5G在A化工企業(yè)VOCs監(jiān)測(cè)溯源的應(yīng)用研究

(中化信息技術(shù)有限公司，北京 100045)

0 引言

《關(guān)于全面加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的意見》《關(guān)于貫徹落實(shí)全國(guó)危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)工作的通知》《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合治理方案》等政策文件的相繼出臺(tái)，對(duì)推進(jìn)信息技術(shù)與生產(chǎn)制造業(yè)深度融合，以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力促進(jìn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化發(fā)展，強(qiáng)化園區(qū)、企業(yè)應(yīng)急保障能力建設(shè)等方面提出了更高層級(jí)的要求。

化工生產(chǎn)安全事故引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。不同于其他產(chǎn)業(yè)，化工產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)的同時(shí)，揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)污染排放對(duì)大氣環(huán)境影響突出，也危及人身安全。缺乏科學(xué)管理將造成環(huán)境污染，影響企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，甚至導(dǎo)致其停產(chǎn)。加強(qiáng)化工生產(chǎn)的安全響應(yīng)和應(yīng)急處置能力，利用科學(xué)的信息化管理方法和規(guī)?；?、場(chǎng)景化的平臺(tái)，是化工企業(yè)安全持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[8]。

面對(duì)能量密集、危險(xiǎn)物種類較多的化工企業(yè)，為保障其安全運(yùn)行與人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要對(duì)企業(yè)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，將事故消除在萌芽狀態(tài)，最大限度降低或消除事故發(fā)生的概率。在5G的加持下，構(gòu)建高連接速率、超低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、海量終端接入、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算的智能控制系統(tǒng)成為化工企業(yè)高質(zhì)量生產(chǎn)安全的核心驅(qū)動(dòng)力。這是落實(shí)企業(yè)生產(chǎn)安全主體責(zé)任的必要途徑，是強(qiáng)化企業(yè)生產(chǎn)安全基礎(chǔ)工作的有利抓手，是政府實(shí)施生產(chǎn)安全分類指導(dǎo)、分級(jí)監(jiān)管的重要載體，是有效防范安全事故發(fā)生的重要手段，是保障生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)化制度落實(shí)的有效路徑[6]。

2016年，環(huán)境保護(hù)部印發(fā)《“十三五”環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理工作方案》，要求到2020年，我國(guó)要全面建成環(huán)境空氣、地表水和土壤等環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制體系，全面提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和可比性。近年來(lái)，生態(tài)環(huán)境部通報(bào)企業(yè)污染源在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)等問(wèn)題，中央環(huán)保督查組通報(bào)企業(yè)排污數(shù)據(jù)不實(shí)、嚴(yán)重超標(biāo)、監(jiān)管不到位等問(wèn)題，均對(duì)化工企業(yè)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提出了切實(shí)要求。

國(guó)內(nèi)石化、鋼鐵等集團(tuán)央企充分利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，建立環(huán)境、裝置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)控范圍廣、重點(diǎn)污染源全覆蓋、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、超標(biāo)及故障預(yù)警等功能，成為企業(yè)管控的“千里眼”“順風(fēng)耳”。通過(guò)污染源在線監(jiān)控，有效提高企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平，促進(jìn)企業(yè)達(dá)標(biāo)排放，特別是在確保國(guó)家重大活動(dòng)等敏感時(shí)期企業(yè)污染物排放、生產(chǎn)安全穩(wěn)定達(dá)標(biāo)起到了不可替代的作用。

1 A化工企業(yè)VOCs泄漏監(jiān)測(cè)溯源應(yīng)用

A化工企業(yè)VOCs泄漏在線監(jiān)測(cè)溯源應(yīng)用包括物聯(lián)感知接入、邊緣網(wǎng)關(guān)、5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、邊緣計(jì)算和業(yè)務(wù)服務(wù)5個(gè)核心模塊(見圖1)。

