化工園區危化氣體污染物實時監測與預警系統的設計與實現

張 威

（1.福建經緯測繪信息有限公司，福建福州 350001；2.武漢大學 通導遙集成應用工程研究中心，湖北武漢 430079）

隨著全球經濟和技術水平的日益進步，國內外石化產業快速發展的同時產能規模日趨擴大，生產過程中涉及的化學品類型和體量也越來越多，化學品危險性復雜多樣[1-2]。由于設備故障和人為失誤以及恐怖組織活動等因素，危化品的泄漏事故和恐怖襲擊時有發生，尤其是有毒有害氣體在生產、運輸或貯存的過程中意外泄，造成巨大的生命危害和財產損失。1984年聯合碳化物（印度）有限公司博帕爾市氰化物泄漏事件，直接致死1萬多人，陸續致使超過55萬人死于和化學中毒有關的肺癌、腎衰竭、肝病等疾病[3]。根據ILO 2004年4月28日在其網站發布的報告——《28 April，World Day for Safety and Health at Work——Two million work deaths a year：A preventable tragedy》，截至2004年，死亡人數已上升至2萬人，成為迄今為止世界上最嚴重的危險化學品事故災難，導致當地現在新生嬰兒畸形病變發病率非常高，事故的影響至今仍未能完全消除。經調查，缺乏合理可靠的監測及預警機制、違規操作等為核心原因。

通過上述案例可知，危險化學品工業事故與其他事故相比有突出特點[4]：

1）發生突然，危險因素多，搶險防護困難。危險化學品工業事故的發生比較突然，在瞬間或短時間內大量有毒有害的化學品外泄，發生猛烈的爆炸、燃燒，特別是當前化工園區存儲裝置日趨大型化（如合成氨、氯堿、氰化氫等），化學品多易燃、易爆、有毒、有害。在居民集中區，有毒氣體迅速向人口密集區擴散，搶險過程十分困難，嚴重威脅公眾生命安全。

2）擴散迅速，危害范圍廣。突發性危險化學品事故中有毒有害化學品的泄漏，嚴重污染了空氣、土壤、地表水和地下水等，特別是有毒有害氣體在短時間內就可能擴散到幾百米甚至幾千米遠。

因此，國家高度重視化工園區有毒有害氣體環境風險預警體系建設工作[5]，各國政府及各化工園區急需高效可靠的工業化工園區危化氣體監測與應急預警技術支撐，構建可支撐工業化工園區危化氣體實時監測與污染擴散精準化模擬評估平臺已經成為必須。在技術研發方面，目前市場上已有的工業化工園區的監測與應急預警系統，多以數據為中心的被動式服務模式，缺乏對危化氣體的全面實時監測能力，數據孤島和系統孤島問題突出，資源貢獻困難，數據管理與處理能力差，預警決策方案的不確定性和不可靠性問題極其突出，系統自動化與智能程度低[6]，上述問題嚴重制約了已有系統在危化氣體實時監測與應急決策業務中實際應用效能。本文將面向國家政府及各工業化工園區對危化氣體泄漏實時監控與精準化模擬需求，針對不同危化氣體泄漏過程特征突發性強、危害性廣的特征，開發和集成更全面的危化氣體實時監控與污染擴散精準化模擬評估系統，并構建面向具體工業化工園區應用的實時監測與模擬決策系統。同時，將引入化工園區點線面協同觀測、實時監測大數據在線分析、多維動態展示以及面向多層級用戶的自適應決策產品等相關信息，輔助實現實時精準化危化氣體模擬評估，以滿足復雜區域化工園區精準管理需求。

1 平臺總體架構設計

現有的化工園區危化氣體泄漏監測與模擬預警軟體在系統功能、可用性、易用性、交互性等方面均不夠完善，數據管理與處理能力差，資源共享困難，系統自動化與智能程度低，針對突發性污染擴散過程的模擬分析處理過程中也普遍面臨計算效率低下和計算精度可靠性低的問題，在數據分析、計算、轉換等信息處理的時效性及信息加載的主動性方面不夠，皆需大量的人工參與，造成了系統決策時效性不強。

