智慧化工園區(qū)整體解決方案設(shè)計展望

汪志偉，何德頌，梁 達，張洪偉

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

化工行業(yè)屬于傳統(tǒng)的流程工業(yè)領(lǐng)域，具備投資大、風(fēng)險大和環(huán)保要求嚴格等特點[1]?；@區(qū)內(nèi)危化企業(yè)多，生產(chǎn)、貯存的危險化學(xué)品種類多、數(shù)量大、密度高，能量高度積聚。一方面，傳統(tǒng)園區(qū)由于監(jiān)管方式單一，各企業(yè)安防、應(yīng)急管理手段落后，安全容量難以有效控制；另一方面，傳統(tǒng)園區(qū)信息化程度低，各級數(shù)據(jù)之間壁壘嚴重，主管部門與入園企業(yè)溝通效率低下，難以整體高效地管控。因此，微小隱患時常由于得不到有效管控而引起泄漏、爆炸等事故，造成不必要的人身財產(chǎn)損失，帶來不良的社會影響。

近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能(AI)等新技術(shù)蓬勃發(fā)展，促進了化工園區(qū)向精細化、信息化和智慧化方向轉(zhuǎn)型。2015年，工業(yè)和信息化部印發(fā)《關(guān)于促進化工園區(qū)規(guī)范發(fā)展的指導(dǎo)意見》，將智慧園區(qū)建設(shè)作為化工園區(qū)規(guī)范發(fā)展的重要方面[2]。2016年，江蘇省政府發(fā)布《關(guān)于深入推進全省化工行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的實施意見》，成為首家對智慧化工園區(qū)建設(shè)作出政策指導(dǎo)的省份[3]。2017年7月，中國空間技術(shù)研究院研制的智慧化工園區(qū)Asoco信息系統(tǒng)在嘉興港區(qū)上線啟動[4]。2018年8月，嘉興港區(qū)開發(fā)建設(shè)管委會印發(fā)了DB3304/T001-2018智慧化工新材料園區(qū)建設(shè)與管理通用規(guī)范，規(guī)定了智慧化工新材料園區(qū)的規(guī)劃建設(shè)、運行維護、服務(wù)管理和安全保障要求[5]。2019年，國家標準制定工作組正式面向行業(yè)進行《智慧化工園區(qū)建設(shè)指南》標準草案的意見征詢[6]。種種跡象表明，智慧化工園區(qū)建設(shè)標準和內(nèi)容在不斷更新和完善，其建設(shè)規(guī)模和步伐也在不斷加快。

基于化工園區(qū)對綠色生態(tài)、安全生產(chǎn)、高效管控的建設(shè)需求，本文提出一種“1+3”的智慧化工園區(qū)設(shè)計方案。該方案由一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺和三個業(yè)務(wù)平臺組成，綜合企業(yè)系統(tǒng)終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備數(shù)據(jù)、多媒體視頻數(shù)據(jù)和GIS地理位置數(shù)據(jù)等，從安全監(jiān)管、環(huán)保節(jié)約、能源管理、應(yīng)急聯(lián)動和公共服務(wù)等方面介紹化工園區(qū)智慧化建設(shè)方法。

1 智慧化工園區(qū)構(gòu)架

本文的智慧化工園區(qū)基于“1+3”的模式構(gòu)建，即由一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺和三個業(yè)務(wù)管理平臺組成，其構(gòu)架見圖1。一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺為上層的業(yè)務(wù)管理平臺提供服務(wù)。化工生產(chǎn)流程精細而復(fù)雜，生產(chǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)量大，租用商業(yè)性質(zhì)的云平臺不僅成本高，而且數(shù)據(jù)安全性、私密性難以保證，因此，化工園區(qū)多采用自建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的方式。

圖1 智慧化工園區(qū)構(gòu)架

三個業(yè)務(wù)管理平臺，即園區(qū)在正常運營狀態(tài)下的綜合管理平臺、事故狀態(tài)下的應(yīng)急指揮平臺和提供公共服務(wù)的運營管理平臺?？紤]到化工園區(qū)的管理介于企業(yè)管理與政府監(jiān)管之間，綜合管理平臺分安全、環(huán)保和能源等三個方面為園區(qū)管委會和企業(yè)提供業(yè)務(wù)服務(wù)，幫助管委會提升精細化管控能力，幫助企業(yè)進行“安穩(wěn)長滿優(yōu)”的生產(chǎn)。應(yīng)急指揮平臺利用政府、社會、企業(yè)等各方救援力量，為園區(qū)提供統(tǒng)一的指揮調(diào)度、智能輔助、模擬演練和預(yù)案管理等服務(wù)，確保事故得到及時、有效的應(yīng)急處置。運營管理平臺包含封閉管理、園區(qū)檔案、園區(qū)辦公、智慧停車等子系統(tǒng)，一方面保障園區(qū)內(nèi)的人員安全、車輛行駛規(guī)范；另一方面確保信息高效觸達，能起到增進企業(yè)之間的溝通交流等作用。