圖1 A化工企業(yè)VOCs泄漏在線監(jiān)測(cè)溯源應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)VOCs泄漏在線監(jiān)測(cè)溯源應(yīng)用主要包含5項(xiàng)能力：濃度信號(hào)處理、溯源模型庫(kù)、異常識(shí)別、關(guān)聯(lián)分析以及分類器。VOCs特征污染物濃度數(shù)值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)處理后，得到信號(hào)中的異常段信息。基于5G+邊緣計(jì)算、流體力學(xué)方法、LDAR項(xiàng)目檢測(cè)數(shù)據(jù)和化工裝置現(xiàn)場(chǎng)VOCs泄漏數(shù)據(jù)，對(duì)各處潛在泄漏區(qū)域可能發(fā)生的泄漏情形進(jìn)行模擬，可獲得各種因素在不同參數(shù)下的模型，組成溯源模型數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)位異常段，獲得起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、氣象參數(shù)、泄漏程度等信息，對(duì)同種物質(zhì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的各個(gè)異常段進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位出現(xiàn)幅值異常時(shí)段的氣象參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)調(diào)用溯源模型數(shù)據(jù)庫(kù)獲得該異常氣象參數(shù)主導(dǎo)值以及變化幅度。通過(guò)泄漏概率分類器在溯源模型數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行匹配計(jì)算，結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)位同潛在泄漏區(qū)域的空間拓?fù)湫畔?，給出分析結(jié)果。

把A化工企業(yè)布點(diǎn)方案中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)歸入統(tǒng)一入口，適配更多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在5G時(shí)代，承載網(wǎng)的帶寬瓶頸、時(shí)延抖動(dòng)等性能瓶頸難以突破，可引入邊緣計(jì)算后將大量業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣終結(jié)，以此建立統(tǒng)一、通用、便攜，具備邊緣計(jì)算能力、微服務(wù)框架的載體。對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的全生命周期管理，將基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型，嵌入邊緣智能控制系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)在邊端對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)、分析、標(biāo)識(shí)，并建立自治、自學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜、逸散裝置等系統(tǒng)的智控。構(gòu)建數(shù)字孿生，與云端平臺(tái)保持通信和數(shù)據(jù)交換，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與云、邊、端建模共享，賦能同類型設(shè)備，如反應(yīng)釜、輸送管道、泵、壓縮機(jī)、閥門以及法蘭。結(jié)合數(shù)據(jù)采集和計(jì)算能力，可助力泄漏檢測(cè)與修復(fù)(Leak Detection and Repair，LDAR)分析，識(shí)別潛在危險(xiǎn)，輔助工藝優(yōu)化。

2 應(yīng)用成效

未來(lái)將迸發(fā)出一種新型業(yè)務(wù)，即環(huán)境業(yè)務(wù)。它將立足于生命科學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)化工等產(chǎn)業(yè)，并在技術(shù)發(fā)展到一定程度時(shí)甚至可以獨(dú)立發(fā)展出綠色化工。伴隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境的要求不斷提高。企業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)也對(duì)治理環(huán)境技術(shù)更加重視。通過(guò)對(duì)廢氣處理技術(shù)進(jìn)行論述和分析，可以更加順利地推進(jìn)廢氣治理，使 VOCs企業(yè)有更好的發(fā)展[5]。通過(guò)新一代信息技術(shù)，特別是以5G、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)施過(guò)程監(jiān)測(cè)的深度融合，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全過(guò)程的全程跟蹤，并突破地域、時(shí)間及生產(chǎn)過(guò)程跨度，全面整合設(shè)備、人為、環(huán)境等相關(guān)因素，實(shí)現(xiàn)VOCs特征污染物溯源監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、故障診斷、運(yùn)行反饋等信息的全局優(yōu)化和閉環(huán)控制，具有巨大的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 建立基于數(shù)據(jù)算法的特征研究方法

可根據(jù)污染物源排放的VOCs組分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，估算得到其排放的主要組分和濃度。

2.2 建立敏感點(diǎn)的污染物溯源方法

對(duì)敏感點(diǎn)在特定氣象條件下的污染物來(lái)源進(jìn)行分析。

2.3 提升A企業(yè)本質(zhì)安全

通過(guò)完善安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)行為，使各生產(chǎn)環(huán)節(jié)符合相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。企業(yè)人員、設(shè)備、環(huán)境、管理處于良好狀態(tài)并持續(xù)完善，不斷加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)范化[7]。強(qiáng)化企業(yè)安全生產(chǎn)預(yù)防，創(chuàng)新安全管理模式，豐富安全文化內(nèi)涵，極大提高了企業(yè)本質(zhì)安全管理水平。

