化工园区智能化应急救援平台框架构建

康德礼，刘利民，纪红兵，2

（1中山大学惠州研究院，广东 惠州516081；2中山大学化学与化学工程学院，广东 广州510275）

化工园区智能化应急救援平台框架构建

康德礼1，刘利民1，纪红兵1，2

（1中山大学惠州研究院，广东 惠州516081；2中山大学化学与化学工程学院，广东 广州510275）

近年来我国化工园区得到了快速发展，但同时也聚集了事故风险。本文分析了化工园区应急管理工作的高复杂性和高难度，认为化工园区构建智能化应急救援平台能够有效地提高应急的效率及决策的精准。并提出了智能化应急救援平台的总体框架，总体框架由采集数据的传感器网络和依据现场信息提出决策建议的数据处理两大部分组成。从总体框架出发，得到构建智能化应急救援平台的四大要件：数据采集、数据通信、数据分析和执行模块，并就各个要件进行了一一描述，重点阐述了信息在应急过程中所起的重要作用。信息作为一种资源在应急救援的过程中与应急装备起着同样重要的作用，智能化应急平台实现了在应急过程中信息的高效筛选、准确分析和快速有效流转。智能化应急救援平台旨在为化工园区事故救援过程提供高效、智能、直观的决策支持和救援协助，得益于现场信息的快速精准获取，对于促进精准应急起着重要的作用。

化工园区；安全；应急管理；智能化

随着我国近年来经济的快速发展，化工行业作为国民经济基础行业做出了巨大的贡献，同时随着对安全和环保要求的进一步提高，促成了化工园区的快速发展。由于化工行业自身的特性造成了化工园区突发事件多发的高危区域，具体表现有：①化工园区内的危险源数量多且密集；②园区发生事故易引发“多米诺骨牌效应”；③园区内的企业在应急方面的综合能力差距较大[1-2]。研究指出，成功的应急管理系统是可以帮助应急指挥人员对突发事件做出有效的反应[3]。但目前化工园区事故的应急管理工作主要依赖于园区的管理部门，应急决策的效果主要取决于指挥人员所掌握的信息量以及个人知识、经验水平[4-6]。但由于人为因素对应急管理的影响因素较多，需要组织协调的单位和团队较多，加之在事故现场并不一定有大量事故应急救援相关的信息采集设备，因此在应急管理上难以做到零失误，难以实现精细化的救援、精准救援。

目前社会的信息化、智能化进程正在快速推进，信息以及知识也成为了一种资源和决策点[7]。如何利用信息化和智能化的理念以及装备，提高应急救援工作的效率，降低战斗人员的风险，协调配合各个参与单位，实现精准救援具有重要的意义。

化工园区自兴起以来国内外学者就化工园区安全规划、应急体系建设和管理、应急能力评估、安全应急软件开发等领域进行了大量的研究，取得了一些成果，在实践中也取得了一定范围的印证，对推动化工园区安全发展起到了很好的指导作用。李传贵等[8]通过对园区安全容量和危险量的分析，提出了一个化工园区“危安比”的参数及概念，依据这一参数将化工园区划分为3个不同的值域区间，有针对性地分级制定安全规划内容。康德礼等[9]就化工园区由于规划、管理等方面原因而引起的安全问题，结合化工园区重大危险源数量大、事故发生快速、后果严重等现状，在为应急救援能力的评价、应急救援综合管理平台的建设、石化园区应急救援管理体系的建立健全以及应用先进技术科学施救这4个方面论述了构建化工园区应急救援体系。YANG等[10]借鉴生物学免疫现象，剖析了石化企业存在的各种免疫缺陷，提出了“培养-进化”的思想作为事故预防机理。马良俊等[11]根据危险化学品事故特点与事故处置程序，建立了危险化学品事故安全生产应急辅助决策支持软件平台，该平台利用GIS技术实现了事故基本情况、事故初始处置、事故事态发展、现场监测预警等功能。

