基于物聯(lián)網(wǎng)的危化品儲存智能監(jiān)測管理平臺的開發(fā)

文/鄧術(shù)章 周兆欣 張安西 馬建文

基于物聯(lián)網(wǎng)的危化品儲存智能監(jiān)測管理平臺的開發(fā)

文/鄧術(shù)章 周兆欣 張安西 馬建文

危化品儲存事故時有發(fā)生，危害極大。而目前危化品儲存區(qū)的監(jiān)測大多為表面的視頻監(jiān)控，安全隱患較大。本文通過調(diào)研分析，針對危化品儲存區(qū)安全管理工作的實際需要，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了危化品儲存智能監(jiān)測管理平臺，該平臺實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與智能管理控制于一體，具備實時監(jiān)測、自動預(yù)警、專家應(yīng)急決策服務(wù)、遠程智能化管理等功能。平臺的實現(xiàn)為危化品企業(yè)的安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急決策以及政府有效監(jiān)管等提供了重要手段，有力地保障了危化品企業(yè)的安全營運和經(jīng)濟效益。

危化品；智能監(jiān)測；管理平臺；物聯(lián)網(wǎng)

引言

危險化學(xué)品（簡稱“危化品”）是具有易燃易爆、毒害、腐蝕和輻射等危險危害特性的物品，一旦危化品儲存區(qū)發(fā)生泄漏，勢必引起火災(zāi)、爆炸、污染、中毒和死亡等嚴(yán)重事故發(fā)生，對社會公共安全造成重大威脅［1］。而隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，危化品的使用企業(yè)數(shù)量和規(guī)模仍在不斷的擴大，盡管我國為加強危化品的安全儲存管理制定了諸多法規(guī)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，危化品儲存事故還是頻繁發(fā)生［2～3］。目前，對危化品儲存區(qū)的監(jiān)測大都僅對儲罐進行視頻監(jiān)控，而對儲罐液位、溫度壓力等重要實時參數(shù)仍由手工測量或人工監(jiān)控現(xiàn)場儀表，在非作業(yè)時段更處于無人監(jiān)控狀態(tài)，安全隱患重重［4～6］。因此，有必要研究一套高精度、高效率，集自動預(yù)警、險情控制、專家系統(tǒng)綜合指導(dǎo)等功能于一體的危化品儲存智能監(jiān)測系統(tǒng)［7～8］。

為了解決目前危化品儲存區(qū)監(jiān)測平臺報警機制不完善，信息共享能力欠缺，多部門聯(lián)動的快速反應(yīng)應(yīng)急機制仍未形成，綜合智能遠程管理平臺監(jiān)管能力不足等問題，構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的危化品儲存智能監(jiān)測平臺，實現(xiàn)危化品儲存區(qū)與相關(guān)的管理部門之間對危化品儲存信息的實時共享，加大政府部門對危化品企業(yè)的監(jiān)控力度，在最大程度上降低危化品儲存時的風(fēng)險，并且可以在事故發(fā)生后以最快的速度向相關(guān)部門和專家發(fā)出報警信息，使得相關(guān)部門可以從速對事故的情況進行了解和處理。同時，可通過平臺設(shè)置的專家指導(dǎo)系統(tǒng)盡快獲得事故處理的相關(guān)建議。這對提高危化品儲存安全系數(shù)、增強應(yīng)急處理能力及提高其智能化管理水平，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.平臺功能需求分析

針對危化品儲存區(qū)監(jiān)管現(xiàn)狀存在的諸多不足，通過細致的企業(yè)調(diào)研和對險情、事故等信息的分析，初步確定基于物聯(lián)網(wǎng)的危化品智能監(jiān)測平臺應(yīng)具有全面的實時監(jiān)測、遠程動態(tài)控制、一鍵應(yīng)急處理及綜合智能管理等功能。

1.1實時監(jiān)測

可以通過各種傳感器、設(shè)備和無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)對危化品儲存狀態(tài)信息（罐內(nèi)溫度、可燃氣體濃度、壓力、液體質(zhì)量，罐外的風(fēng)向風(fēng)速、溫度等）的實時監(jiān)測，根據(jù)預(yù)設(shè)的報警閾值提供預(yù)警報警功能。同時，平臺應(yīng)具備龐大的數(shù)據(jù)庫，能夠安全地存儲監(jiān)測到各種狀態(tài)信息，并可以實現(xiàn)歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)的查詢、分析和處理，有助于掌握危化品狀態(tài)變化的趨勢，從而可有效預(yù)防類似險情、事故的再次發(fā)生。

