（系统工程专业论文）储罐危险源网络化监控系统的研究和应用.pdf

中文摘要 摘要：石化工业领域恶性事故的频繁发生，给人民生命和国家财产造成了巨大的 损失。采用传统的安全监控方法，很难对危险源进行实时监控，为重大安全生产 事故的发生埋下了隐患。因此，如何充分利用现代网络通讯技术和计算机技术来 有效地提高安全生产监督工作效率，是安全监管部门一个十分紧迫的课题。论文 针对这一要求，以国家科技支撑计划项目“大城市重大危险源监测及安全生产监 管综合系统开发 为背景，对储罐危险源网络化监控系统进行了研究和开发。储 罐危险源网络化监控系统利用了计算机软硬件技术，通过网络对石化工业企业储 罐危险源进行远程自动化监控管理，并实现了对储罐所属企业安全工作的综合管 理。 本文在总结国内外监控技术发展现状的基础上，综合运用了系统工程、安全 工程、信息科学和控制科学的理论方法，按照模块独立化和功能安全化的设计思 路，提出了储罐危险源网络化监控系统的模型，详细研究了监控系统的结构组成 和模块集成，并分析了监控系统的数据结构设计。同时，综合考虑到监测现场情 况和数据传输要求，应用b p 神经网络，构建了连接监控现场与各级监控中心的绿 色通道，有效保证了监控系统的实时性和可靠性。此外，论文以工业气体企业为 研究对象，对所建立的储罐危险源网络化监控系统的绿色通道和泄露事故快速评 价功能进行了初步验证，结果表明该监控系统具有良好的实用性。最后，从数据 采集应用优化和数据处理应用优化两个方面讨论了监控系统的性能优化途径。 关键词：储罐危险源；网络化监控；c s 模式 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：f r e q u e n t l yo c c u i t e n c ev i c i o u sa c c i d e n t sl e a dt ot r e m e n d o u sl o s s e so f p e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y i ti sd i f f i c u l tt oc a r r yo u tr e a l t i m em o n i t o r i n gh a z a r d s w h i c hu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o do fs a f e t ym o n i t o r i n g ，a n dh i d d e nd a n g e r s m a y b eb u r i e d t h e r e f o r e ，i t i sav e r y u r g e n ti s s u ef o rs a f e t ys u p e r v i s i o na n da d m i n i s t r a t i o n d e p a r t m e n t st h a th o wt ot a k ef u l lu s a g eo fm o d e r nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o ns a f e t ys u p e r v i s i o n t h et h e s i si sb a s e do nn a t i o n a ls c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tp r o j e c t s ”b i gc i t i e s m a j o rh a z a r d sm o n i t o r i n ga n ds a f e t yp r o d u c t i o ni n t e g r a t e ds y s t e m sd e v e l o p m e n t ”， m a k i n gar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k i n g t a n km o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi s s h o r tb yn - t m s n - t m su s e sc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y , m a k i n g r e m o t em o n i t o r i n ga n da u t o m a t i o nm a n a g e m e n tf o rt a n k s ，a n da c h i e v ec o m p r e h e n s i v e s e c u r i t ym a n a g e m e n tf o rt a n k o w n e de n t e r p r i s e s t h et h e s i ss u m su pt h ed e v e l o p m e n to f m