氣體泄漏源定位偵檢系統設計與實現

梁明明

摘要：隨著經濟發展和社會進步，氣態危化品的使用需求越來越大，隨之而來的泄漏事故不斷增多，給人民群眾的生命財產帶來了重大威脅。在此類事故的救援處置中，及時準確的泄漏源定位是順利實施救援行動的前提條件。文章設計了一種基于多點組網技術的泄漏源定位系統。硬件方面，對偵檢節點的硬件系統進行了選材和總體設計;在軟件方面，結合消防實戰，使用visual studio對軟件做了基本設計，在泄漏源定位功能的基礎上添加了實戰功能，例如危化品事故輔助決策信息查詢、擴散態勢模擬、偵檢路線規劃等。

關鍵詞：消防;多點組網;泄漏源定位;輔助決策

氣態危化品由于易燃易爆、有毒腐蝕等特性造成的危害極大，在處置此類事故中，泄漏源的準確定位是保證滅火救援行動順利實施的前提條件。2003年12月23日，位于重慶開縣的中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川東北氣礦羅家16H井發生井噴事故，涉及作戰面積達到80km2，作戰半徑達到5km。消防中隊大多只配備一至兩臺氣體偵檢儀器，很難完成泄漏源定位以及其他偵檢工作，因此現場需要調集大量器材和偵檢人員進入現場[1]。調集力量過少，會影響救援任務;調集力量過多，間接造成現場混亂[2]。根據調研情況，消防隊伍現有的數據收集方式是通過記錄本、筆或者電臺進行偵檢數據收集和傳輸，利用收集到的數據進行泄漏源定位、危險區劃分則需要更多、更復雜的計算工作。因此本文設計了基于無線組網技術的泄漏源定位系統，希望能為消防隊伍處置此類事故提供一定的幫助。

1? 偵檢節點硬件設計方案

基于多點組網技術的泄漏源定位硬件系統主要由傳感器信息單元、GPS模塊單元、GSM收發設備和相關電路組成[3]，實現的主要功能是將監測點的環境信息、泄漏濃度、絕對位置信息（GPS坐標）等數據傳輸至終端，在計算機終端調用反算算法，結合獲得的數據進行反算定位。系統以MSP430F149單片機為控制核心，MSP430F149是一款16位單片機，特點是易用性和多功能性，是第三代單片機的代表。

1.1? 系統組成

偵檢節點主要由傳感器信息單元、GPS定位模塊和GSM收發裝備三部分組成。

（1）傳感器信息單元

傳感器信息單元主要實現現場信息的采集與傳輸功能，負責將各個檢測傳感器采集的信息打包傳輸。現場信息檢測源具體可分為環境、危險氣體等，見表1。環境類信息包含溫度、濕度，采用相應傳感器進行周邊環境探測;危險氣體信息單元包括可燃氣體、氧氣、硫化氫、氨氣濃度信息，本系統危險品氣體傳感器主要采用三種技術：電化學技術、催化燃燒技術、紅外技術[4]。

（2）GPS模塊單元

GPS是隨著現代科技的快速發展建立起來的精密衛星導航和定位系統，該系統技術成熟，具有全球、全時段進行三維測速、定位、導航的能力[5]，還擁有優秀的抗干擾特性和保密特性。其作業特點具體體現在全球全天候工作、定位精度高、功能多、應用廣[6]。本文選用的GPS模塊為SIMCOM公司的SIM808模塊，該模塊采用SMT封裝形式，性能穩定，性價比高，采用工業標準接口，適用于各類GPS定位。

（3）GSM收發模塊

由于氣體泄漏事故現場大多處于露天場所，因而本系統采用GSM無線通信作為遠距離通信設備，該模塊主要完成數字量的采集，數據打包、信息的發送、存儲和轉發等功能[7]。為了實現上述的功能，系統通過專用控制信道傳送短消息來實現短消息數據傳輸功能，無線GSM模塊的接收和發送短消息的功能可以使用AT指令集實現，這種傳輸方式發送短消息時不用進行撥號連接，只需要通過控制信道把要發出的短消息加上目的地址發送到短消息服務中心，然后由短消息服務中心再把消息發送到最終的信宿，短消息服務中心可保存要發送的信息。

（4）聲光報警模塊

該系統具有STEL、IDHL報警功能，STEL即15分鐘時間統計加權平均值的短期暴露水平，是短期工作所允許的濃度[8]。IDHL即立即致死量，是引起短時間死亡的有毒氣體濃度。可燃氣體報警量程在0%～100%LEL，按照國家規定低報一般設置在15%～25%LEL之間報警，常設置在25%。報警模塊采用簡單的聲光報警電路，先設定泄漏物濃度的報警閾值，當傳感器監測到的泄漏物濃度達到或者超過報警閾值，則聲光報警器響應。硬件使用75dB聲報警和廣角明亮的光報警[9]。

