氣體泄漏源定位偵檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁明明

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，氣態(tài)?；返氖褂眯枨笤絹碓酱螅S之而來的泄漏事故不斷增多，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來了重大威脅。在此類事故的救援處置中，及時(shí)準(zhǔn)確的泄漏源定位是順利實(shí)施救援行動(dòng)的前提條件。文章設(shè)計(jì)了一種基于多點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)的泄漏源定位系統(tǒng)。硬件方面，對偵檢節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了選材和總體設(shè)計(jì);在軟件方面，結(jié)合消防實(shí)戰(zhàn)，使用visual studio對軟件做了基本設(shè)計(jì)，在泄漏源定位功能的基礎(chǔ)上添加了實(shí)戰(zhàn)功能，例如?；肥鹿瘦o助決策信息查詢、擴(kuò)散態(tài)勢模擬、偵檢路線規(guī)劃等。

關(guān)鍵詞：消防;多點(diǎn)組網(wǎng);泄漏源定位;輔助決策

氣態(tài)危化品由于易燃易爆、有毒腐蝕等特性造成的危害極大，在處置此類事故中，泄漏源的準(zhǔn)確定位是保證滅火救援行動(dòng)順利實(shí)施的前提條件。2003年12月23日，位于重慶開縣的中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川東北氣礦羅家16H井發(fā)生井噴事故，涉及作戰(zhàn)面積達(dá)到80km2，作戰(zhàn)半徑達(dá)到5km。消防中隊(duì)大多只配備一至兩臺(tái)氣體偵檢儀器，很難完成泄漏源定位以及其他偵檢工作，因此現(xiàn)場需要調(diào)集大量器材和偵檢人員進(jìn)入現(xiàn)場[1]。調(diào)集力量過少，會(huì)影響救援任務(wù);調(diào)集力量過多，間接造成現(xiàn)場混亂[2]。根據(jù)調(diào)研情況，消防隊(duì)伍現(xiàn)有的數(shù)據(jù)收集方式是通過記錄本、筆或者電臺(tái)進(jìn)行偵檢數(shù)據(jù)收集和傳輸，利用收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏源定位、危險(xiǎn)區(qū)劃分則需要更多、更復(fù)雜的計(jì)算工作。因此本文設(shè)計(jì)了基于無線組網(wǎng)技術(shù)的泄漏源定位系統(tǒng)，希望能為消防隊(duì)伍處置此類事故提供一定的幫助。

1? 偵檢節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方案

基于多點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)的泄漏源定位硬件系統(tǒng)主要由傳感器信息單元、GPS模塊單元、GSM收發(fā)設(shè)備和相關(guān)電路組成[3]，實(shí)現(xiàn)的主要功能是將監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境信息、泄漏濃度、絕對位置信息（GPS坐標(biāo)）等數(shù)據(jù)傳輸至終端，在計(jì)算機(jī)終端調(diào)用反算算法，結(jié)合獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反算定位。系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，MSP430F149是一款16位單片機(jī)，特點(diǎn)是易用性和多功能性，是第三代單片機(jī)的代表。

1.1? 系統(tǒng)組成

偵檢節(jié)點(diǎn)主要由傳感器信息單元、GPS定位模塊和GSM收發(fā)裝備三部分組成。

（1）傳感器信息單元

傳感器信息單元主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的采集與傳輸功能，負(fù)責(zé)將各個(gè)檢測傳感器采集的信息打包傳輸?，F(xiàn)場信息檢測源具體可分為環(huán)境、危險(xiǎn)氣體等，見表1。環(huán)境類信息包含溫度、濕度，采用相應(yīng)傳感器進(jìn)行周邊環(huán)境探測;危險(xiǎn)氣體信息單元包括可燃?xì)怏w、氧氣、硫化氫、氨氣濃度信息，本系統(tǒng)危險(xiǎn)品氣體傳感器主要采用三種技術(shù)：電化學(xué)技術(shù)、催化燃燒技術(shù)、紅外技術(shù)[4]。

（2）GPS模塊單元

GPS是隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展建立起來的精密衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)技術(shù)成熟，具有全球、全時(shí)段進(jìn)行三維測速、定位、導(dǎo)航的能力[5]，還擁有優(yōu)秀的抗干擾特性和保密特性。其作業(yè)特點(diǎn)具體體現(xiàn)在全球全天候工作、定位精度高、功能多、應(yīng)用廣[6]。本文選用的GPS模塊為SIMCOM公司的SIM808模塊，該模塊采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，適用于各類GPS定位。