o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ， u s e st h e o r i e sa n dm e t h o d ss u c ha ss y s t e me n g i n e e r i n g , s a f e t ye n g i n e e r i n g ，i n f o r m a t i o n s c i e n c ea n dc o n t r o ls c i e n c e ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ni d e a so f i n d e p e n d e n tm o d u l e sa n d s e c u r i t yf e a t u r e s ，r a i s e st h em o d e lo fn - t m s ，s t u d i e ss t r u c t u r a lc o m p o n e n t sa n d m o d u l e si n t e g r a t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e m ，a sw e l la sa n a l y z i n gd a t as t r u c t u r ed e s i g n m e a n w h i l e ，t a k i n g t h e c o m p r e h e n s i v er e q u i r e m e n t so fd a t at r a n s m i s s i o na n d e n v i r o n m e n ts i t u a t i o n ，a n du s i n gb pn e u r a ln e t w o r k ，b u i l d sag r e e nc h a n n e lb e t w e e n a r e a so ft a n k sa n dm o n i t o r i n gc e n t e r i ti s e f f e c t i v e l yg u a r a n t i e st h er e a l t i m ea n d r e l i a b i l i t yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m i na d d i t i o n ，m a k i n gi n d u s t r i a lg a sc o m p a n i e sa s r e s e a r c ho b j e c t s ，i n i t i a l l ya u t h e n t i c a t e st h et w om a i n f u n c t i o n s ，g r e e nc h a n n e la n d l e a k a g ea c c i d e n tr a p i da s s e s s m e n t ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o n i t o r i n gs y s t e mh a s ag o o dp r a c t i c a l a tl a s t ，f r o md a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n go p t i m i z e ，f o r m s p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na p p r o a c ho f n - t m s k e y w o r d s ：t a n k h a z a r d s ；n e t w o r k i n gm o n i t o r i n g ；c sm o d e c i a s s n o ： 图目录 图1 1 论文的研究框架7 图2 1 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型l o 图2 2 三层c s 模式框架图12 图2 3 数据采集技术原理框图1 4 图2 4 现场监控层结构框图1 5 图2 5b p 网络结构1 7 图2 - 6 数据预处理示意图2 1 图3 1 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的框架模型2 8 图3 2 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的网络架构3 0 图3 3 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的监管过程3 3 图3 4 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的模块集成图3 5 图3 5 