化工園區(qū)智能化應急救援平臺框架構(gòu)建

康德禮，劉利民，紀紅兵，2

（1中山大學惠州研究院，廣東 惠州516081；2中山大學化學與化學工程學院，廣東 廣州510275）

化工園區(qū)智能化應急救援平臺框架構(gòu)建

康德禮1，劉利民1，紀紅兵1，2

（1中山大學惠州研究院，廣東 惠州516081；2中山大學化學與化學工程學院，廣東 廣州510275）

近年來我國化工園區(qū)得到了快速發(fā)展，但同時也聚集了事故風險。本文分析了化工園區(qū)應急管理工作的高復雜性和高難度，認為化工園區(qū)構(gòu)建智能化應急救援平臺能夠有效地提高應急的效率及決策的精準。并提出了智能化應急救援平臺的總體框架，總體框架由采集數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡和依據(jù)現(xiàn)場信息提出決策建議的數(shù)據(jù)處理兩大部分組成。從總體框架出發(fā)，得到構(gòu)建智能化應急救援平臺的四大要件：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析和執(zhí)行模塊，并就各個要件進行了一一描述，重點闡述了信息在應急過程中所起的重要作用。信息作為一種資源在應急救援的過程中與應急裝備起著同樣重要的作用，智能化應急平臺實現(xiàn)了在應急過程中信息的高效篩選、準確分析和快速有效流轉(zhuǎn)。智能化應急救援平臺旨在為化工園區(qū)事故救援過程提供高效、智能、直觀的決策支持和救援協(xié)助，得益于現(xiàn)場信息的快速精準獲取，對于促進精準應急起著重要的作用。

化工園區(qū)；安全；應急管理；智能化

隨著我國近年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，化工行業(yè)作為國民經(jīng)濟基礎行業(yè)做出了巨大的貢獻，同時隨著對安全和環(huán)保要求的進一步提高，促成了化工園區(qū)的快速發(fā)展。由于化工行業(yè)自身的特性造成了化工園區(qū)突發(fā)事件多發(fā)的高危區(qū)域，具體表現(xiàn)有：①化工園區(qū)內(nèi)的危險源數(shù)量多且密集；②園區(qū)發(fā)生事故易引發(fā)“多米諾骨牌效應”；③園區(qū)內(nèi)的企業(yè)在應急方面的綜合能力差距較大[1-2]。研究指出，成功的應急管理系統(tǒng)是可以幫助應急指揮人員對突發(fā)事件做出有效的反應[3]。但目前化工園區(qū)事故的應急管理工作主要依賴于園區(qū)的管理部門，應急決策的效果主要取決于指揮人員所掌握的信息量以及個人知識、經(jīng)驗水平[4-6]。但由于人為因素對應急管理的影響因素較多，需要組織協(xié)調(diào)的單位和團隊較多，加之在事故現(xiàn)場并不一定有大量事故應急救援相關的信息采集設備，因此在應急管理上難以做到零失誤，難以實現(xiàn)精細化的救援、精準救援。

目前社會的信息化、智能化進程正在快速推進，信息以及知識也成為了一種資源和決策點[7]。如何利用信息化和智能化的理念以及裝備，提高應急救援工作的效率，降低戰(zhàn)斗人員的風險，協(xié)調(diào)配合各個參與單位，實現(xiàn)精準救援具有重要的意義。

化工園區(qū)自興起以來國內(nèi)外學者就化工園區(qū)安全規(guī)劃、應急體系建設和管理、應急能力評估、安全應急軟件開發(fā)等領域進行了大量的研究，取得了一些成果，在實踐中也取得了一定范圍的印證，對推動化工園區(qū)安全發(fā)展起到了很好的指導作用。李傳貴等[8]通過對園區(qū)安全容量和危險量的分析，提出了一個化工園區(qū)“危安比”的參數(shù)及概念，依據(jù)這一參數(shù)將化工園區(qū)劃分為3個不同的值域區(qū)間，有針對性地分級制定安全規(guī)劃內(nèi)容?？档露Y等[9]就化工園區(qū)由于規(guī)劃、管理等方面原因而引起的安全問題，結(jié)合化工園區(qū)重大危險源數(shù)量大、事故發(fā)生快速、后果嚴重等現(xiàn)狀，在為應急救援能力的評價、應急救援綜合管理平臺的建設、石化園區(qū)應急救援管理體系的建立健全以及應用先進技術科學施救這4個方面論述了構(gòu)建化工園區(qū)應急救援體系。YANG等[10]借鑒生物學免疫現(xiàn)象，剖析了石化企業(yè)存在的各種免疫缺陷，提出了“培養(yǎng)-進化”的思想作為事故預防機理。馬良俊等[11]根據(jù)危險化學品事故特點與事故處置程序，建立了危險化學品事故安全生產(chǎn)應急輔助決策支持軟件平臺，該平臺利用GIS技術實現(xiàn)了事故基本情況、事故初始處置、事故事態(tài)發(fā)展、現(xiàn)場監(jiān)測預警等功能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，結(jié)合化工園區(qū)應急的特點，本文嘗試利用傳感器技術、移動通信技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、機器人技術等先進技術構(gòu)建智能化的化工園區(qū)應急救援平臺。