1.2遠程動態(tài)控制

能夠?qū)崿F(xiàn)與通信網(wǎng)絡(luò)的連接，建立監(jiān)測中心、危化品公司、消防、公共安全、醫(yī)療救援、政府管理等各個部門的互聯(lián)平臺，將監(jiān)測中心的信息數(shù)據(jù)與各個部門實時共享，提供完善的監(jiān)控、管理和應(yīng)急救援功能；同時，設(shè)計平臺手機客戶端系統(tǒng)，用戶可隨時隨地掌握危化品儲存的所有信息，對于某些需要特殊關(guān)注的危化品的狀態(tài)設(shè)置自動提醒功能。這有助于公司管理人員、政府等部門對危化品有效監(jiān)管，有助于在事故發(fā)生時相關(guān)負責(zé)人及專家可以與現(xiàn)場人員遠程指揮、互動溝通，提供全面有效的應(yīng)急救援手段。

1.3一鍵應(yīng)急處理

目前危化品儲存區(qū)監(jiān)控值班人員大都是非計算機專業(yè)人員，且對危化品知識的了解較少，即使危化品監(jiān)測系統(tǒng)報警，仍不能立即做出正確反應(yīng)。針對這一現(xiàn)象，危化品監(jiān)測平臺應(yīng)設(shè)置一鍵處理功能，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)通過出現(xiàn)報警后，在自動提示問題部位和性質(zhì)，請值班操作人員及時關(guān)注和處理的同時，自動完成一套預(yù)先設(shè)置好的緊急處理方案，啟動相應(yīng)的應(yīng)急操作，控制并阻止事故規(guī)模擴大。

1.4綜合智能管理

圖1　平臺監(jiān)測層主界面

開發(fā)面向危化品企業(yè)的智能信息管理系統(tǒng)，提供企業(yè)基本信息、儲存區(qū)及設(shè)備設(shè)施信息、危化品物質(zhì)信息、相關(guān)人員安全培訓(xùn)信息、標(biāo)準(zhǔn)化管理文件等文檔信息的管理功能，提供危化品MSDS、危化品性質(zhì)、應(yīng)急預(yù)案、專家?guī)斓然A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的管理維護，包括基本的增、刪、改、查等業(yè)務(wù)操作功能［9］。另外，平臺應(yīng)能夠結(jié)合在線實時監(jiān)測預(yù)警功能，提供事故接警、專家決策信息生成等的全流程管理，為危化品事故應(yīng)急救援指揮提供相關(guān)的應(yīng)急救援知識庫、專家?guī)煲约捌髽I(yè)、危化品的基礎(chǔ)信息等決策支持信息，提高應(yīng)急救援的反應(yīng)能力和救援的科學(xué)性、合理性。

2.平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

基于上述危化品儲存監(jiān)測功能需求分析，綜合考慮各個功能要點，根據(jù)危化品儲存區(qū)安全管理工作的實際需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)一套先進實用、操作簡單方便、功能全面、可擴展性廣、性能可靠地危化品智能監(jiān)測平臺。

2.1平臺總體設(shè)計

平臺設(shè)計以STM32為單片機芯片，整體采用I/O架構(gòu)，利用程序?qū)⑵脚_各個功能有效地結(jié)合在一起。平臺系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場總線的安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由各種傳感器、邏輯運算器、最終控制單元、上位機以及網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)組成；同時，平臺設(shè)有具有遠程訪問接口，遠程監(jiān)控中心和手機客戶端可通過專用網(wǎng)絡(luò)或Internet，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)授權(quán)管理，隨時查看儲存區(qū)的現(xiàn)場情況和危化品的狀態(tài)信息。

2.2平臺監(jiān)測層的實現(xiàn)

平臺監(jiān)測層通過各種傳感器對罐內(nèi)溫度、液位、壓力、質(zhì)量、可燃氣體濃度、泄漏狀況及罐外風(fēng)向風(fēng)速等進行監(jiān)測。該部分采用DCS（分布式控制系統(tǒng)），上位機采用通用組態(tài)軟件組態(tài)王6.52作為軟件監(jiān)控平臺，組態(tài)王6.52將產(chǎn)生的信息具體地呈現(xiàn)給監(jiān)控中心的操作者，并方便獲得各類信息。其主要特點為：由多個組件組成，具有完成可視化、獲取數(shù)據(jù)、擴充外接組件/系統(tǒng)、歷史趨勢、事件處理、報警記錄、報表和分析工具的功能［10］。

在確定上位機與I/O板卡通訊協(xié)議后，就可由總線實現(xiàn)上位機與I/O板卡（直接插入上位機的PCI插槽）的通訊，通過設(shè)置的各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)，進而可以完成實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、指令發(fā)送、歷史記錄存儲等控制操作，其中系統(tǒng)最重要的兩個模塊為實時監(jiān)測和參數(shù)設(shè)置部分。平臺監(jiān)測主界面如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)軟件的流程圖如圖2所示。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