数据采集模块的安装方式3 6 图3 - 6 数据预处理过程3 9 图3 7 数据压缩和解压缩过程4 0 图3 8 绿色通道原理图4 1 图3 - 9 实时监控模块结构图4 2 图3 10 基础信息管理模块结构图4 3 图3 1 1 日志管理模块结构图4 4 图3 1 2 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 数据库表4 5 图3 1 3 储罐危险源网络化监控系统( n - t m s ) 数据库表关系图5 0 图4 1a 气体有限公司平面结构图5 1 图4 2 数据预处理效果仿真5 4 图4 3 液氧泄露事故评价5 5 图4 _ 4 实时报警信息列表5 6 图4 5 氢气泄露事故评价5 7 图4 6 系统性能优化途径5 9 表目录 表2 1 液体泄露系数l d 2 3 表2 2 气体泄露系数l d 2 4 表2 3 常见的储罐危险源物质泄露情况分析2 5 表3 1 用户表( t b lu s e r ) 4 5 表3 2 报警提示表( t b la l e r t ) 4 6 表3 3 报警记录表( t b la l e r th i s t ) 4 6 表3 4 动态数据历史表( t b ld c d a t a ) 4 7 表3 5 储罐( t b lt a n k ) 基本信息表4 7 表3 - 6 企业( t b lc o r p ) 基本信息表4 8 表3 7 监测设备信息表( t b ld e ) 4 8 表3 8 实时数据表( t b lr e a l d a t a ) 4 9 表4 1 隐层节点数目误差关系表5 3 表4 2 隐层节点数目i ) l l 练次数关系表5 3 表4 3 主要储罐概况一览表5 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字h 期：d ? 年 孝数导师签名：1 二听眵一 6 月f 只 签字同期： o8 年二月r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 袁嘉炱 签字同期： 吁 年月r 致谢 本论文的工作是在我的导师张仲义教授的悉心指导下完成的，张仲义教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。从课题研究内容和研 究方案的确定、论文的选题到论文的写作、修改和最终定稿，张仲义教授给予了 我耐心的指导和细致的关怀。在两年的硕士求学生涯中，张仲义教授渊博的专业 知识、开阔的视野和敏锐的思维以及认真负责的工作作风一直影响、激励着我， 必将对我今后的学习和工作产生深刻的影响。在此谨向导师张仲义教授致以深深 的敬意和衷心的感谢。 同时，蒋明青教授为我的科研工作和论文研究给予了极大的帮助，并为我提 出了许多建设性的意见和建议，为本论文的顺利完成付出了不少的心血，在此向 蒋明青教授表示衷心的谢意。 而且，我还要特别感谢硕士研究生潘晔和在读博士研究生艾新波、唐一之、 陶茂华四位师兄在课题研究和论文撰写过程中给予我的无私帮助，在我遇到了困 难时，总是给予我克服困难的勇气和力量。 此外，我还要感谢刘阳师姐、黄明师兄、刘雪芹、王鼎媛、王金旺、胡志嘉 等同学，他们对我的工作和学习都给予了很大的帮助，也为我的生活增添了许多 的欢乐。 最后，要感谢父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 1选题意义和背景 1绪论 1 1 1为什么对储罐危险源监控进行研究 安全生产工作的目标就是促进社会的和谐发展。坚持以人为本的科学发展观， 保障人民群众的生命财产安全，是安全生产工作的根本出发点和落脚点。但目前 我国安全生产形势不容乐观，随着我国经济的持续发展和城市化进程的加快，城 市数量不断增加，人口规模迅速扩大，社会经济高度集中，在现代化大工业给社 会带来利益的同时，也带来了巨大的潜在危险，并容易造成重大危害。 储罐是石化工业企业中的重要生产设施，一般储存易燃易爆且容易造成环境 污染的危险物质。由于物的不安全状态【l 】或人的不安全行为，容易造成储罐内易燃、 易爆、有毒物质泄漏，甚至发生火灾、爆炸和人员中毒事故，造成大量的财产损 失及人员伤亡【2 j 。例如，1 9 9 8 年3 月5 同，西安煤气公司的一液化石油气储罐泄 漏后发生爆炸，引发其他储罐燃烧、爆炸，共造成死亡1 1 人，重伤3 3 人【3 1 。2 0 0 4 年9 月1 2 日，江苏省常州市新北区建滔( 常州) 化工储运有限公司一座5 0 0 0 吨 储罐由于工人违章操作发生爆燃，内储约5 0 0 吨甲醇发生燃烧，直接财产损失约 为1 2 9 0 万元。据不完全统计，我国每年直接或间接造成的损失多达8 0 0 一1 0 0 0 亿 元人民币。 按照能量理论，事故根源是设施或系统中储存或使用的易燃、易爆或有毒物 质超过了临界量【4 】。国外重大事故预防的实践经验表明：为了有效预防重大工业事 故的发生，降低事故造成的损失，必须建立危险源监控系统1 5 】。但我国在相关领域 的研究和应用起步较晚，同美国、欧洲及日本等工业发达国家的差距较大。