張 威

（1.福建經(jīng)緯測繪信息有限公司，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，國內(nèi)外石化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時產(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越多，化學(xué)品危險性復(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等因素，危化品的泄漏事故和恐怖襲擊時有發(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1萬多人，陸續(xù)致使超過55萬人死于和化學(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2萬人，成為迄今為止世界上最嚴(yán)重的危險化學(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，危險因素多，搶險防護(hù)困難。危險化學(xué)品工業(yè)事故的發(fā)生比較突然，在瞬間或短時間內(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間內(nèi)就可能擴(kuò)散到幾百米甚至幾千米遠(yuǎn)。

因此，國家高度重視化工園區(qū)有毒有害氣體環(huán)境風(fēng)險預(yù)警體系建設(shè)工作[5]，各國政府及各化工園區(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)?；瘹怏w實時監(jiān)測與污染擴(kuò)散精準(zhǔn)化模擬評估平臺已經(jīng)成為必須。在技術(shù)研發(fā)方面，目前市場上已有的工業(yè)化工園區(qū)的監(jiān)測與應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，多以數(shù)據(jù)為中心的被動式服務(wù)模式，缺乏對?；瘹怏w的全面實時監(jiān)測能力，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實時監(jiān)測與應(yīng)急決策業(yè)務(wù)中實際應(yīng)用效能。本文將面向國家政府及各工業(yè)化工園區(qū)對危化氣體泄漏實時監(jiān)控與精準(zhǔn)化模擬需求，針對不同?；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?；瘹怏w實時監(jiān)控與污染擴(kuò)散精準(zhǔn)化模擬評估系統(tǒng)，并構(gòu)建面向具體工業(yè)化工園區(qū)應(yīng)用的實時監(jiān)測與模擬決策系統(tǒng)。同時，將引入化工園區(qū)點(diǎn)線面協(xié)同觀測、實時監(jiān)測大數(shù)據(jù)在線分析、多維動態(tài)展示以及面向多層級用戶的自適應(yīng)決策產(chǎn)品等相關(guān)信息，輔助實現(xiàn)實時精準(zhǔn)化?；瘹怏w模擬評估，以滿足復(fù)雜區(qū)域化工園區(qū)精準(zhǔn)管理需求。

1 平臺總體架構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有的化工園區(qū)?；瘹怏w泄漏監(jiān)測與模擬預(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)自動化與智能程度低，針對突發(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算效率低下和計算精度可靠性低的問題，在數(shù)據(jù)分析、計算、轉(zhuǎn)換等信息處理的時效性及信息加載的主動性方面不夠，皆需大量的人工參與，造成了系統(tǒng)決策時效性不強(qiáng)。

針對上述問題，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，提供一個以用戶為目標(biāo)、以需求為驅(qū)動、以實際業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向、資源可動態(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)化模擬與定量評估，面向多層級用戶的多模式產(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泄漏實時監(jiān)測與模擬評估系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 化工園區(qū)?；瘹怏w泄露實時監(jiān)測與模擬評估系統(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)測時空大數(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)危化氣體監(jiān)測預(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、計算效率低等問題，無法得到深入的應(yīng)用，難以實現(xiàn)有效的共享集成和應(yīng)用協(xié)同，長期積累下來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]。針對化工園區(qū)危化氣體監(jiān)測預(yù)警管理的空間信息應(yīng)用中存在的實際問題和應(yīng)用需求，研發(fā)了分布式環(huán)境監(jiān)測時空大數(shù)據(jù)多模式組織與管理引擎，綜合管理業(yè)務(wù)中的實時測站監(jiān)測數(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。一方面實現(xiàn)高效快捷的綜合信息整合、基礎(chǔ)建庫與更新發(fā)布服務(wù)，另一方面實現(xiàn)空間信息數(shù)據(jù)中心面向主題的智能數(shù)據(jù)管理，通過對數(shù)據(jù)庫系統(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，動態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了海量、多源異構(gòu)的綜合空間信息高效靈活的存儲、利用和保護(hù)。

環(huán)境監(jiān)測時空大數(shù)據(jù)多模式組織與管理引擎的設(shè)計與研發(fā)，主要是針對時空大數(shù)據(jù)中實時傳感器動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)流（原位傳感器時間序列數(shù)據(jù)、視頻流）、實時仿真數(shù)據(jù)以及各類歷史基礎(chǔ)地理信息的時空特性及海量數(shù)據(jù)特點(diǎn)，綜合管理多種環(huán)境監(jiān)測地理時空大數(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、面向高性能分析的環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)存儲技術(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，實現(xiàn)資源中心、實時接入功能模塊、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)地理計算與模擬分析在線服務(wù)引擎

