基于物联网的城市重大危险源检测与预警系统设计

引 言

随着我国工业技术的不断发展，一些以工业生产为主要支柱产业的工业型城市在经济快速发展的同时，也存在着不容忽视的安全隐患。如生产或使用危险化学品的企业、遍布城市各个角落的加油站和生产环境复杂的煤矿矿井等，安全生产的形式仍然十分严峻。加之城市人口密度大、重大危险源分布情况复杂、应急措施决策不及时等问题，一旦发生事故，对社会制度、人民财产安全和自然环境造成的损失无法估量。因此，迫切需要用传感器与物联网等现代化技术，对城市重大危险源进行检测和预警，从而最大限度降低城市的安全风险 [1]。

1 城市重大危险源检测与预警系统建设背景

1.1 国内外危险源检测技术的发展

所谓危险源，是指可能造成人身伤害、财产损失或者环境破坏等情况的危险因素和状态。

现在，重大危险源检测技术是全世界各国的重点研究问题之一，直接影响着社会、经济和技术的发展。1993 年第80 届国际劳工大会上，《预防重大工业事故公约》要求世界各国对重大危险源进行持续管理和监控。为了实现这一目标， 欧盟建立了重大危险源监控系统，美国和沙特阿拉伯联合开发了天然气监督管理系统。而最著名的数据采集与监视控制系统 SCADA 则运用计算机技术对生产过程、设备运行等情况进行监视和控制 [2]。

国内的重大危险源监测技术研究开展的较晚，软硬件设备目前还不完善，与先进国家相比存在一定差距。存在的主要问题包括监测系统所需的精密仪器依赖进口、设备检测和控制水平低、安全信息管理混乱等。

1.2 城市重大危险源检测的必要性

随着现代化工业生产的发展，城市人口密集，城市重大危险源一旦发生事故，将对人民生命财产、社会生产、城市环境等造成严重危害。因此，城市重大危险源的检测和预警工作被各部门和企业重视，已经成为国家安全生产的重要任务之一。

2 城市重大危险源检测的理论基础

2.1 城市重大危险源分类

目前，城市重大危险源主要有如下 3 种类型。

(1) 静态危险源，指存在于生产系统中、可能因意外而释放或泄漏的能量或者物质。

(2) 可能因人员失误、设备障碍或环境因素等导致的能量物质约束措施失效的情况。

(3) 因管理缺陷、组织失误、管理决策失误、系统扰动等，造成生产系统畸变、破损失调、运行无序等的不安全因素。

本文所讨论的城市重大危险源主要指城市中危险化学品生产、经营、储存和使用单位的贮罐区（贮罐）、库区（库） 和生产场所等存放的危险化学品及重大危险源。

2.2 危险源辨识的相关定义

单元 ：一套生产装置和设施或一个生产场所，抑或位于同一厂区且它们之间的距离小于 500 m 的设备或场所。

临界量 ：是用来界定重大危险源的重要指标，是危险物质在安全范围内的数量，如果超出临界量则将此单元认定为重大危险源。

2.3 城市重大危险源的辨识

结合城市特点，本文主要讨论化工类、压力设备和矿山类的危险源辨识问题。

(1) 化工类危险源辨识

化工类危险源主要存在于存储或使用危险化学物质的区域。如果是单一品种的化学物质，对其辨识主要是将单元内危险物质的量与临界量进行比对 ；如果是多种危险物质，当各危险物质的实际量与临界量的比值之和大于等于 1 时，则认定为重大危险源。

(2) 压力设备危险源辨识

压力设备指压力管道容器与锅炉等设备，这些设备中一般含有易燃易爆物质，具有危险能量，且工作时处于高温或高压状态，一旦发生事故破坏性极大，对其识别的方法主要为与临界量做比较。

(3) 煤矿重大危险源辨识

煤矿类矿井的危险源辨识主要包括瓦斯，CO，CO2 等气体的检测与监控，一旦超过临界值，将根据危险级别采取不同的措施 [3]。

各类物质和场所的临界量确定参考我国出台的《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》。

3 城市重大危险源检测与预警系统设计

3.1 物联网技术在系统中的应用

随着物联网技术的不断发展与在各个行业的深入应用， 建设一个基于物联网技术的城市重大危险源检测与预警系统，可以大大方便对各类危险源的实时监控和预警。综合运用传感器技术、无线传输技术、计算机网络技术和自动控制技术等实现对危险源环境、受控设备运行参数的远程检测， 一旦发生险情前兆，系统可自动发出预警信息，方便管理人员采取应急措施。

物联网技术在城市重大危险源检测与预警系统中的主要应用 ：利用各类新型传感器采集危险源现场数据，在保证数据实时性的同时降低人员工作的危险性 ；利用无线通信技术实现数据的远距离传输。

3.2 检测与预警系统设计

本系统通过前端采集设备对城市重大危险源的重要数据进行实时采集，经加密处理后通过无线传输网络将数据传输到应用服务器并存入数据库。管理人员可通过授权登录网络客户端或者通过手机实时获取各重大危险源的工作情况。一旦出现突发情况，系统会通过网络客户端和手机进行报警[4-6]。检测与预警系统总体设计如图 1 所示。

3.3 检测与预警系统功能设计

城市重大危险源检测与预警系统的主要功能包括现场数据实时采集与分类、数据传输、危险源辨识、设备远程控制、报警预警设置、数据统计分析、报表生成等。

系统通过现场的传感器设备自动获取实时监控数据，将数据通过无线网络传输到服务器。通过采集生产现场的实时数据，管理人员可随时随地了解生产现场的工作情况，并根据现场数据做出相应决策，对现场的各种设备和控制系统进行远程监控。系统可以预设报警限值，对监控参数的异常变化进行报警。根据不同的现场处置方式，当数据达到对应数值时，将报警信息发送至不同的管理级别或范围 [7-10]。

根据不同用户权限的设置还可以实现数据统计分析、历史数据查询和报表生成打印等功能。系统功能界面如图 2 所示，系统报表生成和打印界面如图 3 所示。

图 2 系统功能界面

图 3 系统报表生成和打印界面

4 结 语

物联网技术的应用，为城市重大危险源的检测和预警工作提供了更便捷、更智能的模式。文章设计了基于物联网技术的城市重大危险源检测与预警系统，实现了危险源现场参数数据实时有效的采集，将数据进行分类汇总和预警处理。并通过网络客户端和手机客户端将数据展示、推送给管理者，同时实现了预警提醒、历史数据查询、报表生成等功能。