防爆氣象站技術(shù)方案 柏峰【BF-FB】一、項(xiàng)目背景 在石油、化工、煤礦、燃?xì)獾雀呶Ｐ袠I(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場，易燃易爆物質(zhì)遍布，環(huán)境中潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)時(shí)刻威脅著生產(chǎn)安全與人員生命健康。氣象條件的變化是引發(fā)安全事故的重要誘因之一，高溫可能加速可燃物質(zhì)揮發(fā)，大風(fēng)會(huì)擴(kuò)大泄漏氣體的擴(kuò)散范圍，高濕度可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降，這些都可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等惡性事故。
傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測設(shè)備由于缺乏防爆設(shè)計(jì)，在高危環(huán)境中使用時(shí)本身就可能成為點(diǎn)火源，無法滿足安全生產(chǎn)需求。為了實(shí)現(xiàn)高危環(huán)境下氣象數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測與安全管理，構(gòu)建一套專業(yè)的防爆氣象站至關(guān)重要。該氣象站能夠在易燃易爆環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵氣象要素，為安全決策提供科學(xué)依據(jù)，有效降低事故發(fā)生概率，保障高危行業(yè)的安全生產(chǎn)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 感知層
感知層是防爆氣象站的數(shù)據(jù)采集核心，負(fù)責(zé)在危險(xiǎn)環(huán)境中精準(zhǔn)采集各類氣象要素?cái)?shù)據(jù)，所有設(shè)備均具備防爆性能。
溫度傳感器：采用隔爆型設(shè)計(jì)，測量范圍 - 40℃-80℃，精度 ±0.3℃，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常升高情況，為設(shè)備降溫控制提供數(shù)據(jù)支持。
濕度傳感器：具備本安防爆認(rèn)證，測量范圍 0%-100% RH，精度 ±3% RH，實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣濕度，當(dāng)濕度超出安全范圍可能影響設(shè)備絕緣或?qū)е挛镔|(zhì)吸濕變質(zhì)時(shí)發(fā)出預(yù)警。
風(fēng)速風(fēng)向傳感器：采用隔爆外殼，風(fēng)速測量范圍 0-60m/s，精度 ±0.3m/s；風(fēng)向測量范圍 0°-360°，精度 ±3°，準(zhǔn)確監(jiān)測風(fēng)場變化，為判斷可燃?xì)怏w擴(kuò)散方向和范圍提供依據(jù)。
氣壓傳感器：防爆等級(jí)達(dá)到 Ex dⅡCT6 Gb，測量范圍 300-1100hPa，精度 ±0.3hPa，輔助分析天氣變化趨勢，為雷雨等災(zāi)害性天氣預(yù)警提供數(shù)據(jù)。
雨量傳感器：采用防爆型翻斗式雨量計(jì)，分辨率 0.2mm，精度 ±2%，監(jiān)測降水量及降水強(qiáng)度，為防汛防潮措施制定提供參考。
2.2 傳輸層
傳輸層負(fù)責(zé)將感知層采集的氣象數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定地傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，所有傳輸設(shè)備和線路均滿足防爆要求。
傳輸設(shè)備：選用防爆型無線傳輸模塊，支持 LoRa、NB-IoT 等低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，在危險(xiǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達(dá)數(shù)公里。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸要求較高的場景，可采用防爆型 4G 模塊，確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。
傳輸線路：采用防爆電纜進(jìn)行有線連接，電纜接頭處使用防爆密封接頭，防止易燃易爆氣體進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，保障數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性。
數(shù)據(jù)加密與完整性保障：傳輸過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，采用 AES 加密算法，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。同時(shí)具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)后，自動(dòng)補(bǔ)發(fā)未傳輸成功的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性。
2.3 數(shù)據(jù)處理層
數(shù)據(jù)處理層對(duì)傳輸來的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理，為安全決策提供支持。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：采用防爆型工業(yè)服務(wù)器，配備大容量硬盤，對(duì)采集的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行長期存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與時(shí)序數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)設(shè)備信息、預(yù)警記錄等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，時(shí)序數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)海量的氣象時(shí)序數(shù)據(jù)，支持高效查詢和分析。
數(shù)據(jù)清洗與校準(zhǔn)：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除異常值、噪聲數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)。通過與標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)對(duì)比和傳感器校準(zhǔn)曲線修正，提高數(shù)據(jù)精度，確保數(shù)據(jù)的可靠性。