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

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

為實現(xiàn)多源監(jiān)測數(shù)據(jù)及各項中間處理結(jié)果、實時模擬決策等在虛擬環(huán)境下進(jìn)行實時、多維動態(tài)、交互的展示與查詢功能，設(shè)計與研發(fā)多源時空大數(shù)據(jù)與污染擴(kuò)散過程的多維動態(tài)可視化引擎。

基于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、污染場景以及各類地理時空大數(shù)據(jù)等信息，向各級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)以及會商決策環(huán)境，為應(yīng)急、指揮、救助以及評估決策提供直觀、高效的可視化服務(wù)支持。特別針對政府、環(huán)保部門、現(xiàn)場、公眾等不同處理能力、不同需求用戶，對空氣質(zhì)量監(jiān)測、空氣質(zhì)量仿真評估等服務(wù)產(chǎn)品的內(nèi)容、產(chǎn)品尺度、服務(wù)時效性要求，產(chǎn)品分發(fā)交換格式，服務(wù)方式等進(jìn)行設(shè)計和劃分，為不同級別、不同需求用戶提供環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品、空氣質(zhì)量仿真評估產(chǎn)品、決策支持產(chǎn)品及現(xiàn)場檢校產(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、文字報告、多媒體等多種形式表示，實現(xiàn)產(chǎn)品以在線發(fā)布、數(shù)據(jù)庫入庫等多種方式提供給最終用戶。

多維動態(tài)可視化引擎能夠提供描述、解釋和探索三個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）、環(huán)境受體（按排放源、運(yùn)動狀態(tài)、形成幾何分布等分類方式，進(jìn)行污染物的排放量統(tǒng)計與呈現(xiàn)，按因子進(jìn)行排放量與濃度統(tǒng)計與呈現(xiàn)，實時反映存量與流量）。

（2）解釋層：對常態(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)測分析和評估；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)超過某個閾值時可視化平臺發(fā)出預(yù)警信號；非常態(tài)綜合實時接入的監(jiān)測數(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)測預(yù)警和歷史預(yù)警。

（3）探索層：綜合資源時空量質(zhì)、循環(huán)特征及再生能力，化工園區(qū)企業(yè)對資源消耗穩(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)險挖掘、重金屬污染的累積風(fēng)險評價、生態(tài)風(fēng)險評價分析等綜合應(yīng)用。

2 青海甘河工業(yè)園區(qū)污染監(jiān)測系統(tǒng)

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

圖2 青海化工園區(qū)污染監(jiān)測系統(tǒng)界面

其中，實時監(jiān)測數(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)的多個測站的三百余種污染物實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；由歷史數(shù)據(jù)遷移和實時數(shù)據(jù)接入更新兩個子模塊組成。歷史數(shù)據(jù)遷移子模塊負(fù)責(zé)將存儲在Sql Server 中某一時段的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)一定規(guī)則和機(jī)制遷移到存儲實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的MongDB 中；實時數(shù)據(jù)更新子模塊則負(fù)責(zé)將某一時間節(jié)點(diǎn)后Sql Server 中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)同步更新到MongDB 實時數(shù)據(jù)庫中。

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

圖3 青?；@區(qū)污染監(jiān)測系統(tǒng)功能截圖

危化氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)多維動態(tài)可視分析模塊：主要負(fù)責(zé)包括實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的三維呈現(xiàn)，因子數(shù)據(jù)變化動態(tài)可視分析、各個站房污染物因子熱力分析、各個站房因子的統(tǒng)計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層次。青?；@區(qū)污染監(jiān)測系統(tǒng)可視化內(nèi)容設(shè)計表如表1所示。

表1 青?；@區(qū)污染監(jiān)測系統(tǒng)可視化內(nèi)容設(shè)計表

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，亟需高效可靠的化工園區(qū)?；瘹怏w監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。?；瘹怏w泄漏除了給國家?guī)砭薮蟮呢敭a(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嚴(yán)重威脅[11]。面向化工園區(qū)?；瘹怏w實時監(jiān)測與精準(zhǔn)模擬評估需求，以青?；@區(qū)為例，介紹了一種化工園區(qū)?；瘹怏w實時監(jiān)測與污染擴(kuò)散模擬評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方案，并以青海化工園區(qū)實際驗證了本文方法的有效性。