气体泄漏源定位侦检系统设计与实现

梁明明

摘要：随着经济发展和社会进步，气态危化品的使用需求越来越大，随之而来的泄漏事故不断增多，给人民群众的生命财产带来了重大威胁。在此类事故的救援处置中，及时准确的泄漏源定位是顺利实施救援行动的前提条件。文章设计了一种基于多点组网技术的泄漏源定位系统。硬件方面，对侦检节点的硬件系统进行了选材和总体设计;在软件方面，结合消防实战，使用visual studio对软件做了基本设计，在泄漏源定位功能的基础上添加了实战功能，例如危化品事故辅助决策信息查询、扩散态势模拟、侦检路线规划等。

关键词：消防;多点组网;泄漏源定位;辅助决策

气态危化品由于易燃易爆、有毒腐蚀等特性造成的危害极大，在处置此类事故中，泄漏源的准确定位是保证灭火救援行动顺利实施的前提条件。2003年12月23日，位于重庆开县的中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司川东北气矿罗家16H井发生井喷事故，涉及作战面积达到80km2，作战半径达到5km。消防中队大多只配备一至两台气体侦检仪器，很难完成泄漏源定位以及其他侦检工作，因此现场需要调集大量器材和侦检人员进入现场[1]。调集力量过少，会影响救援任务;调集力量过多，间接造成现场混乱[2]。根据调研情况，消防队伍现有的数据收集方式是通过记录本、笔或者电台进行侦检数据收集和传输，利用收集到的数据进行泄漏源定位、危险区划分则需要更多、更复杂的计算工作。因此本文设计了基于无线组网技术的泄漏源定位系统，希望能为消防队伍处置此类事故提供一定的帮助。

1  侦检节点硬件设计方案

基于多点组网技术的泄漏源定位硬件系统主要由传感器信息单元、GPS模块单元、GSM收发设备和相关电路组成[3]，实现的主要功能是将监测点的环境信息、泄漏浓度、绝对位置信息（GPS坐标）等数据传输至终端，在计算机终端调用反算算法，结合获得的数据进行反算定位。系统以MSP430F149单片机为控制核心，MSP430F149是一款16位单片机，特点是易用性和多功能性，是第三代单片机的代表。

1.1  系统组成

侦检节点主要由传感器信息单元、GPS定位模块和GSM收发装备三部分组成。

（1）传感器信息单元

传感器信息单元主要实现现场信息的采集与传输功能，负责将各个检测传感器采集的信息打包传输。现场信息检测源具体可分为环境、危险气体等，见表1。环境类信息包含温度、湿度，采用相应传感器进行周边环境探测;危险气体信息单元包括可燃气体、氧气、硫化氢、氨气浓度信息，本系统危险品气体传感器主要采用三种技术：电化学技术、催化燃烧技术、红外技术[4]。

（2）GPS模块单元

GPS是随着现代科技的快速发展建立起来的精密卫星导航和定位系统，该系统技术成熟，具有全球、全时段进行三维测速、定位、导航的能力[5]，还拥有优秀的抗干扰特性和保密特性。其作业特点具体体现在全球全天候工作、定位精度高、功能多、应用广[6]。本文选用的GPS模块为SIMCOM公司的SIM808模块，该模块采用SMT封装形式，性能稳定，性价比高，采用工业标准接口，适用于各类GPS定位。

（3）GSM收发模块

由于气体泄漏事故现场大多处于露天场所，因而本系统采用GSM无线通信作为远距离通信设备，该模块主要完成数字量的采集，数据打包、信息的发送、存储和转发等功能[7]。为了实现上述的功能，系统通过专用控制信道传送短消息来实现短消息数据传输功能，无线GSM模块的接收和发送短消息的功能可以使用AT指令集实现，这种传输方式发送短消息时不用进行拨号连接，只需要通过控制信道把要发出的短消息加上目的地址發送到短消息服务中心，然后由短消息服务中心再把消息发送到最终的信宿，短消息服务中心可保存要发送的信息。

（4）声光报警模块

该系统具有STEL、IDHL报警功能，STEL即15分钟时间统计加权平均值的短期暴露水平，是短期工作所允许的浓度[8]。IDHL即立即致死量，是引起短时间死亡的有毒气体浓度。可燃气体报警量程在0%～100%LEL，按照国家规定低报一般设置在15%～25%LEL之间报警，常设置在25%。报警模块采用简单的声光报警电路，先设定泄漏物浓度的报警阈值，当传感器监测到的泄漏物浓度达到或者超过报警阈值，则声光报警器响应。硬件使用75dB声报警和广角明亮的光报警[9]。

