水上LNG加气站安全监控系统的设计

罗鹏举, 吕植勇, 鲁盈利

(1.武汉理工大学 自动化学院，武汉 430070; 2.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

水上LNG加气站安全监控系统的设计

罗鹏举1, 吕植勇2, 鲁盈利2

(1.武汉理工大学 自动化学院，武汉 430070; 2.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

水上液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)加气站在线监控系统是保障内河航运安全、绿色的一个重要系统，而现有的安全监控系统存在设计过于简单、监控内容不全面等问题，且水上LNG加气站的相关技术及规章制度都不成熟、不完善。针对这些问题，设计一种采用光纤传感器采集数据的在线安全监控系统，论述该系统的总体框架和软硬件实现。该系统可实现对甲烷的浓度和温度及周围环境温度的实时监测，能体现该系统的高性能、高效率、强实时性和可推广性等特点。

水路运输；液化天然气；光纤传感；安全监控；数据采集

近年来，随着全球能源需求不断增长，液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)[1]以其价廉、环保、运输效率高和使用方便等优势，成为全球发展最迅猛的能源之一，其发展已成为新能源界的热点。但是,LNG在内河加气站上的应用条件与在陆地上的应用条件存在较大差别，主要体现在:加气站本身在营运过程中存在一定的风险[2-3];LNG的主要成分甲烷是一种可压缩、易燃的气体，可能引发燃烧、爆炸、冻伤及窒息等事故[4-5]。因此，有必要建立一套完善的技术标准和管理规范，保障内河LNG水上加气站的营运安全。[6-7]

1 LNG水上加气站在线监控系统框架

1.1系统组成框架

基于内河LNG水上加气站风险识别和评估的结果[8]，结合LNG本身的理化性质和可能导致的事故类型[9-11]，综合考虑作业方式等，选用匹配传感器研制可对主要风险要素进行监控的硬件平台;同时,采用无线通信方式实现生产管理相关部门对水上LNG加气站的安全监控。

LNG水上加气站安全在线监控系统主要包括数据采集部分、数据汇聚传输部分及信息监管与决策部分，其总体框架见图1。

图1 LNG水上加气站在线监控系统总体框架

1) 数据采集部分为基于多传感器的加气站环境检测系统，配有船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)的船舶入侵检测系统，以及船舶和人员入侵视频图像检测系统。

2) 数据汇聚传输部分由开发的软件平台对采集到的各种加气站信息进行汇聚，并通过TCP/IP通信方式将信息传送给船舶海事远端监管系统。

3) 信息监管与决策部分为水上LNG加气站监控软件平台系统。

整个系统采用两级警告方式，对加气站多传感器采集到的环境信息进行检测和判断,实现船端本地安全警告。同时，这些信息可通过远程通信的方式发送给海事监控软件平台，实现远端监控与警告。

1.2系统软件总体功能

在对系统信息获取、信息传输与处理和信息存储与警告决策等数据流过程进行分析的基础上，依据模块化的软件设计思想，对监控系统软件的功能进行细致规划。系统软件整体功能架构见图2。

图2 系统软件整体功能架构

加气站监控软件功能模块包括远程监控平台主控模块、监控平台数据交互模块、数据接收模块、数据解析与存储模块、数据统计检索模块和远程警告决策模块,其中:主控模块主要负责其他各模块的功能启动及调度管理，在整个软件实现中具有主导地位，代表程序的主线程;数据交互模块提供各自的数据库接口并实现其他各模块之间的数据共享和传递;数据接收模块接收各传感器采集的数据、AIS平台信息数据和船舶/人员入侵视频监控报警数据,并将其整合到主控平台上显示;数据解析与存储模块主要用于处理接收到的各监测系统数据，并将其存储到相应的数据库中;数据统计与检索模块负责查询与回放历史数据;远程警告决策模块用于对数据进行决策处理。

该系统融合AIS终端、视频监控系统和多传感器监测系统,并在现有设备的基础上加以扩展开发，通过传感器、AIS通信设备和软件监控平台，既能实现现有设备的既定功能，又能对LNG加气站可燃性气体的浓度和温度、船舶地理位置信息及危险区域入侵数据等指标进行实时监控，提高航运参与各方对LNG燃料动力船的风险感知能力，对其异常情况进行警告，并提供给管理机构,以实现有效监管。

1.3系统的工作流程

该系统能对LNG 加气站的环境信息进行实时监测和警告。首先由多传感信息采集子系统对动力船的关键位置进行环境信息采集，将采集到的温度、可燃气体浓度等数据通过船内数据通信总线发送给船载控制中心，由控制中心PC 机上的软件平台进行数据汇聚和检测决策并产生船舶本地报警。同时，控制中心PC 机利用远程通信功能将检测信息发送给海事监控软件平台,实现远程安全监控。系统基本工作流程见图3。

