基于物聯(lián)網(wǎng)的城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些以工業(yè)生產(chǎn)為主要支柱產(chǎn)業(yè)的工業(yè)型城市在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也存在著不容忽視的安全隱患。如生產(chǎn)或使用危險(xiǎn)化學(xué)品的企業(yè)、遍布城市各個(gè)角落的加油站和生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜的煤礦礦井等，安全生產(chǎn)的形式仍然十分嚴(yán)峻。加之城市人口密度大、重大危險(xiǎn)源分布情況復(fù)雜、應(yīng)急措施決策不及時(shí)等問(wèn)題，一旦發(fā)生事故，對(duì)社會(huì)制度、人民財(cái)產(chǎn)安全和自然環(huán)境造成的損失無(wú)法估量。因此，迫切需要用傳感器與物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)，對(duì)城市重大危險(xiǎn)源進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，從而最大限度降低城市的安全風(fēng)險(xiǎn) [1]。

1 城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)背景

1.1 國(guó)內(nèi)外危險(xiǎn)源檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

所謂危險(xiǎn)源，是指可能造成人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失或者環(huán)境破壞等情況的危險(xiǎn)因素和狀態(tài)。

現(xiàn)在，重大危險(xiǎn)源檢測(cè)技術(shù)是全世界各國(guó)的重點(diǎn)研究問(wèn)題之一，直接影響著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展。1993 年第80 屆國(guó)際勞工大會(huì)上，《預(yù)防重大工業(yè)事故公約》要求世界各國(guó)對(duì)重大危險(xiǎn)源進(jìn)行持續(xù)管理和監(jiān)控。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， 歐盟建立了重大危險(xiǎn)源監(jiān)控系統(tǒng)，美國(guó)和沙特阿拉伯聯(lián)合開(kāi)發(fā)了天然氣監(jiān)督管理系統(tǒng)。而最著名的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) SCADA 則運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備運(yùn)行等情況進(jìn)行監(jiān)視和控制 [2]。

國(guó)內(nèi)的重大危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)技術(shù)研究開(kāi)展的較晚，軟硬件設(shè)備目前還不完善，與先進(jìn)國(guó)家相比存在一定差距。存在的主要問(wèn)題包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的精密儀器依賴進(jìn)口、設(shè)備檢測(cè)和控制水平低、安全信息管理混亂等。

1.2 城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)的必要性

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，城市人口密集，城市重大危險(xiǎn)源一旦發(fā)生事故，將對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)、社會(huì)生產(chǎn)、城市環(huán)境等造成嚴(yán)重危害。因此，城市重大危險(xiǎn)源的檢測(cè)和預(yù)警工作被各部門和企業(yè)重視，已經(jīng)成為國(guó)家安全生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。

2 城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)的理論基礎(chǔ)

2.1 城市重大危險(xiǎn)源分類

目前，城市重大危險(xiǎn)源主要有如下 3 種類型。

(1) 靜態(tài)危險(xiǎn)源，指存在于生產(chǎn)系統(tǒng)中、可能因意外而釋放或泄漏的能量或者物質(zhì)。

(2) 可能因人員失誤、設(shè)備障礙或環(huán)境因素等導(dǎo)致的能量物質(zhì)約束措施失效的情況。

(3) 因管理缺陷、組織失誤、管理決策失誤、系統(tǒng)擾動(dòng)等，造成生產(chǎn)系統(tǒng)畸變、破損失調(diào)、運(yùn)行無(wú)序等的不安全因素。

本文所討論的城市重大危險(xiǎn)源主要指城市中危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、儲(chǔ)存和使用單位的貯罐區(qū)（貯罐）、庫(kù)區(qū)（庫(kù)） 和生產(chǎn)場(chǎng)所等存放的危險(xiǎn)化學(xué)品及重大危險(xiǎn)源。

2.2 危險(xiǎn)源辨識(shí)的相關(guān)定義

單元 ：一套生產(chǎn)裝置和設(shè)施或一個(gè)生產(chǎn)場(chǎng)所，抑或位于同一廠區(qū)且它們之間的距離小于 500 m 的設(shè)備或場(chǎng)所。

