朱亮

摘? 要： 石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)常面臨著火災(zāi)爆炸或介質(zhì)泄漏中毒風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人員在裝置中的立體位置是開展安全監(jiān)護(hù)和預(yù)警的重要前提?；诒倍?GPS多模高精度平面定位和高度檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種立體定位終端。首先介紹石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn);然后詳細(xì)描述立體定位終端的設(shè)計(jì)，包括高精度平面定位、基于氣壓的高度檢測(cè)以及裝置現(xiàn)場(chǎng)立體定位流程;最后在某裝置區(qū)糧倉單元完成定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該立體定位終端平面定位誤差小于10 m，高度檢測(cè)誤差小于0.2 m，立體定位穩(wěn)定性較好，可用于石化裝置現(xiàn)場(chǎng)人員精確定位，提高安全監(jiān)護(hù)能力。

關(guān)鍵詞： 立體定位; 終端設(shè)計(jì); 石化裝置; 現(xiàn)場(chǎng)人員; 平面定位; 高度檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN820.4?34; TP216? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）04?0160?04

Design of stereo localization terminal for field personnel in petrochemical device

ZHU Liang

（SINOPEC Research Institute of Safety Engineering， State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals， Qingdao 266071， China）

Abstract： As the personnel in the petrochemical production site often face the risk of fire explosion or medium leakage poisoning， the real?time monitoring of the stereo localization for field personnel in the device is an important prerequisite for safety monitoring and early warning. A stereo localization terminal is designed based on the multi?mode high?accuracy planar positioning of Beidou/GPS and height detection technology. The characteristics of the petrochemical production site are introduced， and then the design of the stereo localization terminal is described in detail， which includes the high?accuracy planar positioning， barometric pressure based height detection and stereo localization flow of the device site. The positioning experiment was completed in the granary unit of a device area. The results show that the plane positioning error of the stereo localization terminal is less than 10 m， the height detection error is less than 0.2 m， and the stereo localization stability is better， which can be used for the accurate positioning of personnel at petrochemical device site， and improve the safety monitoring ability.

Keywords： stereo localization; terminal design; petrochemical device; field personnel; planar positioning; height detection

0? 引? 言

近年來，石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員在火災(zāi)爆炸或有毒有害介質(zhì)泄漏事故中造成的傷亡失蹤事故時(shí)有發(fā)生。2010年，某石化企業(yè)介質(zhì)泄漏，造成現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸極限，靜電引發(fā)著火爆炸造成多人失蹤事故;2012年，某化工廠反應(yīng)釜底部泄漏著火，引發(fā)的爆炸事故造成多人死亡失蹤[1]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)人員精確位置，特別是定位現(xiàn)場(chǎng)人員在生產(chǎn)裝置中的某一平臺(tái)，是石化安全生產(chǎn)管理的重要應(yīng)用方向[2]。隨著石化廠區(qū)有毒有害介質(zhì)泄漏監(jiān)測(cè)能力的提升，泄漏危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)算法的成熟[3?4]，通過立體位置監(jiān)測(cè)，可給現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，并且提供基于立體位置的應(yīng)急指令，引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員撤離到安全區(qū)域，是危化品泄漏事故救援中最后一道安全保障[5]。本文根據(jù)石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，基于多模高精度平面定位技術(shù)、氣壓高度檢測(cè)和立體定位方法，設(shè)計(jì)了一種立體定位終端，有望解決石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員立體位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題。

1? 石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)

1.1? 框架型生產(chǎn)裝置

石化生產(chǎn)裝置主要根據(jù)加工工藝流程建造。根據(jù)加工需要，包括有塔、換熱器、反應(yīng)器、儲(chǔ)罐、各種撬裝裝備以及輸送介質(zhì)設(shè)備，為了這些設(shè)備的連接安裝、操作控制、維修維護(hù)方便，通常建有操作平臺(tái)。平臺(tái)高度依據(jù)設(shè)備高度或操作需要設(shè)計(jì)建設(shè)，各平臺(tái)之間通過直梯或者斜梯連接，總體呈金屬框架型結(jié)構(gòu)，這些金屬框架和塔器等設(shè)備架對(duì)立體定位信號(hào)容易產(chǎn)生干擾[6]。

1.2? 介質(zhì)易燃易爆易中毒

石化生產(chǎn)從原料到產(chǎn)品，包括半成品、中間體、催化劑、各種添加劑等，大多數(shù)屬于易燃易爆、有毒有害的物質(zhì)，并且多以氣體、液體狀態(tài)存在[7]，比如硫化氫、可燃?xì)?、乙烯等。而生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，條件苛刻，通常在高溫高壓、深冷真空等條件下進(jìn)行，這些介質(zhì)非常容易發(fā)生泄漏或者揮發(fā)，甚至自燃，時(shí)刻威脅著現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全。

