張 威

（1.福建經(jīng)緯測(cè)繪信息有限公司，福建福州 350001；2.武漢大學(xué) 通導(dǎo)遙集成應(yīng)用工程研究中心，湖北武漢 430079）

隨著全球經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的日益進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外石化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)產(chǎn)能規(guī)模日趨擴(kuò)大，生產(chǎn)過程中涉及的化學(xué)品類型和體量也越來(lái)越多，化學(xué)品危險(xiǎn)性復(fù)雜多樣[1-2]。由于設(shè)備故障和人為失誤以及恐怖組織活動(dòng)等因素，?；返男孤┦鹿屎涂植酪u擊時(shí)有發(fā)生，尤其是有毒有害氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸或貯存的過程中意外泄，造成巨大的生命危害和財(cái)產(chǎn)損失。1984年聯(lián)合碳化物（印度）有限公司博帕爾市氰化物泄漏事件，直接致死1萬(wàn)多人，陸續(xù)致使超過55萬(wàn)人死于和化學(xué)中毒有關(guān)的肺癌、腎衰竭、肝病等疾病[3]。根據(jù)ILO 2004年4月28日在其網(wǎng)站發(fā)布的報(bào)告——《28 April，World Day for Safety and Health at Work——Two million work deaths a year：A preventable tragedy》，截至2004年，死亡人數(shù)已上升至2萬(wàn)人，成為迄今為止世界上最嚴(yán)重的危險(xiǎn)化學(xué)品事故災(zāi)難，導(dǎo)致當(dāng)?shù)噩F(xiàn)在新生嬰兒畸形病變發(fā)病率非常高，事故的影響至今仍未能完全消除。經(jīng)調(diào)查，缺乏合理可靠的監(jiān)測(cè)及預(yù)警機(jī)制、違規(guī)操作等為核心原因。

通過上述案例可知，危險(xiǎn)化學(xué)品工業(yè)事故與其他事故相比有突出特點(diǎn)[4]：

1）發(fā)生突然，危險(xiǎn)因素多，搶險(xiǎn)防護(hù)困難。危險(xiǎn)化學(xué)品工業(yè)事故的發(fā)生比較突然，在瞬間或短時(shí)間內(nèi)大量有毒有害的化學(xué)品外泄，發(fā)生猛烈的爆炸、燃燒，特別是當(dāng)前化工園區(qū)存儲(chǔ)裝置日趨大型化（如合成氨、氯堿、氰化氫等），化學(xué)品多易燃、易爆、有毒、有害。在居民集中區(qū)，有毒氣體迅速向人口密集區(qū)擴(kuò)散，搶險(xiǎn)過程十分困難，嚴(yán)重威脅公眾生命安全。

2）擴(kuò)散迅速，危害范圍廣。突發(fā)性危險(xiǎn)化學(xué)品事故中有毒有害化學(xué)品的泄漏，嚴(yán)重污染了空氣、土壤、地表水和地下水等，特別是有毒有害氣體在短時(shí)間內(nèi)就可能擴(kuò)散到幾百米甚至幾千米遠(yuǎn)。

因此，國(guó)家高度重視化工園區(qū)有毒有害氣體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系建設(shè)工作[5]，各國(guó)政府及各化工園區(qū)急需高效可靠的工業(yè)化工園區(qū)?；瘹怏w監(jiān)測(cè)與應(yīng)急預(yù)警技術(shù)支撐，構(gòu)建可支撐工業(yè)化工園區(qū)危化氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與污染擴(kuò)散精準(zhǔn)化模擬評(píng)估平臺(tái)已經(jīng)成為必須。在技術(shù)研發(fā)方面，目前市場(chǎng)上已有的工業(yè)化工園區(qū)的監(jiān)測(cè)與應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，多以數(shù)據(jù)為中心的被動(dòng)式服務(wù)模式，缺乏對(duì)?；瘹怏w的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，數(shù)據(jù)孤島和系統(tǒng)孤島問題突出，資源貢獻(xiàn)困難，數(shù)據(jù)管理與處理能力差，預(yù)警決策方案的不確定性和不可靠性問題極其突出，系統(tǒng)自動(dòng)化與智能程度低[6]，上述問題嚴(yán)重制約了已有系統(tǒng)在?；瘹怏w實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急決策業(yè)務(wù)中實(shí)際應(yīng)用效能。本文將面向國(guó)家政府及各工業(yè)化工園區(qū)對(duì)?；瘹怏w泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)控與精準(zhǔn)化模擬需求，針對(duì)不同?；瘹怏w泄漏過程特征突發(fā)性強(qiáng)、危害性廣的特征，開發(fā)和集成更全面的危化氣體實(shí)時(shí)監(jiān)控與污染擴(kuò)散精準(zhǔn)化模擬評(píng)估系統(tǒng)，并構(gòu)建面向具體工業(yè)化工園區(qū)應(yīng)用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬決策系統(tǒng)。同時(shí)，將引入化工園區(qū)點(diǎn)線面協(xié)同觀測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在線分析、多維動(dòng)態(tài)展示以及面向多層級(jí)用戶的自適應(yīng)決策產(chǎn)品等相關(guān)信息，輔助實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)化?；瘹怏w模擬評(píng)估，以滿足復(fù)雜區(qū)域化工園區(qū)精準(zhǔn)管理需求。