園區(qū)終端為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺和業(yè)務(wù)管理平臺提供基本的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和動作執(zhí)行設(shè)備，包含企業(yè)系統(tǒng)終端和物聯(lián)感知終端兩大類。其中，企業(yè)系統(tǒng)終端包含入園企業(yè)內(nèi)部的基本過程控制系統(tǒng)(如DCS/PLC)、電力綜合自動化系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)、可燃/有毒氣體檢測系統(tǒng)(GDS)和連續(xù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)等。物聯(lián)感知終端包含視頻監(jiān)控攝像頭、公共語音廣播、門禁、振動光纖和巡檢定位標簽等終端設(shè)備。

2 業(yè)務(wù)層功能設(shè)計

綜合管理平臺、應(yīng)急指揮平臺和運營管理平臺均以GIS地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，疊加危險化學(xué)品、重大危險源、現(xiàn)場巡檢人員、應(yīng)急資源(含消防栓位置、滅火器位置等)、園區(qū)道路交通和車輛特性數(shù)據(jù)等信息，形成一個完整的、多層次的空間數(shù)據(jù)管理服務(wù)系統(tǒng)。

2.1 綜合管理平臺

化工園區(qū)即由多個化工企業(yè)組成的生產(chǎn)園區(qū)，不僅具有一般化工企業(yè)的特點，如涉及大量危險化學(xué)品和重大危險源等；而且大多園區(qū)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)工藝、排產(chǎn)計劃和安全環(huán)保等級均不相同，缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，難以統(tǒng)一管理?；谶@種背景，本文從管理平臺的安全、環(huán)保、能源等3個方面進行功能設(shè)計。

2.1.1 智慧安全

化工園區(qū)的安全管理包括入園企業(yè)的安全生產(chǎn)管理和公共基礎(chǔ)設(shè)施安全維護。智慧安全業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)對人員、物料、倉庫、儲罐、高危工藝、重點設(shè)備等安全狀態(tài)的實時監(jiān)管。“安全一張圖”基于GIS地理信息、監(jiān)控信息、異常信息、工藝流程信息以及消防火災(zāi)信息等內(nèi)容設(shè)計，將所有相關(guān)信息布置在畫面中，方便管理人員實時了解整體信息并快速索引至具體內(nèi)容。智慧安全主要涵蓋如下功能。

(1)?；泛臀ｋU源在線監(jiān)控。本功能包含危險源的名稱、類型、所屬部門、行政區(qū)劃和園區(qū)位置，以及?；返姆N類、數(shù)量、理化信息和使用信息等基本信息管理。對重要監(jiān)控對象或重點區(qū)域可考慮采用高精度的高空瞭望監(jiān)視技術(shù)，實時了解所覆蓋區(qū)域內(nèi)的安全生產(chǎn)信息。

(2)隱患排查與治理。由企業(yè)端自查自報、園區(qū)端排查監(jiān)管兩部分組成，針對日常巡檢、位號報警、危險作業(yè)和隱患排查等生產(chǎn)過程中檢測的隱患，進行隱患上報、督辦管理、復(fù)查驗收和統(tǒng)計分析等流程操作，力爭將事故扼殺在萌芽狀態(tài)，確保園區(qū)內(nèi)企業(yè)安全生產(chǎn)。

(3)風(fēng)險分級管控。針對不同的工藝過程，建立與之配套的風(fēng)險分析模型。實現(xiàn)各類風(fēng)險的科學(xué)辯識、量化分級和分級管理，增強“超前預(yù)防、主動控制、源頭治理”防御能力，力爭將風(fēng)險控制在隱患之前，將隱患消滅在事故之前。

