智慧化工园区整体解决方案设计展望

汪志伟，何德颂，梁 达，张洪伟

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

化工行业属于传统的流程工业领域，具备投资大、风险大和环保要求严格等特点[1]。化工园区内危化企业多，生产、贮存的危险化学品种类多、数量大、密度高，能量高度积聚。一方面，传统园区由于监管方式单一，各企业安防、应急管理手段落后，安全容量难以有效控制；另一方面，传统园区信息化程度低，各级数据之间壁垒严重，主管部门与入园企业沟通效率低下，难以整体高效地管控。因此，微小隐患时常由于得不到有效管控而引起泄漏、爆炸等事故，造成不必要的人身财产损失，带来不良的社会影响。

近年来，大数据、云计算、物联网和人工智能(AI)等新技术蓬勃发展，促进了化工园区向精细化、信息化和智慧化方向转型。2015年，工业和信息化部印发《关于促进化工园区规范发展的指导意见》，将智慧园区建设作为化工园区规范发展的重要方面[2]。2016年，江苏省政府发布《关于深入推进全省化工行业转型发展的实施意见》，成为首家对智慧化工园区建设作出政策指导的省份[3]。2017年7月，中国空间技术研究院研制的智慧化工园区Asoco信息系统在嘉兴港区上线启动[4]。2018年8月，嘉兴港区开发建设管委会印发了DB3304/T001-2018智慧化工新材料园区建设与管理通用规范，规定了智慧化工新材料园区的规划建设、运行维护、服务管理和安全保障要求[5]。2019年，国家标准制定工作组正式面向行业进行《智慧化工园区建设指南》标准草案的意见征询[6]。种种迹象表明，智慧化工园区建设标准和内容在不断更新和完善，其建设规模和步伐也在不断加快。

基于化工园区对绿色生态、安全生产、高效管控的建设需求，本文提出一种“1+3”的智慧化工园区设计方案。该方案由一个工业互联网云平台和三个业务平台组成，综合企业系统终端系统数据、物联网感知设备数据、多媒体视频数据和GIS地理位置数据等，从安全监管、环保节约、能源管理、应急联动和公共服务等方面介绍化工园区智慧化建设方法。

1 智慧化工园区构架

本文的智慧化工园区基于“1+3”的模式构建，即由一个工业互联网云平台和三个业务管理平台组成，其构架见图1。一个工业互联网云平台为上层的业务管理平台提供服务。化工生产流程精细而复杂，生产监控的数据量大，租用商业性质的云平台不仅成本高，而且数据安全性、私密性难以保证，因此，化工园区多采用自建工业互联网平台的方式。

图1 智慧化工园区构架

三个业务管理平台，即园区在正常运营状态下的综合管理平台、事故状态下的应急指挥平台和提供公共服务的运营管理平台。考虑到化工园区的管理介于企业管理与政府监管之间，综合管理平台分安全、环保和能源等三个方面为园区管委会和企业提供业务服务，帮助管委会提升精细化管控能力，帮助企业进行“安稳长满优”的生产。应急指挥平台利用政府、社会、企业等各方救援力量，为园区提供统一的指挥调度、智能辅助、模拟演练和预案管理等服务，确保事故得到及时、有效的应急处置。运营管理平台包含封闭管理、园区档案、园区办公、智慧停车等子系统，一方面保障园区内的人员安全、车辆行驶规范；另一方面确保信息高效触达，能起到增进企业之间的沟通交流等作用。

园区终端为工业互联网云平台和业务管理平台提供基本的数据采集设备和动作执行设备，包含企业系统终端和物联感知终端两大类。其中，企业系统终端包含入园企业内部的基本过程控制系统(如DCS/PLC)、电力综合自动化系统、火灾报警系统(FAS)、可燃/有毒气体检测系统(GDS)和连续环境监控系统(CEMS)等。物联感知终端包含视频监控摄像头、公共语音广播、门禁、振动光纤和巡检定位标签等终端设备。

2 业务层功能设计

综合管理平台、应急指挥平台和运营管理平台均以GIS地理信息系统为基础，叠加危险化学品、重大危险源、现场巡检人员、应急资源(含消防栓位置、灭火器位置等)、园区道路交通和车辆特性数据等信息，形成一个完整的、多层次的空间数据管理服务系统。

2.1 综合管理平台

化工园区即由多个化工企业组成的生产园区，不仅具有一般化工企业的特点，如涉及大量危险化学品和重大危险源等；而且大多园区内企业的生产工艺、排产计划和安全环保等级均不相同，缺乏系统规划，难以统一管理。基于这种背景，本文从管理平台的安全、环保、能源等3个方面进行功能设计。

2.1.1 智慧安全

化工园区的安全管理包括入园企业的安全生产管理和公共基础设施安全维护。智慧安全业务系统实现对人员、物料、仓库、储罐、高危工艺、重点设备等安全状态的实时监管。“安全一张图”基于GIS地理信息、监控信息、异常信息、工艺流程信息以及消防火灾信息等内容设计，将所有相关信息布置在画面中，方便管理人员实时了解整体信息并快速索引至具体内容。智慧安全主要涵盖如下功能。

