基于物联网的危化品储存智能监测管理平台的开发

文/邓术章 周兆欣 张安西 马建文

基于物联网的危化品储存智能监测管理平台的开发

文/邓术章 周兆欣 张安西 马建文

危化品储存事故时有发生，危害极大。而目前危化品储存区的监测大多为表面的视频监控，安全隐患较大。本文通过调研分析，针对危化品储存区安全管理工作的实际需要，借助物联网技术，设计并开发了危化品储存智能监测管理平台，该平台实现了物联网与智能管理控制于一体，具备实时监测、自动预警、专家应急决策服务、远程智能化管理等功能。平台的实现为危化品企业的安全生产管理、应急决策以及政府有效监管等提供了重要手段，有力地保障了危化品企业的安全营运和经济效益。

危化品；智能监测；管理平台；物联网

引言

危险化学品（简称“危化品”）是具有易燃易爆、毒害、腐蚀和辐射等危险危害特性的物品，一旦危化品储存区发生泄漏，势必引起火灾、爆炸、污染、中毒和死亡等严重事故发生，对社会公共安全造成重大威胁［1］。而随着工业技术的不断发展，危化品的使用企业数量和规模仍在不断的扩大，尽管我国为加强危化品的安全储存管理制定了诸多法规和相关标准，危化品储存事故还是频繁发生［2～3］。目前，对危化品储存区的监测大都仅对储罐进行视频监控，而对储罐液位、温度压力等重要实时参数仍由手工测量或人工监控现场仪表，在非作业时段更处于无人监控状态，安全隐患重重［4～6］。因此，有必要研究一套高精度、高效率，集自动预警、险情控制、专家系统综合指导等功能于一体的危化品储存智能监测系统［7～8］。

为了解决目前危化品储存区监测平台报警机制不完善，信息共享能力欠缺，多部门联动的快速反应应急机制仍未形成，综合智能远程管理平台监管能力不足等问题，构建一个基于物联网技术的危化品储存智能监测平台，实现危化品储存区与相关的管理部门之间对危化品储存信息的实时共享，加大政府部门对危化品企业的监控力度，在最大程度上降低危化品储存时的风险，并且可以在事故发生后以最快的速度向相关部门和专家发出报警信息，使得相关部门可以从速对事故的情况进行了解和处理。同时，可通过平台设置的专家指导系统尽快获得事故处理的相关建议。这对提高危化品储存安全系数、增强应急处理能力及提高其智能化管理水平，具有良好的经济效益和社会效益。

1.平台功能需求分析

针对危化品储存区监管现状存在的诸多不足，通过细致的企业调研和对险情、事故等信息的分析，初步确定基于物联网的危化品智能监测平台应具有全面的实时监测、远程动态控制、一键应急处理及综合智能管理等功能。

1.1实时监测

可以通过各种传感器、设备和无线传感器节点实现对危化品储存状态信息（罐内温度、可燃气体浓度、压力、液体质量，罐外的风向风速、温度等）的实时监测，根据预设的报警阈值提供预警报警功能。同时，平台应具备庞大的数据库，能够安全地存储监测到各种状态信息，并可以实现历史状态数据的查询、分析和处理，有助于掌握危化品状态变化的趋势，从而可有效预防类似险情、事故的再次发生。

1.2远程动态控制

能够实现与通信网络的连接，建立监测中心、危化品公司、消防、公共安全、医疗救援、政府管理等各个部门的互联平台，将监测中心的信息数据与各个部门实时共享，提供完善的监控、管理和应急救援功能；同时，设计平台手机客户端系统，用户可随时随地掌握危化品储存的所有信息，对于某些需要特殊关注的危化品的状态设置自动提醒功能。这有助于公司管理人员、政府等部门对危化品有效监管，有助于在事故发生时相关负责人及专家可以与现场人员远程指挥、互动沟通，提供全面有效的应急救援手段。

1.3一键应急处理

目前危化品储存区监控值班人员大都是非计算机专业人员，且对危化品知识的了解较少，即使危化品监测系统报警，仍不能立即做出正确反应。针对这一现象，危化品监测平台应设置一键处理功能，当监测系统通过出现报警后，在自动提示问题部位和性质，请值班操作人员及时关注和处理的同时，自动完成一套预先设置好的紧急处理方案，启动相应的应急操作，控制并阻止事故规模扩大。