因此， 必须加快建设相关领域特别是石化工业领域的储罐危险源监控系统，来提高生产 过程的安全性。对储罐危险源的监控涉及到监控参数的选择、现场监控设备的布 置和安装、系统组网、信号采集与分析等诸多方面的工程技术，也包含安全科学 的内容。储罐危险源监控系统的建设，是保障石化工业企业安全生产管理的重要 手段，也是当前安全形势的迫切需要。 在我国的重大事故预防以及危险源“辨识评价分级管理监控一 一规划应急”的技术体系中【6 1 ，危险源监控占有至关重要的地位和作用。另一 方面，危险源监控是危险源同常管理及事故预防与事故应急救援之问的衔接和过 渡川。当故障处置措施失效或者突发事件失控，导致事故发生后，危险源监控系统 可以为应急救援提供丰富而准确的现场信息，特别是事故发生前的监控参数信息， 以及事故现场的实时情况，服务于应急救援的科学决策和指挥调度。此外，危险 源监控系统保留的监控资料，还可以为事故调查提供真实可靠的原始信息，同时 可以作为事故原因鉴定分析及责任认定的科学依据。 因此，以国内外先进的危险源监控技术与理论为基础，结合我国石化工业企 业的实际情况，对储罐危险源监控开展研究和应用，既是适应安全生产工作要求、 有效降低危险源风险水平的需要，也是减少重特大工业事故发生率的需要，是当 前形势下亟待开展的研究领域。 1 1 2 为什么用网络化技术开展研究 目前，我国石化工业企业正在越来越深入地利用信息技术解决生产实际问题， 其基本的控制系统，尤其是流程工业的监控系统的建设已有了长足进步。此外， 先进控制、优化控制、专家系统、人工智能技术、地理信息技术等已在一些危险 源监控系统上得到应用，并取得了明显的效果，基本实现了危险源信息的集成和 对生产过程的监控。一些大中型石化工业企业在满足局部需求的基础上，应用新 型传感器技术，建立了基于工业以太网的储罐危险源监控系统，并且在系统建设 过程中普遍注意到以冗余度设计来提高系统的可靠性【8 】。 但在石化工业领域中，各企业的发展很不平衡，不同规模企业的自动化水平 也相差较大，储罐危险源监控系统的应用水平也存在着巨大的差异，在整体上缺 乏对储罐危险源的统一有效监管。据相关部门统训9 1 ，目前我国尚无适用于各级安 全生产监督管理部门协同使用的网络化储罐综合监控系统。究其原因，主要是由 于石化工业企业对安全生产技术体系建设的复杂性、多样性认识不够。 但随着现代科学技术的飞速发展和计算机、网络技术在国民经济各个领域里 的普遍推广和应用，以网络作为通信平台，把生产管理、过程控制、安全监控、 故障诊断和事故预案等功能有机结合起来【1 0 】，提供数据采集与传输、数据统计分 析、空间管理及远程通讯等服务【l l 】，形成一个能够完成实时监控、自动采集环境 参数、模拟量限位报警和智能专家分析与处理的多层次综合监控与管理系统【l 引， 实现对储罐危险源的网络化、信息化远程监管是储罐危险源监控系统发展的必然 趋势。 因此，有必要以网络化技术为导向，充分发挥信息技术、电子监管的作用， 扩大监控范围，建立高效、快捷、可靠的网络化储罐危险源监控系统，满足安全 生产监督管理部门对危险源分级管理的要求，及时掌握安全生产动态信息，对提 高安全生产监督、管理工作效率和信息化水平将产生积极的意义。 1 1 3 选题背景 在研究生学习和论文撰写期问，作者有幸参加了北京市科学技术委员会和北 京市安全生产监督管理局联合承担的国家科技支撑计划项目“大城市重大危险源 监测及安全生产监管综合系统开发”。 论文在充分研究危险源监控技术的基础上，重点采用网络化手段，从功能安 全和安全完整性等级【l3 】两个方面分析了储罐危险源网络化监控系统 ( n e t w o r k i n g t a n km o n i t o r i n gs y s t e m ，以下简称n t m s ) 的开发与应用。所谓功 能安全则是指在出现危险条件时监控系统能否有效执行其安全功能；安全完整性 等级则是指有效执行安全功能的能力。储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 属 于国家科技支撑计划项目“大城市重大危险源监测及安全生产监管综合系统丌发” 的一项示范工程，将会选择3 个区县，3 0 4 0 个储罐危险源石化企业组成监管示范 系统，最终将囊括北京市18 个区县和一个经济开发区的1 5 0 0 多个储罐危险源石 化工业企业，该系统主要针对储罐危险源石化企业现场进行数据实时采集和传输， 监视现场指标参数的状态及变化趋势，并进行预测预警，提示和督促企业管理人 员及时有效的采取应急措施，抑制和排除事故隐患，从而实现企业的安全防范与 管理。 1 2国内外研究现状综述 1 2 1国外监控技术研究现状 危险源监控系统的技术起源，主要是来自工业控制仪表和自动控制技术【j 4 1 。 近年来随着计算机、网络技术的快速发展，以及在自动控制领域的广泛应用，使 得监控技术有了根本的转变，即从传统的局部或地域集中监控向更为广阔的不受 地域限制的远程网络监控发展。 早期国外的监控系统，主要是通过基于可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r , 以下简称p l c ) 的计算机及配套数据采集设备与被监控仪表及传 感器、变送器等设备直接连接，集中进行数据采集与处理，形成集中式自动控制 系统。