1.2  硬件设计

传感器信息单元、GPS模块单元、GSM收发设备和声光报警模块可由一块电路板设计，主控单片机采用MSP430F149，它有6组I/O口，自带12位模数转换模块，可以作为数据地址总线。这里P1口扩展为与短信收发模块相连的数据和控制总线;P3口连接FLASH存储器AT45DB021，所有的编程操作都是针对于页的，擦除操作可以作用于芯片、扇区、块或页，该存储空间用于系统存储数据使用;P4.0口连接可燃气体探测器、氧气、二氧化碳和氨气传感器[10];P5口扩展为与GPS模块相连的数据和控制总线;P6口扩展为与温湿度传感器相连的数据总线;并且扩展了与各传感器相连的总线信号和一些模块的使能信号。以上传感器均自带AD转换电路，只需外围电路改造即可直接读数使用。系统由主控板、短信发送单元、气体检测单元、GPS模块和传感器单元等组成。数据通信采用总线结构，短信收发器通过标准的RS-232九针接口与计算机终端相连[11]。

主控板主要实现如下功能：

①具有GPS信息、传感器信息的分析和处理功能;

②管理短消息的发生。通过TC35i模块规定的通信协议，控制TC35i模块进行短消息数据的发送[12]。

2  终端软件设计方案

2.1  需求分析

该泄漏源定位侦检软件系统以消防队伍实战需求为落脚点，在设计过程中以泄漏源定位功能为核心，其他功能为辅，本软件设计了以下更利于实战的软件平台。

（1）友好的操作界面，便捷的软件操作[13]：第一，参数输入尽量少而集中，对于环境信息的数据输入尽量能够实现软件自动获取;第二，操作尽量简便，按钮设置不宜过多;（2）提供泄漏源定位功能;（3）提供气体扩散态势模拟功能;（4）提供节点标注、侦检路线规划功能;（5）提供危化品信息查询功能，如理化性质、个人防护措施、处置对策、注意事项等信息;（6）可视化运行结果。在电子地图直观显示泄漏源位置和泄漏扩散区域，帮助消防人员直观、准确、及时地发现泄漏源，并根据扩散模拟结果设置警戒区域，对于侦检节点的布置和侦检路线的设计都能够在地图上进行标绘。

系统采用visualstudio2015为开发平台，使用c#语言编程，并利用Access软件设计数据库[14]，结合百度地图API技术进行开发。软件结构图如下：

2.2  功能设计

消防人员处在混乱紧张的事故现场，简单便利的设计有利于稳定消防员心理，还能够避免因操作错误带来的危险后果，因此该系统软件界面设计要求简洁直观，设置三个菜单栏：查询模块、模拟模块、帮助，分别实现查询功能、模拟功能（泄漏源定位、扩散模拟、节点标注、路线规划）、帮助信息和版权信息提示.

（1）定位模块设计

定位模拟模块主要实现反算定位功能。该功能的实现需要输入环境信息、接收侦检节点数据、输出结果等。为了更加直观地显示定位反算结果，在设计时调用百度地图API，在地图上进行泄漏源标记。结合消防实战需求，软件还增加了一些实用工具，例如扩散模拟、节点标记、路线测距等。

定位功能实现：

环境信息输入：包括风速、地面粗糙度等信息的输入，由于气体扩散的影响因素太多，而且很多参数的获得需要专业仪器，获取十分困难，但是对结果影响却不大，系统精简了需要输入的选项，使软件的使用更加便利;

节点信息：实时接收侦检节点反馈的位置信息和检测到的泄漏物信息，包括经纬度位置、气体浓度;

百度地图API调用：调用百度地图API，完成街道图、卫星图像显示功能，卫星图像能够清晰显示建筑物和道路情况，符合消防人员对地理的认知习惯。借用百度卫星图，消防人员不仅可以准确方便地进行消防车辆停靠，还可以便捷地实施交通管制和事故现场警戒;

气体扩散模型：描述气体扩散的模型发展至今已经有很多，但是常见的模型主要有：高斯模型（高斯烟羽模型、高斯烟团模型）、BM模型、Sutton模型、FEM3模型。在实际情况下，重性气体在空间中的扩散由于受到大气的稀释也能够很好地满足高斯模型。对于高斯模型还需要提出以下适用条件：地势平坦开阔，性质均匀，定常态;气体扩散过程中没有发生沉降、化合、分解及地面吸收的发生，没有降水等情况;扩散空间的风速、大气稳定度都均匀稳定;云团与空气相对运动忽略不计，即云团与大气一起运动，平均风速不小于1m/s;适用尺度不超过20km。

反算算法调用：在“模拟”按钮的click事件中调用粒子群算法，结合节点信息、环境信息，获得泄漏源位置，由于粒子群算法使用的是空间坐标，百度地图使用的是经纬度坐标，因而在调用时需要进行坐标转换，设（le，lw）为坐标原点坐标，（x，y）为空间坐标，（le'，lw'）为（x，y）对应的经纬度坐标。

转换公式为：

（1）

（2）

其中为地球半径，为圆周率。

将反算结果传递到百度地图javascrip：

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

webBrowser1.Navigate（pp+ "？jingdu=" + this.txtjingdu.Text + "&weidu=" + txtweidu.Text + ""）;//参数传递