1.4综合智能管理

图1　平台监测层主界面

开发面向危化品企业的智能信息管理系统，提供企业基本信息、储存区及设备设施信息、危化品物质信息、相关人员安全培训信息、标准化管理文件等文档信息的管理功能，提供危化品MSDS、危化品性质、应急预案、专家库等基础数据库的管理维护，包括基本的增、删、改、查等业务操作功能［9］。另外，平台应能够结合在线实时监测预警功能，提供事故接警、专家决策信息生成等的全流程管理，为危化品事故应急救援指挥提供相关的应急救援知识库、专家库以及企业、危化品的基础信息等决策支持信息，提高应急救援的反应能力和救援的科学性、合理性。

2.平台的设计与实现

基于上述危化品储存监测功能需求分析，综合考虑各个功能要点，根据危化品储存区安全管理工作的实际需要，基于物联网技术开发一套先进实用、操作简单方便、功能全面、可扩展性广、性能可靠地危化品智能监测平台。

2.1平台总体设计

平台设计以STM32为单片机芯片，整体采用I/O架构，利用程序将平台各个功能有效地结合在一起。平台系统采用基于现场总线的安全相关系统设计，基于物联网技术，由各种传感器、逻辑运算器、最终控制单元、上位机以及网络通讯系统组成；同时，平台设有具有远程访问接口，远程监控中心和手机客户端可通过专用网络或Internet，经过网络授权管理，随时查看储存区的现场情况和危化品的状态信息。

2.2平台监测层的实现

平台监测层通过各种传感器对罐内温度、液位、压力、质量、可燃气体浓度、泄漏状况及罐外风向风速等进行监测。该部分采用DCS（分布式控制系统），上位机采用通用组态软件组态王6.52作为软件监控平台，组态王6.52将产生的信息具体地呈现给监控中心的操作者，并方便获得各类信息。其主要特点为：由多个组件组成，具有完成可视化、获取数据、扩充外接组件/系统、历史趋势、事件处理、报警记录、报表和分析工具的功能［10］。

在确定上位机与I/O板卡通讯协议后，就可由总线实现上位机与I/O板卡（直接插入上位机的PCI插槽）的通讯，通过设置的各种传感器获得的数据，进而可以完成实时数据采集、数据处理、指令发送、历史记录存储等控制操作，其中系统最重要的两个模块为实时监测和参数设置部分。平台监测主界面如图1所示，监测系统软件的流程图如图2所示。

图2　监测系统软件流程图

2.2.1平台监测层的实时监测

平台监测功能主要利用物联网技术中的感知层，平台设置液位、温度、可燃气体、压力、风向风速等传感器来对灌内外危化品的状态信息进行数据采集。进而利用组态王6.52可在Windows系统上与多种应用程序进行动态数据交换的功能，通过传感器接收到的各种信号，由C语言程序接收，并存放在设置好的变量中，在组态王的字典中建立相应的I/O变量，组态王软件从中读取数据，经过标度转换，将相应数据转换为相应信号，然后利用组态王软件提供的控件将这些信号呈现在软件界面上。当获取到的参数不在正常值范围之内时，报警窗口显示越限时间、变量名、当前值以及界限值等。当新报警出现时，报警窗口自动滚动，窗口总是显示最后出现的报警事件。对灯光图片进行动画连接和调用PlaySound函数驱动喇叭，实现声光报警。

2.2.2平台监测层的参数设置

监测层参数的设置主要是参照储存物质特性和储罐的结构形式的不同并依据国家相关标准规范［11～12］要求及危化品企业安全生产监测需求，选取相关监测参数并设置监测报警阈值，通过管理后台，对预设报警值进行集中处理。系统将传感器实时采集的监测数据与报警值进行对比分析，一旦超出正常范围将在系统前台界面进行闪动和声音提示报警，并与专家服务模块、应急救援模块进行应急处置联动。另外，系统将自动保存历史监测值与历次报警记录，为安全趋势分析、事故原因分析等提供数据参考。

2.3平台专家应急决策服务层的实现

专家决策应急服务层是该平台的重要部分，为方便操作人员的操作，该部分采用触控式屏幕人机界面，基于EasyBuilder8000软件系统进行编程设计。EasyBuilder8000软件不仅人机交互界面可操作性强，人性化设计，而且还具备强大的以太网通讯功能，除了可以与带以太网口的PLC等控制器通讯外，还可以实现HMI之间的联网，通过Internet或者局域网对HMI和与HMI连接的PLC等上下载程序，可较好满足本平台功能的实现。该部分主界面入图3所示。