1 平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的化工園區(qū)?；瘹怏w泄漏監(jiān)測(cè)與模擬預(yù)警軟體在系統(tǒng)功能、可用性、易用性、交互性等方面均不夠完善，數(shù)據(jù)管理與處理能力差，資源共享困難，系統(tǒng)自動(dòng)化與智能程度低，針對(duì)突發(fā)性污染擴(kuò)散過程的模擬分析處理過程中也普遍面臨計(jì)算效率低下和計(jì)算精度可靠性低的問題，在數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、轉(zhuǎn)換等信息處理的時(shí)效性及信息加載的主動(dòng)性方面不夠，皆需大量的人工參與，造成了系統(tǒng)決策時(shí)效性不強(qiáng)。

針對(duì)上述問題，基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)與虛擬地理環(huán)境的基礎(chǔ)思想，本項(xiàng)目將首先基于虛擬地理環(huán)境理論架構(gòu)及綜合空間信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系與集成規(guī)范，通過服務(wù)總線和消息總線等系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合應(yīng)用，構(gòu)建開放的、可伸縮、可定制的系統(tǒng)架構(gòu)。通過數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序、模型的服務(wù)化封裝以及軟硬件虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化與技術(shù)集成，提供一個(gè)以用戶為目標(biāo)、以需求為驅(qū)動(dòng)、以實(shí)際業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向、資源可動(dòng)態(tài)配置、服務(wù)可按需提供的綜合服務(wù)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各類資源優(yōu)化配置與智能管理，多源信息高效處理與可視化分析，污染物泄漏擴(kuò)散過程的精準(zhǔn)化模擬與定量評(píng)估，面向多層級(jí)用戶的多模式產(chǎn)品集成服務(wù)與綜合應(yīng)用信息服務(wù)系統(tǒng)。化工園區(qū)?；瘹怏w泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬評(píng)估系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 化工園區(qū)危化氣體泄露實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬評(píng)估系統(tǒng)總體架構(gòu)

核心關(guān)鍵技術(shù)模塊如下：

1.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)空大數(shù)據(jù)多模式組織與管理引擎

空間信息技術(shù)在化工園區(qū)?；瘹怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于存在數(shù)據(jù)海量、數(shù)據(jù)分布、多源異構(gòu)、處理復(fù)雜、計(jì)算效率低等問題，無(wú)法得到深入的應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)有效的共享集成和應(yīng)用協(xié)同，長(zhǎng)期積累下來(lái)的各種信息資源分布于異構(gòu)自治的空間信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)共享與服務(wù)共享困難，形成“信息孤島”“數(shù)據(jù)孤島”和“系統(tǒng)孤島”[7]。針對(duì)化工園區(qū)?；瘹怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警管理的空間信息應(yīng)用中存在的實(shí)際問題和應(yīng)用需求，研發(fā)了分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)空大數(shù)據(jù)多模式組織與管理引擎，綜合管理業(yè)務(wù)中的實(shí)時(shí)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、備災(zāi)數(shù)據(jù)、預(yù)警輔助專題數(shù)據(jù)、歷史災(zāi)情案例數(shù)據(jù)和綜合應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)等多種空間信息。一方面實(shí)現(xiàn)高效快捷的綜合信息整合、基礎(chǔ)建庫(kù)與更新發(fā)布服務(wù)，另一方面實(shí)現(xiàn)空間信息數(shù)據(jù)中心面向主題的智能數(shù)據(jù)管理，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的有效管理和維護(hù)，提供數(shù)據(jù)信息及空間數(shù)據(jù)資源訪問查詢、更新與不同層級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)的交換共享應(yīng)用。通過將軟件功能、管理策略與硬件平臺(tái)的特性、功能相融合，充分發(fā)揮了軟硬件結(jié)合的智能管理理念，動(dòng)態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了海量、多源異構(gòu)的綜合空間信息高效靈活的存儲(chǔ)、利用和保護(hù)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)空大數(shù)據(jù)多模式組織與管理引擎的設(shè)計(jì)與研發(fā)，主要是針對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流（原位傳感器時(shí)間序列數(shù)據(jù)、視頻流）、實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以及各類歷史基礎(chǔ)地理信息的時(shí)空特性及海量數(shù)據(jù)特點(diǎn)，綜合管理多種環(huán)境監(jiān)測(cè)地理時(shí)空大數(shù)據(jù)，主要包括面向服務(wù)的智能數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計(jì)、面向高性能分析的環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)方案研究、面向主題的智能信息檢索技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)資源中心、實(shí)時(shí)接入功能模塊、數(shù)據(jù)智能管理功能模塊、資源調(diào)度管理功能模塊、業(yè)務(wù)運(yùn)行管理模塊、用戶管理模塊等功能模塊的研發(fā)。