1.2? 硬件設計

傳感器信息單元、GPS模塊單元、GSM收發設備和聲光報警模塊可由一塊電路板設計，主控單片機采用MSP430F149，它有6組I/O口，自帶12位模數轉換模塊，可以作為數據地址總線。這里P1口擴展為與短信收發模塊相連的數據和控制總線;P3口連接FLASH存儲器AT45DB021，所有的編程操作都是針對于頁的，擦除操作可以作用于芯片、扇區、塊或頁，該存儲空間用于系統存儲數據使用;P4.0口連接可燃氣體探測器、氧氣、二氧化碳和氨氣傳感器[10];P5口擴展為與GPS模塊相連的數據和控制總線;P6口擴展為與溫濕度傳感器相連的數據總線;并且擴展了與各傳感器相連的總線信號和一些模塊的使能信號。以上傳感器均自帶AD轉換電路，只需外圍電路改造即可直接讀數使用。系統由主控板、短信發送單元、氣體檢測單元、GPS模塊和傳感器單元等組成。數據通信采用總線結構，短信收發器通過標準的RS-232九針接口與計算機終端相連[11]。

主控板主要實現如下功能：

①具有GPS信息、傳感器信息的分析和處理功能;

②管理短消息的發生。通過TC35i模塊規定的通信協議，控制TC35i模塊進行短消息數據的發送[12]。

2? 終端軟件設計方案

2.1? 需求分析

該泄漏源定位偵檢軟件系統以消防隊伍實戰需求為落腳點，在設計過程中以泄漏源定位功能為核心，其他功能為輔，本軟件設計了以下更利于實戰的軟件平臺。

（1）友好的操作界面，便捷的軟件操作[13]：第一，參數輸入盡量少而集中，對于環境信息的數據輸入盡量能夠實現軟件自動獲取;第二，操作盡量簡便，按鈕設置不宜過多;（2）提供泄漏源定位功能;（3）提供氣體擴散態勢模擬功能;（4）提供節點標注、偵檢路線規劃功能;（5）提供危化品信息查詢功能，如理化性質、個人防護措施、處置對策、注意事項等信息;（6）可視化運行結果。在電子地圖直觀顯示泄漏源位置和泄漏擴散區域，幫助消防人員直觀、準確、及時地發現泄漏源，并根據擴散模擬結果設置警戒區域，對于偵檢節點的布置和偵檢路線的設計都能夠在地圖上進行標繪。

系統采用visualstudio2015為開發平臺，使用c#語言編程，并利用Access軟件設計數據庫[14]，結合百度地圖API技術進行開發。軟件結構圖如下：

2.2? 功能設計

消防人員處在混亂緊張的事故現場，簡單便利的設計有利于穩定消防員心理，還能夠避免因操作錯誤帶來的危險后果，因此該系統軟件界面設計要求簡潔直觀，設置三個菜單欄：查詢模塊、模擬模塊、幫助，分別實現查詢功能、模擬功能（泄漏源定位、擴散模擬、節點標注、路線規劃）、幫助信息和版權信息提示.

（1）定位模塊設計

定位模擬模塊主要實現反算定位功能。該功能的實現需要輸入環境信息、接收偵檢節點數據、輸出結果等。為了更加直觀地顯示定位反算結果，在設計時調用百度地圖API，在地圖上進行泄漏源標記。結合消防實戰需求，軟件還增加了一些實用工具，例如擴散模擬、節點標記、路線測距等。

定位功能實現：

環境信息輸入：包括風速、地面粗糙度等信息的輸入，由于氣體擴散的影響因素太多，而且很多參數的獲得需要專業儀器，獲取十分困難，但是對結果影響卻不大，系統精簡了需要輸入的選項，使軟件的使用更加便利;

節點信息：實時接收偵檢節點反饋的位置信息和檢測到的泄漏物信息，包括經緯度位置、氣體濃度;

百度地圖API調用：調用百度地圖API，完成街道圖、衛星圖像顯示功能，衛星圖像能夠清晰顯示建筑物和道路情況，符合消防人員對地理的認知習慣。借用百度衛星圖，消防人員不僅可以準確方便地進行消防車輛停靠，還可以便捷地實施交通管制和事故現場警戒;

氣體擴散模型：描述氣體擴散的模型發展至今已經有很多，但是常見的模型主要有：高斯模型（高斯煙羽模型、高斯煙團模型）、BM模型、Sutton模型、FEM3模型。在實際情況下，重性氣體在空間中的擴散由于受到大氣的稀釋也能夠很好地滿足高斯模型。對于高斯模型還需要提出以下適用條件：地勢平坦開闊，性質均勻，定常態;氣體擴散過程中沒有發生沉降、化合、分解及地面吸收的發生，沒有降水等情況;擴散空間的風速、大氣穩定度都均勻穩定;云團與空氣相對運動忽略不計，即云團與大氣一起運動，平均風速不小于1m/s;適用尺度不超過20km。