2 0 世纪6 0 年代末，美国数字设备公司( d e c ) 根据美国通用公司的要求研 制出第一台可编程控制器，最初为离散控制设训1 5 】，该控制系统的操作与控制过 程大多数通过操作键盘来完成。 随着工业企业生产规模的扩大，以及自动化程度的提高，控制设备的使用规 模及现场分布范围越来越广，上述的集中式自动测控系统无论在现场的施工及整 体规模上，已不能满足工业现场的需求，于是便产生了第二代分布式数据采集系 统以及第一、二代结合的集散式数据采集控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，以 下简称d c s ) 。该系统以计算机及网络技术为基础，通过局域网络连接分布在不同 现场的监测设备，形成以计算机为中心的采集系统。尽管该系统突破了地域的限 制，使资源的利用更加合理，但是由于目前绝大多数系统还只是运行在局域网上， 通常的测控仅局限于某一地点，所以具有一定的地域局限性。2 0 世纪7 0 年代， h o n e y w e l l 公司推出了集散控制系统( d c s ) 【l 酬，它把大量分散的单回路测控系统 通过计算机进行集中统一管理，用各种i o 功能模块代替控制室仪表，利用计算机 实现回路调节、参数显示及数据存储等功能。 远程监控是本地计算机通过网络系统对远端工业企业进行安全生产状况监 视、预警和控制，完成安全状况监控、预警应急、设备的诊断维护等功能。基于 b s ( b r o w s e r s e r v e r ，即浏览器服务器) 模式和c s ( c l i e n t s e r v e r ，即客户机h i 务器) 模式的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系统，以h 丌p 技术为 基础，具有简单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互 平台1 1 7 】。2 0 世纪9 0 年代，现场总线技术标准i e c 6 11 5 8 出刽1 8 】，目前在信息网络 中广泛应用的以太网成为首选的目标。作为有线传输技术的有益补充，2 0 世纪8 0 年代初期至9 0 年代中期，无线技术逐渐成熟与发展起来，并逐步应用于工业系统 中。b e n t l e y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 可以通过网络动 态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行动态信息。法国a l a r m 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行 了应用。著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v i 以及 l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块i l w ，因而可以通过h t t p 、f t p 、e m a i l 方式 在网络范围内进行监控数据的传送。m o t o r o l a 公司设计、生产的最新一代 m o s c a d 产品的核心是3 2 位c p u 和3 2 位数字协处理器，具有极强的运算处理 能力。它集完备的本地测控功能和完善的网络通讯功能与一体，具有远程编程、 诊断、监视的能力【2 0 。其独特的网络通讯m d l c ( m o s c a dd a t el i n k c o m m u n i c a t i o n ) 能保证在极其恶劣的电磁环境中十分可靠的通讯。此外，美国伯 克立大学研制了一个通过因特网远程控制的可以播种、浇水的远程花园 t e l e g a r d e n l 2 ，在该系统中，用户可以在网页上通过机器人手臂上的摄像机传输过 来的图像，输入简单的控制命令，对这个花园进行简单的操作，如种植花草、浇 水等。还有西澳大利亚大学的远程机器人t e l e r o b o t l 2 2 】可以用来搬运和堆积积木。 美国加州大学的s p e c t r o m i c r o s c o p yc o l l a b o r a t o r y 是通过网络实现对一种昂贵的实 4 验仪器的远程协作式使用的虚拟实验室【2 3 1 ，这样远距离之外的科学家只需在网上 就可以使用该仪器。广为人知的还有美国国家航空航天局的火星极地登陆者m a r s p o l a r l a n d e r ，它是一个典型的基于的远程自主式移动机器人1 2 引。另外，许多国际 组织，如m i m o s a ( m a c h i n ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 、 s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na ne n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷展开基于网络的企业 监控和技术推广工作。 