2.2.1平臺監(jiān)測層的實時監(jiān)測

平臺監(jiān)測功能主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知層，平臺設(shè)置液位、溫度、可燃氣體、壓力、風(fēng)向風(fēng)速等傳感器來對灌內(nèi)外危化品的狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)采集。進而利用組態(tài)王6.52可在Windows系統(tǒng)上與多種應(yīng)用程序進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換的功能，通過傳感器接收到的各種信號，由C語言程序接收，并存放在設(shè)置好的變量中，在組態(tài)王的字典中建立相應(yīng)的I/O變量，組態(tài)王軟件從中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過標(biāo)度轉(zhuǎn)換，將相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號，然后利用組態(tài)王軟件提供的控件將這些信號呈現(xiàn)在軟件界面上。當(dāng)獲取到的參數(shù)不在正常值范圍之內(nèi)時，報警窗口顯示越限時間、變量名、當(dāng)前值以及界限值等。當(dāng)新報警出現(xiàn)時，報警窗口自動滾動，窗口總是顯示最后出現(xiàn)的報警事件。對燈光圖片進行動畫連接和調(diào)用PlaySound函數(shù)驅(qū)動喇叭，實現(xiàn)聲光報警。

2.2.2平臺監(jiān)測層的參數(shù)設(shè)置

監(jiān)測層參數(shù)的設(shè)置主要是參照儲存物質(zhì)特性和儲罐的結(jié)構(gòu)形式的不同并依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［11～12］要求及危化品企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測需求，選取相關(guān)監(jiān)測參數(shù)并設(shè)置監(jiān)測報警閾值，通過管理后臺，對預(yù)設(shè)報警值進行集中處理。系統(tǒng)將傳感器實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)與報警值進行對比分析，一旦超出正常范圍將在系統(tǒng)前臺界面進行閃動和聲音提示報警，并與專家服務(wù)模塊、應(yīng)急救援模塊進行應(yīng)急處置聯(lián)動。另外，系統(tǒng)將自動保存歷史監(jiān)測值與歷次報警記錄，為安全趨勢分析、事故原因分析等提供數(shù)據(jù)參考。

2.3平臺專家應(yīng)急決策服務(wù)層的實現(xiàn)

專家決策應(yīng)急服務(wù)層是該平臺的重要部分，為方便操作人員的操作，該部分采用觸控式屏幕人機界面，基于EasyBuilder8000軟件系統(tǒng)進行編程設(shè)計。EasyBuilder8000軟件不僅人機交互界面可操作性強，人性化設(shè)計，而且還具備強大的以太網(wǎng)通訊功能，除了可以與帶以太網(wǎng)口的PLC等控制器通訊外，還可以實現(xiàn)HMI之間的聯(lián)網(wǎng)，通過Internet或者局域網(wǎng)對HMI和與HMI連接的PLC等上下載程序，可較好滿足本平臺功能的實現(xiàn)。該部分主界面入圖3所示。

圖3　平臺專家應(yīng)急決策服務(wù)層主界面

為滿足企業(yè)需要，本部分核心功能主要包括：

（1）專家系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查詢

一是為危化品企業(yè)提供常用危化品安全技術(shù)說明書的編輯、修改、刪除和査詢管理，為危化品提供有關(guān)安全生產(chǎn)儲存、防護措施、應(yīng)急處置及環(huán)境保護等方面的各種信息和資料，為危化品安全儲存和科學(xué)高效預(yù)防事故提供依據(jù)。二是根據(jù)不同危化品物質(zhì)的特性和危化品企業(yè)儲存事故處理的經(jīng)驗，為企業(yè)編制應(yīng)急預(yù)案和管理標(biāo)準(zhǔn)，在企業(yè)日常的危化品儲存管理和應(yīng)急響應(yīng)程序中，提供防火防漏措施、消防器材及防毒防爆設(shè)備的配置使用、醫(yī)療救護藥品應(yīng)急物資的配備等各方面的管理標(biāo)準(zhǔn)；并能根據(jù)險情、事故類型模糊匹配提供相應(yīng)險情、事故應(yīng)急處置預(yù)案。

（2）專家指導(dǎo)功能

對平臺監(jiān)測層監(jiān)測到的各種報警情況，通過該功能操作人員可以快速獲取該報警最可能的所有原因供操作人員參考，以便操作人員逐一排除，迅速查明報警原因，盡早阻斷險情、事故的發(fā)生。

