水上LNG加氣站安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

羅鵬舉, 呂植勇, 魯盈利

(1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，武漢 430070; 2.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

水上LNG加氣站安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

羅鵬舉1, 呂植勇2, 魯盈利2

(1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，武漢 430070; 2.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

水上液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)加氣站在線監(jiān)控系統(tǒng)是保障內(nèi)河航運(yùn)安全、綠色的一個重要系統(tǒng)，而現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)存在設(shè)計過于簡單、監(jiān)控內(nèi)容不全面等問題，且水上LNG加氣站的相關(guān)技術(shù)及規(guī)章制度都不成熟、不完善。針對這些問題，設(shè)計一種采用光纖傳感器采集數(shù)據(jù)的在線安全監(jiān)控系統(tǒng)，論述該系統(tǒng)的總體框架和軟硬件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對甲烷的濃度和溫度及周圍環(huán)境溫度的實(shí)時監(jiān)測，能體現(xiàn)該系統(tǒng)的高性能、高效率、強(qiáng)實(shí)時性和可推廣性等特點(diǎn)。

水路運(yùn)輸；液化天然氣；光纖傳感；安全監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集

近年來，隨著全球能源需求不斷增長，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)[1]以其價廉、環(huán)保、運(yùn)輸效率高和使用方便等優(yōu)勢，成為全球發(fā)展最迅猛的能源之一，其發(fā)展已成為新能源界的熱點(diǎn)。但是,LNG在內(nèi)河加氣站上的應(yīng)用條件與在陸地上的應(yīng)用條件存在較大差別，主要體現(xiàn)在:加氣站本身在營運(yùn)過程中存在一定的風(fēng)險[2-3];LNG的主要成分甲烷是一種可壓縮、易燃的氣體，可能引發(fā)燃燒、爆炸、凍傷及窒息等事故[4-5]。因此，有必要建立一套完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，保障內(nèi)河LNG水上加氣站的營運(yùn)安全。[6-7]

1 LNG水上加氣站在線監(jiān)控系統(tǒng)框架

1.1系統(tǒng)組成框架

基于內(nèi)河LNG水上加氣站風(fēng)險識別和評估的結(jié)果[8]，結(jié)合LNG本身的理化性質(zhì)和可能導(dǎo)致的事故類型[9-11]，綜合考慮作業(yè)方式等，選用匹配傳感器研制可對主要風(fēng)險要素進(jìn)行監(jiān)控的硬件平臺;同時,采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理相關(guān)部門對水上LNG加氣站的安全監(jiān)控。

LNG水上加氣站安全在線監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)匯聚傳輸部分及信息監(jiān)管與決策部分，其總體框架見圖1。

圖1 LNG水上加氣站在線監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

1) 數(shù)據(jù)采集部分為基于多傳感器的加氣站環(huán)境檢測系統(tǒng)，配有船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)的船舶入侵檢測系統(tǒng)，以及船舶和人員入侵視頻圖像檢測系統(tǒng)。

2) 數(shù)據(jù)匯聚傳輸部分由開發(fā)的軟件平臺對采集到的各種加氣站信息進(jìn)行匯聚，并通過TCP/IP通信方式將信息傳送給船舶海事遠(yuǎn)端監(jiān)管系統(tǒng)。

3) 信息監(jiān)管與決策部分為水上LNG加氣站監(jiān)控軟件平臺系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)采用兩級警告方式，對加氣站多傳感器采集到的環(huán)境信息進(jìn)行檢測和判斷,實(shí)現(xiàn)船端本地安全警告。同時，這些信息可通過遠(yuǎn)程通信的方式發(fā)送給海事監(jiān)控軟件平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控與警告。

1.2系統(tǒng)軟件總體功能

在對系統(tǒng)信息獲取、信息傳輸與處理和信息存儲與警告決策等數(shù)據(jù)流過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)模塊化的軟件設(shè)計思想，對監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能進(jìn)行細(xì)致規(guī)劃。系統(tǒng)軟件整體功能架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件整體功能架構(gòu)

