基于物聯網的化工園區事故態勢感知方法及應用研究

張進校 岳建昌 胡麗彬 張進花

摘要：基于對化工園區事故態勢感知需求的分析，應用物聯網技術進行化工園區信息的采集與監測，在園區內設計無線傳感網絡，并提出以位置與剩余能量為基礎的集中分簇路由協議，之后，借助數據信息對化工園區的事故演化趨勢進行動態表征，在事故征兆出現之前提前完成對相關風險與異常情況的感知，最后，構建化工園區事故預警三維結構模型，從邏輯維、時間維與知識維3個維度衡量事故預警結構，明確事故熵預警流程，完成化工園區事故態勢感知的應用。

關鍵詞：物聯網，無線傳感網絡，化工園區，事故態勢感知，事故預警

中圖分類號：X937 文獻標識碼：A 文章編號：1001—5922（2021）02一0080—04

在城市規模日漸擴大的過程中，城市安全問題越來越彰顯出其重要性，危險物質的運輸與貯藏在很大程度上對城市安全形成威脅。特別是在化工園區，化工企業生產與儲存的危險品及產生的廢水、廢氣與固體廢棄物種類繁雜，數量眾多。近年來，我國發生了很多起嚴重的化工園區爆炸事故，所造成的損失非常大，生態環境也遭受到嚴重的破壞，不僅將城市安全問題的警鐘敲響，還讓人們意識到運輸與貯藏危險品潛在的事故威脅。

傳統的化工園區事故與風險管控技術存在監控覆蓋范圍小、實時信息共享性差、數據服務表觀化以及研判策略經驗化等不足。應用物聯網技術，可構建以數據為驅動、面向態勢感知的信息采集與響應系統，對于區域風險管控以及事故應急一體化、集成化水平的提升意義重大。文章針對化工園區危險物質的特性與管理需求，結合物聯網技術與表征系統紊亂無序程度的熵理論指導，進行區域性事故災害態勢感知與預警方法的探究。

1化工園區事故態勢感知需求

化工園區區域性事故態勢感知與預警是系統性的，為將此工作做好，應盡可能地確保各環節狀態信息采集的時效性，將其作為事故態勢感知與風險預警的數據信息，所以需要通過構建專用的化工園區區域性信息采集與傳輸網絡將信息傳遞給事故態勢感知平臺與風險預警平臺，為信息的及時采集提供保證。以信息的采集與處理為基礎，引入表征系統紊亂無序程度的熵理論對事故態勢進行感知與預警診斷，并提供相應的協同應急處置措施，以此有效控制事故的發生。圖1所示為事故態勢感知與預警系統邏輯圖。

化工園區信息采集要求針對不同的信息采集設備及所處的環境條件，進行事故態勢感知基礎設備與系統體系架構的逐步建立與完善。在執行化工園區的信息采集任務之時，應做到重點信息全覆蓋、輔助信息可獲取，為事故態勢的感知、診斷與預警提供有效支持。

2基于物聯網的化工園區信息采集與監測

化工園區的安全狀態實時監控覆蓋的區域范圍較大，涉及的監測目標對象眾多，信息的采集與感知應考慮日常監控與采集數據的穩定可靠性以及應急監測的機動靈活性。針對差異化的應用環境，物聯網的信息采集方式主要分為傳感器信號采集、射頻信號采集與視頻信號采集3種，傳感器采集方式主要用于化工園區廠房、車間、倉庫區環境參數等的采集，含溫度、濕度以及各種氣體濃度等;射頻信號采集方式主要用于移動車輛的管理，含出入庫登記、裝載危化品檢測等;視頻信號采集方式則主要進行化工園區公共區域、倉庫區以及園區樓宇等的監控，與紅外識別處理技術相結合達到智能視頻監控的目的。此處對無線傳感器網絡的相關設計進行研究，以無線傳感器的網絡通信協議為重點分析網絡布局與數據傳輸機制。

2.1無線傳感器網絡布局

圖2所示為化工園區無線傳感器網絡布局示意圖，該網絡由分布于各廠房區域內的各種類型傳感器節點組成。傳感器對化工園區內各個廠房、車間或倉庫區的環境狀態信息進行感知，并于區域內形成超級簇，向sink節點轉發這些數據，之后，sink節點在互聯網支持下同監控中心相連，由監控中心的故障感知與預警系統完成數據的存儲、分析、故障診斷預警功能。

無線傳感網絡采用人工布置方式在各廠房、車間或倉庫區所需監測的對象附近進行傳感節點的部署，并以此劃分監測區域為不同的區域組，各組對對應的區域負責。在監測區域內部，傳感器節點采用協同感知的方式對環境信息進行感知，可保證在監測區域任意時間采集、監測與預警的實現。此處的無線傳感網絡由sink節點與各廠房、車間或倉庫區的一級簇頭節點以及監測區域內的普通感知節點共同構成。在傳感器網絡中，很多節點能量與傳輸功率會受到限制，它們并不向sink節點直接轉發數據包，而是先成簇向位于附近的二級簇頭節點轉發，之后再由二級簇頭轉發給一級簇頭。而由于在收集到數據之后，一級簇頭會先執行數據融合任務，之后再單跳向sink節點轉發，這要求一級簇頭有足夠的能力以及對數據進行轉發與處理的能力，故此處無線傳感器網絡設計還需做好對一級簇頭與sink節點預先部署及能量不受限的工作。