1 化工園區(qū)應急管理

化工園區(qū)應急救援的內(nèi)容和功能較為復雜，包括接警與通知、事故指揮與控制、警報和公告，信息流通、狀態(tài)監(jiān)測與評估、警戒與治安、疏散群眾與安置、醫(yī)療衛(wèi)生、公共關系、應急人員安全、消防和搶險、泄漏物控制、應急恢復等。這些核心功能之間相互具有一定的獨立性，并且各個核心功能的主導實施單位也不是同一家。正是這些核心功能構(gòu)成了應急救援工作整體，各個核心功能之間不是相互孤立的，是一個有機的整體。因此化工園區(qū)應急管理的工作重點就是需要明確執(zhí)行哪些核心功能、執(zhí)行一項核心功能的時候需要哪些實施單位配合、怎么樣實施救援工作這三個問題，簡單來說就是做什么、誰來做、怎么做的問題。

目前化工園區(qū)應急工作從應急的時間順序上一般分為事故預防、應急準備、應急反應、應急恢復4個階段。在不同的階段需要實施的核心功能不同，應急管理人員需要在不同的階段安排實施對應的核心功能，協(xié)調(diào)核心功能合作實施；解決做什么的問題。

每一個核心功能的實施并不是一個實施單位可以完全解決的，需要其他功能和實施單位的支持，相互之間有依存關系。應急管理人員需要協(xié)調(diào)核心功能實施單位和輔助功能實施單位之間無縫配合，提高應急的工作效率；解決誰來做的問題。

應急救援工作需要高的專業(yè)技術要求，救援工作中需要精確的數(shù)據(jù)來輔助，應急管理人員依據(jù)采集到的現(xiàn)場關鍵數(shù)據(jù)指導專業(yè)人員做出正確的救援動作；解決怎么做的問題。

應急救援管理人員要協(xié)調(diào)做什么、誰來做、怎么做這3個問題并不是憑借直觀推斷，一定是依靠大量的數(shù)據(jù)來支撐。這些數(shù)據(jù)的來源就是現(xiàn)場檢測和現(xiàn)場傳感器，目前化工園區(qū)的現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)較少。另外應急管理人員需要協(xié)調(diào)解決的內(nèi)容較多，而應急工作任務急、工作量大、不允許出錯，因此智能化的安全應急救援平臺輔助管理人員是最佳的選擇。

2 智能化應急救援平臺總體框架

智能化應急救援平臺的框架組成部分包括負責在現(xiàn)場采集信息的傳感器網(wǎng)絡和在后臺負責數(shù)據(jù)處理分析的服務器兩大部分組成。傳感器網(wǎng)絡由臨時固定在現(xiàn)場的傳感節(jié)點、現(xiàn)場救援人員穿戴的傳感節(jié)點以及由無人平臺搭載的傳感節(jié)點共同組成。后臺服務器由數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫部分、決策系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)處理部分將現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)進行整理并對數(shù)據(jù)進行上下限以及趨勢判斷以判斷現(xiàn)場狀態(tài)；數(shù)據(jù)庫部分包括?；窇睕Q策數(shù)據(jù)庫、應急預案以及周邊可調(diào)動的應急資源數(shù)據(jù)庫；決策系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)處理部分判斷的當前狀態(tài)以及調(diào)用相關數(shù)據(jù)庫對應急資源進行評估，借助相關的專家系統(tǒng)給出適合當前處置的建議。平臺的總體框架示意圖如圖1所示。