加氣站監(jiān)控軟件功能模塊包括遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺主控模塊、監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)交互模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)解析與存儲模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計檢索模塊和遠(yuǎn)程警告決策模塊,其中:主控模塊主要負(fù)責(zé)其他各模塊的功能啟動及調(diào)度管理，在整個軟件實(shí)現(xiàn)中具有主導(dǎo)地位，代表程序的主線程;數(shù)據(jù)交互模塊提供各自的數(shù)據(jù)庫接口并實(shí)現(xiàn)其他各模塊之間的數(shù)據(jù)共享和傳遞;數(shù)據(jù)接收模塊接收各傳感器采集的數(shù)據(jù)、AIS平臺信息數(shù)據(jù)和船舶/人員入侵視頻監(jiān)控報警數(shù)據(jù),并將其整合到主控平臺上顯示;數(shù)據(jù)解析與存儲模塊主要用于處理接收到的各監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將其存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中;數(shù)據(jù)統(tǒng)計與檢索模塊負(fù)責(zé)查詢與回放歷史數(shù)據(jù);遠(yuǎn)程警告決策模塊用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行決策處理。

該系統(tǒng)融合AIS終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和多傳感器監(jiān)測系統(tǒng),并在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展開發(fā)，通過傳感器、AIS通信設(shè)備和軟件監(jiān)控平臺，既能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備的既定功能，又能對LNG加氣站可燃性氣體的濃度和溫度、船舶地理位置信息及危險區(qū)域入侵?jǐn)?shù)據(jù)等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提高航運(yùn)參與各方對LNG燃料動力船的風(fēng)險感知能力，對其異常情況進(jìn)行警告，并提供給管理機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管。

1.3系統(tǒng)的工作流程

該系統(tǒng)能對LNG 加氣站的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和警告。首先由多傳感信息采集子系統(tǒng)對動力船的關(guān)鍵位置進(jìn)行環(huán)境信息采集，將采集到的溫度、可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)通過船內(nèi)數(shù)據(jù)通信總線發(fā)送給船載控制中心，由控制中心PC 機(jī)上的軟件平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚和檢測決策并產(chǎn)生船舶本地報警。同時，控制中心PC 機(jī)利用遠(yuǎn)程通信功能將檢測信息發(fā)送給海事監(jiān)控軟件平臺,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控。系統(tǒng)基本工作流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)基本工作流程

整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)包括：溫度光纖監(jiān)控系統(tǒng)、甲烷泄漏光纖監(jiān)控系統(tǒng)、船舶入侵AIS監(jiān)控系統(tǒng)、船舶入侵圖像監(jiān)控系統(tǒng)和LNG區(qū)域入侵圖像監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的基本原理與船舶入侵圖像監(jiān)控系統(tǒng)相同，主要對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行入侵監(jiān)控，對加氣工作時間禁止任何人員到關(guān)鍵區(qū)域(或?qū)τ袩o關(guān)人員進(jìn)入LNG儲罐區(qū)域)進(jìn)行提示。

2 在線傳感器選型及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1LNG水上加氣站環(huán)境監(jiān)測傳感器選型

在對檢測儀器進(jìn)行選型之前，需明確水上LNG加氣站的特殊工況對儀器的技術(shù)要求。經(jīng)分析，可確定船上采用的傳感器應(yīng)盡量滿足以下要求：

1) 功耗較小，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定。

2) 反應(yīng)快，測量精度高。

3) 適合在露天、高溫、振動及嘈雜的環(huán)境下工作。

4) 使用經(jīng)濟(jì)性好，便于安裝維護(hù)。

5) 具有工作狀態(tài)監(jiān)控、故障自動報警及系統(tǒng)自查功能，同時必須具有良好的密封和保護(hù)措施。

根據(jù)這些要求對系統(tǒng)所要應(yīng)用的甲烷濃度傳感器進(jìn)行選型更為合理和可靠。因此，該系統(tǒng)采用的光纖甲烷傳感器主要基于TDLAS技術(shù)，利用甲烷氣體對特定波長光波的吸收特性來確定甲烷氣體的濃度，從而檢測環(huán)境中的甲烷濃度，通過下位機(jī)控制芯片解析成濃度值，通過RS485標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)包上傳至上位機(jī)軟件平臺。