（3）GSM收發(fā)模塊

由于氣體泄漏事故現(xiàn)場大多處于露天場所，因而本系統(tǒng)采用GSM無線通信作為遠(yuǎn)距離通信設(shè)備，該模塊主要完成數(shù)字量的采集，數(shù)據(jù)打包、信息的發(fā)送、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等功能[7]。為了實(shí)現(xiàn)上述的功能，系統(tǒng)通過專用控制信道傳送短消息來實(shí)現(xiàn)短消息數(shù)據(jù)傳輸功能，無線GSM模塊的接收和發(fā)送短消息的功能可以使用AT指令集實(shí)現(xiàn)，這種傳輸方式發(fā)送短消息時(shí)不用進(jìn)行撥號(hào)連接，只需要通過控制信道把要發(fā)出的短消息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心，然后由短消息服務(wù)中心再把消息發(fā)送到最終的信宿，短消息服務(wù)中心可保存要發(fā)送的信息。

（4）聲光報(bào)警模塊

該系統(tǒng)具有STEL、IDHL報(bào)警功能，STEL即15分鐘時(shí)間統(tǒng)計(jì)加權(quán)平均值的短期暴露水平，是短期工作所允許的濃度[8]。IDHL即立即致死量，是引起短時(shí)間死亡的有毒氣體濃度?？扇?xì)怏w報(bào)警量程在0%～100%LEL，按照國家規(guī)定低報(bào)一般設(shè)置在15%～25%LEL之間報(bào)警，常設(shè)置在25%。報(bào)警模塊采用簡單的聲光報(bào)警電路，先設(shè)定泄漏物濃度的報(bào)警閾值，當(dāng)傳感器監(jiān)測到的泄漏物濃度達(dá)到或者超過報(bào)警閾值，則聲光報(bào)警器響應(yīng)。硬件使用75dB聲報(bào)警和廣角明亮的光報(bào)警[9]。

1.2? 硬件設(shè)計(jì)

傳感器信息單元、GPS模塊單元、GSM收發(fā)設(shè)備和聲光報(bào)警模塊可由一塊電路板設(shè)計(jì)，主控單片機(jī)采用MSP430F149，它有6組I/O口，自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以作為數(shù)據(jù)地址總線。這里P1口擴(kuò)展為與短信收發(fā)模塊相連的數(shù)據(jù)和控制總線;P3口連接FLASH存儲(chǔ)器AT45DB021，所有的編程操作都是針對于頁的，擦除操作可以作用于芯片、扇區(qū)、塊或頁，該存儲(chǔ)空間用于系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)使用;P4.0口連接可燃?xì)怏w探測器、氧氣、二氧化碳和氨氣傳感器[10];P5口擴(kuò)展為與GPS模塊相連的數(shù)據(jù)和控制總線;P6口擴(kuò)展為與溫濕度傳感器相連的數(shù)據(jù)總線;并且擴(kuò)展了與各傳感器相連的總線信號(hào)和一些模塊的使能信號(hào)。以上傳感器均自帶AD轉(zhuǎn)換電路，只需外圍電路改造即可直接讀數(shù)使用。系統(tǒng)由主控板、短信發(fā)送單元、氣體檢測單元、GPS模塊和傳感器單元等組成。數(shù)據(jù)通信采用總線結(jié)構(gòu)，短信收發(fā)器通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-232九針接口與計(jì)算機(jī)終端相連[11]。

主控板主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

①具有GPS信息、傳感器信息的分析和處理功能;

②管理短消息的發(fā)生。通過TC35i模塊規(guī)定的通信協(xié)議，控制TC35i模塊進(jìn)行短消息數(shù)據(jù)的發(fā)送[12]。

2? 終端軟件設(shè)計(jì)方案

2.1? 需求分析

該泄漏源定位偵檢軟件系統(tǒng)以消防隊(duì)伍實(shí)戰(zhàn)需求為落腳點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中以泄漏源定位功能為核心，其他功能為輔，本軟件設(shè)計(jì)了以下更利于實(shí)戰(zhàn)的軟件平臺(tái)。

（1）友好的操作界面，便捷的軟件操作[13]：第一，參數(shù)輸入盡量少而集中，對于環(huán)境信息的數(shù)據(jù)輸入盡量能夠?qū)崿F(xiàn)軟件自動(dòng)獲取;第二，操作盡量簡便，按鈕設(shè)置不宜過多;（2）提供泄漏源定位功能;（3）提供氣體擴(kuò)散態(tài)勢模擬功能;（4）提供節(jié)點(diǎn)標(biāo)注、偵檢路線規(guī)劃功能;（5）提供?；沸畔⒉樵児δ?，如理化性質(zhì)、個(gè)人防護(hù)措施、處置對策、注意事項(xiàng)等信息;（6）可視化運(yùn)行結(jié)果。在電子地圖直觀顯示泄漏源位置和泄漏擴(kuò)散區(qū)域，幫助消防人員直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏源，并根據(jù)擴(kuò)散模擬結(jié)果設(shè)置警戒區(qū)域，對于偵檢節(jié)點(diǎn)的布置和偵檢路線的設(shè)計(jì)都能夠在地圖上進(jìn)行標(biāo)繪。

