化工园区危化气体污染物实时监测与预警系统的设计与实现

张 威

（1.福建经纬测绘信息有限公司，福建福州 350001；2.武汉大学 通导遥集成应用工程研究中心，湖北武汉 430079）

随着全球经济和技术水平的日益进步，国内外石化产业快速发展的同时产能规模日趋扩大，生产过程中涉及的化学品类型和体量也越来越多，化学品危险性复杂多样[1-2]。由于设备故障和人为失误以及恐怖组织活动等因素，危化品的泄漏事故和恐怖袭击时有发生，尤其是有毒有害气体在生产、运输或贮存的过程中意外泄，造成巨大的生命危害和财产损失。1984年联合碳化物（印度）有限公司博帕尔市氰化物泄漏事件，直接致死1万多人，陆续致使超过55万人死于和化学中毒有关的肺癌、肾衰竭、肝病等疾病[3]。根据ILO 2004年4月28日在其网站发布的报告——《28 April，World Day for Safety and Health at Work——Two million work deaths a year：A preventable tragedy》，截至2004年，死亡人数已上升至2万人，成为迄今为止世界上最严重的危险化学品事故灾难，导致当地现在新生婴儿畸形病变发病率非常高，事故的影响至今仍未能完全消除。经调查，缺乏合理可靠的监测及预警机制、违规操作等为核心原因。

通过上述案例可知，危险化学品工业事故与其他事故相比有突出特点[4]：

1）发生突然，危险因素多，抢险防护困难。危险化学品工业事故的发生比较突然，在瞬间或短时间内大量有毒有害的化学品外泄，发生猛烈的爆炸、燃烧，特别是当前化工园区存储装置日趋大型化（如合成氨、氯碱、氰化氢等），化学品多易燃、易爆、有毒、有害。在居民集中区，有毒气体迅速向人口密集区扩散，抢险过程十分困难，严重威胁公众生命安全。

2）扩散迅速，危害范围广。突发性危险化学品事故中有毒有害化学品的泄漏，严重污染了空气、土壤、地表水和地下水等，特别是有毒有害气体在短时间内就可能扩散到几百米甚至几千米远。

因此，国家高度重视化工园区有毒有害气体环境风险预警体系建设工作[5]，各国政府及各化工园区急需高效可靠的工业化工园区危化气体监测与应急预警技术支撑，构建可支撑工业化工园区危化气体实时监测与污染扩散精准化模拟评估平台已经成为必须。在技术研发方面，目前市场上已有的工业化工园区的监测与应急预警系统，多以数据为中心的被动式服务模式，缺乏对危化气体的全面实时监测能力，数据孤岛和系统孤岛问题突出，资源贡献困难，数据管理与处理能力差，预警决策方案的不确定性和不可靠性问题极其突出，系统自动化与智能程度低[6]，上述问题严重制约了已有系统在危化气体实时监测与应急决策业务中实际应用效能。本文将面向国家政府及各工业化工园区对危化气体泄漏实时监控与精准化模拟需求，针对不同危化气体泄漏过程特征突发性强、危害性广的特征，开发和集成更全面的危化气体实时监控与污染扩散精准化模拟评估系统，并构建面向具体工业化工园区应用的实时监测与模拟决策系统。同时，将引入化工园区点线面协同观测、实时监测大数据在线分析、多维动态展示以及面向多层级用户的自适应决策产品等相关信息，辅助实现实时精准化危化气体模拟评估，以满足复杂区域化工园区精准管理需求。

1 平台总体架构设计

现有的化工园区危化气体泄漏监测与模拟预警软体在系统功能、可用性、易用性、交互性等方面均不够完善，数据管理与处理能力差，资源共享困难，系统自动化与智能程度低，针对突发性污染扩散过程的模拟分析处理过程中也普遍面临计算效率低下和计算精度可靠性低的问题，在数据分析、计算、转换等信息处理的时效性及信息加载的主动性方面不够，皆需大量的人工参与，造成了系统决策时效性不强。