（3）專家求助功能

當(dāng)危化品儲存區(qū)發(fā)生事故時，操作人員可利用該功能與相關(guān)專家取得通訊，專家可通過該平臺的聯(lián)網(wǎng)功能獲取危化品物質(zhì)特性及實時、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)事故的性質(zhì)、嚴(yán)重程度為企業(yè)提供應(yīng)急處理指導(dǎo)。另外，操作人員還可以通過該部分與消防、醫(yī)院等部門取得通訊聯(lián)系，全方位保證事故得到有效處理。

2.4智能標(biāo)準(zhǔn)化管理的實現(xiàn)

危化品企業(yè)的安全生產(chǎn)離不開政府的有效監(jiān)督和企業(yè)的高效管控，本平臺利用EasyBuilder8000軟件的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能和平臺設(shè)有的網(wǎng)絡(luò)遠程訪問接口，實現(xiàn)政府相關(guān)管理部門與危化品企業(yè)的信息共享及集中統(tǒng)一的智能標(biāo)準(zhǔn)化遠程管理平臺。政府和企業(yè)相關(guān)部門可以通過網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置的訪問權(quán)限對本企業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)化管理信息進行查詢和監(jiān)管。該部分主要功能模塊如圖4所示。

圖4　平臺智能標(biāo)準(zhǔn)化管理功能模塊

3.結(jié)論

（1）該危化品智能監(jiān)測管理平臺以物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的組態(tài)王軟件及EasyBuilder8000人機界面，根據(jù)目前危化品儲存企業(yè)的安全生產(chǎn)需要設(shè)計并成功開發(fā)。

（2）平臺功能全面，可操作性強，擴展性高；平臺通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、專家應(yīng)急決策服務(wù)及智能標(biāo)準(zhǔn)化管理功能的實現(xiàn)，將很好地解決目前危化品儲存區(qū)監(jiān)測手段單一、應(yīng)急不及時、缺少專家指導(dǎo)、政府監(jiān)管脫節(jié)等現(xiàn)實問題。

（3）如在此平臺基礎(chǔ)上，再增加對危化品運輸船舶的運輸過程、裝卸過程等的實時監(jiān)測和遠程管理，將會大大降低危化品在水路運輸、裝卸、儲存整個環(huán)節(jié)的事故率，對避免危化品事故的發(fā)生、降低事故損失具有十分重要的現(xiàn)實意義，因此該平臺將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

（作者單位：山東交通學(xué)院海運學(xué)院/威海市臨港危化品智能監(jiān)測中心）

［1］危險化學(xué)品安全管理條例［Z］． 2002年3月15日實施．2002．3．15

［2］趙來軍，吳萍，許科．我國危險化學(xué)品事故統(tǒng)計分析及對策研究［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報．2009，19（7）：165～170．

［3］吳宗之，張圣柱．2006～2010年我國危險化學(xué)品事故統(tǒng)計分析研究［J］．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)．2011，7（7）：5-9．

［4］傅陳毅．基于物聯(lián)網(wǎng)的危險品遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［D］．大連：大連海事大學(xué)．2013．11．

［5］王利兵，于艷軍，李寧濤等．我國危險化學(xué)品安全技術(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢［J］．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)．2008，4（1）：82～85．

［6］王海燕．危險品物流安全與事故應(yīng)急管理［M］． 北京：中國財富出版社．2011：15～50．

［7］苑宇坤，郭利強，張 宇等．運輸物聯(lián)網(wǎng)在危險品運輸監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．傳感器與微系統(tǒng)．2015，34（6）：10～13．

［8］Xu C，F(xiàn)irner B，Zhang Y，et al． Improving RF～based device～free passive localization in cluttered indoor environments through pro～babilistic classification methods［C］//Proceedings of the 11th International Conference on Information Processing in Sensor Net～works．2012：209 ～220．

［9］李學(xué)盛．基于WebGIS油品儲罐區(qū)風(fēng)險評價與動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］．上海：華東理工大學(xué)．2013．5．

［10］王璇．基于組態(tài)王的油品罐區(qū)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版）．2001，23（3）：105～107．

［11］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．關(guān)于印發(fā) 2013 年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目的通知［EB/OL］．［2014～12～10］．http：//www．china safety．gov．cn/newpage/Contents/ Channel～144～0926/220616/content _220616． htm．

［12］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會．SH/T 3007～2007．石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國石化出版社出版．2008，5

山東省交通科技計劃項目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的危化品智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”、“山東省臨港危化品安全監(jiān)管機制研究”（2013YD05002），威海市科技發(fā)展計劃項目“威海市臨港危化品智能監(jiān)測平臺”（2013GGH006 ）。