基于物联网的化工园区事故态势感知方法及应用研究

张进校 岳建昌 胡丽彬 张进花

摘要：基于对化工园区事故态势感知需求的分析，应用物联网技术进行化工园区信息的采集与监测，在园区内设计无线传感网络，并提出以位置与剩余能量为基础的集中分簇路由协议，之后，借助数据信息对化工园区的事故演化趋势进行动态表征，在事故征兆出现之前提前完成对相关风险与异常情况的感知，最后，构建化工园区事故预警三维结构模型，从逻辑维、时间维与知识维3个维度衡量事故预警结构，明确事故熵预警流程，完成化工园区事故态势感知的应用。

关键词：物联网，无线传感网络，化工园区，事故态势感知，事故预警

中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1001—5922（2021）02一0080—04

在城市规模日渐扩大的过程中，城市安全问题越来越彰显出其重要性，危险物质的运输与贮藏在很大程度上对城市安全形成威胁。特别是在化工园区，化工企业生产与储存的危险品及产生的废水、废气与固体废弃物种类繁杂，数量众多。近年来，我国发生了很多起严重的化工园区爆炸事故，所造成的损失非常大，生态环境也遭受到严重的破坏，不仅将城市安全问题的警钟敲响，还让人们意识到运输与贮藏危险品潜在的事故威胁。

传统的化工园区事故与风险管控技术存在监控覆盖范围小、实时信息共享性差、数据服务表观化以及研判策略经验化等不足。应用物联网技术，可构建以数据为驱动、面向态势感知的信息采集与响应系统，对于区域风险管控以及事故应急一体化、集成化水平的提升意义重大。文章针对化工园区危险物质的特性与管理需求，结合物联网技术与表征系统紊乱无序程度的熵理论指导，进行区域性事故灾害态势感知与预警方法的探究。

1化工园区事故态势感知需求

化工园区区域性事故态势感知与预警是系统性的，为将此工作做好，应尽可能地确保各环节状态信息采集的时效性，将其作为事故态势感知与风险预警的数据信息，所以需要通过构建专用的化工园区区域性信息采集与传输网络将信息传递给事故态势感知平台与风险预警平台，为信息的及时采集提供保证。以信息的采集与处理为基础，引入表征系统紊乱无序程度的熵理论对事故态势进行感知与预警诊断，并提供相应的协同应急处置措施，以此有效控制事故的发生。图1所示为事故态势感知与预警系统逻辑图。

化工园区信息采集要求针对不同的信息采集设备及所处的环境条件，进行事故态势感知基础设备与系统体系架构的逐步建立与完善。在执行化工园区的信息采集任务之时，应做到重点信息全覆盖、辅助信息可获取，为事故态势的感知、诊断与预警提供有效支持。

2基于物联网的化工园区信息采集与监测

化工园区的安全状态实时监控覆盖的区域范围较大，涉及的监测目标对象众多，信息的采集与感知应考虑日常监控与采集数据的稳定可靠性以及应急监测的机动灵活性。针对差异化的应用环境，物联网的信息采集方式主要分為传感器信号采集、射频信号采集与视频信号采集3种，传感器采集方式主要用于化工园区厂房、车间、仓库区环境参数等的采集，含温度、湿度以及各种气体浓度等;射频信号采集方式主要用于移动车辆的管理，含出入库登记、装载危化品检测等;视频信号采集方式则主要进行化工园区公共区域、仓库区以及园区楼宇等的监控，与红外识别处理技术相结合达到智能视频监控的目的。此处对无线传感器网络的相关设计进行研究，以无线传感器的网络通信协议为重点分析网络布局与数据传输机制。

2.1无线传感器网络布局

图2所示为化工园区无线传感器网络布局示意图，该网络由分布于各厂房区域内的各种类型传感器节点组成。传感器对化工园区内各个厂房、车间或仓库区的环境状态信息进行感知，并于区域内形成超级簇，向sink节点转发这些数据，之后，sink节点在互联网支持下同监控中心相连，由监控中心的故障感知与预警系统完成数据的存储、分析、故障诊断预警功能。

无线传感网络采用人工布置方式在各厂房、车间或仓库区所需监测的对象附近进行传感节点的部署，并以此划分监测区域为不同的区域组，各组对对应的区域负责。在监测区域内部，传感器节点采用协同感知的方式对环境信息进行感知，可保证在监测区域任意时间采集、监测与预警的实现。此处的无线传感网络由sink节点与各厂房、车间或仓库区的一级簇头节点以及监测区域内的普通感知节点共同构成。在传感器网络中，很多节点能量与传输功率会受到限制，它们并不向sink节点直接转发数据包，而是先成簇向位于附近的二级簇头节点转发，之后再由二级簇头转发给一级簇头。而由于在收集到数据之后，一级簇头会先执行数据融合任务，之后再单跳向sink节点转发，这要求一级簇头有足够的能力以及对数据进行转发与处理的能力，故此处无线传感器网络设计还需做好对一级簇头与sink节点预先部署及能量不受限的工作。