(1)危化品和危险源在线监控。本功能包含危险源的名称、类型、所属部门、行政区划和园区位置，以及危化品的种类、数量、理化信息和使用信息等基本信息管理。对重要监控对象或重点区域可考虑采用高精度的高空瞭望监视技术，实时了解所覆盖区域内的安全生产信息。

(2)隐患排查与治理。由企业端自查自报、园区端排查监管两部分组成，针对日常巡检、位号报警、危险作业和隐患排查等生产过程中检测的隐患，进行隐患上报、督办管理、复查验收和统计分析等流程操作，力争将事故扼杀在萌芽状态，确保园区内企业安全生产。

(3)风险分级管控。针对不同的工艺过程，建立与之配套的风险分析模型。实现各类风险的科学辩识、量化分级和分级管理，增强“超前预防、主动控制、源头治理”防御能力，力争将风险控制在隐患之前，将隐患消灭在事故之前。

(4)管道/设备腐蚀监测。采用非侵入式电磁超声技术，对压力容器设备的腐蚀或侵蚀事件做出快速响应，最高可检测600℃高温管道及±10μm的金属壁厚损耗，并根据设备壁厚推算腐蚀速率等数据，提供有关资产健康状况恶化和整体性问题的早期预警，以防发生故障。管道设备腐蚀裕量监测见图2。

图2 管道/设备腐蚀裕量监测

(5)消防安全监管。实现的功能有：①各企业火灾报警系统(FAS)接入园区消防控制室，保障管委会操作人员及时了解企业内部火灾情况，并作出相应的应急响应措施；②对室外消火栓水压、消防水箱液位、室内消火栓水压、喷淋系统水压等消防水系统状态在线监测；③消防设施智能巡查，采用NFC、UWB等技术对园区内灭火器等消防设施的压力、存放位置等信息进行监测，对消防设施进行的全生命周期管理。

2.1.2 智慧环保

智慧环保业务将原有分散的各企业环境数据统一纳入园区数据管理中心，园区段设置统一的环境监测传感器，实时监测和管控园区污染源污染物的排放情况，提高环境风险防范能力，通过污染减排实现园区绿色生态发展。此外，智慧环保平台数据还可以和省市级环保系统对接，智慧环保业务涵盖如下主要功能。

(1)园区环境多维度感知。针对入园企业的工艺特点和排放情况，根据需要布设传感器，对园区的环境质量(含大气环境、地表水环境和地下水环境等)、污染源(废水、废气和固体废弃物等)和风险源(特征污染物等)进行在线监测和预警。环境多维度感知传感器采用LoRa/NB-iot等低功耗物联网技术，将传感信息传送至园区数据管理中心，实现对园区及各企业废水、废气及特征污染区流量及浓度的实时监测，并在线管控排放是否合理、达标(见图3)。

图3 园区环境多维度感知

(2)固废动态管理。对园区企业产生的危废存量、生产动态、运输转移和经营分析等全流程进行监管，并实现固废动态管理系统与园区应急指挥平台互联互通，当固体废物在贮存、运输、处置过程中发生突发事件，可迅速调出对应企业、对应危废和应急处置方案等信息，进行综合调度处理。

(3)泄漏检测与修复(LDAR)信息管理。搭建园区统一的LDAR信息管理平台，一方面，将园区所有企业LDAR信息接入该平台，建立建成园区企业、产区、装置、设备、排放点完整档案，实现所有漏点有档可查；另一方面，健全第三方检测机构信息管理，落实LDAR管理系统由企业填报到三方检测的完整工作流程，实现所有检测点数据统一管理，修复流程统一管控。

(4)环保报表系统。对接园区数据管理中心数据库，加强数据挖掘和溯源分析，对监测数据进行全面整合，集成环保报表模板，定期自动生成园区环保信息报表，满足园区日常监管资料收集的需要。

2.1.3 智慧能源

智慧能源业务实现对园区各企业、仓库、罐区和综合办公区等的水、电、气消耗信息的采集、监控、统计和分析等功能。

与传统园区不同，化工园区涉及的水、电、气等公用工程种类繁多，包含但不限于循环水、除盐水、高压/中压/低压蒸汽、氮气、工厂空气、仪表空气、正常电源、备用电源和应急电源等多种类型。并且大部分公用工程用量数据已在各企业的基本过程控制系统(DCS或PLC)中采集，基于这种情况，本文智慧能源管理平台提供两种方式获取企业公用工程用量消耗数据：①直接通过TCP/IP协议获取企业基本过程控制系统中的公用工程消耗数据;②对于基本过程控制系统中没有监测的数据，采用无线低功耗传输模式进行数据采集。智慧能源业务主要涵盖如下功能。

(1)能耗实时监测。在线实时监测各企业水、电、气等公用工程的消耗量，供园区管委会对公用工程装置的生产负荷进行科学、准确地行政决策，实现园区公用工程用量柔性控制，达到系统整体节能目的。

(2)能效智能分析。实时累积各企业公用工程用量数据，实现园区总用量和下属分用量的动态对比，进行实时用量损耗分析，从而考核审计各企业的节能指标，核算园区整体用能态势。

