石化裝置現場人員立體定位終端設計

朱亮

摘? 要： 石化生產現場人員經常面臨著火災爆炸或介質泄漏中毒風險，實時監測現場人員在裝置中的立體位置是開展安全監護和預警的重要前提。基于北斗/GPS多模高精度平面定位和高度檢測技術，設計一種立體定位終端。首先介紹石化生產現場特點;然后詳細描述立體定位終端的設計，包括高精度平面定位、基于氣壓的高度檢測以及裝置現場立體定位流程;最后在某裝置區糧倉單元完成定位實驗。實驗結果表明，該立體定位終端平面定位誤差小于10 m，高度檢測誤差小于0.2 m，立體定位穩定性較好，可用于石化裝置現場人員精確定位，提高安全監護能力。

關鍵詞： 立體定位; 終端設計; 石化裝置; 現場人員; 平面定位; 高度檢測

中圖分類號： TN820.4?34; TP216? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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，石化生產現場人員在火災爆炸或有毒有害介質泄漏事故中造成的傷亡失蹤事故時有發生。2010年，某石化企業介質泄漏，造成現場可燃氣體濃度達到爆炸極限，靜電引發著火爆炸造成多人失蹤事故;2012年，某化工廠反應釜底部泄漏著火，引發的爆炸事故造成多人死亡失蹤[1]。實時監測跟蹤現場人員精確位置，特別是定位現場人員在生產裝置中的某一平臺，是石化安全生產管理的重要應用方向[2]。隨著石化廠區有毒有害介質泄漏監測能力的提升，泄漏危險區域預測算法的成熟[3?4]，通過立體位置監測，可給現場人員及時發出預警信息，并且提供基于立體位置的應急指令，引導現場人員撤離到安全區域，是危化品泄漏事故救援中最后一道安全保障[5]。本文根據石化生產現場特點，基于多模高精度平面定位技術、氣壓高度檢測和立體定位方法，設計了一種立體定位終端，有望解決石化生產現場作業人員立體位置實時監測問題。

1? 石化生產現場特點

1.1? 框架型生產裝置

石化生產裝置主要根據加工工藝流程建造。根據加工需要，包括有塔、換熱器、反應器、儲罐、各種撬裝裝備以及輸送介質設備，為了這些設備的連接安裝、操作控制、維修維護方便，通常建有操作平臺。平臺高度依據設備高度或操作需要設計建設，各平臺之間通過直梯或者斜梯連接，總體呈金屬框架型結構，這些金屬框架和塔器等設備架對立體定位信號容易產生干擾[6]。

1.2? 介質易燃易爆易中毒

石化生產從原料到產品，包括半成品、中間體、催化劑、各種添加劑等，大多數屬于易燃易爆、有毒有害的物質，并且多以氣體、液體狀態存在[7]，比如硫化氫、可燃氣、乙烯等。而生產工藝過程復雜，條件苛刻，通常在高溫高壓、深冷真空等條件下進行，這些介質非常容易發生泄漏或者揮發，甚至自燃，時刻威脅著現場作業人員的人身安全。

1.3? 區域檢維修施工作業頻繁

隨著人們對石油產品需求量增大，生產裝置朝著大型化、連續性、大容量方向發展。為了適應新時期的需求，石化企業通常出現加工生產和施工作業同時進行，一部分裝置在檢維修或改擴建，其他裝置在正常生產。并且，隨著裝置長周期運行和設備老化，經常出現在正常運行生產的裝置區域內同時進行設備檢維修[8]。及時監測現場人員立體位置是開展施工作業安全監護的重要前提。

1.4? 現場操作巡檢

雖然石化生產過程自動化程度不斷提高，但是仍有一些反應工藝需要人進入現場操作，確認狀態。根據反應時間的推移和設備的長周期運行，需要人員周期性在現場巡檢，確認化工反應在正常參數范圍內，檢查設備是否處在安全狀態[9]。總之，石化生產現場操作巡檢人員必不可少，實時監測這些人員的立體位置是開展安全監測的重要手段。