針對上述問題，基于面向服務的體系結構與虛擬地理環境的基礎思想，本項目將首先基于虛擬地理環境理論架構及綜合空間信息服務標準體系與集成規范，通過服務總線和消息總線等系統架構設計技術的綜合應用，構建開放的、可伸縮、可定制的系統架構。通過數據、應用程序、模型的服務化封裝以及軟硬件虛擬化等關鍵技術的成果轉化與技術集成，提供一個以用戶為目標、以需求為驅動、以實際業務需求為導向、資源可動態配置、服務可按需提供的綜合服務系統，在此基礎上，實現各類資源優化配置與智能管理，多源信息高效處理與可視化分析，污染物泄漏擴散過程的精準化模擬與定量評估，面向多層級用戶的多模式產品集成服務與綜合應用信息服務系統。化工園區危化氣體泄漏實時監測與模擬評估系統總體架構如圖1所示。

圖1 化工園區危化氣體泄露實時監測與模擬評估系統總體架構

核心關鍵技術模塊如下：

1.1 環境監測時空大數據多模式組織與管理引擎

空間信息技術在化工園區危化氣體監測預警業務中具有廣闊的應用前景，但由于存在數據海量、數據分布、多源異構、處理復雜、計算效率低等問題，無法得到深入的應用，難以實現有效的共享集成和應用協同，長期積累下來的各種信息資源分布于異構自治的空間信息系統中，數據共享與服務共享困難，形成“信息孤島”“數據孤島”和“系統孤島”[7]。針對化工園區危化氣體監測預警管理的空間信息應用中存在的實際問題和應用需求，研發了分布式環境監測時空大數據多模式組織與管理引擎，綜合管理業務中的實時測站監測數據、遙感數據、基礎地理數據、備災數據、預警輔助專題數據、歷史災情案例數據和綜合應用產品數據等多種空間信息。一方面實現高效快捷的綜合信息整合、基礎建庫與更新發布服務，另一方面實現空間信息數據中心面向主題的智能數據管理，通過對數據庫系統的有效管理和維護，提供數據信息及空間數據資源訪問查詢、更新與不同層級應用系統的交換共享應用。通過將軟件功能、管理策略與硬件平臺的特性、功能相融合，充分發揮了軟硬件結合的智能管理理念，動態優化數據，實現了海量、多源異構的綜合空間信息高效靈活的存儲、利用和保護。

環境監測時空大數據多模式組織與管理引擎的設計與研發，主要是針對時空大數據中實時傳感器動態監測數據流（原位傳感器時間序列數據、視頻流）、實時仿真數據以及各類歷史基礎地理信息的時空特性及海量數據特點，綜合管理多種環境監測地理時空大數據，主要包括面向服務的智能數據組織模型設計、面向高性能分析的環境監測大數據存儲技術方案研究、面向主題的智能信息檢索技術等關鍵技術攻關，并在此基礎上，實現資源中心、實時接入功能模塊、數據智能管理功能模塊、資源調度管理功能模塊、業務運行管理模塊、用戶管理模塊等功能模塊的研發。

1.2 高并發地理計算與模擬分析在線服務引擎

提供高性能計算資源庫和空間分析算法庫、高性能仿真計算組件。高并發地理計算與仿真分析在線服務引擎面向化工區域空氣質量仿真決策分析實際地理計算與空間分析需求，綜合運用幾何邏輯運算、數理統計分析、代數運算等數學手段，提供高性能計算資源庫和空間分析算法庫以及各類空間信息分析算法的工具化，提供對污染物濃度分布、擴散趨勢的多維動態仿真，并在內核數據服務、計算服務和多維動態可視化服務支撐下，提供面向現代瀏覽器和主流移動終端的多維動態仿真分析交互工具。針對時空大數據計算與在線仿真分析計算中分布式、并行化、實時性、高通量等特點，建立消息傳遞、映像-歸約、內存計算、實時計算、流式計算等各種計算范式的集成調度框架，實現多范式計算模型的高性能計算資源統一動態管理和優化配置，保證系統地理計算與仿真分析服務的時效性[8]。高并發地理計算與仿真分析在線服務引擎核心功能模塊的設計與研發主要包括：污染機理模型庫的設計與實現、高性能地理分析計算與空間分析工具集、高性能實時仿真分析計算組件以及環境監測大數據在線處理與分析功能組件的研發設計與實現。