光纖溫度傳感器的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為感知層、監(jiān)測層和應(yīng)用層；光纖光柵是利用光纖材料自然的光敏特性沿纖芯軸向形成的一種折射率周期性分布的結(jié)構(gòu)，每個光纖光柵都只擁有一個特定的波長，可將不同波長的光纖光柵以陣列的形式組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多參量同時監(jiān)測。

2.2LNG水上加氣站AIS監(jiān)控

AIS用于船對船模式的避碰，滿足船舶避碰通信過程中對船舶識別的需要。目前船舶避碰過程中使用的無線電通信設(shè)備主要是甚高頻(Very High Frequency,VHF)電臺，由于信息存在延時性和人工操作錯誤，難以及時達(dá)成避碰協(xié)議，會給安全航行帶來隱患；其作為一種船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services,VTS)工具，能較好地解決VTS中存在的船舶識別難題。AIS能自動與目標(biāo)船舶/岸臺建立通信，并保證通信的可靠性，幫助船舶有效導(dǎo)航，保證船舶安全航行，加強(qiáng)對覆蓋區(qū)域船舶的識別和監(jiān)控,為船舶航行提供新的觀測手段。AIS利用無線電波可繞過島嶼的性能，克服相關(guān)不利因素，為船舶提供目標(biāo)船的靜態(tài)信息和動態(tài)信息，將海上通信帶入到計算機(jī)數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)時代。

2.3LNG水上加氣站視頻檢測終端選型

LNG水上加氣站的船舶入侵視頻檢測有以下監(jiān)控需求：

1) 加氣船舶和穿行船舶在港區(qū)、航道及商船錨地等水域設(shè)置網(wǎng)具或其他障礙物，或進(jìn)行任何方式的捕撈作業(yè)和錨泊。

2) 加氣船舶和穿行船舶在穿越航道、錨地時，不避讓在該水域正常航行、作業(yè)或錨泊的大型船舶,擅自進(jìn)入港池或接靠碼頭、水上設(shè)施和船舶，夜間沒有按規(guī)定懸掛有關(guān)號燈。

3) 加氣船舶和穿行船舶在航道附近航行時沒注意防沙堤部分，發(fā)生觸碰事故。

4) 加氣船舶和穿行船舶系泊在浮標(biāo)上，導(dǎo)致觸碰浮標(biāo)的事故發(fā)生。

5) 由于水上LNG加氣站屬于水上危險源(特別是LNG儲罐區(qū)域)，因此需對該區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，需通過視頻監(jiān)控對進(jìn)入該區(qū)域的人員進(jìn)行監(jiān)視，并通過觸發(fā)報警和計數(shù)加以警示，做出相應(yīng)處理。

6) 智能視覺分析器實(shí)現(xiàn)智能視覺分析和圖片抓拍功能，并保存圖片和記錄日志;監(jiān)控中心對分控點(diǎn)進(jìn)行全方位的管理。

根據(jù)需求，系統(tǒng)選用智能檢測儀，對水上LNG加氣站的前方水面區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，將來往船舶進(jìn)入該視頻虛擬線圈后的報警、報警觸發(fā)信號通過RS485協(xié)議傳送給主機(jī)監(jiān)控平臺供工作人員處理。船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡易示意見圖4。