3 智能化應急救援平臺的構(gòu)建要件

智能化應急救援平臺要實現(xiàn)智能需要以下要件：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析和應急執(zhí)行。智能化救援平臺的這幾個要件也就是它的組成模塊，但體現(xiàn)到設備相互之間的界限并不那么明顯，一個設備可以具備多個要件，例如救援機器人同時具有數(shù)據(jù)采集、通信、執(zhí)行模塊。圖2所示為簡單的救援平臺各要件之間數(shù)據(jù)信息流轉(zhuǎn)的示意。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是通過檢測儀器或傳感器從事故現(xiàn)場采集所需要的數(shù)據(jù)，例如事故點的溫度信息、可燃氣體濃度、有毒氣體濃度、救援人員生命特征參數(shù)等數(shù)據(jù)對于救援管理的決策都是至關重要的。數(shù)據(jù)采集所用到的傳感器例如紅外熱成像儀、VOCs傳感器、可燃氣體傳感器等價格相對昂貴，多點布控的成本相對較高，因此讓傳感器動起來是最好的選擇，例如，利用無人平臺掛載傳感器進行采集不同點的數(shù)據(jù)是一種經(jīng)濟和安全的方案。

圖1 智能化應急救援平臺總體框架

圖2 智能化應急救援平臺的要件及信息流轉(zhuǎn)示意

利用事故現(xiàn)場布置的臨時固定式傳感器，救援人員攜帶的便攜式傳感器以及救援機器人和無人機掛載的可移動式傳感器組成一個傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)地面到空中的一體化全面監(jiān)控。如圖3所示為空地一體的事故現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)采集示意圖。

除了使用常見的便攜式傳感器和臨時的固定式傳感器之外，救援人員不便進入的區(qū)域或是情況不明的區(qū)域利用機器人載傳感器進入采集數(shù)據(jù)以降低救援人員的風險。利用空中的無人機機載傳感器檢測現(xiàn)場全面的信息數(shù)據(jù)，利用非接觸式測量傳感器可以實現(xiàn)遠程操控、遠程測量。例如在罐區(qū)火災救援中無人機機載紅外熱成像設備就極具優(yōu)勢，罐區(qū)火災除了要實時監(jiān)控著火點的溫度以確定如何救援或是安全的救援距離，周邊儲罐的溫度也是非常重要的參數(shù)，機載紅外熱成像設備可以實時的檢測周邊儲罐溫度以提醒及時加以處理，減少不必要的二次事故損失。

無人機以及機器人使用多個傳感器來采集特定的信息來提高準確性，因此需要應用先進的信息融合技術來消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，補償降低其不確定性，形成對所感知參數(shù)的相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性，同時降低決策風險。常見的信息融合技術有：加權(quán)平均法、Kalman濾波、擴展Kalman濾波、Bayes估計、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡以及基于行為方法和基于規(guī)則方法等。

3.2 數(shù)據(jù)通信

應急救援現(xiàn)場環(huán)境復雜且干擾眾多，救援現(xiàn)場有眾多臨時通信的傳感器需要與后臺或是相互之間通信，而救援現(xiàn)場的信息直接影響救援決策。因此要求數(shù)據(jù)通信要延遲小、可靠性高。救援現(xiàn)場的大部分數(shù)據(jù)采集裝置是臨時設備，因此無線通信是首選?？梢圆捎玫臒o線通信技術有數(shù)據(jù)電臺、WiFi、藍牙、3G公網(wǎng)、4G公網(wǎng)、4G非公網(wǎng)等，各種數(shù)據(jù)通信方式各有優(yōu)勢，具體采用何種數(shù)據(jù)通信方式與救援現(xiàn)場環(huán)境有關。

圖3 空地一體的事故現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)示意

圖4 化工園區(qū)內(nèi)可以使用的通信方式

對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題，可以從兩個方面來解決。一方面采取信息傳輸快、延時低的通信方式，例如數(shù)傳電臺、非公網(wǎng)4G等傳輸方式；另一方面可以從信息交互的角度來解決，在數(shù)據(jù)傳輸模塊前加裝分析模塊，對所獲取的數(shù)據(jù)進行前處理，僅傳輸關鍵的特征參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，降低不必要的信息冗余，以提高數(shù)據(jù)通信的實時性。