數(shù)據(jù)分析與建模：運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立氣象要素與安全風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)模型。分析溫度、濕度、風(fēng)速等因素對(duì)可燃物質(zhì)特性、設(shè)備性能的影響規(guī)律，為安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警提供算法支持。
2.4 應(yīng)用層
應(yīng)用層為用戶提供數(shù)據(jù)展示、預(yù)警管理和決策支持等功能，滿足高危行業(yè)安全生產(chǎn)管理需求。
監(jiān)控中心平臺(tái)：具備防爆數(shù)據(jù)展示界面，實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，以圖表、曲線等形式直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)變化趨勢。支持歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)表生成，為安全管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
預(yù)警管理系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)設(shè)的安全閾值和風(fēng)險(xiǎn)模型，對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)觸發(fā)預(yù)警。預(yù)警級(jí)別分為一般預(yù)警、較重預(yù)警、嚴(yán)重預(yù)警，分別采取不同的通知方式。
移動(dòng) APP：為管理人員和運(yùn)維人員提供移動(dòng)端訪問功能，支持實(shí)時(shí)查看氣象數(shù)據(jù)、接收預(yù)警信息、查詢歷史數(shù)據(jù)等操作，方便用戶隨時(shí)隨地掌握危險(xiǎn)環(huán)境的氣象狀況。
三、功能設(shè)計(jì)
3.1 實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測
系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量等氣象要素?cái)?shù)據(jù)，并在監(jiān)控中心平臺(tái)和移動(dòng) APP 上實(shí)時(shí)展示。數(shù)據(jù)采樣頻率可根據(jù)需求設(shè)置，一般為 1-5 分鐘 / 次，確保及時(shí)掌握氣象條件變化情況。
3.2 多級(jí)別預(yù)警功能
根據(jù)氣象數(shù)據(jù)與安全閾值的對(duì)比結(jié)果，實(shí)現(xiàn)多級(jí)別預(yù)警。當(dāng)溫度接近可燃物質(zhì)燃點(diǎn)時(shí)，發(fā)出高溫嚴(yán)重預(yù)警；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到可能加速氣體擴(kuò)散的臨界值時(shí)，發(fā)出大風(fēng)較重預(yù)警；當(dāng)濕度異?？赡苡绊懺O(shè)備安全時(shí)，發(fā)出濕度一般預(yù)警等。預(yù)警信息通過聲光報(bào)警、平臺(tái)消息、短信、APP 推送等多種方式通知相關(guān)人員。
3.3 歷史數(shù)據(jù)查詢與分析
系統(tǒng)具備強(qiáng)大的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能，用戶可按照時(shí)間范圍、氣象要素類型等條件查詢歷史數(shù)據(jù)。支持生成日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)等統(tǒng)計(jì)報(bào)表，對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析、極值分析、相關(guān)性分析等，為安全管理策略制定和事故追溯提供數(shù)據(jù)支持。
3.4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與管理
實(shí)時(shí)監(jiān)測防爆氣象站各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括傳感器是否正常工作、傳輸模塊信號(hào)強(qiáng)度、設(shè)備電池電量等。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或異常時(shí)，自動(dòng)發(fā)出設(shè)備故障預(yù)警，提醒運(yùn)維人員及時(shí)進(jìn)行維修和更換，確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
3.5 與安全管理平臺(tái)聯(lián)動(dòng)
支持與企業(yè)的安全生產(chǎn)管理平臺(tái)無縫對(duì)接，將氣象數(shù)據(jù)與可燃?xì)怏w濃度、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析。當(dāng)氣象數(shù)據(jù)與其他安全數(shù)據(jù)共同達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)條件時(shí)，觸發(fā)綜合安全預(yù)警，為應(yīng)急處置提供全面的數(shù)據(jù)支持。
3.6 遠(yuǎn)程參數(shù)配置
用戶可通過監(jiān)控中心平臺(tái)或移動(dòng) APP 對(duì)防爆氣象站的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，如調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率、修改預(yù)警閾值、設(shè)置傳輸周期等，無需現(xiàn)場操作，提高系統(tǒng)管理的便利性和安全性。
四、硬件選型
4.1 傳感器選型
溫度傳感器：選用隔爆型 PT100 溫度傳感器，具備 Ex dⅡCT6 Gb 防爆認(rèn)證，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，適合在易燃易爆環(huán)境中長期使用。
濕度傳感器：采用本安型 SHT35 濕度傳感器，通過 Ex iaⅡCT4 Ga 認(rèn)證，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠在惡劣環(huán)境中準(zhǔn)確測量濕度。