圖4 船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡易示意

人員入侵視頻監(jiān)控檢測設(shè)備選用的智能值守器是一款采用高性能DSP處理平臺的嵌入式設(shè)備，利用先進(jìn)的視覺分析和模式識別算法，對視頻圖像進(jìn)行分析和理解，實(shí)現(xiàn)周界防范檢測、物品盜移/滯留檢測及行為異常分析等多種智能分析功能，能對LNG儲罐區(qū)域進(jìn)行全天候的視頻檢測，通過虛擬線圈和虛擬界限對進(jìn)入該區(qū)域的人員進(jìn)行報警和計數(shù)，并通過RS485串口將其發(fā)送到主機(jī)平臺上顯示和報警，提醒工作人員做出相應(yīng)處理。

2.4監(jiān)測傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布設(shè)

LNG加注船上涉及到的傳感器及輸出設(shè)備包括LNG濃度(0～10%體積分?jǐn)?shù))探測、光纖溫度監(jiān)控探頭(用于檢測溫度異常)、AIS船臺設(shè)備、GPS/VHF天線(用于定位和接收數(shù)據(jù))和視頻攝像頭(監(jiān)視江面和加氣站各危險區(qū)域)。這些傳感器是根據(jù)前期的LNG泄漏擴(kuò)散模型仿真分析及傳感器的特點(diǎn)和周圍環(huán)境影響及罐區(qū)的覆蓋情況布局的。

1) 甲烷濃度探測儀和視頻檢測設(shè)備下位機(jī)通過RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)，通過RS485轉(zhuǎn)RS232轉(zhuǎn)接頭和RS232轉(zhuǎn)USB中繼站，最終連接到上位PC機(jī)。

2) AIS船臺數(shù)據(jù)通過RS422總線傳輸數(shù)據(jù)，通過RS422轉(zhuǎn)RS232轉(zhuǎn)接頭和RS232轉(zhuǎn)USB中繼站，最終連接到上位PC機(jī)。

3) AIS船臺布置在中控室，配套的GPS天線和VHF天線需布置在船體最高層并固定好，保證不被遮擋。

4) 光纖溫度傳感器通過光纜布置在船體各處，重點(diǎn)布置在罐體、管道閥門和潛液泵等處，密切監(jiān)控船體的溫度；溫度傳感器通過光纖傳輸?shù)焦饫w解調(diào)儀，通過網(wǎng)線將解析的溫度數(shù)據(jù)傳送給上位PC機(jī)。

5) 適應(yīng)LNG船的具體工作環(huán)境，傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備電氣及線路的布設(shè)規(guī)劃嚴(yán)格按照需求進(jìn)行。

3 水上LNG加氣站監(jiān)控平臺軟件設(shè)計

LNG加氣站控軟件平臺應(yīng)能動態(tài)顯示加氣站環(huán)境溫度、氣體濃度、AIS海圖信息和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的報警等信息，同時具有顯示各設(shè)備的工作狀態(tài)信號及故障報警信號、回放查詢歷史數(shù)據(jù)和打印報表等功能，得到面向?qū)ο蟮娜诵曰藱C(jī)交互界面。

根據(jù)對水上LNG加氣站在線監(jiān)測系統(tǒng)的介紹，可確定水上LNG加氣站監(jiān)控軟件平臺要實(shí)現(xiàn)的功能。監(jiān)控軟件平臺的軟件模塊見圖5。

圖5 監(jiān)控軟件平臺的軟件模塊

4 LNG泄漏擴(kuò)散監(jiān)測

該系統(tǒng)采用光纖技術(shù)對現(xiàn)場(1號、2號和3號區(qū))的溫度和濃度進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)檢測的溫度大小和變化率分析是否發(fā)生火災(zāi)，根據(jù)布控的點(diǎn)分析發(fā)生火災(zāi)的位置，根據(jù)振動傳感器判別是否發(fā)生爆炸。根據(jù)濃度傳感器的數(shù)值大小判斷是否發(fā)生泄漏，并根據(jù)布控的點(diǎn)分析發(fā)生泄漏的大致方位，方便安排人員采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。溫度和光纖傳感器分布點(diǎn)見圖6。