图3 系统基本工作流程

整个系统的子系统包括：温度光纤监控系统、甲烷泄漏光纤监控系统、船舶入侵AIS监控系统、船舶入侵图像监控系统和LNG区域入侵图像监控系统。

该系统的基本原理与船舶入侵图像监控系统相同，主要对作业区域进行入侵监控，对加气工作时间禁止任何人员到关键区域(或对有无关人员进入LNG储罐区域)进行提示。

2 在线传感器选型及数据采集系统

2.1LNG水上加气站环境监测传感器选型

在对检测仪器进行选型之前，需明确水上LNG加气站的特殊工况对仪器的技术要求。经分析，可确定船上采用的传感器应尽量满足以下要求：

1) 功耗较小，抗干扰能力强，性能稳定。

2) 反应快，测量精度高。

3) 适合在露天、高温、振动及嘈杂的环境下工作。

4) 使用经济性好，便于安装维护。

5) 具有工作状态监控、故障自动报警及系统自查功能，同时必须具有良好的密封和保护措施。

根据这些要求对系统所要应用的甲烷浓度传感器进行选型更为合理和可靠。因此，该系统采用的光纤甲烷传感器主要基于TDLAS技术，利用甲烷气体对特定波长光波的吸收特性来确定甲烷气体的浓度，从而检测环境中的甲烷浓度，通过下位机控制芯片解析成浓度值，通过RS485标准协议数据包上传至上位机软件平台。

光纤温度传感器的传感系统结构可分为感知层、监测层和应用层；光纤光栅是利用光纤材料自然的光敏特性沿纤芯轴向形成的一种折射率周期性分布的结构，每个光纤光栅都只拥有一个特定的波长，可将不同波长的光纤光栅以阵列的形式组网，实现多点、多参量同时监测。

2.2LNG水上加气站AIS监控

AIS用于船对船模式的避碰，满足船舶避碰通信过程中对船舶识别的需要。目前船舶避碰过程中使用的无线电通信设备主要是甚高频(Very High Frequency,VHF)电台，由于信息存在延时性和人工操作错误，难以及时达成避碰协议，会给安全航行带来隐患；其作为一种船舶交通管理系统(Vessel Traffic Services,VTS)工具，能较好地解决VTS中存在的船舶识别难题。AIS能自动与目标船舶/岸台建立通信，并保证通信的可靠性，帮助船舶有效导航，保证船舶安全航行，加强对覆盖区域船舶的识别和监控,为船舶航行提供新的观测手段。AIS利用无线电波可绕过岛屿的性能，克服相关不利因素，为船舶提供目标船的静态信息和动态信息，将海上通信带入到计算机数字通信的网络时代。

2.3LNG水上加气站视频检测终端选型

LNG水上加气站的船舶入侵视频检测有以下监控需求：

1) 加气船舶和穿行船舶在港区、航道及商船锚地等水域设置网具或其他障碍物，或进行任何方式的捕捞作业和锚泊。

2) 加气船舶和穿行船舶在穿越航道、锚地时，不避让在该水域正常航行、作业或锚泊的大型船舶,擅自进入港池或接靠码头、水上设施和船舶，夜间没有按规定悬挂有关号灯。

3) 加气船舶和穿行船舶在航道附近航行时没注意防沙堤部分，发生触碰事故。

4) 加气船舶和穿行船舶系泊在浮标上，导致触碰浮标的事故发生。

5) 由于水上LNG加气站属于水上危险源(特别是LNG储罐区域)，因此需对该区域进行重点监控，需通过视频监控对进入该区域的人员进行监视，并通过触发报警和计数加以警示，做出相应处理。

6) 智能视觉分析器实现智能视觉分析和图片抓拍功能，并保存图片和记录日志;监控中心对分控点进行全方位的管理。

根据需求，系统选用智能检测仪，对水上LNG加气站的前方水面区域进行监控，将来往船舶进入该视频虚拟线圈后的报警、报警触发信号通过RS485协议传送给主机监控平台供工作人员处理。船舶视频监控系统简易示意见图4。

图4 船舶视频监控系统简易示意

人员入侵视频监控检测设备选用的智能值守器是一款采用高性能DSP处理平台的嵌入式设备，利用先进的视觉分析和模式识别算法，对视频图像进行分析和理解，实现周界防范检测、物品盗移/滞留检测及行为异常分析等多种智能分析功能，能对LNG储罐区域进行全天候的视频检测，通过虚拟线圈和虚拟界限对进入该区域的人员进行报警和计数，并通过RS485串口将其发送到主机平台上显示和报警，提醒工作人员做出相应处理。

2.4监测传感器及数据采集系统布设

LNG加注船上涉及到的传感器及输出设备包括LNG浓度(0～10%体积分数)探测、光纤温度监控探头(用于检测温度异常)、AIS船台设备、GPS/VHF天线(用于定位和接收数据)和视频摄像头(监视江面和加气站各危险区域)。这些传感器是根据前期的LNG泄漏扩散模型仿真分析及传感器的特点和周围环境影响及罐区的覆盖情况布局的。

