化工园区智慧安全应急平台中的数据采集与预警分析

广东蓝盾乐庚信息技术有限公司 翁锦榕 钟俊勇 吴文浩

1 引言

化工园区内分布着大量的有危险源和污染源企业，稍有不慎，就可能酿成严重的事故，造成重大人员伤亡和财产损失，个别事故还会造成严重的环境污染。智慧安全应急平台正是在这样的背景上产生的，对化工园区来说，智慧安全应急平台的建设目的是为园区的安全生产保驾护航，构建集应急值守、监控预警、综合研判、辅助决策、指挥调度、模拟演练等功能于一体的智能化应急系统，实现多部门协同联动和信息共享[1]。

智慧安全应急平台借助园区化工企业泛在的感知网络（环境监测传感器、生成过程监测传感器、安全生产视频监控设备、安防视频监控设备等），基于新一代数据采集和分析技术，实现有毒可燃性气体浓度、生产过程安全参数（温度、压力、液位、浓度等）等关键指标的实时采集、动态监测，将化工园区与信息化深度融合，实现对监测监控数据的深度挖掘和分析，识别潜藏的规律，从而将事故扼杀在萌芽状态[2]。

通过调研发现，目前绝大部分化工园区对企业的管理，通常只是接入企业的监控视频，对于生产过程安全参数和有毒可燃性气体监测参数等关键指标的接入还很少。而且，即使接入了，对企业采集数据的安全保护也不够。后端应急平台对这些数据还只停留在基本的统计分析上，没有做到真正的数据分析[3]。化工园区运营管理水平和公共服务能力还相对较低。因此，如何实现园区化工企业关键监测参数的安全接入和采集，实现后端平台有效的数据分析，以及监测数据的可视化展示与预警，成为智慧化工园区亟待解决的问题。

2 化工企业关键安全参数的采集

生成过程控制系统或自动化控制系统，当前已被广泛的用于化工行业。普遍采用OPC或Modbus协议来支持与第三方设备的通信。这意味着，对于大多数的化工企业，通过实现OPC通信或Modbus通信，就可以从企业现有的生产过程系统和环境监测系统来读取重要安全参数的监测数据、报警值等。

2.1 关键安全参数的采集

通过对化工企业主流通信协议的研究，设计了一套企业数据采集系统，该系统主要支持OPC协议和Modbus TCP协议，从而来实现现场设备的数据采集、数据过滤、数据集成等功能。企业数据采集系统读取生产过程装置的压力、液位、温度、有毒可燃气体浓度等安全参数和它们的报警数据，并将数据按照定义好的规范来生成文件。

数据采集软件支持配置相关参数和所要获取的监控数据，包括：OPC服务器IP或控制器IP、服务器或控制器标识、企业标识、客户端标识、客户端序号（用于区别多个生产过程监控系统、环境监测系统数据）、采集频率、采集监控点（标签项）等。

2.2 采集数据联网规范

2.2.1 数据文件定义

企业数据采集系统采集后生成的文件，其格式为文本文件,文本编码采用ANSI格式。

数据文件命名规则：年月日时分秒+企业编码+企业采集点序号+数据文件类型码.txt。

采集文件未完全生成数据前文件扩展为tmp，完成后改为txt。数据文件的第1条记录是文件头。文件头由企业编号、生成时间、文件标识、数据类型数据记录数组成。企业编号由10位字母数字表示，数据文件类型用4个字母表示。文件-数据体(设备数据记录)由时间、监测点、名称、监控对象、检测值、报警上限值、报警下限值、传感器状态等组成。

2.2.2 通讯定义

化工企业和园区应急中心，应急中心和上级安监局，数据传输采用 TCP/IP 协议和套接字（Socket）接口通信。

（1）消息包格式（见表1）

表1

（2）消息列表（见表2）

2.3 关键安全参数的交换传输

关键安全参数采用前置交换模式进行交换传输，即在企业和应急中心分别部署数据交换系统。企业数据交换系统、园区应急中心数据交换系统、安监局数据交换系统通过消息队列来实现数据交换，并且通过国密SM4加密算法，来保障通信的安全。

数据交换传输采用FTP的方式来进行交换传输。FTP是可靠的，面向连接的，和数据加密一起为数据的远程传输提供可靠的保证。

2.4 关键安全参数的加解密

数据交换系统采用SM4加密算法。在企业端，数据加密功能采用密钥对生成的文件进行加密，然后交付给数据传输程序，将加密后的文件传输到应急中心。在园区应急中心端，则对应有服务器端数据解密程序，采用同一秘钥对收到的文件进行解密，然后交付给数据解析程序，通过事先约定的传输规范对文件进行解析，读取数据，进行展示。