其他功能实现：利用百度API技术，通过划线、测距、标记工具实现侦检节点布局、侦检路线规划功能。

测距功能。危化品泄漏事故现场影响范围很大，消防员佩戴空气呼吸器进入事故现场，有两个制约因素影响消防员行进距离：一是空气呼吸器使用量;二是消防员体能。相对于体能而言，空气呼吸器的限制作用更大，利用广泛配备使用的6.8L依格自给正压式空气呼吸器，对消防员做一个简单的慢走、慢跑的测试，气温13度，正常体型的消防员着全棉内衣、重型防化服、空气呼吸器、携带气体侦检仪器[15]。对于慢走而言使用时间在27分23秒至31分14秒，行进距离在2520m到2820m;对于慢跑而言使用时间在12分31秒至15分04秒，行进距离在2500m到3200m，在实际救援中，考虑撤离因素，数据还要低很多，因此测距功能对于侦检路线规划很有必要。实现方法如下：

var myDis = new BMapLib.DistanceTool（map）;

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

myDis.open（）;  //開启鼠标测距

}）;

添加新图层（扩散模拟层）。扩散模拟对于危险区划分具有重要的指导意义，在处置危化品泄漏事故中，危险区的划分是保证救援人员安全的重要手段，解决思路为将泄漏范围内的每一点浓度与该气体的危险浓度进行比较，用红色进行标识：

map.addOverlay（oval）;

oval.enableEditing（）;

添加标注功能。在危化品泄漏事故处置过程中，泄漏源位置的标识、消防车辆停靠的位置、侦检路线的规划等一般是靠消防员之间通过电台沟通进行，这种方式存在以下几个方面的问题：一是容易出错，一旦沟通过程中，消防员理解出现偏差，造成如停车位置不准确的情况，极易造成危险后果;二是沟通需要反复进行，因而耗费时间，并且占用电台通道。因此添加标注功能，可以在地图上直接标记停车位置、侦检路线等信息。标注功能实现：

var marker = new BMap.Marker（new_point）;  // 創建标注

map.addOverlay（marker）;

根据以上过程设计的定位模拟模块界面图如下：

（2）查询模块设计

根据调研结果，对于气态危化品泄漏事故处置而言，消防队员需要了解的泄漏物质信息包括气体种类、理化性质、健康危害、灭火措施等，对于化工单位发生的事故，能够尽快收集单位信息、联系消防责任人、获取制定的预案最为关键，利用Access收集这些信息建立危化品数据库。功能模块图如下所示：

3  结语

本文主要研究了基于多点组网技术的泄漏源定位系统的软硬件设计。硬件方面完成了基本设计;软件方面完成了应用系统部分工作，具备泄漏源定位功能、化学事故处置辅助决策信息查询、侦检路线规划、扩散模拟等功能。该系统对泄漏源定位模型的依赖性较大，在仿真模拟中，使用的高斯模型在非重气扩散上误差不大，但是在重气扩散上存在较大误差，反算算法的误差有些在10m以上，如果再考虑传感器的测量误差、环境的影响可能还会增大，因此还有进一步改进的空间。

参考文献：

[1]张广华.危险化学品重特大事故案例精选[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[2]李佳琴.浅析企业人力资本投资及风险控制[J].城市建设理论研究（电子版），2011（22）.

[3]李娜.基于ZigBee的无线传感器网络在工业监测中的应用[D].西安：长安大学，2009.

[4]陈青松.Co纳米薄膜的制备、结构表征及其特殊红外性能研究[D].厦门：厦门大学，2006.

[5]赵少松.卫星定位导航的算法研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[6]朱伟民.浅议GPS技术在现代交通运输中的应用[R].上海：第五届长三角科技论坛（测绘分论坛），2008.

[7]张东英.基于GSM短消息的无线数据采集系统的设计[D].辽宁：辽宁科技大学，2005.

[8]张莉英，彭力，吕长军，等.石化企业职业危害因素的动态监测[J].石油化工安全环保技术，2007（03）：55-60+70.

[9]刘建忠，顾灿虹.紧急通用报警系统的优化设计[J].江苏船舶，2004（05）：35-37.

[10]李瑞.可燃气体探测器检验装置的设计[D].沈阳：东北大学，2008.

[11]张东英.基于GSM短消息的无线数据采集系统的设计[D].鞍山：辽宁科技大学，2005.

[12]程全，李向东.基于GSM模块与AT89C51的接口设计及应用[J].微计算机信息，2006（26）：293-295.

[13]计丕良.管理信息系统人性化操作模型的研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[14]杨珺.胡永华.基于Web数据库的信息管理系统[J].江西农业大学学报，2001（05）：62-65.

[15]李国辉.自给正压式空气呼吸器应用研究[J].消防技术与产品信息，2011（06）：18-20.

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