随着互联网技术的迅猛发展，结合化工园区应急的特点，本文尝试利用传感器技术、移动通信技术、物联网技术、机器人技术等先进技术构建智能化的化工园区应急救援平台。

1 化工园区应急管理

化工园区应急救援的内容和功能较为复杂，包括接警与通知、事故指挥与控制、警报和公告，信息流通、状态监测与评估、警戒与治安、疏散群众与安置、医疗卫生、公共关系、应急人员安全、消防和抢险、泄漏物控制、应急恢复等。这些核心功能之间相互具有一定的独立性，并且各个核心功能的主导实施单位也不是同一家。正是这些核心功能构成了应急救援工作整体，各个核心功能之间不是相互孤立的，是一个有机的整体。因此化工园区应急管理的工作重点就是需要明确执行哪些核心功能、执行一项核心功能的时候需要哪些实施单位配合、怎么样实施救援工作这三个问题，简单来说就是做什么、谁来做、怎么做的问题。

目前化工园区应急工作从应急的时间顺序上一般分为事故预防、应急准备、应急反应、应急恢复4个阶段。在不同的阶段需要实施的核心功能不同，应急管理人员需要在不同的阶段安排实施对应的核心功能，协调核心功能合作实施；解决做什么的问题。

每一个核心功能的实施并不是一个实施单位可以完全解决的，需要其他功能和实施单位的支持，相互之间有依存关系。应急管理人员需要协调核心功能实施单位和辅助功能实施单位之间无缝配合，提高应急的工作效率；解决谁来做的问题。

应急救援工作需要高的专业技术要求，救援工作中需要精确的数据来辅助，应急管理人员依据采集到的现场关键数据指导专业人员做出正确的救援动作；解决怎么做的问题。

应急救援管理人员要协调做什么、谁来做、怎么做这3个问题并不是凭借直观推断，一定是依靠大量的数据来支撑。这些数据的来源就是现场检测和现场传感器，目前化工园区的现场传感器数据较少。另外应急管理人员需要协调解决的内容较多，而应急工作任务急、工作量大、不允许出错，因此智能化的安全应急救援平台辅助管理人员是最佳的选择。

2 智能化应急救援平台总体框架

智能化应急救援平台的框架组成部分包括负责在现场采集信息的传感器网络和在后台负责数据处理分析的服务器两大部分组成。传感器网络由临时固定在现场的传感节点、现场救援人员穿戴的传感节点以及由无人平台搭载的传感节点共同组成。后台服务器由数据处理、数据库部分、决策系统组成，数据处理部分将现场获取的数据进行整理并对数据进行上下限以及趋势判断以判断现场状态；数据库部分包括危化品应急决策数据库、应急预案以及周边可调动的应急资源数据库；决策系统依据数据处理部分判断的当前状态以及调用相关数据库对应急资源进行评估，借助相关的专家系统给出适合当前处置的建议。平台的总体框架示意图如图1所示。

3 智能化应急救援平台的构建要件

智能化应急救援平台要实现智能需要以下要件：数据采集、数据通信、数据分析和应急执行。智能化救援平台的这几个要件也就是它的组成模块，但体现到设备相互之间的界限并不那么明显，一个设备可以具备多个要件，例如救援机器人同时具有数据采集、通信、执行模块。图2所示为简单的救援平台各要件之间数据信息流转的示意。

3.1 数据采集

数据采集是通过检测仪器或传感器从事故现场采集所需要的数据，例如事故点的温度信息、可燃气体浓度、有毒气体浓度、救援人员生命特征参数等数据对于救援管理的决策都是至关重要的。数据采集所用到的传感器例如红外热成像仪、VOCs传感器、可燃气体传感器等价格相对昂贵，多点布控的成本相对较高，因此让传感器动起来是最好的选择，例如，利用无人平台挂载传感器进行采集不同点的数据是一种经济和安全的方案。

图1 智能化应急救援平台总体框架

图2 智能化应急救援平台的要件及信息流转示意

利用事故现场布置的临时固定式传感器，救援人员携带的便携式传感器以及救援机器人和无人机挂载的可移动式传感器组成一个传感器网络，实现地面到空中的一体化全面监控。如图3所示为空地一体的事故现场监控数据采集示意图。

除了使用常见的便携式传感器和临时的固定式传感器之外，救援人员不便进入的区域或是情况不明的区域利用机器人载传感器进入采集数据以降低救援人员的风险。利用空中的无人机机载传感器检测现场全面的信息数据，利用非接触式测量传感器可以实现远程操控、远程测量。例如在罐区火灾救援中无人机机载红外热成像设备就极具优势，罐区火灾除了要实时监控着火点的温度以确定如何救援或是安全的救援距离，周边储罐的温度也是非常重要的参数，机载红外热成像设备可以实时的检测周边储罐温度以提醒及时加以处理，减少不必要的二次事故损失。