图3　平台专家应急决策服务层主界面

为满足企业需要，本部分核心功能主要包括：

（1）专家系统相关标准查询

一是为危化品企业提供常用危化品安全技术说明书的编辑、修改、删除和査询管理，为危化品提供有关安全生产储存、防护措施、应急处置及环境保护等方面的各种信息和资料，为危化品安全储存和科学高效预防事故提供依据。二是根据不同危化品物质的特性和危化品企业储存事故处理的经验，为企业编制应急预案和管理标准，在企业日常的危化品储存管理和应急响应程序中，提供防火防漏措施、消防器材及防毒防爆设备的配置使用、医疗救护药品应急物资的配备等各方面的管理标准；并能根据险情、事故类型模糊匹配提供相应险情、事故应急处置预案。

（2）专家指导功能

对平台监测层监测到的各种报警情况，通过该功能操作人员可以快速获取该报警最可能的所有原因供操作人员参考，以便操作人员逐一排除，迅速查明报警原因，尽早阻断险情、事故的发生。

（3）专家求助功能

当危化品储存区发生事故时，操作人员可利用该功能与相关专家取得通讯，专家可通过该平台的联网功能获取危化品物质特性及实时、历史监测数据，根据事故的性质、严重程度为企业提供应急处理指导。另外，操作人员还可以通过该部分与消防、医院等部门取得通讯联系，全方位保证事故得到有效处理。

2.4智能标准化管理的实现

危化品企业的安全生产离不开政府的有效监督和企业的高效管控，本平台利用EasyBuilder8000软件的以太网联网功能和平台设有的网络远程访问接口，实现政府相关管理部门与危化品企业的信息共享及集中统一的智能标准化远程管理平台。政府和企业相关部门可以通过网络和设置的访问权限对本企业的安全标准化管理信息进行查询和监管。该部分主要功能模块如图4所示。

图4　平台智能标准化管理功能模块

3.结论

（1）该危化品智能监测管理平台以物联网相关技术为基础，借助工业领域应用广泛的组态王软件及EasyBuilder8000人机界面，根据目前危化品储存企业的安全生产需要设计并成功开发。

（2）平台功能全面，可操作性强，扩展性高；平台通过实时数据监测、专家应急决策服务及智能标准化管理功能的实现，将很好地解决目前危化品储存区监测手段单一、应急不及时、缺少专家指导、政府监管脱节等现实问题。

（3）如在此平台基础上，再增加对危化品运输船舶的运输过程、装卸过程等的实时监测和远程管理，将会大大降低危化品在水路运输、装卸、储存整个环节的事故率，对避免危化品事故的发生、降低事故损失具有十分重要的现实意义，因此该平台将具有十分广阔的应用前景。

（作者单位：山东交通学院海运学院/威海市临港危化品智能监测中心）

［1］危险化学品安全管理条例［Z］． 2002年3月15日实施．2002．3．15

［2］赵来军，吴萍，许科．我国危险化学品事故统计分析及对策研究［J］．中国安全科学学报．2009，19（7）：165～170．

［3］吴宗之，张圣柱．2006～2010年我国危险化学品事故统计分析研究［J］．中国安全生产科学技术．2011，7（7）：5-9．

［4］傅陈毅．基于物联网的危险品远程监控系统设计［D］．大连：大连海事大学．2013．11．

［5］王利兵，于艳军，李宁涛等．我国危险化学品安全技术研究现状及趋势［J］．中国安全生产科学技术．2008，4（1）：82～85．

［6］王海燕．危险品物流安全与事故应急管理［M］． 北京：中国财富出版社．2011：15～50．

［7］苑宇坤，郭利强，张 宇等．运输物联网在危险品运输监测中的应用［J］．传感器与微系统．2015，34（6）：10～13．

［8］Xu C，Firner 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］李学盛．基于WebGIS油品储罐区风险评价与动态监控系统研究与实现［D］．上海：华东理工大学．2013．5．

［10］王璇．基于组态王的油品罐区监视系统设计［J］．武汉理工大学学报（信息与管理工程版）．2001，23（3）：105～107．

［11］国家安全生产监督管理总局．关于印发 2013 年安全生产重大事故防治关键技术科技项目的通知［EB/OL］．［2014～12～10］．http：//www．china safety．gov．cn/newpage/Contents/ Channel～144～0926/220616/content _220616． htm．

［12］中华人民共和国国家发展和改革委员会．SH/T 3007～2007．石油化工储运系统罐区设计规范［S］．北京：中国石化出版社出版．2008，5

山东省交通科技计划项目“基于物联网技术的危化品智能监测系统设计与开发”、“山东省临港危化品安全监管机制研究”（2013YD05002），威海市科技发展计划项目“威海市临港危化品智能监测平台”（2013GGH006 ）。