圖6 溫度和光纖傳感器分布點(diǎn)

由C#語言開發(fā)的監(jiān)控界面的監(jiān)控內(nèi)容包括總體監(jiān)控、AIS信息、視頻監(jiān)控、報警信息、歷史數(shù)據(jù)及報表打印等，其中：甲烷濃度數(shù)據(jù)采集的是罐區(qū)4個區(qū)域的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控時4個區(qū)域的濃度傳感器全部打開；溫度數(shù)據(jù)來自于罐區(qū)3個區(qū)域(包括報警系統(tǒng))，一旦發(fā)生泄漏，傳感器檢測到異常，報警系統(tǒng)會立即發(fā)出報警信號。當(dāng)發(fā)生泄漏事故時，整個監(jiān)控中心報警示意見圖7。

a) 監(jiān)控原始畫面

b) 事故后的監(jiān)控界面圖7 甲烷氣體監(jiān)控原始與事故報警示意

由圖7可知，當(dāng)發(fā)生泄漏事故時，濃度傳感器檢測到濃度值超過閾值，系統(tǒng)報警器會立即發(fā)出警告信號。當(dāng)罐區(qū)周圍有人員進(jìn)入視頻監(jiān)控區(qū)域或躉船周圍有過往船舶進(jìn)入視頻監(jiān)控區(qū)域時，報警器會在第一時間發(fā)出警報，提醒監(jiān)控中心可能會有危險，此時主監(jiān)控中心的視頻監(jiān)控界面見圖8。當(dāng)過往船舶進(jìn)入AIS紅色預(yù)警區(qū)域時，監(jiān)控中心的視頻監(jiān)控界面見圖9。

a) 人員監(jiān)控報警界面

b) 船監(jiān)控報警界面圖8 罐區(qū)周圍人員和躉船周圍船舶監(jiān)控畫面

a)AIS海圖監(jiān)控區(qū)域b)AIS報警監(jiān)控界面

圖9 過往船舶進(jìn)入AIS紅色預(yù)警區(qū)域報警畫面

由圖9可知，當(dāng)周圍過往船舶進(jìn)入AIS紅色預(yù)警區(qū)域時，主監(jiān)控中心的監(jiān)控界面就會報警，語音播報預(yù)警信息，從而使監(jiān)控中心的人員作出相應(yīng)回應(yīng)。

5 結(jié)束語

在風(fēng)險分析和應(yīng)急處置的基礎(chǔ)上，搭建LNG水上加氣站在線監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別對加氣站周邊水域的情況、躉船周圍的過往船舶和站內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域情況、溫度和甲烷濃度及罐區(qū)的人員情況等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，最終整合到加氣站監(jiān)控平臺軟件商，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用和改善。

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DesignofFloatingLNGFuelingStationSafetyMonitoringSystem

LUOPengju1，LYUZhiyong2，LUYingli2

(1.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China；2.National Engineering Research Center for Water Transport Safety，Wuhan 430063,China)

While the online monitoring system is very important for floating LNG(Liquefied Natural Gas) fueling stations in protecting the inland navigation safety and the environment,the existing safety monitoring system are still rather primitive.The fact that the operation technologies and the regulations for the LNG fueling stations are not sophisticated yet makes a high performance monitoring system in great request.In view of the existing situation,an online safety monitoring system is proposed based on fiber optic sensors.The general framework of the system and the implementation of the hardware and software are described.The system is able to achieve the real-time monitoring of CH4concentration and its temperature as well as the ambient temperature.The system features high performance,high efficiency,real-time and flexibility.

waterway transportation; LNG；fiber optic sensor；safety monitoring；data collect

U698

A

2017-01-11

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013328811530)

羅鵬舉(1990—),男，湖北武漢人，碩士,研究方向?yàn)槲；钒踩O(jiān)控及運(yùn)輸。E-mail：locgrady@163.com

1000-4653(2017)02-0093-05