要提高通信的可靠性就需要借助抗干擾能力強的通信方式，由于化工園區(qū)救援現(xiàn)場多金屬裝置，因此對于抗電磁干擾以及信號的繞射性能的要求相對較高。提高信息傳輸?shù)目煽啃詮膬蓚€方面出發(fā)：一方面，充分研究各種通信方式的抗干擾性能以及信號傳輸性能，選用最適宜的信號傳輸方式和調(diào)制方式；另一方面，在通信系統(tǒng)中加入容錯模塊，使得通訊系統(tǒng)對于差錯給與檢查或糾正，不會因為出現(xiàn)差錯而導致通信系統(tǒng)崩潰，從而保證通信的可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)分析

除了智能化、全方位的數(shù)據(jù)采集之外，如何將采集到的大量傳感器數(shù)據(jù)整理、分析得到有用的關鍵信息是智能化應急救援平臺的核心。圖5為數(shù)據(jù)分析模塊工作的示意圖。

圖5 數(shù)據(jù)分析模塊工作示意

應急管理工作究其本質(zhì)就是對現(xiàn)場各種救援資源和力量的統(tǒng)籌和分配問題，反映到數(shù)據(jù)分析模塊就是解決一個最優(yōu)化分配的問題。最優(yōu)化的目標依據(jù)現(xiàn)場情況可能有所不同，可能是最快的完成救援、最經(jīng)濟的方式完成救援、最環(huán)保的方式完成救援、最安全的方式完成救援等等；最優(yōu)化的約束條件有：事故現(xiàn)狀、事故發(fā)展趨勢、應急資源分布、?；贩N類、周邊裝置、風向等。最優(yōu)化的目標不同則對整個救援資源進行一個優(yōu)化分配的結(jié)果就不同，例如最快的完成救援就不會去考慮因為救援使用泡沫或清水而造成大量的救援污水的環(huán)保問題和后續(xù)的處理費用問題。在實際救援過程中救援的不同階段中考慮的出發(fā)點不同，例如在火災事故救援初期就希望用最快的方式完成救援此時的優(yōu)化目標就是最快的完成救援，當火勢得到控制之后就更傾向于用最經(jīng)濟的方式去完成救援。約束條件越是詳細具體就越能實現(xiàn)精細化的救援，實現(xiàn)應急資源的最合理利用。

由于應急救援工作是一個動態(tài)的過程，事故狀態(tài)、救援力量以及救援資源都是在不停變化著的，即便是同樣的最優(yōu)化目標，在事故發(fā)展不同階段的解算結(jié)果也不同，因此整個分配和協(xié)調(diào)過程是一直在變化。在救援工作開展的不同階段，優(yōu)化的目標也有所區(qū)別。因此整個優(yōu)化過程是持續(xù)進行的。

數(shù)據(jù)分析模塊的另外一個重要的工作是預測事故。應急救援工作不僅僅是在事故發(fā)生后，應急救援工作覆蓋了事故前、事故中、事故后，在事故發(fā)生前的監(jiān)管和事故的預測是智能化所必需的內(nèi)容。管理平臺連接大量的傳感器，傳感器在不停地監(jiān)測著化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)的情況，管理平臺對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否有異常情況出現(xiàn)，若有異常則需要對異常情況進行嚴密監(jiān)測以防轉(zhuǎn)化為事故，從根源上降低事故發(fā)生的可能，如圖6所示。

3.4 應急執(zhí)行

應急救援過程的實施單元均為應急執(zhí)行模塊，包括救援人員、救援設備以及部分救援機器人設備。應急執(zhí)行模塊接受救援平臺發(fā)出的指令，實施救援行動，管理平臺需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術對執(zhí)行模塊進行監(jiān)控，見圖7。

對于應急救援戰(zhàn)斗人員，管理平臺通過可穿戴設備例如定制的智能手表、戰(zhàn)斗服等物聯(lián)設備監(jiān)控位置、分布、生命狀態(tài)、戰(zhàn)斗能力等，以實現(xiàn)對現(xiàn)場人員的精細化管理。

對于應急裝備按照類型、功能等屬性分類并且加裝RFID標簽等近場通信設備，救援平臺可以實時監(jiān)控事故現(xiàn)場裝備的數(shù)量、分布以及園區(qū)周邊的庫存情況，動態(tài)地了解救援資源的投入和存量情況。

利用物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)控救援現(xiàn)場資源的做法特別適合于有多支應急隊伍參與救援的情況。在有多支救援隊伍的情況下，每支應急隊伍除了對于自身任務和能力的了解外還需要對協(xié)作隊伍的任務和能力做充分的了解，防止出現(xiàn)因協(xié)作不一致造成的效率低下。利用物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)控可以對現(xiàn)場的救援力量有直觀、明確的計量，對于不同隊伍之間相互快速了解有著重要的作用。