(4)管道/設(shè)備腐蝕監(jiān)測。采用非侵入式電磁超聲技術(shù)，對壓力容器設(shè)備的腐蝕或侵蝕事件做出快速響應(yīng)，最高可檢測600℃高溫管道及±10μm的金屬壁厚損耗，并根據(jù)設(shè)備壁厚推算腐蝕速率等數(shù)據(jù)，提供有關(guān)資產(chǎn)健康狀況惡化和整體性問題的早期預(yù)警，以防發(fā)生故障。管道設(shè)備腐蝕裕量監(jiān)測見圖2。

圖2 管道/設(shè)備腐蝕裕量監(jiān)測

(5)消防安全監(jiān)管。實現(xiàn)的功能有：①各企業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)接入園區(qū)消防控制室，保障管委會操作人員及時了解企業(yè)內(nèi)部火災(zāi)情況，并作出相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)措施；②對室外消火栓水壓、消防水箱液位、室內(nèi)消火栓水壓、噴淋系統(tǒng)水壓等消防水系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測；③消防設(shè)施智能巡查，采用NFC、UWB等技術(shù)對園區(qū)內(nèi)滅火器等消防設(shè)施的壓力、存放位置等信息進行監(jiān)測，對消防設(shè)施進行的全生命周期管理。

2.1.2 智慧環(huán)保

智慧環(huán)保業(yè)務(wù)將原有分散的各企業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入園區(qū)數(shù)據(jù)管理中心，園區(qū)段設(shè)置統(tǒng)一的環(huán)境監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測和管控園區(qū)污染源污染物的排放情況，提高環(huán)境風(fēng)險防范能力，通過污染減排實現(xiàn)園區(qū)綠色生態(tài)發(fā)展。此外，智慧環(huán)保平臺數(shù)據(jù)還可以和省市級環(huán)保系統(tǒng)對接，智慧環(huán)保業(yè)務(wù)涵蓋如下主要功能。

(1)園區(qū)環(huán)境多維度感知。針對入園企業(yè)的工藝特點和排放情況，根據(jù)需要布設(shè)傳感器，對園區(qū)的環(huán)境質(zhì)量(含大氣環(huán)境、地表水環(huán)境和地下水環(huán)境等)、污染源(廢水、廢氣和固體廢棄物等)和風(fēng)險源(特征污染物等)進行在線監(jiān)測和預(yù)警。環(huán)境多維度感知傳感器采用LoRa/NB-iot等低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感信息傳送至園區(qū)數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)對園區(qū)及各企業(yè)廢水、廢氣及特征污染區(qū)流量及濃度的實時監(jiān)測，并在線管控排放是否合理、達標(見圖3)。

圖3 園區(qū)環(huán)境多維度感知

(2)固廢動態(tài)管理。對園區(qū)企業(yè)產(chǎn)生的危廢存量、生產(chǎn)動態(tài)、運輸轉(zhuǎn)移和經(jīng)營分析等全流程進行監(jiān)管，并實現(xiàn)固廢動態(tài)管理系統(tǒng)與園區(qū)應(yīng)急指揮平臺互聯(lián)互通，當(dāng)固體廢物在貯存、運輸、處置過程中發(fā)生突發(fā)事件，可迅速調(diào)出對應(yīng)企業(yè)、對應(yīng)危廢和應(yīng)急處置方案等信息，進行綜合調(diào)度處理。

(3)泄漏檢測與修復(fù)(LDAR)信息管理。搭建園區(qū)統(tǒng)一的LDAR信息管理平臺，一方面，將園區(qū)所有企業(yè)LDAR信息接入該平臺，建立建成園區(qū)企業(yè)、產(chǎn)區(qū)、裝置、設(shè)備、排放點完整檔案，實現(xiàn)所有漏點有檔可查；另一方面，健全第三方檢測機構(gòu)信息管理，落實LDAR管理系統(tǒng)由企業(yè)填報到三方檢測的完整工作流程，實現(xiàn)所有檢測點數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，修復(fù)流程統(tǒng)一管控。

(4)環(huán)保報表系統(tǒng)。對接園區(qū)數(shù)據(jù)管理中心數(shù)據(jù)庫，加強數(shù)據(jù)挖掘和溯源分析，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面整合，集成環(huán)保報表模板，定期自動生成園區(qū)環(huán)保信息報表，滿足園區(qū)日常監(jiān)管資料收集的需要。

2.1.3 智慧能源

智慧能源業(yè)務(wù)實現(xiàn)對園區(qū)各企業(yè)、倉庫、罐區(qū)和綜合辦公區(qū)等的水、電、氣消耗信息的采集、監(jiān)控、統(tǒng)計和分析等功能。