1.2 高并發(fā)地理計(jì)算與模擬分析在線服務(wù)引擎

提供高性能計(jì)算資源庫(kù)和空間分析算法庫(kù)、高性能仿真計(jì)算組件。高并發(fā)地理計(jì)算與仿真分析在線服務(wù)引擎面向化工區(qū)域空氣質(zhì)量仿真決策分析實(shí)際地理計(jì)算與空間分析需求，綜合運(yùn)用幾何邏輯運(yùn)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、代數(shù)運(yùn)算等數(shù)學(xué)手段，提供高性能計(jì)算資源庫(kù)和空間分析算法庫(kù)以及各類空間信息分析算法的工具化，提供對(duì)污染物濃度分布、擴(kuò)散趨勢(shì)的多維動(dòng)態(tài)仿真，并在內(nèi)核數(shù)據(jù)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和多維動(dòng)態(tài)可視化服務(wù)支撐下，提供面向現(xiàn)代瀏覽器和主流移動(dòng)終端的多維動(dòng)態(tài)仿真分析交互工具。針對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算與在線仿真分析計(jì)算中分布式、并行化、實(shí)時(shí)性、高通量等特點(diǎn)，建立消息傳遞、映像-歸約、內(nèi)存計(jì)算、實(shí)時(shí)計(jì)算、流式計(jì)算等各種計(jì)算范式的集成調(diào)度框架，實(shí)現(xiàn)多范式計(jì)算模型的高性能計(jì)算資源統(tǒng)一動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化配置，保證系統(tǒng)地理計(jì)算與仿真分析服務(wù)的時(shí)效性[8]。高并發(fā)地理計(jì)算與仿真分析在線服務(wù)引擎核心功能模塊的設(shè)計(jì)與研發(fā)主要包括：污染機(jī)理模型庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、高性能地理分析計(jì)算與空間分析工具集、高性能實(shí)時(shí)仿真分析計(jì)算組件以及環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在線處理與分析功能組件的研發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.3 多源時(shí)空大數(shù)據(jù)與污染擴(kuò)散過程的多維動(dòng)態(tài)可視化引擎

為實(shí)現(xiàn)多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及各項(xiàng)中間處理結(jié)果、實(shí)時(shí)模擬決策等在虛擬環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)、多維動(dòng)態(tài)、交互的展示與查詢功能，設(shè)計(jì)與研發(fā)多源時(shí)空大數(shù)據(jù)與污染擴(kuò)散過程的多維動(dòng)態(tài)可視化引擎。

基于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、污染場(chǎng)景以及各類地理時(shí)空大數(shù)據(jù)等信息，向各級(jí)用戶提供如化工園區(qū)危化氣體泄漏與污染擴(kuò)散信息的可視化服務(wù)以及會(huì)商決策環(huán)境，為應(yīng)急、指揮、救助以及評(píng)估決策提供直觀、高效的可視化服務(wù)支持。特別針對(duì)政府、環(huán)保部門、現(xiàn)場(chǎng)、公眾等不同處理能力、不同需求用戶，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量仿真評(píng)估等服務(wù)產(chǎn)品的內(nèi)容、產(chǎn)品尺度、服務(wù)時(shí)效性要求，產(chǎn)品分發(fā)交換格式，服務(wù)方式等進(jìn)行設(shè)計(jì)和劃分，為不同級(jí)別、不同需求用戶提供環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、空氣質(zhì)量仿真評(píng)估產(chǎn)品、決策支持產(chǎn)品及現(xiàn)場(chǎng)檢校產(chǎn)品等的編輯制作、集成加工等功能[9]。通過統(tǒng)一的制作模板和業(yè)務(wù)流程，將產(chǎn)品以圖形、圖像、專題圖件、表格、文字報(bào)告、多媒體等多種形式表示，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品以在線發(fā)布、數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)等多種方式提供給最終用戶。