(3)水电气平衡优化。对园区大用量设备、周期性使用设备、间歇性使用设备分别建立能耗模型，采用人工智能算法和数据挖掘技术进行深度分析，给出针对性的能效优化方案。

2.2 应急指挥平台

应急指挥平台独立于综合管理平台，基于“平战结合”原则设计，在正常生产状态下进行事故预防、安全培训和应急演练；在事故状态(如可燃/有毒气体泄漏、火灾、爆炸或自然灾害等)下，整合企业自身救援力量、社区应急力量、武警消防力量等各方资源进行救援行动，多系统协同应急响应，尽可能减小事故造成的危害。应急管理流程见图4。

图4 应急管理流程

应急指挥平台主要包含如下功能。

(1)应急值守。具有应急事件信息的采集、记录、联络、报送等功能，园区应急指挥与街道、区、市三级的应急指挥调度平台和系统衔接，实现信息互联互通。支持应急值守人员及时联系园区应急管理第一责任人，并上报街道、区、市三级应急主管部门。

(2)应急指挥和协同。一方面，供园区应急管理部门调度内部安全、环保、消防等业务部门进行应急救援；另一方面，接受街道、区、市三级应急指挥中心的调度、协同和派遣。

(3)应急预案管理。包含应急预案的编制、审核和归档流程数字化，发生事故时，可根据事故类型和等级，迅速调阅相应的应急处置预案。事故发生后，自动生成应急响应报告(含事件发生时间、获取时间、事件等级和内容、协同处置部门及人员、协同处置响应时间、完成时间和完成结论等内容)。

(4)应急培训和模拟演练。编制模拟演练计划，给各企业下发应急培训和模拟演练通知；使参与人员了解物质供应、避难场所、应急预案、救援队伍以及相关业务协同部门的联动情况；实时记录演练过程，对结果进行评估和总结。

2.3 运营管理平台

综合管理平台和应急管理平台作用于园区的装置生产区，保障园区安全、环保、高效的运行。运营管理平台基于现有物联感知技术，通过工业互联网云平台打通不同子系统之间的数据壁垒，使多个系统能够协同联动运行，为园区服务。其涵盖如下功能。

(1)封闭管理。采用脉冲电子围栏、振动光纤、视频周界相机等方法实时监控园区周界安全，支持联动视频复核、目标跟踪、声光报警联动、录像机抓图联动、电视墙联动、门禁联动等功能，对进出园区的人员与车辆基础信息进行管理，且能进行分级别、分权限和分区域的管理。

(2)园区档案。实现对园区内所有企业基础档案的收集、更新和整合，建立企业基础信息管理系统，并通过服务的方式对其他企事业单位进行信息的共享，通过直观的方式在GIS地图上标注展示。园区档案按“一企一档”的原则建立，包括入园企业基本信息、企业档案登记审查和综合统计分析等子功能。

(3)园区办公。为入园企业提供一体化的公文处理、事务管理、共享与交流管理服务平台，自定义审批流程、统一党建门户、多渠道发布通知公告等功能帮助企业及员工快速触达信息，提高办公效率。

3 工业互联网云平台设计

工业互联网云平台归集园区企业系统终端和物联感知设备的原始数据，进行数据的清洗、计算、挖掘和归一化处理，并对业务平台层提供统一的接口服务。本文中的工业互联网云平台采用去中心全对称分布式架构设计，不区分单独的管理节点、计算节点和存储节点，每个节点服务器既可以做管理，也提供计算、存储和网络资源，充分发挥每台服务器的硬件能力。

硬件上工业互联网云平台由数据采集服务器、计算资源池服务器、云海管理服务器、存储系统、存储万兆交换机、备份一体机等部件构成。软件上通过云管平台、分布式控制器、容器化OpenStack/VMWare等技术的深度融合、有机互补，共同组成一个开放、兼容、稳定、可靠的企业级云平台解决方案，实现对计算、存储、网络等资源的统一管理和调度，并对外提供标准的API接口，方便对资源进行动态的按需调度，提升资源的利用效率。

在功能方面，提供视频流媒体接口和多种物联网协议接口，不仅实现摄像头视频流数据解码、分析与显示等操作，还能通过物联网接口协议(如TCP/IP、Modbus、Wi-Fi、WirelessHART[7]、LoRa[8]/NB-iot[9]、Zigbee[10]和蓝牙等)获取各类终端数据，实现园区健康状态的多维度、全覆盖监测。

4 结语

针对化工园区对绿色、环保、安全、高效生产的需求，以及国家对信息化与工业化深度融合战略体系支撑，本文提出一种“1+3”的智慧化工园区设计方案。该方案由一个工业互联网云平台和三个业务管理平台组成，综合分析物联网平台设备数据、多媒体视频数据和GIS地理位置数据等，从安全生产、环保节约、能源管理、应急联动和运营管理服务等方面介绍智慧化工园区信息化、智能化建设方法。通过智慧化工园区建设提高管委会精细化管理水平，提升企业的智能化生产水平，促进园区向安全生产、生态环保、循环经济的方向发展。