石化装置现场人员立体定位终端设计

朱亮

摘  要： 石化生产现场人员经常面临着火灾爆炸或介质泄漏中毒风险，实时监测现场人员在装置中的立体位置是开展安全监护和预警的重要前提。基于北斗/GPS多模高精度平面定位和高度检测技术，设计一种立体定位终端。首先介绍石化生产现场特点;然后详细描述立体定位终端的设计，包括高精度平面定位、基于气压的高度检测以及装置现场立体定位流程;最后在某装置区粮仓单元完成定位实验。实验结果表明，该立体定位终端平面定位误差小于10 m，高度检测误差小于0.2 m，立体定位稳定性较好，可用于石化装置现场人员精确定位，提高安全监护能力。

关键词： 立体定位; 终端设计; 石化装置; 现场人员; 平面定位; 高度检测

中图分类号： TN820.4?34; TP216                文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）04?0160?04

Design of stereo localization terminal for field personnel in petrochemical device

ZHU Liang

（SINOPEC Research Institute of Safety Engineering， State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals， Qingdao 266071， China）

Abstract： As the personnel in the petrochemical production site often face the risk of fire explosion or medium leakage poisoning， the real?time monitoring of the stereo localization for field personnel in the device is an important prerequisite for safety monitoring and early warning. A stereo localization terminal is designed based on the multi?mode high?accuracy planar positioning of Beidou/GPS and height detection technology. The characteristics of the petrochemical production site are introduced， and then the design of the stereo localization terminal is described in detail， which includes the high?accuracy planar positioning， barometric pressure based height detection and stereo localization flow of the device site. The positioning experiment was completed in the granary unit of a device area. The results show that the plane positioning error of the stereo localization terminal is less than 10 m， the height detection error is less than 0.2 m， and the stereo localization stability is better， which can be used for the accurate positioning of personnel at petrochemical device site， and improve the safety monitoring ability.

Keywords： stereo localization; terminal design; petrochemical device; field personnel; planar positioning; height detection

0  引  言

近年來，石化生产现场人员在火灾爆炸或有毒有害介质泄漏事故中造成的伤亡失踪事故时有发生。2010年，某石化企业介质泄漏，造成现场可燃气体浓度达到爆炸极限，静电引发着火爆炸造成多人失踪事故;2012年，某化工厂反应釜底部泄漏着火，引发的爆炸事故造成多人死亡失踪[1]。实时监测跟踪现场人员精确位置，特别是定位现场人员在生产装置中的某一平台，是石化安全生产管理的重要应用方向[2]。随着石化厂区有毒有害介质泄漏监测能力的提升，泄漏危险区域预测算法的成熟[3?4]，通过立体位置监测，可给现场人员及时发出预警信息，并且提供基于立体位置的应急指令，引导现场人员撤离到安全区域，是危化品泄漏事故救援中最后一道安全保障[5]。本文根据石化生产现场特点，基于多模高精度平面定位技术、气压高度检测和立体定位方法，设计了一种立体定位终端，有望解决石化生产现场作业人员立体位置实时监测问题。

1  石化生产现场特点

1.1  框架型生产装置

石化生产装置主要根据加工工艺流程建造。根据加工需要，包括有塔、换热器、反应器、储罐、各种撬装装备以及输送介质设备，为了这些设备的连接安装、操作控制、维修维护方便，通常建有操作平台。平台高度依据设备高度或操作需要设计建设，各平台之间通过直梯或者斜梯连接，总体呈金属框架型结构，这些金属框架和塔器等设备架对立体定位信号容易产生干扰[6]。

1.2  介质易燃易爆易中毒

石化生产从原料到产品，包括半成品、中间体、催化剂、各种添加剂等，大多数属于易燃易爆、有毒有害的物质，并且多以气体、液体状态存在[7]，比如硫化氢、可燃气、乙烯等。而生产工艺过程复杂，条件苛刻，通常在高温高压、深冷真空等条件下进行，这些介质非常容易发生泄漏或者挥发，甚至自燃，时刻威胁着现场作业人员的人身安全。

1.3  区域检维修施工作业频繁

随着人们对石油产品需求量增大，生产装置朝着大型化、连续性、大容量方向发展。为了适应新时期的需求，石化企业通常出现加工生产和施工作业同时进行，一部分装置在检维修或改扩建，其他装置在正常生产。并且，随着装置长周期运行和设备老化，经常出现在正常运行生产的装置区域内同时进行设备检维修[8]。及时监测现场人员立体位置是开展施工作业安全监护的重要前提。

1.4  现场操作巡检

虽然石化生产过程自动化程度不断提高，但是仍有一些反应工艺需要人进入现场操作，确认状态。根据反应时间的推移和设备的长周期运行，需要人员周期性在现场巡检，确认化工反应在正常参数范围内，检查设备是否处在安全状态[9]。总之，石化生产现场操作巡检人员必不可少，实时监测这些人员的立体位置是开展安全监测的重要手段。

2  立体定位终端设计

图1所示是立体定位终端框架图。CPU采集BMP280的气压数据，进而计算获得高度信息，同时采集MC20获得的平面定位数据，并且通过该模块的GPRS无线传输功能将所有采集的数据上传至后台服务器，电源管理为CPU、MC20及BMP280提供高效稳定的电源，人机交互供携带人员操作该终端。