1) 甲烷浓度探测仪和视频检测设备下位机通过RS485总线发送数据，通过RS485转RS232转接头和RS232转USB中继站，最终连接到上位PC机。

2) AIS船台数据通过RS422总线传输数据，通过RS422转RS232转接头和RS232转USB中继站，最终连接到上位PC机。

3) AIS船台布置在中控室，配套的GPS天线和VHF天线需布置在船体最高层并固定好，保证不被遮挡。

4) 光纤温度传感器通过光缆布置在船体各处，重点布置在罐体、管道阀门和潜液泵等处，密切监控船体的温度；温度传感器通过光纤传输到光纤解调仪，通过网线将解析的温度数据传送给上位PC机。

5) 适应LNG船的具体工作环境，传感器和数据采集设备电气及线路的布设规划严格按照需求进行。

3 水上LNG加气站监控平台软件设计

LNG加气站控软件平台应能动态显示加气站环境温度、气体浓度、AIS海图信息和视频监控数据的报警等信息，同时具有显示各设备的工作状态信号及故障报警信号、回放查询历史数据和打印报表等功能，得到面向对象的人性化人机交互界面。

根据对水上LNG加气站在线监测系统的介绍，可确定水上LNG加气站监控软件平台要实现的功能。监控软件平台的软件模块见图5。

图5 监控软件平台的软件模块

4 LNG泄漏扩散监测

该系统采用光纤技术对现场(1号、2号和3号区)的温度和浓度进行监控，根据检测的温度大小和变化率分析是否发生火灾，根据布控的点分析发生火灾的位置，根据振动传感器判别是否发生爆炸。根据浓度传感器的数值大小判断是否发生泄漏，并根据布控的点分析发生泄漏的大致方位，方便安排人员采取相应的应急措施。温度和光纤传感器分布点见图6。

图6 温度和光纤传感器分布点

由C#语言开发的监控界面的监控内容包括总体监控、AIS信息、视频监控、报警信息、历史数据及报表打印等，其中：甲烷浓度数据采集的是罐区4个区域的数据，在监控时4个区域的浓度传感器全部打开；温度数据来自于罐区3个区域(包括报警系统)，一旦发生泄漏，传感器检测到异常，报警系统会立即发出报警信号。当发生泄漏事故时，整个监控中心报警示意见图7。

a) 监控原始画面

b) 事故后的监控界面图7 甲烷气体监控原始与事故报警示意

由图7可知，当发生泄漏事故时，浓度传感器检测到浓度值超过阈值，系统报警器会立即发出警告信号。当罐区周围有人员进入视频监控区域或趸船周围有过往船舶进入视频监控区域时，报警器会在第一时间发出警报，提醒监控中心可能会有危险，此时主监控中心的视频监控界面见图8。当过往船舶进入AIS红色预警区域时，监控中心的视频监控界面见图9。

a) 人员监控报警界面

b) 船监控报警界面图8 罐区周围人员和趸船周围船舶监控画面

a)AIS海图监控区域b)AIS报警监控界面

图9 过往船舶进入AIS红色预警区域报警画面

由图9可知，当周围过往船舶进入AIS红色预警区域时，主监控中心的监控界面就会报警，语音播报预警信息，从而使监控中心的人员作出相应回应。

5 结束语

在风险分析和应急处置的基础上，搭建LNG水上加气站在线监控系统和数据采集系统，分别对加气站周边水域的情况、趸船周围的过往船舶和站内关键区域情况、温度和甲烷浓度及罐区的人员情况等参数进行监控，最终整合到加气站监控平台软件商，并对整个系统进行应用和改善。

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DesignofFloatingLNGFuelingStationSafetyMonitoringSystem

LUOPengju1，LYUZhiyong2，LUYingli2

(1.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China；2.National Engineering Research Center for Water Transport Safety，Wuhan 430063,China)

While the online monitoring system is very important for floating LNG(Liquefied Natural Gas) fueling stations in protecting the inland navigation safety and the environment,the existing safety monitoring system are still rather primitive.The fact that the operation technologies and the regulations for the LNG fueling stations are not sophisticated yet makes a high performance monitoring system in great request.In view of the existing situation,an online safety monitoring system is proposed based on fiber optic sensors.The general framework of the system and the implementation of the hardware and software are described.The system is able to achieve the real-time monitoring of CH4concentration and its temperature as well as the ambient temperature.The system features high performance,high efficiency,real-time and flexibility.

waterway transportation; LNG；fiber optic sensor；safety monitoring；data collect

U698

A

2017-01-11

交通运输部建设科技项目(2013328811530)

罗鹏举(1990—),男，湖北武汉人，硕士,研究方向为危化品安全监控及运输。E-mail：locgrady@163.com

1000-4653(2017)02-0093-05