无人机以及机器人使用多个传感器来采集特定的信息来提高准确性，因此需要应用先进的信息融合技术来消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾，补偿降低其不确定性，形成对所感知参数的相对完整一致的感知描述，从而提高智能系统决策、规划、反应的快速性和正确性，同时降低决策风险。常见的信息融合技术有：加权平均法、Kalman滤波、扩展Kalman滤波、Bayes估计、模糊逻辑、神经网络以及基于行为方法和基于规则方法等。

3.2 数据通信

应急救援现场环境复杂且干扰众多，救援现场有众多临时通信的传感器需要与后台或是相互之间通信，而救援现场的信息直接影响救援决策。因此要求数据通信要延迟小、可靠性高。救援现场的大部分数据采集装置是临时设备，因此无线通信是首选。可以采用的无线通信技术有数据电台、WiFi、蓝牙、3G公网、4G公网、4G非公网等，各种数据通信方式各有优势，具体采用何种数据通信方式与救援现场环境有关。

图3 空地一体的事故现场监控系统示意

图4 化工园区内可以使用的通信方式

对于数据传输的实时性问题，可以从两个方面来解决。一方面采取信息传输快、延时低的通信方式，例如数传电台、非公网4G等传输方式；另一方面可以从信息交互的角度来解决，在数据传输模块前加装分析模块，对所获取的数据进行前处理，仅传输关键的特征参数和状态参数，降低不必要的信息冗余，以提高数据通信的实时性。

要提高通信的可靠性就需要借助抗干扰能力强的通信方式，由于化工园区救援现场多金属装置，因此对于抗电磁干扰以及信号的绕射性能的要求相对较高。提高信息传输的可靠性从两个方面出发：一方面，充分研究各种通信方式的抗干扰性能以及信号传输性能，选用最适宜的信号传输方式和调制方式；另一方面，在通信系统中加入容错模块，使得通讯系统对于差错给与检查或纠正，不会因为出现差错而导致通信系统崩溃，从而保证通信的可靠性。

3.3 数据分析

除了智能化、全方位的数据采集之外，如何将采集到的大量传感器数据整理、分析得到有用的关键信息是智能化应急救援平台的核心。图5为数据分析模块工作的示意图。

图5 数据分析模块工作示意

应急管理工作究其本质就是对现场各种救援资源和力量的统筹和分配问题，反映到数据分析模块就是解决一个最优化分配的问题。最优化的目标依据现场情况可能有所不同，可能是最快的完成救援、最经济的方式完成救援、最环保的方式完成救援、最安全的方式完成救援等等；最优化的约束条件有：事故现状、事故发展趋势、应急资源分布、危化品种类、周边装置、风向等。最优化的目标不同则对整个救援资源进行一个优化分配的结果就不同，例如最快的完成救援就不会去考虑因为救援使用泡沫或清水而造成大量的救援污水的环保问题和后续的处理费用问题。在实际救援过程中救援的不同阶段中考虑的出发点不同，例如在火灾事故救援初期就希望用最快的方式完成救援此时的优化目标就是最快的完成救援，当火势得到控制之后就更倾向于用最经济的方式去完成救援。约束条件越是详细具体就越能实现精细化的救援，实现应急资源的最合理利用。

由于应急救援工作是一个动态的过程，事故状态、救援力量以及救援资源都是在不停变化着的，即便是同样的最优化目标，在事故发展不同阶段的解算结果也不同，因此整个分配和协调过程是一直在变化。在救援工作开展的不同阶段，优化的目标也有所区别。因此整个优化过程是持续进行的。

数据分析模块的另外一个重要的工作是预测事故。应急救援工作不仅仅是在事故发生后，应急救援工作覆盖了事故前、事故中、事故后，在事故发生前的监管和事故的预测是智能化所必需的内容。管理平台连接大量的传感器，传感器在不停地监测着化工园区内企业的情况，管理平台对传感器采集到的数据进行分析，判断是否有异常情况出现，若有异常则需要对异常情况进行严密监测以防转化为事故，从根源上降低事故发生的可能，如图6所示。

3.4 应急执行

应急救援过程的实施单元均为应急执行模块，包括救援人员、救援设备以及部分救援机器人设备。应急执行模块接受救援平台发出的指令，实施救援行动，管理平台需要通过物联网技术对执行模块进行监控，见图7。