针对上述问题，基于面向服务的体系结构与虚拟地理环境的基础思想，本项目将首先基于虚拟地理环境理论架构及综合空间信息服务标准体系与集成规范，通过服务总线和消息总线等系统架构设计技术的综合应用，构建开放的、可伸缩、可定制的系统架构。通过数据、应用程序、模型的服务化封装以及软硬件虚拟化等关键技术的成果转化与技术集成，提供一个以用户为目标、以需求为驱动、以实际业务需求为导向、资源可动态配置、服务可按需提供的综合服务系统，在此基础上，实现各类资源优化配置与智能管理，多源信息高效处理与可视化分析，污染物泄漏扩散过程的精准化模拟与定量评估，面向多层级用户的多模式产品集成服务与综合应用信息服务系统。化工园区危化气体泄漏实时监测与模拟评估系统总体架构如图1所示。

图1 化工园区危化气体泄露实时监测与模拟评估系统总体架构

核心关键技术模块如下：

1.1 环境监测时空大数据多模式组织与管理引擎

空间信息技术在化工园区危化气体监测预警业务中具有广阔的应用前景，但由于存在数据海量、数据分布、多源异构、处理复杂、计算效率低等问题，无法得到深入的应用，难以实现有效的共享集成和应用协同，长期积累下来的各种信息资源分布于异构自治的空间信息系统中，数据共享与服务共享困难，形成“信息孤岛”“数据孤岛”和“系统孤岛”[7]。针对化工园区危化气体监测预警管理的空间信息应用中存在的实际问题和应用需求，研发了分布式环境监测时空大数据多模式组织与管理引擎，综合管理业务中的实时测站监测数据、遥感数据、基础地理数据、备灾数据、预警辅助专题数据、历史灾情案例数据和综合应用产品数据等多种空间信息。一方面实现高效快捷的综合信息整合、基础建库与更新发布服务，另一方面实现空间信息数据中心面向主题的智能数据管理，通过对数据库系统的有效管理和维护，提供数据信息及空间数据资源访问查询、更新与不同层级应用系统的交换共享应用。通过将软件功能、管理策略与硬件平台的特性、功能相融合，充分发挥了软硬件结合的智能管理理念，动态优化数据，实现了海量、多源异构的综合空间信息高效灵活的存储、利用和保护。

环境监测时空大数据多模式组织与管理引擎的设计与研发，主要是针对时空大数据中实时传感器动态监测数据流（原位传感器时间序列数据、视频流）、实时仿真数据以及各类历史基础地理信息的时空特性及海量数据特点，综合管理多种环境监测地理时空大数据，主要包括面向服务的智能数据组织模型设计、面向高性能分析的环境监测大数据存储技术方案研究、面向主题的智能信息检索技术等关键技术攻关，并在此基础上，实现资源中心、实时接入功能模块、数据智能管理功能模块、资源调度管理功能模块、业务运行管理模块、用户管理模块等功能模块的研发。

1.2 高并发地理计算与模拟分析在线服务引擎

提供高性能计算资源库和空间分析算法库、高性能仿真计算组件。高并发地理计算与仿真分析在线服务引擎面向化工区域空气质量仿真决策分析实际地理计算与空间分析需求，综合运用几何逻辑运算、数理统计分析、代数运算等数学手段，提供高性能计算资源库和空间分析算法库以及各类空间信息分析算法的工具化，提供对污染物浓度分布、扩散趋势的多维动态仿真，并在内核数据服务、计算服务和多维动态可视化服务支撑下，提供面向现代浏览器和主流移动终端的多维动态仿真分析交互工具。针对时空大数据计算与在线仿真分析计算中分布式、并行化、实时性、高通量等特点，建立消息传递、映像-归约、内存计算、实时计算、流式计算等各种计算范式的集成调度框架，实现多范式计算模型的高性能计算资源统一动态管理和优化配置，保证系统地理计算与仿真分析服务的时效性[8]。高并发地理计算与仿真分析在线服务引擎核心功能模块的设计与研发主要包括：污染机理模型库的设计与实现、高性能地理分析计算与空间分析工具集、高性能实时仿真分析计算组件以及环境监测大数据在线处理与分析功能组件的研发设计与实现。