2? 立體定位終端設計

圖1所示是立體定位終端框架圖。CPU采集BMP280的氣壓數據，進而計算獲得高度信息，同時采集MC20獲得的平面定位數據，并且通過該模塊的GPRS無線傳輸功能將所有采集的數據上傳至后臺服務器，電源管理為CPU、MC20及BMP280提供高效穩定的電源，人機交互供攜帶人員操作該終端。

2.1? 平面精確定位

平面定位基于MC20定位無線通信模塊設計，該模塊支持先進的全球導航衛星系統（GNSS）技術，集成了離線輔助定位（EPO）、秒定等技術能夠實現快速首次定位，通過北斗、GPS等多星座系統調解算法，獲取更加精準的定位效果。相比傳統的單模定位方式具有精度高、定位快等優勢，并且具有GPRS無線傳輸功能，可將定位數據及時上傳，模塊體積小、功耗低，在便攜式監測終端中廣泛使用[10]。該模塊啟停控制和工作模式選擇分別由CPU輸出CPU_PWKEY和GNSS_EN控制，本終端需要將定位數據實時上傳，因此工作在“all?in?one”模式，聯網狀態通過LED指示燈顯示。電路設計見圖2。

2.2? 基于BMP280的高度檢測

BMP280是一款高精度數字氣壓傳感器，檢測大氣壓強范圍為0～20 000 hPa，精度典型值為±1 hPa，工作溫度范圍寬，功耗低，非常適合便攜式檢測終端應用[11]。檢測結果和初始化數據通過I2C接口與CPU相連，通過傳感器地址控制位控制其工作。本設計中該位接地，高度檢測設計圖如圖3所示。高度檢測流程為：接收到CPU一次采集命令后，首先獲得一個測量周期內的氣壓信息;然后經過IIR濾波器濾波，以消除由裝置現場檢維修、設備排空等擾動引起的短期氣壓波動;之后根據存儲器中的補償系數修正氣壓值;最后基于氣壓和高度之間的回歸換算公式得到高度值，完成一次采集任務后進入睡眠模式，等待下次喚醒采集。氣壓高度公式為[12]：

[H=44 330.76×1-pp015.255]? ? ?（1）

式中：[H]為高度值;[p]為當前檢測的大氣壓;[p0]為標準大氣壓，典型值為1 013.25 hPa。

2.3? 裝置現場立體定位流程

石化生產裝置結構復雜，差異性較大，在開展立體定位時需要結合裝置結構設計進行，具體流程如圖4所示。啟動立體定位完成硬件初始化后，獲取裝置立體數據，通過參考點氣壓檢測值，建立裝置立體定位模型，確定立體定位坐標系，并且給出裝置各層平臺與高度檢測值之間的數學關系，以及允許的誤差范圍。之后根據平面定位和高度檢測數據開展立體定位，通過無線傳輸將結果回傳，完成一次立體定位過程。

3? 立體定位實驗

為了驗證立體定位終端的可行性和準確性，在某石化廠區料倉單元進行了平面定位準確性實驗、高度檢測準確性實驗和立體定位穩定性實驗。

3.1? 實驗條件和步驟

料倉單元占地40 m×30 m，總高12 m，由地面、二層平臺、三層平臺組成。其中，地面包括動力單元、儀表單元、3個立罐基礎設施;二層平臺包括物料輸送裝置、一個立罐頂部、測量儀表和控制執行設備等，距地面4.89 m;三層平臺包括傳送管道、兩個立罐頂部、測量儀表和控制執行設備表等，距地面8.01 m。各層平臺通過斜梯連接，裝置設備以外區域鋪設了網格踏板，屬于典型的金屬框架結構石化生產裝置，該料倉單元西側和北側廠區道路寬10 m。

實驗采用同一批次生產的5臺定位終端設備，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#，設置數據采集周期為5 s，每次采集完成平面定位數據和高度數據后通過無線回傳。根據不同實驗需要，這5臺定位終端放置在裝置現場或者由實驗人員攜帶。

立體定位實驗步驟為：

1） 將1#、2#、3#、4#、5#定位終端開機，檢查數據傳輸正常后交給實驗人員;