1 2 2 国内监控技术研究现状 2 0 世纪8 0 年代初，我国丌始重视对危险源的评价和控制，从“重大危险源评 价和宏观控制技术研究”被列入国家“八五 科技攻关项目到“十五”科技攻关 计划中“重大危险源安全规划与应急预案编制技术”的研究，初步提出了一套适 合中国国情的重大事故预防体系思想和重大危险源辨识【2 5 1 、评价、控制技术，为 杜绝安全生产事故的发生，促进安全生产监管工作的发展，起到了积极的作用。 在这个时期，我国从波兰，法国，德国，英国和美国等引进了一批安全监控系统， 如d a n 6 4 0 0 ，t f 2 0 0 ，m i n o s 和s e n t u r i o n 2 0 0 等。在引进的同时，通过长期消化 积累、吸收，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制了u 2 、k j 4 、k j 8 、1 0 、 砌1 3 、煳1 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 、a 1 、a 2 等监控系统1 2 6 j 。 例如，2 0 0 0 年西山煤矿总公司屯兰矿与煤炭科学研究总院重庆分院共同研究开发 了k j 9 0 型煤矿瓦斯监控系纠2 7 j ，目前该监控系统在国内煤炭系统得到了广泛的 应用。 在科学研究和推广应用过程中，国内大型石油化工企业如四川化工厂、青岛 石油化工厂、南京化学工业集团公司等率先建立了企业危险源监控系统，真正实 现了企业对危险源的监管，为建立全国重大危险源信息网络系统提供了实践经验。 在局域网控制系统方面，南京安控科技发展有限公司根据不同行业应用需求，设 计开发了基于p l c 、r t u 、上位机等数据采集和处理设备的e c h os c a d a 综合管 理系统【2 8 1 。该系统通过建立相应的信息资源库对各行业的分散数据进行管理，内 置的机制通过o p c 、d d e 、a c t i v e x 等通讯标准和程序语言与第三方的应用方案进 行数据交换和无缝连接，它还含有多种不同层次的管理软件、各类业务流程和管 理工具来帮助企业实现标准化管理，可以改善区域内部信息沟通、数据整合能力， 从而提高企业对关键信息及时获取、快速反应的能力，加强企业对重点部门的动 态监控，降低生产成本，提高管理水平，保证安全生产。为了进一步加强对城市 危险源的监管工作，北京市于2 0 0 6 年建立了城市危险源的动态监测评估系统【2 9 1 ， 并选定三个试点区县对危险源的基础信息进行了远程普查，并且针对不同类型的 典型危险源实现了实时动态监测，通过局部试点采集数据，取得了宝贵的现场实 践经验。 此外，国内对于远程监控系统也丌展了积极的研究与探索。西安交大、华中 科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学、南丌大学、北京邮电大学、北京航 空航天大学等高校都已取得了一定的研究成果，比如西安交大电子信息学院开发 的三峡大坝分布式网络监控系统【3 们。该监控系统上层采用标准以太网，底层网络 采用r s 4 8 5 协议总线技术，加上服务器、监控工作站，构成一个适合工业现场的 局域网监控系统。还有哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专 家系统m m d e s 以及华中科技大学开发的汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d 等。 但是我国远程监控系统大多还存在着不同局域网、不同平台、甚至在同一局域网 中使用多种操作平台以及多类编程语言的问题。 1 3研究内容与论文框架 本文在对危险源监控技术进行研究的基础上，提出了储罐危险源网络化监控 系统( n t m s ) 的概念模型，同时对储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 进行了 实际开发和集成应用，并以工业气体供应公司为对象验证了储罐危险源网络化监 控系统( n t m s ) 的可行性及适用性。论文的研究内容体现在图卜l ： 6 i第一，绪论 j 第二章n - t m s 的概念模型与机理分析 r 一 一一一一一一一一一一一一 1 i i现场监控层网络转输层 应用服务层 i i 纳基木结构 的肇奉蟓理 的运，仃缘理 应用访同层 i i i i i 。一一 。j i 丫 第三章n - 1。m s 的结构分j行及集成研究 i、 r n t m s 的n t m s 0 ：jn 下m s 的n t m s f f j l 疑絮镶壁鲒掏分析骧成研究数戳结构 i l 一一ji 一j ， i ， il il 第四章n - t m s 的实例研究和性能优化 + | n 矾s 的实例研究卜- 一十- 州s 能优仡 j 第五章总结与展望 图1 1 论文的研究框架 f i g 1 - it h ef r a m eo f t h e s i s 第一章绪论。