圖6 日常的現(xiàn)場狀態(tài)判斷流程示意圖

圖7 應急執(zhí)行模塊信息傳遞示意圖

在救援過程中無人救援裝備的應用是一個趨勢，例如無人機、無人車、無人船的應用。由于無人救援裝備具有零人員傷亡、持續(xù)作業(yè)能力強、成本低等優(yōu)勢，特別適合化工事故的救援，代替救援戰(zhàn)斗人員執(zhí)行危險、惡劣的任務，另外由于無人裝備的安全距離相對救援人員更短，可以更加深入事故的中心，救援效率更高，特別是多無人救援裝備在不同的作業(yè)空間協(xié)同作業(yè)。無人救援裝備本身就帶有計算平臺和數(shù)據(jù)傳輸模塊，易與救援平臺對接，直接接收平臺發(fā)布的命令，實現(xiàn)精準救援。

4 結(jié)論

構(gòu)建化工園區(qū)智能化應急救援平臺，是符合當前社會信息化和智能化的大趨勢，隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術發(fā)展推進，聯(lián)網(wǎng)成本和傳感器成本的廉價化將是智能化應急平臺的支撐，采集大量的現(xiàn)場信息，為現(xiàn)場救援決策提供數(shù)據(jù)支持。

智能化應急救援平臺是圍繞著信息在應急救援過程中的應用，將信息作為一件新型的應急救援裝備而對待。因此構(gòu)建智能化應急救援平臺的兩個關鍵點是傳感器網(wǎng)絡的建立以及后臺數(shù)據(jù)的處理。傳感器網(wǎng)絡是信息采集設備，采用空地一體的監(jiān)控網(wǎng)絡，采用各種氣體傳感器、溫濕度傳感器、可見光相機、紅外熱成像儀等多種傳感器，以實現(xiàn)更加全面的現(xiàn)場信息采集；后臺數(shù)據(jù)的處理是整個系統(tǒng)提出智能化決策的重要部分，除了處理采集到的現(xiàn)場信息外還需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，綜合判斷決策以提出準確的建議。由于采用了智能化的后臺數(shù)據(jù)處理加上全面的傳感器網(wǎng)絡，因此有利于現(xiàn)場指揮全面的把控現(xiàn)場，便于準確地給每個單位下達命令，實現(xiàn)精準應急。智能化平臺提供應急建議，避免出現(xiàn)失誤而造成二次事故或應急人員的損失。

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Construction of intelligent emergency rescue platform for Chemical Industry Park

KANG Deli1，LIU Limin1，JI Hongbing1，2
（1Huizhou Research Institute of Sun Yat-sen University，Huizhou 516081，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，Guangdong，China）

Chemical Industry Parks are growing rapidly in recent years，but also are suffering from the increasing risk of accident. In this paper，the complexity and the degree of difficulty of emergency rescue management in the Chemical Industry Park were analyzed and it was found that the building intelligent emergency rescue platform could effectively improve the efficiency and accuracy of emergency rescue actions. The framework of the intelligent emergency rescue platform consisted of two parts: the sensor network for collecting data and the data processing based on field information for giving advices to commander. The four key points of intelligent emergency rescue platform including data acquisition，data analysis，communication and execution were presented. The role of information in the process of emergency rescue should be highlighted. Information as a resource had a significant contribution to emergency rescue similar with emergency equipment. The intelligent emergency rescue platform realized the efficient selection，accurate analysis and rapid transfer of information in the process of emergency，aiming to help decision-makers to make decisions quickly and properly by providing efficient，intelligent and intuitive knowledge. Due to the rapid and accurate access to the field of information，it played an important role in promoting accurate emergency.

Chemical Industry Park；safety；emergency management；intelligence

TQ-9

A

1000–6613（2017）04–1544–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.051

2016-10-11；修改稿日期：2016-12-09。

2015年廣東省省級安全生產(chǎn)專項（2015-39）及廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設專項資金（2014B090902006）項目。

康德禮（1989—），男，碩士研究生，研究方向為化工園區(qū)管理。聯(lián)系人：紀紅兵，教授，博士生導師，研究方向為綠色化工技術和化工園區(qū)管理。E-mail: jihb@mail.sysu.edu.cn。