2.2基于位置与剩余能量的集中分簇路由协议

在化工园区内，由无线传感器组成的监测网络为园区的信息监测任务提供支持，因此传感器网络的设计工作应将能量视作重点考虑因素。另一方面，传感器这种信息采集设备具有敏感性，当有故障或意外发生之时，有时会出现早期预警状况，这会造成很多危险的误报。对此，提出一种基于位置与剩余能量的分簇路由协议，在此协议下，传感器网络节点按照厂房、车间或仓库区划分簇并进行一级簇头的设置，区域中心即一级簇头所在位置，其功能在于转发区域数据。在此超级簇内，一级簇头将全部节点位置及剩余能量综合起来，进行二级簇头的集中选择，普通节点所感知到的数据经二级簇头融合之后转发给一级簇头，之后由一级簇头向sink节点转发。基于位置与剩余能量的分簇路由协议以特定的应用场景为支持：①化工园区内的全部传感器节点均通过人工布置;②在执行对传感器节点的部署任务之时，还需完成超级簇的建立工作;③按照厂房、车间或仓库区的范围进行超级簇的部署;④各簇结合实际的监测需求确定节点数量;⑤各超级簇在控制区域内能够实现协同感知预警事故的功能。

3化工园区事故态势感知

3.1事故态势感知方法

以事故熵为基础的化工园区事故态势感知是基于所采集与监测的化工园区信息进行的层次更高的态势感知，如图3所示，即基于物联网技术采集与监测的信息数据，对化工园区的事故演化趋势进行动态表征，在事故征兆出现之前提前完成对相关风险与异常情况的感知。通过部署以无线传感器为主的物联网设备获得化工园区观测样本数据，是对园区故障熵增因子变化情况的宏观监测，事故熵模型以采集与监测的数据时间序列下样本的变化规律为基础而构建，同时，做出某时刻同类信息数据有相同的正常标准数据这一假设。

该式将事故状态与信息事故熵之间的关系连接起来，事故状态的改变会决定事故熵的变化趋势，以此达到度量采集信息表征故障状态的目的。

4化工园区事故态势感知应用——事故预警

4.1事故预警结构

化工园区事故预警将全面事故风险管理的思想体现出来，是基于对化工园区全方位与全过程的事故信息采集与监测而实施的事故管理模式。提前对事故状态进行判断是事故预警的核心，而实现对事故风险的“防患于未然”则是事故预警的最高目标。预警有预测与报警两层面的划分，化工园区事故态势预警会根据所收集的相关事故信息与事故状态，对园区当前的态势进行评判，同时，预测性判断园区今后的态势，进而做出是否将警告发出的决定。系统工程的三维结构模型为事故预警提供了具有普适性的理论方法，以此结构为参考，对化工园区事故预警流程进行分析，构建如图4所示的化工园区事故预警三维结构模型。

化工园区事故预警结构的衡量可从逻辑维、时间维与知识维3个维度来展开，其中，逻辑维对事故预警的逻辑过程进行分析，并设计化工园区预警框架，确定预警的对象与判据，并在此基础之上完成对相应措施的制定以防控警情。时间维所表示的是预警的时间先后，亦即从事故态势的识别到事故防控的全过程，同事故态势感知的“察觉一理解一预测一响应”时间进程相对应。知识维是各类理论与技术方法，它们为成功的事故预警提供支持，化工园区事故态势的感知、判断与预警涉及控制论、突变论、系統论等多种分析方法。

4.2事故熵预警

1）预警指标：以事故熵值的变化作为对事故态势进行判断的依据，事故熵值越大，表明事故的发展状态越紊乱。事故熵由信息事故熵与系统事故熵构成，前者是对采集与监测到的信息数据所引起的事故态势演化的度量，信息的波动会改变信息的事故熵;后者是对整个化工园区事故态势所做的系统衡量，反映的是多种事故相关的信息事故熵波动特征。实时采集与监测信息事故熵与系统事故熵，可动态掌握化工园区事故态势的发展。

3）事故熵预警流程：在上述化工园区事故熵预警分析与阈值明确两个环节，基于事故熵的化工园区事故态势预警建立于对事故熵值序列进行预测的基础上，通过对超出阈值的异常熵值的观察与计算，将预警发布出来。图5所示为事故熵预警机制流程。

5结语

化工园区内有很多危险物质与工艺装置，潜在事故风险拓展由点及面。针对传统风险管控技术的不足，进行以物联网技术为基础的化工园区事故态势感知方法及应用研究，可在较大程度上提高化工园区风险管控与事故应急集成化的水平，有利于园区一体化安全管控的实现。