2.2基于位置與剩余能量的集中分簇路由協議

在化工園區內，由無線傳感器組成的監測網絡為園區的信息監測任務提供支持，因此傳感器網絡的設計工作應將能量視作重點考慮因素。另一方面，傳感器這種信息采集設備具有敏感性，當有故障或意外發生之時，有時會出現早期預警狀況，這會造成很多危險的誤報。對此，提出一種基于位置與剩余能量的分簇路由協議，在此協議下，傳感器網絡節點按照廠房、車間或倉庫區劃分簇并進行一級簇頭的設置，區域中心即一級簇頭所在位置，其功能在于轉發區域數據。在此超級簇內，一級簇頭將全部節點位置及剩余能量綜合起來，進行二級簇頭的集中選擇，普通節點所感知到的數據經二級簇頭融合之后轉發給一級簇頭，之后由一級簇頭向sink節點轉發。基于位置與剩余能量的分簇路由協議以特定的應用場景為支持：①化工園區內的全部傳感器節點均通過人工布置;②在執行對傳感器節點的部署任務之時，還需完成超級簇的建立工作;③按照廠房、車間或倉庫區的范圍進行超級簇的部署;④各簇結合實際的監測需求確定節點數量;⑤各超級簇在控制區域內能夠實現協同感知預警事故的功能。

3化工園區事故態勢感知

3.1事故態勢感知方法

以事故熵為基礎的化工園區事故態勢感知是基于所采集與監測的化工園區信息進行的層次更高的態勢感知，如圖3所示，即基于物聯網技術采集與監測的信息數據，對化工園區的事故演化趨勢進行動態表征，在事故征兆出現之前提前完成對相關風險與異常情況的感知。通過部署以無線傳感器為主的物聯網設備獲得化工園區觀測樣本數據，是對園區故障熵增因子變化情況的宏觀監測，事故熵模型以采集與監測的數據時間序列下樣本的變化規律為基礎而構建，同時，做出某時刻同類信息數據有相同的正常標準數據這一假設。

該式將事故狀態與信息事故熵之間的關系連接起來，事故狀態的改變會決定事故熵的變化趨勢，以此達到度量采集信息表征故障狀態的目的。

4化工園區事故態勢感知應用——事故預警

4.1事故預警結構

化工園區事故預警將全面事故風險管理的思想體現出來，是基于對化工園區全方位與全過程的事故信息采集與監測而實施的事故管理模式。提前對事故狀態進行判斷是事故預警的核心，而實現對事故風險的“防患于未然”則是事故預警的最高目標。預警有預測與報警兩層面的劃分，化工園區事故態勢預警會根據所收集的相關事故信息與事故狀態，對園區當前的態勢進行評判，同時，預測性判斷園區今后的態勢，進而做出是否將警告發出的決定。系統工程的三維結構模型為事故預警提供了具有普適性的理論方法，以此結構為參考，對化工園區事故預警流程進行分析，構建如圖4所示的化工園區事故預警三維結構模型。

化工園區事故預警結構的衡量可從邏輯維、時間維與知識維3個維度來展開，其中，邏輯維對事故預警的邏輯過程進行分析，并設計化工園區預警框架，確定預警的對象與判據，并在此基礎之上完成對相應措施的制定以防控警情。時間維所表示的是預警的時間先后，亦即從事故態勢的識別到事故防控的全過程，同事故態勢感知的“察覺一理解一預測一響應”時間進程相對應。知識維是各類理論與技術方法，它們為成功的事故預警提供支持，化工園區事故態勢的感知、判斷與預警涉及控制論、突變論、系統論等多種分析方法。

4.2事故熵預警

1）預警指標：以事故熵值的變化作為對事故態勢進行判斷的依據，事故熵值越大，表明事故的發展狀態越紊亂。事故熵由信息事故熵與系統事故熵構成，前者是對采集與監測到的信息數據所引起的事故態勢演化的度量，信息的波動會改變信息的事故熵;后者是對整個化工園區事故態勢所做的系統衡量，反映的是多種事故相關的信息事故熵波動特征。實時采集與監測信息事故熵與系統事故熵，可動態掌握化工園區事故態勢的發展。

3）事故熵預警流程：在上述化工園區事故熵預警分析與閾值明確兩個環節，基于事故熵的化工園區事故態勢預警建立于對事故熵值序列進行預測的基礎上，通過對超出閾值的異常熵值的觀察與計算，將預警發布出來。圖5所示為事故熵預警機制流程。

5結語

化工園區內有很多危險物質與工藝裝置，潛在事故風險拓展由點及面。針對傳統風險管控技術的不足，進行以物聯網技術為基礎的化工園區事故態勢感知方法及應用研究，可在較大程度上提高化工園區風險管控與事故應急集成化的水平，有利于園區一體化安全管控的實現。