数字化工厂预警系统设计与实现

发布时间：2016-05-12 08:41

第一章  绪论

1.1 研究背景
自古以来，化工业对于历史上的产业革命和当代技术革命都起着重要的作用[1]。现如今化工业已成为很多国家的基础产业和支柱产业。然而，随着经济的飞速发展，化工企业中大量使用有毒及腐蚀性化工原料。在生产、储存、运输等过程中因为人为、管理、设备等因素而导致的突发性大气污染事故时有发生，对人民的生命安全和生态环境造成了严重的危害。近年来，我国由化工导致的安全问题和环境问题日益突出，接连发生了多起严重的化工事故[2]。2002  年  2月，辽阳石化分公司发生聚乙烯装置爆炸事故，结果造成8人死亡，19人受伤[3]；2008年6月，云南省安宁市齐天化肥有限公司发生硫化氢中毒事故，导致6人死亡，28人受伤[4-5]；2011年11月，山东省新泰联合化工股份有限公司发生气体燃爆事故，导致15人死亡，4人受伤[6]；2015年1月，山东省临沂烨华焦化公司发生化学品爆炸事故，致使7人死亡。由于各类化工安全事故的频繁发生，国家对化工行业安全问题的关注程度现已达到前所未有的高度。 化工事故强大的破坏性严重威胁着人民的生命财产安全以及化工企业的健康发展。与此同时，有害化学品的泄漏、排放也加剧了生态环境的破坏程度。强化安全意识，进一步做好安全生产工作，是所有化工产业必须重视的问题。 建立科学、完善、功能强大的化工厂预警系统可以更高效的管理化工企业，保障企业健康稳定发展，减小事故发生概率，降低由有毒有害气体导致的环境污染事故的损失，同时可以提高环境监测工作的反应能力，以便及时、准确地预测事故影响、开展应急救援工作，为有害气体泄漏事故应急处理指挥提供及时、可靠、科学的依据。因此，需要进行化工预警相关课题研究，将化工产业与现代化科学技术相结合，进行事故预警，减小事故风险。 
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1.2 化工厂预警系统研究现状

1.2.1 预警理论起源与发展
预警理论起源于 19 世纪末期，其早期理论多应用于社会政治经济领域的危机问题，随后，开始将预警理论应用于军事领域。随着社会的发展进步，预警研究不再局限于军事范围，开始向地震、泥石流、洪水等自然灾害领域推广。上世纪 50 年代，预警理论开始迈入到实际应用阶段。这一时期涌现了一批大研究成果，奠定了现代预警系统的基础。上世纪 80 年代，预警理论逐步在管理领域发挥作用，预警理论与方法的研究开始进入到由定性为主到定性、定量相结合的过程时期[7-8]。近几年，发达国家开始将预警管理扩展到企业财务、工业生产、自然灾害等多个领域，有效地防范或减小了相关领域的风险。石化、煤炭等高危行业的预警系统已经相对成熟，许多相应的预警模型和预警指标体系被建立。自 1989 年起，国内也着手研究并实施经济监测预警[9]。佘廉教授及其研究团队率先在国内系统地提出企业预警管理的理论体系，并在交通灾害领域应用了此管理理论体系[10]。随后预警理论逐步推广到铁路交通、石油煤矿、化工生产等多个领域。 
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第二章 大气扩散模型

针对化工事故频繁发生问题，为掌握气体的扩散规律，利用数学模型预测大气污染物的扩散影响范围，及时对受影响区域进行预警，可以帮助决策者快速提出应对措施。首先对不同模型做出了分析选择，然后介绍模型参数的选取方法，最后对模型的局限性及其改进措施进行了探讨。