反算算法調用：在“模擬”按鈕的click事件中調用粒子群算法，結合節點信息、環境信息，獲得泄漏源位置，由于粒子群算法使用的是空間坐標，百度地圖使用的是經緯度坐標，因而在調用時需要進行坐標轉換，設（le，lw）為坐標原點坐標，（x，y）為空間坐標，（le'，lw'）為（x，y）對應的經緯度坐標。

轉換公式為：

（1）

（2）

其中為地球半徑，為圓周率。

將反算結果傳遞到百度地圖javascrip：

string pp = Path.GetFullPath（"transfer.html"）;

webBrowser1.Navigate（pp+ "？jingdu=" + this.txtjingdu.Text + "&weidu=" + txtweidu.Text + ""）;//參數傳遞

其他功能實現：利用百度API技術，通過劃線、測距、標記工具實現偵檢節點布局、偵檢路線規劃功能。

測距功能。危化品泄漏事故現場影響范圍很大，消防員佩戴空氣呼吸器進入事故現場，有兩個制約因素影響消防員行進距離：一是空氣呼吸器使用量;二是消防員體能。相對于體能而言，空氣呼吸器的限制作用更大，利用廣泛配備使用的6.8L依格自給正壓式空氣呼吸器，對消防員做一個簡單的慢走、慢跑的測試，氣溫13度，正常體型的消防員著全棉內衣、重型防化服、空氣呼吸器、攜帶氣體偵檢儀器[15]。對于慢走而言使用時間在27分23秒至31分14秒，行進距離在2520m到2820m;對于慢跑而言使用時間在12分31秒至15分04秒，行進距離在2500m到3200m，在實際救援中，考慮撤離因素，數據還要低很多，因此測距功能對于偵檢路線規劃很有必要。實現方法如下：

var myDis = new BMapLib.DistanceTool（map）;

map.addEventListener（"load"， function （） {

myDis.open（）;? //開啟鼠標測距

}）;

添加新圖層（擴散模擬層）。擴散模擬對于危險區劃分具有重要的指導意義，在處置危化品泄漏事故中，危險區的劃分是保證救援人員安全的重要手段，解決思路為將泄漏范圍內的每一點濃度與該氣體的危險濃度進行比較，用紅色進行標識：

map.addOverlay（oval）;

oval.enableEditing（）;

添加標注功能。在危化品泄漏事故處置過程中，泄漏源位置的標識、消防車輛停靠的位置、偵檢路線的規劃等一般是靠消防員之間通過電臺溝通進行，這種方式存在以下幾個方面的問題：一是容易出錯，一旦溝通過程中，消防員理解出現偏差，造成如停車位置不準確的情況，極易造成危險后果;二是溝通需要反復進行，因而耗費時間，并且占用電臺通道。因此添加標注功能，可以在地圖上直接標記停車位置、偵檢路線等信息。標注功能實現：

var marker = new BMap.Marker（new_point）;? // 創建標注

map.addOverlay（marker）;

根據以上過程設計的定位模擬模塊界面圖如下：

（2）查詢模塊設計

根據調研結果，對于氣態危化品泄漏事故處置而言，消防隊員需要了解的泄漏物質信息包括氣體種類、理化性質、健康危害、滅火措施等，對于化工單位發生的事故，能夠盡快收集單位信息、聯系消防責任人、獲取制定的預案最為關鍵，利用Access收集這些信息建立危化品數據庫。功能模塊圖如下所示：

3? 結語

本文主要研究了基于多點組網技術的泄漏源定位系統的軟硬件設計。硬件方面完成了基本設計;軟件方面完成了應用系統部分工作，具備泄漏源定位功能、化學事故處置輔助決策信息查詢、偵檢路線規劃、擴散模擬等功能。該系統對泄漏源定位模型的依賴性較大，在仿真模擬中，使用的高斯模型在非重氣擴散上誤差不大，但是在重氣擴散上存在較大誤差，反算算法的誤差有些在10m以上，如果再考慮傳感器的測量誤差、環境的影響可能還會增大，因此還有進一步改進的空間。

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Design and application： positioning

and detective system for sources of gas leak

Liang Mingming

（Jing’an District Fire Rescue Brigade，Shanghai? 200040）

Abstract：With the economic development and social progress， dangerous gases are needed in more factories， bringing about more risks and dangers to people’s life and property if leakage happened. To deal with these accidents， positioning leakage sources is the priority. This paper introduces a positioning system based on multi-point network technology. The hardware of the system has been designed and settled down， and it’s software is upgraded with Visual Studio， so as to aping the real operation. Besides， brand-new functions are added on the basis of positioning system， such as information inquiry and ADM of leaks， diffusion gas simulation， route maps，etc.

Keywords：fire protection;multi-point nekwork;leaks positioning;aid

decision making（ADM）

1543501705291