1.3? 區(qū)域檢維修施工作業(yè)頻繁

隨著人們對(duì)石油產(chǎn)品需求量增大，生產(chǎn)裝置朝著大型化、連續(xù)性、大容量方向發(fā)展。為了適應(yīng)新時(shí)期的需求，石化企業(yè)通常出現(xiàn)加工生產(chǎn)和施工作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，一部分裝置在檢維修或改擴(kuò)建，其他裝置在正常生產(chǎn)。并且，隨著裝置長周期運(yùn)行和設(shè)備老化，經(jīng)常出現(xiàn)在正常運(yùn)行生產(chǎn)的裝置區(qū)域內(nèi)同時(shí)進(jìn)行設(shè)備檢維修[8]。及時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人員立體位置是開展施工作業(yè)安全監(jiān)護(hù)的重要前提。

1.4? 現(xiàn)場(chǎng)操作巡檢

雖然石化生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度不斷提高，但是仍有一些反應(yīng)工藝需要人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)操作，確認(rèn)狀態(tài)。根據(jù)反應(yīng)時(shí)間的推移和設(shè)備的長周期運(yùn)行，需要人員周期性在現(xiàn)場(chǎng)巡檢，確認(rèn)化工反應(yīng)在正常參數(shù)范圍內(nèi)，檢查設(shè)備是否處在安全狀態(tài)[9]?？傊?，石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作巡檢人員必不可少，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些人員的立體位置是開展安全監(jiān)測(cè)的重要手段。

2? 立體定位終端設(shè)計(jì)

圖1所示是立體定位終端框架圖。CPU采集BMP280的氣壓數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算獲得高度信息，同時(shí)采集MC20獲得的平面定位數(shù)據(jù)，并且通過該模塊的GPRS無線傳輸功能將所有采集的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，電源管理為CPU、MC20及BMP280提供高效穩(wěn)定的電源，人機(jī)交互供攜帶人員操作該終端。

2.1? 平面精確定位

平面定位基于MC20定位無線通信模塊設(shè)計(jì)，該模塊支持先進(jìn)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)，集成了離線輔助定位（EPO）、秒定等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速首次定位，通過北斗、GPS等多星座系統(tǒng)調(diào)解算法，獲取更加精準(zhǔn)的定位效果。相比傳統(tǒng)的單模定位方式具有精度高、定位快等優(yōu)勢(shì)，并且具有GPRS無線傳輸功能，可將定位數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，模塊體積小、功耗低，在便攜式監(jiān)測(cè)終端中廣泛使用[10]。該模塊啟?？刂坪凸ぷ髂Ｊ竭x擇分別由CPU輸出CPU_PWKEY和GNSS_EN控制，本終端需要將定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，因此工作在“all?in?one”模式，聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)通過LED指示燈顯示。電路設(shè)計(jì)見圖2。

2.2? 基于BMP280的高度檢測(cè)

BMP280是一款高精度數(shù)字氣壓傳感器，檢測(cè)大氣壓強(qiáng)范圍為0～20 000 hPa，精度典型值為±1 hPa，工作溫度范圍寬，功耗低，非常適合便攜式檢測(cè)終端應(yīng)用[11]。檢測(cè)結(jié)果和初始化數(shù)據(jù)通過I2C接口與CPU相連，通過傳感器地址控制位控制其工作。本設(shè)計(jì)中該位接地，高度檢測(cè)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。高度檢測(cè)流程為：接收到CPU一次采集命令后，首先獲得一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的氣壓信息;然后經(jīng)過IIR濾波器濾波，以消除由裝置現(xiàn)場(chǎng)檢維修、設(shè)備排空等擾動(dòng)引起的短期氣壓波動(dòng);之后根據(jù)存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償系數(shù)修正氣壓值;最后基于氣壓和高度之間的回歸換算公式得到高度值，完成一次采集任務(wù)后進(jìn)入睡眠模式，等待下次喚醒采集。氣壓高度公式為[12]：

[H=44 330.76×1-pp015.255]? ? ?（1）

式中：[H]為高度值;[p]為當(dāng)前檢測(cè)的大氣壓;[p0]為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，典型值為1 013.25 hPa。

2.3? 裝置現(xiàn)場(chǎng)立體定位流程

石化生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，差異性較大，在開展立體定位時(shí)需要結(jié)合裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行，具體流程如圖4所示。啟動(dòng)立體定位完成硬件初始化后，獲取裝置立體數(shù)據(jù)，通過參考點(diǎn)氣壓檢測(cè)值，建立裝置立體定位模型，確定立體定位坐標(biāo)系，并且給出裝置各層平臺(tái)與高度檢測(cè)值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以及允許的誤差范圍。之后根據(jù)平面定位和高度檢測(cè)數(shù)據(jù)開展立體定位，通過無線傳輸將結(jié)果回傳，完成一次立體定位過程。