與傳統(tǒng)園區(qū)不同，化工園區(qū)涉及的水、電、氣等公用工程種類繁多，包含但不限于循環(huán)水、除鹽水、高壓/中壓/低壓蒸汽、氮氣、工廠空氣、儀表空氣、正常電源、備用電源和應(yīng)急電源等多種類型。并且大部分公用工程用量數(shù)據(jù)已在各企業(yè)的基本過程控制系統(tǒng)(DCS或PLC)中采集，基于這種情況，本文智慧能源管理平臺提供兩種方式獲取企業(yè)公用工程用量消耗數(shù)據(jù)：①直接通過TCP/IP協(xié)議獲取企業(yè)基本過程控制系統(tǒng)中的公用工程消耗數(shù)據(jù);②對于基本過程控制系統(tǒng)中沒有監(jiān)測的數(shù)據(jù)，采用無線低功耗傳輸模式進行數(shù)據(jù)采集。智慧能源業(yè)務(wù)主要涵蓋如下功能。

(1)能耗實時監(jiān)測。在線實時監(jiān)測各企業(yè)水、電、氣等公用工程的消耗量，供園區(qū)管委會對公用工程裝置的生產(chǎn)負荷進行科學(xué)、準確地行政決策，實現(xiàn)園區(qū)公用工程用量柔性控制，達到系統(tǒng)整體節(jié)能目的。

(2)能效智能分析。實時累積各企業(yè)公用工程用量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)園區(qū)總用量和下屬分用量的動態(tài)對比，進行實時用量損耗分析，從而考核審計各企業(yè)的節(jié)能指標，核算園區(qū)整體用能態(tài)勢。

(3)水電氣平衡優(yōu)化。對園區(qū)大用量設(shè)備、周期性使用設(shè)備、間歇性使用設(shè)備分別建立能耗模型，采用人工智能算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行深度分析，給出針對性的能效優(yōu)化方案。

2.2 應(yīng)急指揮平臺

應(yīng)急指揮平臺獨立于綜合管理平臺，基于“平戰(zhàn)結(jié)合”原則設(shè)計，在正常生產(chǎn)狀態(tài)下進行事故預(yù)防、安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練；在事故狀態(tài)(如可燃/有毒氣體泄漏、火災(zāi)、爆炸或自然災(zāi)害等)下，整合企業(yè)自身救援力量、社區(qū)應(yīng)急力量、武警消防力量等各方資源進行救援行動，多系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)急響應(yīng)，盡可能減小事故造成的危害。應(yīng)急管理流程見圖4。

圖4 應(yīng)急管理流程

應(yīng)急指揮平臺主要包含如下功能。

(1)應(yīng)急值守。具有應(yīng)急事件信息的采集、記錄、聯(lián)絡(luò)、報送等功能，園區(qū)應(yīng)急指揮與街道、區(qū)、市三級的應(yīng)急指揮調(diào)度平臺和系統(tǒng)銜接，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通。支持應(yīng)急值守人員及時聯(lián)系園區(qū)應(yīng)急管理第一責(zé)任人，并上報街道、區(qū)、市三級應(yīng)急主管部門。

(2)應(yīng)急指揮和協(xié)同。一方面，供園區(qū)應(yīng)急管理部門調(diào)度內(nèi)部安全、環(huán)保、消防等業(yè)務(wù)部門進行應(yīng)急救援；另一方面，接受街道、區(qū)、市三級應(yīng)急指揮中心的調(diào)度、協(xié)同和派遣。

(3)應(yīng)急預(yù)案管理。包含應(yīng)急預(yù)案的編制、審核和歸檔流程數(shù)字化，發(fā)生事故時，可根據(jù)事故類型和等級，迅速調(diào)閱相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案。事故發(fā)生后，自動生成應(yīng)急響應(yīng)報告(含事件發(fā)生時間、獲取時間、事件等級和內(nèi)容、協(xié)同處置部門及人員、協(xié)同處置響應(yīng)時間、完成時間和完成結(jié)論等內(nèi)容)。

(4)應(yīng)急培訓(xùn)和模擬演練。編制模擬演練計劃，給各企業(yè)下發(fā)應(yīng)急培訓(xùn)和模擬演練通知；使參與人員了解物質(zhì)供應(yīng)、避難場所、應(yīng)急預(yù)案、救援隊伍以及相關(guān)業(yè)務(wù)協(xié)同部門的聯(lián)動情況；實時記錄演練過程，對結(jié)果進行評估和總結(jié)。

