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基于物联网的化工园区事故态势感知方法及应用研究

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张进校岳建昌胡丽彬张进花

摘要：基于对化工园区事故态势感知需求的分析，应用物联网技术进行化工园区信息的采集与监测，在园区内设计无线传感网络，并提出以位置与剩余能量为基础的集中分簇路由协议，之后，借助数据信息对化工园区的事故演化趋势进行动态表征，在事故征兆出现之前提前完成对相关风险与异常情况的感知，最后，构建化工园区事故预警三维结构模型，从逻辑维、时间维与知识维3个维度衡量事故预警结构，明确事故熵预警流程，完成化工园区事故态势感知的应用。

关键词：物联网，无线传感网络，化工园区，事故态势感知，事故预警

：X937：A：1001—5922（2021）02一0080—04

在城市规模日渐扩大的过程中，城市安全问题越来越彰显出其重要性，危险物质的运输与贮藏在很大程度上对城市安全形成威胁。特别是在化工园区，化工企业生产与储存的危险品及产生的废水、废气与固体废弃物种类繁杂，数量众多。近年来，我国发生了很多起严重的化工园区爆炸事故，所造成的损失非常大，生态环境也遭受到严重的破坏，不仅将城市安全问题的警钟敲响，还让人们意识到运输与贮藏危险品潜在的事故威胁。

传统的化工园区事故与风险管控技术存在监控覆盖范围小、实时信息共享性差、数据服务表观化以及研判策略经验化等不足。应用物联网技术，可构建以数据为驱动、面向态势感知的信息采集与响应系统，对于区域风险管控以及事故应急一体化、集成化水平的提升意义重大。文章针对化工园区危险物质的特性与管理需求，结合物联网技术与表征系统紊乱无序程度的熵理论指导，进行区域性事故灾害态势感知与预警方法的探究。

1化工园区事故态势感知需求

化工园区区域性事故态势感知与预警是系统性的，为将此工作做好，应尽可能地确保各环节状态信息采集的时效性，将其作为事故态势感知与风险预警的数据信息，所以需要通过构建专用的化工园区区域性信息采集与传输网络将信息传递给事故态势感知平台与风险预警平台，为信息的及时采集提供保证。以信息的采集与处理为基础，引入表征系统紊乱无序程度的熵理论对事故态势进行感知与预警诊断，并提供相应的协同应急处置措施，以此有效控制事故的发生。图1所示为事故态势感知与预警系统逻辑图。

化工园区信息采集要求针对不同的信息采集设备及所处的环境条件，进行事故态势感知基础设备与系统体系架构的逐步建立与完善。在执行化工园区的信息采集任务之时，应做到重点信息全覆盖、辅助信息可获取，为事故态势的感知、诊断与预警提供有效支持。

2基于物联网的化工园区信息采集与监测

化工园区的安全状态实时监控覆盖的区域范围较大，涉及的监测目标对象众多，信息的采集与感知应考虑日常监控与采集数据的稳定可靠性以及应急监测的机动灵活性。针对差异化的应用环境，物联网的信息采集方式主要分為传感器信号采集、射频信号采集与视频信号采集3种，传感器采集方式主要用于化工园区厂房、车间、仓库区环境参数等的采集，含温度、湿度以及各种气体浓度等;射频信号采集方式主要用于移动车辆的管理，含出入库登记、装载危化品检测等;视频信号采集方式则主要进行化工园区公共区域、仓库区以及园区楼宇等的监控，与红外识别处理技术相结合达到智能视频监控的目的。此处对无线传感器网络的相关设计进行研究，以无线传感器的网络通信协议为重点分析网络布局与数据传输机制。

2.1无线传感器网络布局

图2所示为化工园区无线传感器网络布局示意图，该网络由分布于各厂房区域内的各种类型传感器节点组成。传感器对化工园区内各个厂房、车间或仓库区的环境状态信息进行感知，并于区域内形成超级簇，向sink节点转发这些数据，之后，sink节点在互联网支持下同监控中心相连，由监控中心的故障感知与预警系统完成数据的存储、分析、故障诊断预警功能。

无线传感网络采用人工布置方式在各厂房、车间或仓库区所需监测的对象附近进行传感节点的部署，并以此划分监测区域为不同的区域组，各组对对应的区域负责。在监测区域内部，传感器节点采用协同感知的方式对环境信息进行感知，可保证在监测区域任意时间采集、监测与预警的实现。此处的无线传感网络由sink节点与各厂房、车间或仓库区的一级簇头节点以及监测区域内的普通感知节点共同构成。在传感器网络中，很多节点能量与传输功率会受到限制，它们并不向sink节点直接转发数据包，而是先成簇向位于附近的二级簇头节点转发，之后再由二级簇头转发给一级簇头。而由于在收集到数据之后，一级簇头会先执行数据融合任务，之后再单跳向sink节点转发，这要求一级簇头有足够的能力以及对数据进行转发与处理的能力，故此处无线传感器网络设计还需做好对一级簇头与sink节点预先部署及能量不受限的工作。

2.2基于位置与剩余能量的集中分簇路由协议

在化工园区内，由无线传感器组成的监测网络为园