2.1  平面精确定位

平面定位基于MC20定位无线通信模块设计，该模块支持先进的全球导航卫星系统（GNSS）技术，集成了离线辅助定位（EPO）、秒定等技术能够实现快速首次定位，通过北斗、GPS等多星座系统调解算法，获取更加精准的定位效果。相比传统的单模定位方式具有精度高、定位快等优势，并且具有GPRS无线传输功能，可将定位数据及时上传，模块体积小、功耗低，在便携式监测终端中广泛使用[10]。该模块启停控制和工作模式选择分别由CPU输出CPU_PWKEY和GNSS_EN控制，本终端需要将定位数据实时上传，因此工作在“all?in?one”模式，联网状态通过LED指示灯显示。电路设计见图2。

2.2  基于BMP280的高度检测

BMP280是一款高精度数字气压传感器，检測大气压强范围为0～20 000 hPa，精度典型值为±1 hPa，工作温度范围宽，功耗低，非常适合便携式检测终端应用[11]。检测结果和初始化数据通过I2C接口与CPU相连，通过传感器地址控制位控制其工作。本设计中该位接地，高度检测设计图如图3所示。高度检测流程为：接收到CPU一次采集命令后，首先获得一个测量周期内的气压信息;然后经过IIR滤波器滤波，以消除由装置现场检维修、设备排空等扰动引起的短期气压波动;之后根据存储器中的补偿系数修正气压值;最后基于气压和高度之间的回归换算公式得到高度值，完成一次采集任务后进入睡眠模式，等待下次唤醒采集。气压高度公式为[12]：

[H=44 330.76×1-pp015.255]     （1）

式中：[H]为高度值;[p]为当前检测的大气压;[p0]为标准大气压，典型值为1 013.25 hPa。

2.3  装置现场立体定位流程

石化生产装置结构复杂，差异性较大，在开展立体定位时需要结合装置结构设计进行，具体流程如图4所示。启动立体定位完成硬件初始化后，获取装置立体数据，通过参考点气压检测值，建立装置立体定位模型，确定立体定位坐标系，并且给出装置各层平台与高度检测值之间的数学关系，以及允许的误差范围。之后根据平面定位和高度检测数据开展立体定位，通过无线传输将结果回传，完成一次立体定位过程。

3  立体定位实验

为了验证立体定位终端的可行性和准确性，在某石化厂区料仓单元进行了平面定位准确性实验、高度检测准确性实验和立体定位稳定性实验。

3.1  实验条件和步骤

料仓单元占地40 m×30 m，总高12 m，由地面、二层平台、三层平台组成。其中，地面包括动力单元、仪表单元、3个立罐基础设施;二层平台包括物料输送装置、一个立罐顶部、测量仪表和控制执行设备等，距地面4.89 m;三层平台包括传送管道、两个立罐顶部、测量仪表和控制执行设备表等，距地面8.01 m。各层平台通过斜梯连接，装置设备以外区域铺设了网格踏板，属于典型的金属框架结构石化生产装置，该料仓单元西侧和北侧厂区道路宽10 m。

实验采用同一批次生产的5台定位终端设备，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，设置数据采集周期为5 s，每次采集完成平面定位数据和高度数据后通过无线回传。根据不同实验需要，这5台定位终端放置在装置现场或者由实验人员携带。

立体定位实验步骤为：

1） 将1#、2#、3#、4#、5#定位终端开机，检查数据传输正常后交给实验人员;

2） 开展平面定位准确性实验，实验人员携带1#定位终端沿着料仓单元东西向中心线从东走到西，然后顺时针围绕料仓单元走一圈，之后沿着中心线从西走到东，回到出发点完成数据采集;

3） 开展高度检测准确性实验，将2#、3#、4#定位终端分别放置在地面、二层平台、三层平台采集数据，20 min后分别计算这三台定位终端的气压平均值;

4） 开展立体定位稳定性实验，将5#定位终端放置在二层平台，实时收集存储平面定位数据和高度检测数据，1 h后停止数据采集。

3.2  结果分析

平面定位准确性实验人员完成规划路径移动用时6 min，1#定位终端上传了72组有效数据，利用ArcGIS地理信息绘图工具标识平面定位结果如图5所示。

其中箭头实线是实验人员移动路径，圆点是根据采集的定位数据标识的位置。由图可知，平面定位偏差都没超过厂区道路，定位误差小于10 m（厂区道路宽10 m）。

在高度检测准确性实验中，2#、3#、4#三台监测终端在9：05—9：25时间段内各采集了249条有效数据，温度和气压平均值如表1所示。根据式（1）可计算出高度值，进而计算出二层平台和三层平台高度检测绝对误差分别为0.16 m和0.18 m，均不超过0.2 m。

在1 h的立体定位稳定性实验中，每分钟选取一组有效数据，根据平面定位和高度检测数据，其立体定位稳定性结果分布如图6所示。由图可知，立体定位高度结果100%都在二层，没有偏差;平面结果41.7%的定位偏差在5 m以内;接近70%的定位偏差在10 m以内;90%的定位偏差在15 m以内，长时间的静置实验表明立体定位稳定性比较好。

4  结  语

随着卫星导航平面定位、无线传输和大数据技术的发展和普及，为石化生产现场人员安全监护提供了新的解决思路。本文结合平面精确定位和高度检测技术，针对石化生产现场特点，设计了一种立体定位终端。实验结果表明，该立体定位终端平面定位误差小于10 m，高度检测误差小于0.2 m，立体定位稳定性较好，可用于石化装置现场人员精确定位。在石化安全生产和事故应急过程中可提供基于个体位置的安全预警，有利于提高安全管理的效率和针对性。

参考文獻

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[12] 朱红军.基于气压传感器的海拔高度测量系统设计[J].中国民航飞行学院学报，2015，26（4）：67?70.