化建设工作指南（试行）》、《XXX经济技术开发区智慧应急信息平台建设方案》、《2023年危险化学品企业重大危险源企业双重预防机制数字化应用管理指南》等官方文件进行开发，数据规范程度较高，所以可以与数据规范程度较高的企业平台系统对接。我们的对接方式主要包括以下两种，第一种是系统互相对接接口进行数据的传输，第二种是以数据库或者是excel文件的方式，在数据进行预处理后，进行导入和导出。

（10）你们的系统，有没有考虑保障企业用户的数据安全。

考虑到了，我们系统采用Shiro安全控制框架保护系统安全，并且我们的系统主要为化工园区安全生产监管部门、化工企业内部使用，仅仅为社会人员开发了微信小程序端的安全隐患随手拍功能，仅开放了少量的接口，并且社会人员上传的隐患信息会由相应的值班人员审核，在判断隐患信息合理的情况下，才会进行下一步的处理。

（11）你们认为系统最大的特色有哪个？系统的优势在哪里？

我认为我们系统特色主要包括多端融合、数据可视化以及计算机视觉。我认为最大的特色是应用了目标检测技术，实现了火苗实时检测功能，该功能具有非常大的实际应用价值，并且完全可以从当前系统中分离出来，落地使用。通过该功能的应用，可以确保火灾得到及时发现和应对，从而最大程度地减少火灾造成的损失。其次，还可以提高化工厂的生产效率和降低运营成本。传统上，人工巡视和监控是发现火苗的主要手段之一，但这种方法往往耗时耗力且不够及时。通过自动化的火苗识别系统，可以实现全天候、持续不断的监控，及时预警火灾风险，有效避免因漏检而导致的事故和停产。总的来说，该功能为化工厂提供了高效、智能的火灾预警和监控能力，将安全风险降到最低，提高了生产效率和合规性，为化工企业的可持续发展和员工的安全健康保驾护航。这一技术的应用价值不仅在于保护企业自身利益，更涉及到对整个社会的安全和稳定作出贡献。

（12）你们发表的论文和专利和本项目有什么关系？

我们发表的论文和专利都是我们的积累，论文与专利中涉及的系统的架构基本与本系统一致，为本系统的开发提供了技术基础。

（13）你们的作品除了参加这个比赛，之前还参加过哪些比赛？

我们的项目是2022年立项的江苏省省级重点大创项目，在十月份开始设计与开发，并且于今年五月份完成结题答辩。所以我们的项目目前主要是参加了计算机设计大赛。

（14）你们的系统，用户能否在此基础上进行自主编辑和开发。

我们的系统自去年十月份开始开发，目前刚结束项目一期开发，正处于园区、企业内部测试阶段，目前尚不支持进行用户自主编辑和开发，不过老师提到的这一功能对我们后续的开发具有非常大的指导意义，我们在系统内部测试完毕，发布稳定版本后，在项目二期开发中进行该功能的设计与开发。