2.3 運營管理平臺

綜合管理平臺和應(yīng)急管理平臺作用于園區(qū)的裝置生產(chǎn)區(qū)，保障園區(qū)安全、環(huán)保、高效的運行。運營管理平臺基于現(xiàn)有物聯(lián)感知技術(shù)，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺打通不同子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘，使多個系統(tǒng)能夠協(xié)同聯(lián)動運行，為園區(qū)服務(wù)。其涵蓋如下功能。

(1)封閉管理。采用脈沖電子圍欄、振動光纖、視頻周界相機等方法實時監(jiān)控園區(qū)周界安全，支持聯(lián)動視頻復(fù)核、目標跟蹤、聲光報警聯(lián)動、錄像機抓圖聯(lián)動、電視墻聯(lián)動、門禁聯(lián)動等功能，對進出園區(qū)的人員與車輛基礎(chǔ)信息進行管理，且能進行分級別、分權(quán)限和分區(qū)域的管理。

(2)園區(qū)檔案。實現(xiàn)對園區(qū)內(nèi)所有企業(yè)基礎(chǔ)檔案的收集、更新和整合，建立企業(yè)基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)，并通過服務(wù)的方式對其他企事業(yè)單位進行信息的共享，通過直觀的方式在GIS地圖上標注展示。園區(qū)檔案按“一企一檔”的原則建立，包括入園企業(yè)基本信息、企業(yè)檔案登記審查和綜合統(tǒng)計分析等子功能。

(3)園區(qū)辦公。為入園企業(yè)提供一體化的公文處理、事務(wù)管理、共享與交流管理服務(wù)平臺，自定義審批流程、統(tǒng)一黨建門戶、多渠道發(fā)布通知公告等功能幫助企業(yè)及員工快速觸達信息，提高辦公效率。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺歸集園區(qū)企業(yè)系統(tǒng)終端和物聯(lián)感知設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的清洗、計算、挖掘和歸一化處理，并對業(yè)務(wù)平臺層提供統(tǒng)一的接口服務(wù)。本文中的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺采用去中心全對稱分布式架構(gòu)設(shè)計，不區(qū)分單獨的管理節(jié)點、計算節(jié)點和存儲節(jié)點，每個節(jié)點服務(wù)器既可以做管理，也提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，充分發(fā)揮每臺服務(wù)器的硬件能力。

硬件上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、計算資源池服務(wù)器、云海管理服務(wù)器、存儲系統(tǒng)、存儲萬兆交換機、備份一體機等部件構(gòu)成。軟件上通過云管平臺、分布式控制器、容器化OpenStack/VMWare等技術(shù)的深度融合、有機互補，共同組成一個開放、兼容、穩(wěn)定、可靠的企業(yè)級云平臺解決方案，實現(xiàn)對計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，并對外提供標準的API接口，方便對資源進行動態(tài)的按需調(diào)度，提升資源的利用效率。

在功能方面，提供視頻流媒體接口和多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接口，不僅實現(xiàn)攝像頭視頻流數(shù)據(jù)解碼、分析與顯示等操作，還能通過物聯(lián)網(wǎng)接口協(xié)議(如TCP/IP、Modbus、Wi-Fi、WirelessHART[7]、LoRa[8]/NB-iot[9]、Zigbee[10]和藍牙等)獲取各類終端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)園區(qū)健康狀態(tài)的多維度、全覆蓋監(jiān)測。

4 結(jié)語

針對化工園區(qū)對綠色、環(huán)保、安全、高效生產(chǎn)的需求，以及國家對信息化與工業(yè)化深度融合戰(zhàn)略體系支撐，本文提出一種“1+3”的智慧化工園區(qū)設(shè)計方案。該方案由一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺和三個業(yè)務(wù)管理平臺組成，綜合分析物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)備數(shù)據(jù)、多媒體視頻數(shù)據(jù)和GIS地理位置數(shù)據(jù)等，從安全生產(chǎn)、環(huán)保節(jié)約、能源管理、應(yīng)急聯(lián)動和運營管理服務(wù)等方面介紹智慧化工園區(qū)信息化、智能化建設(shè)方法。通過智慧化工園區(qū)建設(shè)提高管委會精細化管理水平，提升企業(yè)的智能化生產(chǎn)水平，促進園區(qū)向安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟的方向發(fā)展。