2.4 降低區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別

通過(guò)企業(yè)跨層級(jí)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)、隱患等工作計(jì)劃、執(zhí)行、過(guò)程監(jiān)控、問(wèn)題處理各環(huán)節(jié)的在線管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)、整改治理和復(fù)查審核等全流程跟蹤。實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)工作的可視化溯源，督促企業(yè)工作人員履職、預(yù)警防控及時(shí)、治理措施到位。提升區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、管理、防控能力，實(shí)現(xiàn)把風(fēng)險(xiǎn)挺在隱患前面、把隱患挺在事故前面，有效降低區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)整改隱患，防止事故發(fā)生。

2.5 減少安全生產(chǎn)事故

實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)的一體化管理，實(shí)時(shí)掌握企業(yè)安全運(yùn)行狀態(tài)、安全態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一體化的信息管理、安全監(jiān)管、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等。通過(guò)企業(yè)的安全生產(chǎn)培訓(xùn)，提高企業(yè)工作人員的安全生產(chǎn)意識(shí)和專業(yè)能力水平，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)管責(zé)任到人，保證事故出現(xiàn)后第一時(shí)間找到解決方案和相關(guān)責(zé)任人，提升事故應(yīng)對(duì)效率，減少企業(yè)成本。定期檢查生產(chǎn)設(shè)備，及時(shí)進(jìn)行設(shè)備維修，避免因設(shè)備問(wèn)題造成的安全生產(chǎn)事故。

2.6 讓環(huán)境數(shù)據(jù)說(shuō)話

有效提高企業(yè)VOCs特征污染物管控能力，建立有效的預(yù)警溯源體系，進(jìn)行污染源源頭監(jiān)管，完善監(jiān)測(cè)管理修復(fù)工作智能化閉環(huán)管理，滿足法規(guī)發(fā)展需要，彌補(bǔ)企業(yè)管控不足。

3 結(jié)束語(yǔ)

化工裝置設(shè)備廠區(qū)存放貴重物品及易燃易爆品，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備及環(huán)境的溫濕度、壓力等多源數(shù)據(jù)變化，并即時(shí)提供高溫、高壓報(bào)警預(yù)警與應(yīng)急處置。傳統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)獲取需要人工讀取，隨著5G技術(shù)的發(fā)展與商用，相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取可通過(guò)4G/5G模塊上傳到邊端、云端，并實(shí)時(shí)迅速處理。大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算會(huì)給云端及網(wǎng)絡(luò)帶寬造成巨大壓力，導(dǎo)致云端響應(yīng)實(shí)時(shí)性較差和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中斷問(wèn)題。本文針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，將5G+邊緣計(jì)算的VOCs泄漏在線監(jiān)測(cè)溯源系統(tǒng)應(yīng)用到化工企業(yè)設(shè)備生產(chǎn)安全中，解決實(shí)際問(wèn)題；將設(shè)備及系統(tǒng)所產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接入和管理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)接入功能和數(shù)據(jù)的融合聯(lián)動(dòng)；基于設(shè)備運(yùn)行機(jī)理確定性模型，深度融合數(shù)據(jù)不確定理論，建立工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型，支撐VOCs在線監(jiān)測(cè)溯源系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)；基于設(shè)備溯源預(yù)警分析，采用大數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)手段，建立工業(yè)設(shè)備溯源模型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備泄漏診斷及預(yù)測(cè)，提升工業(yè)設(shè)備全生命周期閉環(huán)質(zhì)量控制能力。用戶根據(jù)指派的檢測(cè)任務(wù)，使用便攜式有毒氣體分析儀可現(xiàn)場(chǎng)排查潛在泄漏部位，更加精確地進(jìn)行泄漏檢測(cè)，第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)源頭控制；將在線監(jiān)測(cè)與管控修復(fù)結(jié)合，可更加科學(xué)高效地進(jìn)行VOCs特征污染物減排；提出工業(yè)設(shè)備運(yùn)維價(jià)值鏈融合的全生命周期閉環(huán)控制技術(shù)，形成業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)新模式，構(gòu)建溯源預(yù)警與健康運(yùn)維決策體系，有效實(shí)現(xiàn)資源的協(xié)同與共享，提升運(yùn)維能力。