SM4是一个分组对称密钥算法，明文、密钥、密文都是16字节，加密和解密密钥相同。通过32次循环的非线性迭代轮函数来实现加密和解密。SM4基本过程是首先把16字节密钥按照4字节一组分成4组，然后根据密钥扩展算法，生成32组4字节轮密钥；再把输入的16字节数据也按照4字节一组分成4组然后进行循环运算。

3 监测数据的可视化展示

在安全参数的动态监测方面，实现了对园区化工企业温度、压力、液位、有毒可燃气体浓度等安全参数的实时监测和预警[4]。系统提供列表、曲线、工艺流程图、平面图等方式来直观展示实时监测信息和监测历史数据的功能，实现即时联动报警，报警方式包括地图自动定位、周边视频的自动播放、弹框提醒、短信提醒等。

表2

4 数据预警分析

通过对报警信息和安全参数信息、企业信息、重大危险源信息等静态数据和动态数据，进行数据分析，对事故风险进行预测预判，实现规律挖掘、图形化分析、预警等功能[5]。大数据预警分析，我们结合应急业务，重点关注重大危险源分析和重大危险源报警分析。

4.1 重大危险源分析

（1）重大危险源级别占比分析

统计园区重大危险源的数量，各级别重大危险源的数量以及占比情况。

（2）重大危险源类型分析

统计园区不同类型重大危险源的数量，包括储罐区，危化工艺生产场所等。

（3）重大危险源等级统计

按照危险源等级统计园区危险源分布情况。

（4）重大危险源引发事故数量分析

统计园区各重大危险源引发事故的情况。

（5）重大危险源区域分布分析

将园区根据企业进行分区，根据重大危险源引发事故的情况，来统计各区域发生事故的情况，从而对该区域进行重点监控。

（6）重大危险源逐年变化趋势

统计重大危险源逐年变化趋势，包括整体数量、级别占比和引发事故数量变化趋势。

（7）重大危险源引发事故死亡人数分类统计

统计各重大危险源安全事故所造成死亡人数的变化趋势。死亡人数分类按：0-2人、3-9人、10-29人、30人以上四种级别进行划分。

4.2 重大危险源报警分析

对报警信息，按照时间、地区（地点）、企业安全生产种类进行存档、统计分析和管理；从地点、行业类型、时间区间（如周、半月、月、季度、半年度等）、预警记录类型等维度进行统计预警，并提供多种查询统计方式。按照月度、季度对企业危险源、危险场所态势进行预测预警，对企业预警态势进行分级，并通过报警数据分析进行报警与事故转换关系分析，从而为职能部门的重点监管提供信息技术支撑，为其隐患排查、安全检查和行政执法等工作提供决策依据。其中，重点实现以下统计预警功能：

（1）报警区域统计

统计重大危险源报警的区域分布情况，按不同企业、区域范围进行统计。

（2）报警季节统计

统计报警的季节分布情况，包括报警总量的季节分布、各设备报警的季节分布，找出报警与季节的关系。同时，统计报警在一天中的分布情况。

（3）报警行业统计

按行业分类（如：某区域精细化工、石油化工等）统计报警的季节变化趋势，找出各行业安全报警与季节之间的关系。

（4）报警设备类型统计

按设备类型（视频摄像头、温度传感器、压力传感器、液位传感器、气体浓度传感器）统计报警情况，包括统计历史总量信息、实时监控变化情况等。

5 结束语

过去，已经有许多研究致力于解决化工园区企业安全监管的问题。它们有的只是接入化工企业的安全生产和安防视频，做基本的监管和事故发生后的取证，有的是在此基础上做一些智能视频分析，有的是同时接入了化工企业的视频和安全参数关键指标数据，实现企业数据采集和交换、可视化展示等，但是又没有实现传输数据的安全保护，企业内网和传输网络的安全隔离，监测数据可视化展示和预警联动功能都较差，数据统计也只是基本的统计分析。

本文提出的数据采集和预警分析技术目前已在智慧化工园区项目中成功应用，取得了良好效果，使得化工园区运营管理能力和公共应急服务能力都得到很大改善，保障了化工园区的可持续发展。此外，该技术还可用于智慧安监等领域，具有广阔的市场空间和发展前景。

[1]刘伟伟,王玮.山东省化工园区现状及智慧园区信息化建设初探[J].山东化工,2016,45(20)：126-127.

[2]杨晓宇.化工园区安全管理呼唤智慧化[J].化工管理,2014(31)：22-23.

[3]林芳宇.智慧园区政企公共服务平台的设计与实现[D].吉林大学,2014.

[4]李云婷,严京海,孙峰,张大伟,夏曦,芮晓光,白鑫鑫,尹文君.基于大数据分析与认知技术的空气质量预报预警平台[J].中国环境管理,2017,9(02)：31-36.

[5]冯言勇,刘桐杰,李昱,方俊伟.通过大数据分析进行设备故障诊断的技术研究[J].自动化博览,2017(12)：72-77.