3? 立體定位實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證立體定位終端的可行性和準(zhǔn)確性，在某石化廠區(qū)料倉單元進(jìn)行了平面定位準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)、高度檢測(cè)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)和立體定位穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。

3.1? 實(shí)驗(yàn)條件和步驟

料倉單元占地40 m×30 m，總高12 m，由地面、二層平臺(tái)、三層平臺(tái)組成。其中，地面包括動(dòng)力單元、儀表單元、3個(gè)立罐基礎(chǔ)設(shè)施;二層平臺(tái)包括物料輸送裝置、一個(gè)立罐頂部、測(cè)量儀表和控制執(zhí)行設(shè)備等，距地面4.89 m;三層平臺(tái)包括傳送管道、兩個(gè)立罐頂部、測(cè)量儀表和控制執(zhí)行設(shè)備表等，距地面8.01 m。各層平臺(tái)通過斜梯連接，裝置設(shè)備以外區(qū)域鋪設(shè)了網(wǎng)格踏板，屬于典型的金屬框架結(jié)構(gòu)石化生產(chǎn)裝置，該料倉單元西側(cè)和北側(cè)廠區(qū)道路寬10 m。

實(shí)驗(yàn)采用同一批次生產(chǎn)的5臺(tái)定位終端設(shè)備，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#，設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期為5 s，每次采集完成平面定位數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)后通過無線回傳。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要，這5臺(tái)定位終端放置在裝置現(xiàn)場(chǎng)或者由實(shí)驗(yàn)人員攜帶。

立體定位實(shí)驗(yàn)步驟為：

1） 將1#、2#、3#、4#、5#定位終端開機(jī)，檢查數(shù)據(jù)傳輸正常后交給實(shí)驗(yàn)人員;

2） 開展平面定位準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員攜帶1#定位終端沿著料倉單元東西向中心線從東走到西，然后順時(shí)針圍繞料倉單元走一圈，之后沿著中心線從西走到東，回到出發(fā)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集;

3） 開展高度檢測(cè)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)，將2#、3#、4#定位終端分別放置在地面、二層平臺(tái)、三層平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，20 min后分別計(jì)算這三臺(tái)定位終端的氣壓平均值;

4） 開展立體定位穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，將5#定位終端放置在二層平臺(tái)，實(shí)時(shí)收集存儲(chǔ)平面定位數(shù)據(jù)和高度檢測(cè)數(shù)據(jù)，1 h后停止數(shù)據(jù)采集。

3.2? 結(jié)果分析

平面定位準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)人員完成規(guī)劃路徑移動(dòng)用時(shí)6 min，1#定位終端上傳了72組有效數(shù)據(jù)，利用ArcGIS地理信息繪圖工具標(biāo)識(shí)平面定位結(jié)果如圖5所示。

其中箭頭實(shí)線是實(shí)驗(yàn)人員移動(dòng)路徑，圓點(diǎn)是根據(jù)采集的定位數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的位置。由圖可知，平面定位偏差都沒超過廠區(qū)道路，定位誤差小于10 m（廠區(qū)道路寬10 m）。

在高度檢測(cè)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)中，2#、3#、4#三臺(tái)監(jiān)測(cè)終端在9：05—9：25時(shí)間段內(nèi)各采集了249條有效數(shù)據(jù)，溫度和氣壓平均值如表1所示。根據(jù)式（1）可計(jì)算出高度值，進(jìn)而計(jì)算出二層平臺(tái)和三層平臺(tái)高度檢測(cè)絕對(duì)誤差分別為0.16 m和0.18 m，均不超過0.2 m。

在1 h的立體定位穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，每分鐘選取一組有效數(shù)據(jù)，根據(jù)平面定位和高度檢測(cè)數(shù)據(jù)，其立體定位穩(wěn)定性結(jié)果分布如圖6所示。由圖可知，立體定位高度結(jié)果100%都在二層，沒有偏差;平面結(jié)果41.7%的定位偏差在5 m以內(nèi);接近70%的定位偏差在10 m以內(nèi);90%的定位偏差在15 m以內(nèi)，長時(shí)間的靜置實(shí)驗(yàn)表明立體定位穩(wěn)定性比較好。

4? 結(jié)? 語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航平面定位、無線傳輸和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和普及，為石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員安全監(jiān)護(hù)提供了新的解決思路。本文結(jié)合平面精確定位和高度檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)石化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種立體定位終端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該立體定位終端平面定位誤差小于10 m，高度檢測(cè)誤差小于0.2 m，立體定位穩(wěn)定性較好，可用于石化裝置現(xiàn)場(chǎng)人員精確定位。在石化安全生產(chǎn)和事故應(yīng)急過程中可提供基于個(gè)體位置的安全預(yù)警，有利于提高安全管理的效率和針對(duì)性。

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