多維動(dòng)態(tài)可視化引擎能夠提供描述、解釋和探索三個(gè)層次的可視化分析能力[10]。其中：

（1）描述層：用于展示化工園區(qū)地理全要素基礎(chǔ)的屬性、時(shí)間、空間信息；包括園區(qū)概況（園區(qū)范圍、空間、位置幾何等基本情況、站房分布情況、園區(qū)氣象情況等）、污染源（氣態(tài)液態(tài)固態(tài)污染要素和專題歸類分級(jí)）、環(huán)境受體（按排放源、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、形成幾何分布等分類方式，進(jìn)行污染物的排放量統(tǒng)計(jì)與呈現(xiàn)，按因子進(jìn)行排放量與濃度統(tǒng)計(jì)與呈現(xiàn)，實(shí)時(shí)反映存量與流量）。

（2）解釋層：對(duì)常態(tài)和非常態(tài)污染事件、污染物空間分布等狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析和評(píng)估；常態(tài)情況下，結(jié)合行業(yè)類型、企業(yè)類型研究得出的污染物排放規(guī)律性與當(dāng)前現(xiàn)狀排放規(guī)律進(jìn)行分析，當(dāng)超過某個(gè)閾值時(shí)可視化平臺(tái)發(fā)出預(yù)警信號(hào)；非常態(tài)綜合實(shí)時(shí)接入的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模擬模型以及歷史信息等，進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警、預(yù)測(cè)預(yù)警和歷史預(yù)警。

（3）探索層：綜合資源時(shí)空量質(zhì)、循環(huán)特征及再生能力，化工園區(qū)企業(yè)對(duì)資源消耗穩(wěn)定或達(dá)到可再生性維持等目標(biāo)，進(jìn)行環(huán)境污染的人群健康風(fēng)險(xiǎn)挖掘、重金屬污染的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析等綜合應(yīng)用。

2 青海甘河工業(yè)園區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了青?；@區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效服務(wù)于園區(qū)?；瘹怏w污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。青海化工園區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面圖如圖2所示。

圖2 青?；@區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

其中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入模塊：系統(tǒng)管理維護(hù)西寧市的甘河化工園區(qū)、東川化工園區(qū)、北川化工園區(qū)、湟中縣西山化工園區(qū)的多個(gè)測(cè)站的三百余種污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；由歷史數(shù)據(jù)遷移和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入更新兩個(gè)子模塊組成。歷史數(shù)據(jù)遷移子模塊負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)在Sql Server 中某一時(shí)段的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)一定規(guī)則和機(jī)制遷移到存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的MongDB 中；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新子模塊則負(fù)責(zé)將某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)后Sql Server 中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步更新到MongDB 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

青?；@區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能截圖如圖3所示。

圖3 青海化工園區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能截圖

?；瘹怏w監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多維動(dòng)態(tài)可視分析模塊：主要負(fù)責(zé)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的三維呈現(xiàn)，因子數(shù)據(jù)變化動(dòng)態(tài)可視分析、各個(gè)站房污染物因子熱力分析、各個(gè)站房因子的統(tǒng)計(jì)分析及其他一些可視化分析功能，具體可視化效果分為描述性、解釋和探索可視分析三個(gè)層次。青?；@區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化內(nèi)容設(shè)計(jì)表如表1所示。

表1 青?；@區(qū)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化內(nèi)容設(shè)計(jì)表

3 結(jié)論

當(dāng)前化工園區(qū)的生產(chǎn)安全事故和存在的隱患呈上升態(tài)勢(shì)，亟需高效可靠的化工園區(qū)?；瘹怏w監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。?；瘹怏w泄漏除了給國(guó)家?guī)?lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失以及生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞以外，更是給群眾的生命健康帶來(lái)嚴(yán)重威脅[11]。面向化工園區(qū)危化氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)模擬評(píng)估需求，以青?；@區(qū)為例，介紹了一種化工園區(qū)?；瘹怏w實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與污染擴(kuò)散模擬評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并以青?；@區(qū)實(shí)際驗(yàn)證了本文方法的有效性。