1.3 多源时空大数据与污染扩散过程的多维动态可视化引擎

为实现多源监测数据及各项中间处理结果、实时模拟决策等在虚拟环境下进行实时、多维动态、交互的展示与查询功能，设计与研发多源时空大数据与污染扩散过程的多维动态可视化引擎。

基于基础地理数据、污染场景以及各类地理时空大数据等信息，向各级用户提供如化工园区危化气体泄漏与污染扩散信息的可视化服务以及会商决策环境，为应急、指挥、救助以及评估决策提供直观、高效的可视化服务支持。特别针对政府、环保部门、现场、公众等不同处理能力、不同需求用户，对空气质量监测、空气质量仿真评估等服务产品的内容、产品尺度、服务时效性要求，产品分发交换格式，服务方式等进行设计和划分，为不同级别、不同需求用户提供环境监测数据产品、空气质量仿真评估产品、决策支持产品及现场检校产品等的编辑制作、集成加工等功能[9]。通过统一的制作模板和业务流程，将产品以图形、图像、专题图件、表格、文字报告、多媒体等多种形式表示，实现产品以在线发布、数据库入库等多种方式提供给最终用户。

多维动态可视化引擎能够提供描述、解释和探索三个层次的可视化分析能力[10]。其中：

（1）描述层：用于展示化工园区地理全要素基础的属性、时间、空间信息；包括园区概况（园区范围、空间、位置几何等基本情况、站房分布情况、园区气象情况等）、污染源（气态液态固态污染要素和专题归类分级）、环境受体（按排放源、运动状态、形成几何分布等分类方式，进行污染物的排放量统计与呈现，按因子进行排放量与浓度统计与呈现，实时反映存量与流量）。

（2）解释层：对常态和非常态污染事件、污染物空间分布等状态进行预测分析和评估；常态情况下，结合行业类型、企业类型研究得出的污染物排放规律性与当前现状排放规律进行分析，当超过某个阈值时可视化平台发出预警信号；非常态综合实时接入的监测数据、模拟模型以及历史信息等，进行状态预警、预测预警和历史预警。

（3）探索层：综合资源时空量质、循环特征及再生能力，化工园区企业对资源消耗稳定或达到可再生性维持等目标，进行环境污染的人群健康风险挖掘、重金属污染的累积风险评价、生态风险评价分析等综合应用。

2 青海甘河工业园区污染监测系统

基于上述关键技术，构建了青海化工园区污染监测系统，有效服务于园区危化气体污染物的实时监测与评估。青海化工园区污染监测系统界面图如图2所示。

图2 青海化工园区污染监测系统界面

其中，实时监测数据接入模块：系统管理维护西宁市的甘河化工园区、东川化工园区、北川化工园区、湟中县西山化工园区的多个测站的三百余种污染物实时监测数据；由历史数据迁移和实时数据接入更新两个子模块组成。历史数据迁移子模块负责将存储在Sql Server 中某一时段的历史监测数据根据一定规则和机制迁移到存储实时监测数据的MongDB 中；实时数据更新子模块则负责将某一时间节点后Sql Server 中的实时监测数据同步更新到MongDB 实时数据库中。

青海化工园区污染监测系统功能截图如图3所示。

图3 青海化工园区污染监测系统功能截图

危化气体监测数据多维动态可视分析模块：主要负责包括实时数据、历史数据的三维呈现，因子数据变化动态可视分析、各个站房污染物因子热力分析、各个站房因子的统计分析及其他一些可视化分析功能，具体可视化效果分为描述性、解释和探索可视分析三个层次。青海化工园区污染监测系统可视化内容设计表如表1所示。

表1 青海化工园区污染监测系统可视化内容设计表

3 结论

当前化工园区的生产安全事故和存在的隐患呈上升态势，亟需高效可靠的化工园区危化气体监测与预警系统。危化气体泄漏除了给国家带来巨大的财产损失以及生态环境的严重破坏以外，更是给群众的生命健康带来严重威胁[11]。面向化工园区危化气体实时监测与精准模拟评估需求，以青海化工园区为例，介绍了一种化工园区危化气体实时监测与污染扩散模拟评估系统的设计与实现方案，并以青海化工园区实际验证了本文方法的有效性。