系統(tǒng)采用visualstudio2015為開發(fā)平臺(tái)，使用c#語言編程，并利用Access軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫[14]，結(jié)合百度地圖API技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。軟件結(jié)構(gòu)圖如下：

2.2? 功能設(shè)計(jì)

消防人員處在混亂緊張的事故現(xiàn)場，簡單便利的設(shè)計(jì)有利于穩(wěn)定消防員心理，還能夠避免因操作錯(cuò)誤帶來的危險(xiǎn)后果，因此該系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)要求簡潔直觀，設(shè)置三個(gè)菜單欄：查詢模塊、模擬模塊、幫助，分別實(shí)現(xiàn)查詢功能、模擬功能（泄漏源定位、擴(kuò)散模擬、節(jié)點(diǎn)標(biāo)注、路線規(guī)劃）、幫助信息和版權(quán)信息提示.

（1）定位模塊設(shè)計(jì)

定位模擬模塊主要實(shí)現(xiàn)反算定位功能。該功能的實(shí)現(xiàn)需要輸入環(huán)境信息、接收偵檢節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、輸出結(jié)果等。為了更加直觀地顯示定位反算結(jié)果，在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用百度地圖API，在地圖上進(jìn)行泄漏源標(biāo)記。結(jié)合消防實(shí)戰(zhàn)需求，軟件還增加了一些實(shí)用工具，例如擴(kuò)散模擬、節(jié)點(diǎn)標(biāo)記、路線測距等。

定位功能實(shí)現(xiàn)：

環(huán)境信息輸入：包括風(fēng)速、地面粗糙度等信息的輸入，由于氣體擴(kuò)散的影響因素太多，而且很多參數(shù)的獲得需要專業(yè)儀器，獲取十分困難，但是對結(jié)果影響卻不大，系統(tǒng)精簡了需要輸入的選項(xiàng)，使軟件的使用更加便利;

節(jié)點(diǎn)信息：實(shí)時(shí)接收偵檢節(jié)點(diǎn)反饋的位置信息和檢測到的泄漏物信息，包括經(jīng)緯度位置、氣體濃度;

百度地圖API調(diào)用：調(diào)用百度地圖API，完成街道圖、衛(wèi)星圖像顯示功能，衛(wèi)星圖像能夠清晰顯示建筑物和道路情況，符合消防人員對地理的認(rèn)知習(xí)慣。借用百度衛(wèi)星圖，消防人員不僅可以準(zhǔn)確方便地進(jìn)行消防車輛?？?，還可以便捷地實(shí)施交通管制和事故現(xiàn)場警戒;

氣體擴(kuò)散模型：描述氣體擴(kuò)散的模型發(fā)展至今已經(jīng)有很多，但是常見的模型主要有：高斯模型（高斯煙羽模型、高斯煙團(tuán)模型）、BM模型、Sutton模型、FEM3模型。在實(shí)際情況下，重性氣體在空間中的擴(kuò)散由于受到大氣的稀釋也能夠很好地滿足高斯模型。對于高斯模型還需要提出以下適用條件：地勢平坦開闊，性質(zhì)均勻，定常態(tài);氣體擴(kuò)散過程中沒有發(fā)生沉降、化合、分解及地面吸收的發(fā)生，沒有降水等情況;擴(kuò)散空間的風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度都均勻穩(wěn)定;云團(tuán)與空氣相對運(yùn)動(dòng)忽略不計(jì)，即云團(tuán)與大氣一起運(yùn)動(dòng)，平均風(fēng)速不小于1m/s;適用尺度不超過20km。

反算算法調(diào)用：在“模擬”按鈕的click事件中調(diào)用粒子群算法，結(jié)合節(jié)點(diǎn)信息、環(huán)境信息，獲得泄漏源位置，由于粒子群算法使用的是空間坐標(biāo)，百度地圖使用的是經(jīng)緯度坐標(biāo)，因而在調(diào)用時(shí)需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，設(shè)（le，lw）為坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)，（x，y）為空間坐標(biāo)，（le'，lw'）為（x，y）對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)換公式為：

（1）

（2）

其中為地球半徑，為圓周率。

將反算結(jié)果傳遞到百度地圖javascrip：

string pp = Path.GetFullPath（"transfer.html"）;

webBrowser1.Navigate（pp+ "？jingdu=" + this.txtjingdu.Text + "&weidu=" + txtweidu.Text + ""）;//參數(shù)傳遞

其他功能實(shí)現(xiàn)：利用百度API技術(shù)，通過劃線、測距、標(biāo)記工具實(shí)現(xiàn)偵檢節(jié)點(diǎn)布局、偵檢路線規(guī)劃功能。