2.1 模型分析和选择
有害气体泄漏事故在化工事故中占很大比重，研究化工厂预警问题离不开气体扩散模型。通过研究气体扩散模型，模拟气体扩散范围，预测其危险程度，对于减小事故灾害损失意义重大。因此，国内外大量专家学者对气体扩散问题作了深入研究。国外对气体扩散研究始于上世纪七、八十年代，在九十年代又对其进行了现场试验研究；国内在近年来也越来越重视相关研究。由于化工行业气体泄漏易引发严重后果，目前该领域的研究相当活跃。针对泄漏对象、泄漏规模、泄漏环境等条件提出并验证了大量扩散模型。关于气体扩散的模型有很多种，目前较为成熟的扩散计算模型主要有BM 模型、FEM3 模型、SUTTON 模型以及使用范围最广泛的高斯模型等[55-58]。BM(Britter and Mcquaid )模型是对唯象模型的简称，通过大量图表或简单的表达式描述气体的扩散，其表现形式为一系列的方程式和列线图。该模型由经验总结而出，扩展性较差，实验误差较大，只能用于确定有害气体影响的最外围警戒线  [59-62]，不适用对模拟精度要求较高的场合。  
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2.2 高斯模型
鉴于高斯模型具有计算结果与实际实验数据吻合度较高、模型简单、易于理解、计算量较小、计算效率高、可扩展性强等优势，因此环评领域普遍使用高斯模型作为大气污染扩散的计算模型。本文所研究的课题也采用高斯大气污染扩散模型。使用高斯扩散模型，，需满足以下条件[46]：  
（1）研究区域地面平坦开阔、材质均匀，空气流动速度平缓、稳定，不考虑风场变化。  
（2）扩散过程中，大气污染物与空气之间无相对运动，符合质量守恒定律、污染物本身的化学成分不变，不与其它气体发生化学反应。污染气体在地面无吸收，全部被反射出去。  
（3）研究区域平均风速高于  1.0  米每秒；污染物扩散的半径在 10 到 20 公里范围内。 
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第三章 系统分析与设计 ........ 19 
3.1  需求分析 .......... 19 
3.1.1  用户需求分析 ......... 19 
3.1.2  系统需求分析 ......... 19 
3.2  系统设计原则 ......... 19
3.3  系统数据库设计 ..... 20
3.4  功能模块设计 ......... 23 
3.5  本章小结 .......... 28 
第四章 化工厂预警系统实现 ....... 30 
4.1  化工厂预警系统开发环境 .......... 30 
4.2  系统界面设计 ......... 30 
4.3  地图基本操作 ......... 31 
4.4  地图编辑模块 ......... 32 
4.5  查询模块 .......... 32 
4.6  分析模块 .......... 34 
4.7  数据管理 .......... 35
4.8  扩散模拟 .......... 40
4.9  地图输出 .......... 48 
4.10  事故分析预警 ....... 49 
4.11  本章小结 ........ 50 
第五章 总结与展望 ......... 51 
5.1  总结 .... 51 
5.2  展望 .... 52 

第四章 化工厂预警系统实现 

4.1 化工厂预警系统开发环境 

实现对系统浏览、使用的一系列操作。从工具条或菜单栏可以实现文件的打开、保存、输出，打印等功能，地图基本功能，包括地图放大、缩小、全图显示、量算等。 图层右键：按照 ArcGIS 使用习惯，在图层列表控件点击鼠标右键实现一系列基本操作。数据框右键实现图层的打开关闭，针对单个图层右键可以实现打开属性表，设置比例尺，图层选择、缩放以及图层属性功能。 地图右键通过调用 MapControl 控件的 OnMouseDown 事件实现：地图打开\添加数据、要素选择、清除选中要素、地图放大、缩小、全图显示等。 编辑模块在对系统数据空间数据变更时使用。主要包括编辑器工具的启动、停止、保存。要素的复制、粘贴、剪切、删除、撤销、恢复，以及对编辑内容的查找以及定位到 X.Y 功能。下图 4.5 为对消防的查找功能，在不确定要素名称时可以对地物进行模糊查询。 为满足不同用户的操作习惯，系统实现多种查询功能。 属性查询：选择查询图层，查询方法，使用 SQL 语句查询，系统将定位至所选要素，并对其高亮显示（效果图为图 4.6）。 位置属性：选择查询要素、几何形状与查询空间关系获取查询结果并将其高亮显示在地图上，下图 3.7 为对工厂图层查询结果。

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总结

由于各种因素，化工污染事故时有发生，对人民的生命安全和生态环境造成严重的危害，化工安全问题成为社会普遍重视的问题。如何合理预测并有效控制潜在危险，是化工行业共同关注的问题。本文将气体扩散模型与 GIS 相结合，利用 GIS 可视化技术和空间插值技术对气体泄漏扩散结果进行可视化显示。并以此作为灾后人口撤离预警的基础，建立了化工厂预警系统。论文主要结论成果如下： 
（1）以 ArcGIS  Engine 作为开发平台，结合化工预警工作的实际情况，实现了对研究区域地图的放大、缩小、漫游、不同格式数据的输出转换，以及查询、分析功能。根据不同用户操作习惯实现信息模糊查询、属性条件查询、空间位置查询等多种查询功能，方便用户最短时间查询感兴趣地物。通过缓冲区分析可以查找一定区域内的医院、消防单位，为用户提供最恰当的目标区域选择范围。最短路径分析，解决了受影响区域人员的撤离路线问题，提高了灾后人员撤离效率。 
（2）可以用于对地理信息数据和化工基础信息数据进行管理。对空间数据和属性数据进行添加、修改、入库等编辑操作，方便数据的及时更新。日常数据的监测有助于及早发现危险源头并对其进行预警，以便及时排查潜在安全问题，减小化工事故发生的几率。应急物资的有效管理和常见危险化学品应急信息的管理为事故发生后的应急决策提供理论参考和物质保障。 
（3）化工气体泄漏事故发生后，针对不同泄漏气体，输入对应条件参数，可以进行泄漏后果模拟预测，将影响区域直观显示在地图上。此外，系统还可以将模拟图导出为不同格式的图片文件，作为影响区域人口撤离预警决策的参考依据。 
（4）化工厂预警系统的管理工作为用户提供了一个信息支持和决策平台，能更好的为化工企业安全管理提供信息服务，灾前的隐患预警与灾后的人员撤离预警相结合，能够最大限度减小灾害损失。 
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参考文献(略)

本文编号：44140