重点阐述了本论文的立题意义和背景，在了解、借鉴国内外现 有相关研究的基础上，明确了本文研究的重点、思路及采用的方法。 第二章n t m s 的概念模型和机理分析。在对危险源技术理论研究的基础上， 创新地提出了储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型，并对概念模型 的3 个层面分别进行了机理分析。 第三章n t m s 的结构分析及集成研究。基于n t m s 的概念模型，本章提出 了n t m s 的框架模型，并对n - t m s 的结构进行了详细分析，包含n t m s 的设计 原则、n t m s 的网络架构和n t m s 的功能架构。然后从模块化的角度进行n t m s 7 的集成研究，即数据采集模块集成、网络传输模块集成、实时监控模块集成和信 息管理模块集成。最后分析了n t m s 的数据结构的设计。 第四章n t m s 的实例研究和性能优化。在对工业气体供应公司现状进行分析 后，对n t m s 的两个核心功能，即“绿色通道”和“泄露事故快速评价”进行了 测试和模拟，验证了n t m s 的实用性和有效性。然后在此基础上针对影响n t m s 性能的相关因素，详细分析和研究了n t m s 的性能优化目标和优化途径。 第五章总结与展望。本章主要是对本文进行了回顾和总结，并结合本文中的 不足之处提出了新的亟待研究的方向和内容。 1 4研究方法 本论文以提出问题、分析问题、解决问题为研究思路，对问题进行系统的研 究，主要的技术路线为： 以“目标明确、实用先进、突出重点”为基本指导思想。 以国内外现有成果为基础，对储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 进行 了开发和优化。 强调综合集成、博采众长的基本方针。 以上述研究思路和技术路线为出发点，本文采用了4 s 集成的研究策略。 4 s ：以系统工程( s y s t e me n g i n e e r i n g ) 、安全科学( s a f e t ye n g i n e e r i n g ) 、信 息科学( i n f o r m a t i o ns c i e n c e ) 、控制科学( c o n t r o ls c i e n c e ) 即4 s 的科学思路和 理论体系作为指导，对储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 进行系统开发和集 成研究。 系统工程 安全工程 信息科学 控制科学 1 5 论文主要创新点 目前我国危险源监控的信息化程度较低，危险源安全监管数据采集标准不统 一、采用的相关软件和硬件平台技术不规范，导致危险源监控网络系统建设中出 现了数据共享不足、系统接口困难等现象【3 。本论文结合危险源监控技术相关理 论，对储罐危险源网络化监控系统( n - t m s ) 进行了结构分析和集成研究，主要 的创新点有： ( 1 ) 通过对现有危险源监控和管理的一般理论进行研究后，在网络化技术的 基础上提出了储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的模型，融入了模块独立化 和功能安全化的思想，对n t m s 进行了实际开发与集成应用。 ( 2 ) 在分析储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 结构的基础上，综合考虑 监控对象分布广并且监测数据传输实时性高的运作特征，构建了连接监控现场与 各级监控中心的数据快速通讯通道( 绿色通道) ，有效避免了因网络环境变化而造 成的储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的响应延迟和不可靠。 ( 3 ) 在对储罐危险源泄露模式和泄露事故后果进行分析研究的基础上，集成 了危险物质泄漏量的计算模型，实现了储罐泄露事故的快速评价功能。 1 6本章小结 本章作为丌篇章节，首先介绍了论文的选题背景和意义，随后说明了国内外 有关危险源监控技术的研究现状及本论文的研究内容、结构、方法和创新点，为 下面几章的内容开展做了一个铺挚。 9 2n t m s 的概念模型与机理分析 本章首先提出了储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型，紧接着 从系统功能的角度出发，从现场监控层、网络传输层和应用服务层三个层次分别 介绍了本文中将要用到的理论和技术。 2 1n t m s 的概念模型 本节在开篇提出储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型之后，简 要的概括了概念模型的组成和功能，并对概念模型的工作模式进行了详细的分析。 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型如图2 1 所示。 