臨界量 ：是用來(lái)界定重大危險(xiǎn)源的重要指標(biāo)，是危險(xiǎn)物質(zhì)在安全范圍內(nèi)的數(shù)量，如果超出臨界量則將此單元認(rèn)定為重大危險(xiǎn)源。

2.3 城市重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)

結(jié)合城市特點(diǎn)，本文主要討論化工類、壓力設(shè)備和礦山類的危險(xiǎn)源辨識(shí)問(wèn)題。

(1) 化工類危險(xiǎn)源辨識(shí)

化工類危險(xiǎn)源主要存在于存儲(chǔ)或使用危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)的區(qū)域。如果是單一品種的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)其辨識(shí)主要是將單元內(nèi)危險(xiǎn)物質(zhì)的量與臨界量進(jìn)行比對(duì) ；如果是多種危險(xiǎn)物質(zhì)，當(dāng)各危險(xiǎn)物質(zhì)的實(shí)際量與臨界量的比值之和大于等于 1 時(shí)，則認(rèn)定為重大危險(xiǎn)源。

(2) 壓力設(shè)備危險(xiǎn)源辨識(shí)

壓力設(shè)備指壓力管道容器與鍋爐等設(shè)備，這些設(shè)備中一般含有易燃易爆物質(zhì)，具有危險(xiǎn)能量，且工作時(shí)處于高溫或高壓狀態(tài)，一旦發(fā)生事故破壞性極大，對(duì)其識(shí)別的方法主要為與臨界量做比較。

(3) 煤礦重大危險(xiǎn)源辨識(shí)

煤礦類礦井的危險(xiǎn)源辨識(shí)主要包括瓦斯，CO，CO2 等氣體的檢測(cè)與監(jiān)控，一旦超過(guò)臨界值，將根據(jù)危險(xiǎn)級(jí)別采取不同的措施 [3]。

各類物質(zhì)和場(chǎng)所的臨界量確定參考我國(guó)出臺(tái)的《關(guān)于開(kāi)展重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》。

3 城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與在各個(gè)行業(yè)的深入應(yīng)用， 建設(shè)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，可以大大方便對(duì)各類危險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)源環(huán)境、受控設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)， 一旦發(fā)生險(xiǎn)情前兆，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息，方便管理人員采取應(yīng)急措施。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)中的主要應(yīng)用 ：利用各類新型傳感器采集危險(xiǎn)源現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的同時(shí)降低人員工作的危險(xiǎn)性 ；利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

3.2 檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)前端采集設(shè)備對(duì)城市重大危險(xiǎn)源的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)加密處理后通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。管理人員可通過(guò)授權(quán)登錄網(wǎng)絡(luò)客戶端或者通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)獲取各重大危險(xiǎn)源的工作情況。一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)客戶端和手機(jī)進(jìn)行報(bào)警[4-6]。檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

3.3 檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的主要功能包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與分類、數(shù)據(jù)傳輸、危險(xiǎn)源辨識(shí)、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、報(bào)警預(yù)警設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成等。

系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器設(shè)備自動(dòng)獲取實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。通過(guò)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，管理人員可隨時(shí)隨地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)決策，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)可以預(yù)設(shè)報(bào)警限值，對(duì)監(jiān)控參數(shù)的異常變化進(jìn)行報(bào)警。根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)處置方式，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到對(duì)應(yīng)數(shù)值時(shí)，將報(bào)警信息發(fā)送至不同的管理級(jí)別或范圍 [7-10]。

根據(jù)不同用戶權(quán)限的設(shè)置還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成打印等功能。系統(tǒng)功能界面如圖 2 所示，系統(tǒng)報(bào)表生成和打印界面如圖 3 所示。

圖 2 系統(tǒng)功能界面

圖 3 系統(tǒng)報(bào)表生成和打印界面

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，為城市重大危險(xiǎn)源的檢測(cè)和預(yù)警工作提供了更便捷、更智能的模式。文章設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市重大危險(xiǎn)源檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)源現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效的采集，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總和預(yù)警處理。并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)客戶端和手機(jī)客戶端將數(shù)據(jù)展示、推送給管理者，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了預(yù)警提醒、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成等功能。