測距功能。危化品泄漏事故現(xiàn)場影響范圍很大，消防員佩戴空氣呼吸器進(jìn)入事故現(xiàn)場，有兩個(gè)制約因素影響消防員行進(jìn)距離：一是空氣呼吸器使用量;二是消防員體能。相對于體能而言，空氣呼吸器的限制作用更大，利用廣泛配備使用的6.8L依格自給正壓式空氣呼吸器，對消防員做一個(gè)簡單的慢走、慢跑的測試，氣溫13度，正常體型的消防員著全棉內(nèi)衣、重型防化服、空氣呼吸器、攜帶氣體偵檢儀器[15]。對于慢走而言使用時(shí)間在27分23秒至31分14秒，行進(jìn)距離在2520m到2820m;對于慢跑而言使用時(shí)間在12分31秒至15分04秒，行進(jìn)距離在2500m到3200m，在實(shí)際救援中，考慮撤離因素，數(shù)據(jù)還要低很多，因此測距功能對于偵檢路線規(guī)劃很有必要。實(shí)現(xiàn)方法如下：

var myDis = new BMapLib.DistanceTool（map）;

map.addEventListener（"load"， function （） {

myDis.open（）;? //開啟鼠標(biāo)測距

}）;

添加新圖層（擴(kuò)散模擬層）。擴(kuò)散模擬對于危險(xiǎn)區(qū)劃分具有重要的指導(dǎo)意義，在處置?；沸孤┦鹿手校ｋU(xiǎn)區(qū)的劃分是保證救援人員安全的重要手段，解決思路為將泄漏范圍內(nèi)的每一點(diǎn)濃度與該氣體的危險(xiǎn)濃度進(jìn)行比較，用紅色進(jìn)行標(biāo)識(shí)：

map.addOverlay（oval）;

oval.enableEditing（）;

添加標(biāo)注功能。在?；沸孤┦鹿侍幹眠^程中，泄漏源位置的標(biāo)識(shí)、消防車輛停靠的位置、偵檢路線的規(guī)劃等一般是靠消防員之間通過電臺(tái)溝通進(jìn)行，這種方式存在以下幾個(gè)方面的問題：一是容易出錯(cuò)，一旦溝通過程中，消防員理解出現(xiàn)偏差，造成如停車位置不準(zhǔn)確的情況，極易造成危險(xiǎn)后果;二是溝通需要反復(fù)進(jìn)行，因而耗費(fèi)時(shí)間，并且占用電臺(tái)通道。因此添加標(biāo)注功能，可以在地圖上直接標(biāo)記停車位置、偵檢路線等信息。標(biāo)注功能實(shí)現(xiàn)：

var marker = new BMap.Marker（new_point）;? // 創(chuàng)建標(biāo)注

map.addOverlay（marker）;

根據(jù)以上過程設(shè)計(jì)的定位模擬模塊界面圖如下：

（2）查詢模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，對于氣態(tài)?；沸孤┦鹿侍幹枚?，消防隊(duì)員需要了解的泄漏物質(zhì)信息包括氣體種類、理化性質(zhì)、健康危害、滅火措施等，對于化工單位發(fā)生的事故，能夠盡快收集單位信息、聯(lián)系消防責(zé)任人、獲取制定的預(yù)案最為關(guān)鍵，利用Access收集這些信息建立?；窋?shù)據(jù)庫。功能模塊圖如下所示：

3? 結(jié)語

本文主要研究了基于多點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)的泄漏源定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。硬件方面完成了基本設(shè)計(jì);軟件方面完成了應(yīng)用系統(tǒng)部分工作，具備泄漏源定位功能、化學(xué)事故處置輔助決策信息查詢、偵檢路線規(guī)劃、擴(kuò)散模擬等功能。該系統(tǒng)對泄漏源定位模型的依賴性較大，在仿真模擬中，使用的高斯模型在非重氣擴(kuò)散上誤差不大，但是在重氣擴(kuò)散上存在較大誤差，反算算法的誤差有些在10m以上，如果再考慮傳感器的測量誤差、環(huán)境的影響可能還會(huì)增大，因此還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

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Design and application： positioning

and detective system for sources of gas leak

Liang Mingming

（Jing’an District Fire Rescue Brigade，Shanghai? 200040）

Abstract：With the economic development and social progress， dangerous gases are needed in more factories， bringing about more risks and dangers to people’s life and property if leakage happened. To deal with these accidents， positioning leakage sources is the priority. This paper introduces a positioning system based on multi-point network technology. The hardware of the system has been designed and settled down， and it’s software is upgraded with Visual Studio， so as to aping the real operation. Besides， brand-new functions are added on the basis of positioning system， such as information inquiry and ADM of leaks， diffusion gas simulation， route maps，etc.

Keywords：fire protection;multi-point nekwork;leaks positioning;aid

decision making（ADM）

1543501705291