模型组成 - 应用访闯层一一一一一一一一一一一 ，应用服务层一一一一一一一一一一一 工作模式 图2 1 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型 f i g 2 lt h ec o n c e p t u a lm o d e lo f n e t w o r k i n gt a n km o n i t o r i n gs y s t e m 由图2 1 可知，储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的概念模型主要由4 个层次组成，分别是现场监控层、网络传输层、应用服务层和应用访问层。 l o ( 1 ) 现场监控层 现场监控层是指对储罐进行监控的传感器、变送器、数据采集器等数据采集 设备及相关执行机构。它的功能主要是用来实现数据采集作业，即将外部世界存 在的温度、压力、流量、位移以及角度等物理量应用非电量电测技术转换成电信 号模拟量( a n a l o gs i g n a l ) ，然后通过a d 转换器转换为数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ， 再收集到现场计算机并进一步予以处理。 ( 2 ) 网络传输层 网络传输层提供端到端的数据传输及数据预处理服务，并且可以在监控系统 的现场计算机端和各级监控中心端服务器之间建立逻辑连接。在网络传输层，利 用了b p 神经网络，即误差反向传播网络( e r r o rb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ) ， 进行数据预处理，对传输的数据进行可靠的压缩和解压缩，有效地避免了拥塞、 过载和数据丢失，并保证实时监控信息传输的完整性和有效性。 ( 3 ) 应用服务层 应用服务层的主要功能是对储罐危险源泄露事故进行评价，它将若干常见的 泄露量计算模型储存在各级中心端服务器中，对展开关于储罐的安全评价工作及 应急救援工作将有很大的辅助性，是事故前有效监管、事故后及时救援的有力保 证。 ( 4 ) 应用访问层 应用访问层就是指储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 的界面，监控人员 通过它对突发事故进行及时的应急处理。应用访问层将现场检测到的实时数据及 各种相关参数进行分析、整理、统计和计算等二次加工，对实时数据加以存储， 作出故障诊断、险情预测及事故后果模拟，并以图表、报表及声音等多种表现形 式对故障和突发事件进行报警。 随着i n t e m e t 网络技术的发展，基于c s 模式的系统设计方法已经广泛地应用 于各种类型的监测系统的设计与开发中，主要用于多机通信应用程序的设计。其 基本思想是把应用程序分布在客户机和服务器上，由其中的每一台计算机负责维 护一项功能。一般用层次结构来描述应用进程在客户端和服务器端的逻辑划分方 式。目前，两层和三层c s 模式已经被广泛地运用于各种监控领域。本文研究的 储罐危险源网络化监控系统( n t m s ) 采用了典型的三层c s 模式。 三层c s 模式主要由客户应用程序、服务器管理程序和中间件三个部件组成。 客户应用程序是系统中用户与数据进行交互的部件，服务器程序负责有效地管理 系统资源，中间件负责联结客户应用程序与服务器管理程序，协同完成一个作业。 系统的主要负担由服务器端来完成，在不同的客户机端需要安装不同应用程序。 从网络分层体系结构出发，c s 只是应用层的一种标准，它需要其它底层结构的支 持，才能完成网络通信。这种模式有着安全性高、网络通信负荷小、速度快等优 点。在三层模式中，服务器既作为一个浏览服务器，能实时查看所需的数据，又 作为一个应用服务器，运行应用程序。客户机只需接收服务器处理好的数据，从 而大大减轻了客户机的压力，这种结构被称之为“瘦客户机 模式。这种结构中， 我们只需随机地增加中间层的服务( 应用服务器) ，即可满足扩充系统的需要。 由此我们可以用较少的资源建立起具有很强伸缩性的系统，这正是网络计算模式 带来的重大改进。 三层c s 模式是将应用系统功能分成表示层( 用户界面表示) 、功能层( 业 务逻辑) 和数据层三个逻辑部分。三层c s 模式如图2 2 所示。 瑕务臻 图2 2 三层c s 模式框架图 f i g 2 - 2t h ef r a m e w o r ko f t h r e el a y o u t sm o d e 三层c 侄模式对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独立，关键是将表示 层和功能层分离成各自独立的程序，并且还要使这两层间的接口简洁明了。一般 情况是只将表示层配置在客户机中，将功能层放入服务器中，把数据层放入数据 库服务器中。客户应用程序只负责提供用户界面，当需要进行数据访问和复杂计 算时，客户应用程序向服务器发出请求。服务器响应客户应用程序的请求，完成 复杂计算，或者向数据库服务器发送请求以完成数据操作，并将计算或操作结果 逐级返回给客户应用程序，通常不会出现客户应用程序同数据库服务器之间的直 接通信。由于在这种形态中三层是分别放在各自不同的硬件系统上的，所以灵活 性很高，能够适应客户机数目的增加和处理负荷的变动。例如，在追加新业务处 理时，可以相应增加装载功能层的服务器。因此，系统规