1.3 多源時空大數據與污染擴散過程的多維動態可視化引擎

為實現多源監測數據及各項中間處理結果、實時模擬決策等在虛擬環境下進行實時、多維動態、交互的展示與查詢功能，設計與研發多源時空大數據與污染擴散過程的多維動態可視化引擎。

基于基礎地理數據、污染場景以及各類地理時空大數據等信息，向各級用戶提供如化工園區危化氣體泄漏與污染擴散信息的可視化服務以及會商決策環境，為應急、指揮、救助以及評估決策提供直觀、高效的可視化服務支持。特別針對政府、環保部門、現場、公眾等不同處理能力、不同需求用戶，對空氣質量監測、空氣質量仿真評估等服務產品的內容、產品尺度、服務時效性要求，產品分發交換格式，服務方式等進行設計和劃分，為不同級別、不同需求用戶提供環境監測數據產品、空氣質量仿真評估產品、決策支持產品及現場檢校產品等的編輯制作、集成加工等功能[9]。通過統一的制作模板和業務流程，將產品以圖形、圖像、專題圖件、表格、文字報告、多媒體等多種形式表示，實現產品以在線發布、數據庫入庫等多種方式提供給最終用戶。

多維動態可視化引擎能夠提供描述、解釋和探索三個層次的可視化分析能力[10]。其中：

（1）描述層：用于展示化工園區地理全要素基礎的屬性、時間、空間信息；包括園區概況（園區范圍、空間、位置幾何等基本情況、站房分布情況、園區氣象情況等）、污染源（氣態液態固態污染要素和專題歸類分級）、環境受體（按排放源、運動狀態、形成幾何分布等分類方式，進行污染物的排放量統計與呈現，按因子進行排放量與濃度統計與呈現，實時反映存量與流量）。

（2）解釋層：對常態和非常態污染事件、污染物空間分布等狀態進行預測分析和評估；常態情況下，結合行業類型、企業類型研究得出的污染物排放規律性與當前現狀排放規律進行分析，當超過某個閾值時可視化平臺發出預警信號；非常態綜合實時接入的監測數據、模擬模型以及歷史信息等，進行狀態預警、預測預警和歷史預警。

（3）探索層：綜合資源時空量質、循環特征及再生能力，化工園區企業對資源消耗穩定或達到可再生性維持等目標，進行環境污染的人群健康風險挖掘、重金屬污染的累積風險評價、生態風險評價分析等綜合應用。

2 青海甘河工業園區污染監測系統

基于上述關鍵技術，構建了青海化工園區污染監測系統，有效服務于園區危化氣體污染物的實時監測與評估。青海化工園區污染監測系統界面圖如圖2所示。

圖2 青海化工園區污染監測系統界面

其中，實時監測數據接入模塊：系統管理維護西寧市的甘河化工園區、東川化工園區、北川化工園區、湟中縣西山化工園區的多個測站的三百余種污染物實時監測數據；由歷史數據遷移和實時數據接入更新兩個子模塊組成。歷史數據遷移子模塊負責將存儲在Sql Server 中某一時段的歷史監測數據根據一定規則和機制遷移到存儲實時監測數據的MongDB 中；實時數據更新子模塊則負責將某一時間節點后Sql Server 中的實時監測數據同步更新到MongDB 實時數據庫中。

青海化工園區污染監測系統功能截圖如圖3所示。

圖3 青海化工園區污染監測系統功能截圖

危化氣體監測數據多維動態可視分析模塊：主要負責包括實時數據、歷史數據的三維呈現，因子數據變化動態可視分析、各個站房污染物因子熱力分析、各個站房因子的統計分析及其他一些可視化分析功能，具體可視化效果分為描述性、解釋和探索可視分析三個層次。青海化工園區污染監測系統可視化內容設計表如表1所示。

表1 青海化工園區污染監測系統可視化內容設計表

3 結論

當前化工園區的生產安全事故和存在的隱患呈上升態勢，亟需高效可靠的化工園區危化氣體監測與預警系統。危化氣體泄漏除了給國家帶來巨大的財產損失以及生態環境的嚴重破壞以外，更是給群眾的生命健康帶來嚴重威脅[11]。面向化工園區危化氣體實時監測與精準模擬評估需求，以青海化工園區為例，介紹了一種化工園區危化氣體實時監測與污染擴散模擬評估系統的設計與實現方案，并以青海化工園區實際驗證了本文方法的有效性。