对于应急救援战斗人员，管理平台通过可穿戴设备例如定制的智能手表、战斗服等物联设备监控位置、分布、生命状态、战斗能力等，以实现对现场人员的精细化管理。

对于应急装备按照类型、功能等属性分类并且加装RFID标签等近场通信设备，救援平台可以实时监控事故现场装备的数量、分布以及园区周边的库存情况，动态地了解救援资源的投入和存量情况。

利用物联网设备监控救援现场资源的做法特别适合于有多支应急队伍参与救援的情况。在有多支救援队伍的情况下，每支应急队伍除了对于自身任务和能力的了解外还需要对协作队伍的任务和能力做充分的了解，防止出现因协作不一致造成的效率低下。利用物联网设备监控可以对现场的救援力量有直观、明确的计量，对于不同队伍之间相互快速了解有着重要的作用。

图6 日常的现场状态判断流程示意图

图7 应急执行模块信息传递示意图

在救援过程中无人救援装备的应用是一个趋势，例如无人机、无人车、无人船的应用。由于无人救援装备具有零人员伤亡、持续作业能力强、成本低等优势，特别适合化工事故的救援，代替救援战斗人员执行危险、恶劣的任务，另外由于无人装备的安全距离相对救援人员更短，可以更加深入事故的中心，救援效率更高，特别是多无人救援装备在不同的作业空间协同作业。无人救援装备本身就带有计算平台和数据传输模块，易与救援平台对接，直接接收平台发布的命令，实现精准救援。

4 结论

构建化工园区智能化应急救援平台，是符合当前社会信息化和智能化的大趋势，随着物联网的技术发展推进，联网成本和传感器成本的廉价化将是智能化应急平台的支撑，采集大量的现场信息，为现场救援决策提供数据支持。

智能化应急救援平台是围绕着信息在应急救援过程中的应用，将信息作为一件新型的应急救援装备而对待。因此构建智能化应急救援平台的两个关键点是传感器网络的建立以及后台数据的处理。传感器网络是信息采集设备，采用空地一体的监控网络，采用各种气体传感器、温湿度传感器、可见光相机、红外热成像仪等多种传感器，以实现更加全面的现场信息采集；后台数据的处理是整个系统提出智能化决策的重要部分，除了处理采集到的现场信息外还需要调用数据库数据，综合判断决策以提出准确的建议。由于采用了智能化的后台数据处理加上全面的传感器网络，因此有利于现场指挥全面的把控现场，便于准确地给每个单位下达命令，实现精准应急。智能化平台提供应急建议，避免出现失误而造成二次事故或应急人员的损失。

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Construction of intelligent emergency rescue platform for Chemical Industry Park

KANG Deli1，LIU Limin1，JI Hongbing1，2
（1Huizhou Research Institute of Sun Yat-sen University，Huizhou 516081，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，Guangdong，China）

Chemical Industry Parks are growing rapidly in recent years，but also are suffering from the increasing risk of accident. In this paper，the complexity and the degree of difficulty of emergency rescue management in the Chemical Industry Park were analyzed and it was found that the building intelligent emergency rescue platform could effectively improve the efficiency and accuracy of emergency rescue actions. The framework of the intelligent emergency rescue platform consisted of two parts: the sensor network for collecting data and the data processing based on field information for giving advices to commander. The four key points of intelligent emergency rescue platform including data acquisition，data analysis，communication and execution were presented. The role of information in the process of emergency rescue should be highlighted. Information as a resource had a significant contribution to emergency rescue similar with emergency equipment. The intelligent emergency rescue platform realized the efficient selection，accurate analysis and rapid transfer of information in the process of emergency，aiming to help decision-makers to make decisions quickly and properly by providing efficient，intelligent and intuitive knowledge. Due to the rapid and accurate access to the field of information，it played an important role in promoting accurate emergency.

Chemical Industry Park；safety；emergency management；intelligence

TQ-9

A

1000–6613（2017）04–1544–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.051

2016-10-11；修改稿日期：2016-12-09。

2015年广东省省级安全生产专项（2015-39）及广东省协同创新与平台环境建设专项资金（2014B090902006）项目。

康德礼（1989—），男，硕士研究生，研究方向为化工园区管理。联系人：纪红兵，教授，博士生导师，研究方向为绿色化工技术和化工园区管理。E-mail: jihb@mail.sysu.edu.cn。