2） 開展平面定位準確性實驗，實驗人員攜帶1#定位終端沿著料倉單元東西向中心線從東走到西，然后順時針圍繞料倉單元走一圈，之后沿著中心線從西走到東，回到出發點完成數據采集;

3） 開展高度檢測準確性實驗，將2#、3#、4#定位終端分別放置在地面、二層平臺、三層平臺采集數據，20 min后分別計算這三臺定位終端的氣壓平均值;

4） 開展立體定位穩定性實驗，將5#定位終端放置在二層平臺，實時收集存儲平面定位數據和高度檢測數據，1 h后停止數據采集。

3.2? 結果分析

平面定位準確性實驗人員完成規劃路徑移動用時6 min，1#定位終端上傳了72組有效數據，利用ArcGIS地理信息繪圖工具標識平面定位結果如圖5所示。

其中箭頭實線是實驗人員移動路徑，圓點是根據采集的定位數據標識的位置。由圖可知，平面定位偏差都沒超過廠區道路，定位誤差小于10 m（廠區道路寬10 m）。

在高度檢測準確性實驗中，2#、3#、4#三臺監測終端在9：05—9：25時間段內各采集了249條有效數據，溫度和氣壓平均值如表1所示。根據式（1）可計算出高度值，進而計算出二層平臺和三層平臺高度檢測絕對誤差分別為0.16 m和0.18 m，均不超過0.2 m。

在1 h的立體定位穩定性實驗中，每分鐘選取一組有效數據，根據平面定位和高度檢測數據，其立體定位穩定性結果分布如圖6所示。由圖可知，立體定位高度結果100%都在二層，沒有偏差;平面結果41.7%的定位偏差在5 m以內;接近70%的定位偏差在10 m以內;90%的定位偏差在15 m以內，長時間的靜置實驗表明立體定位穩定性比較好。

4? 結? 語

隨著衛星導航平面定位、無線傳輸和大數據技術的發展和普及，為石化生產現場人員安全監護提供了新的解決思路。本文結合平面精確定位和高度檢測技術，針對石化生產現場特點，設計了一種立體定位終端。實驗結果表明，該立體定位終端平面定位誤差小于10 m，高度檢測誤差小于0.2 m，立體定位穩定性較好，可用于石化裝置現場人員精確定位。在石化安全生產和事故應急過程中可提供基于個體位置的安全預警，有利于提高安全管理的效率和針對性。

參考文獻

[1] 張磊，阮楨.100起危險化學品泄漏事故統計分析及消防對策[J].消防科學與技術，2014，33（3）：337?339.

[2] 王緒鵬.石化企業基于定位工卡的人員安全管控系統研發[J].廣州化工，2018，46（2）：176?178.

[3] 張鋒，李凱亮，曾俊林.基于物聯網技術的石化廠區有毒氣體泄漏在線監測系統[J].儀表技術與傳感器，2015（6）：95?98.

[4] 孫志宏.基于鄰近圖的無線傳感器網絡有毒氣體檢測算法的研究[D].武漢：武漢工程大學，2017.

[5] 矯冠瑛.石油化工企業危化品事故應急救援體系的構建[J].安全，2018，39（8）：12?15.

[6] 袁松.面向化工生產區的人員定位方法及其應用方案的設計與實現[D].杭州：浙江大學，2018.

[7] 王殿明.淺談石化企業的安全生產特點與管理對策[J].中國石油和化工標準與質量，2013，33（22）：228.

[8] 胡鵬飛.加強檢維修管理預防重大事故：化工行業檢維修重大事故匯總及風險預防[J].現代職業安全，2018（6）：81?84.

[9] 秦超.基于PDA的遼河石化公司重整裝置巡檢系統的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[10] 佚名.MC20 系列硬件設計手冊_V2.0[DB/OL].[2017?05?15].https：//www.quectel.com/cn.

[11] Anon. BMP280 digital pressure sensor data sheet [EB/OL]. [2016?12?02]. www.bosch?sensortec.com.

[12] 朱紅軍.基于氣壓傳感器的海拔高度測量系統設計[J].中國民航飛行學院學報，2015，26（4）：67?70.