風(fēng)速風(fēng)向傳感器：選用防爆型三杯式風(fēng)速傳感器和單翼式風(fēng)向傳感器，外殼采用鑄鋁材質(zhì)，防爆等級(jí) Ex dⅡCT6，防護(hù)等級(jí) IP65，能夠抵御惡劣環(huán)境的侵蝕。
氣壓傳感器：采用防爆型 BMP388 氣壓傳感器，具備隔爆外殼，測量精度高，功耗低，適合長期連續(xù)監(jiān)測。
雨量傳感器：選用防爆型翻斗式雨量計(jì)，承雨口徑 200mm，防爆等級(jí) Ex dⅡBT4，具備防堵塞設(shè)計(jì)，確保在多雨環(huán)境中正常工作。
4.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備
數(shù)據(jù)采集器：選用防爆型數(shù)據(jù)采集器，具備多路傳感器接口，支持多種傳感器信號(hào)輸入，防爆等級(jí) Ex dⅡCT6 Gb，能夠在危險(xiǎn)環(huán)境中穩(wěn)定采集和處理數(shù)據(jù)。
傳輸模塊：LoRa 傳輸模塊選用防爆型 SX1278 模塊，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低；NB-IoT 模塊選用華為 BC95 防爆型模塊，適合低速率、廣覆蓋場景；4G 模塊選用移遠(yuǎn) EC20 防爆型模塊，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。
4.3 供電設(shè)備
采用防爆型供電系統(tǒng)，在有市電條件的區(qū)域，可接入防爆型市電電源，提高供電可靠性。
4.4 安裝與防護(hù)設(shè)備
安裝支架：采用防爆型鍍鋅鋼支架，高度 2-3m，具備抗風(fēng)能力，支架表面進(jìn)行防腐處理，適應(yīng)惡劣環(huán)境。
防爆機(jī)箱：數(shù)據(jù)采集器和傳輸模塊安裝在 IP66 防護(hù)等級(jí)的防爆機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱材質(zhì)為鑄鋁，具備良好的防爆、防水、防塵性能，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備安全運(yùn)行。
接地裝置：安裝防爆型接地裝置，將設(shè)備外殼與大地可靠連接，接地電阻不大于 4Ω，防止靜電積累和雷擊損壞設(shè)備。
五、軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)
5.1 平臺(tái)架構(gòu)
軟件平臺(tái)采用 B/S 架構(gòu)，基于 Java 語言開發(fā)，運(yùn)用 Spring Boot、Spring Cloud 微服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)高可用、高擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)。平臺(tái)分為前端展示層、后端服務(wù)層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，前端采用 Vue.js 框架開發(fā)，提供直觀的用戶界面；后端包含數(shù)據(jù)采集服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、預(yù)警服務(wù)等模塊；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層采用 MySQL 和 InfluxDB 數(shù)據(jù)庫。
5.2 功能模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊：負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集器通信，接收傳感器數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和校準(zhǔn)后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。支持 Modbus、MQTT 等多種通信協(xié)議，適配不同類型的采集設(shè)備。
數(shù)據(jù)展示模塊：提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面和歷史數(shù)據(jù)查詢界面，以儀表盤、曲線圖表、數(shù)據(jù)表格等形式展示氣象數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出和打印功能。
預(yù)警管理模塊：配置預(yù)警閾值和預(yù)警規(guī)則，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)觸發(fā)預(yù)警，生成預(yù)警信息并通過多種渠道通知相關(guān)人員。支持預(yù)警記錄查詢和統(tǒng)計(jì)分析。
設(shè)備管理模塊：對(duì)防爆氣象站設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，包括設(shè)備注冊、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、維護(hù)記錄等功能。實(shí)時(shí)顯示設(shè)備在線狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息。
用戶管理模塊：管理用戶賬號(hào)和權(quán)限，根據(jù)用戶角色分配不同的操作權(quán)限，確保系統(tǒng)操作的安全性和規(guī)范性。支持用戶注冊、登錄、密碼重置等功能。
報(bào)表管理模塊：根據(jù)用戶需求生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)等，報(bào)表內(nèi)容包括氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、預(yù)警情況統(tǒng)計(jì)等，支持報(bào)表導(dǎo)出和打印。
5.3 安全設(shè)計(jì)
軟件平臺(tái)采用多重安全措施保障系統(tǒng)安全。用戶認(rèn)證采用密碼加密存儲(chǔ)和雙因素認(rèn)證，防止非法登錄；數(shù)據(jù)傳輸采用 SSL/TLS 加密協(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸安全；數(shù)據(jù)庫采用訪問權(quán)限控制和數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)，防止數(shù)據(jù)泄露；系統(tǒng)定期進(jìn)行安全漏洞掃描和補(bǔ)丁更新，防范網(wǎng)絡(luò)攻擊；建立完善的日志審計(jì)系統(tǒng)，記錄用戶操作和系統(tǒng)事件，便于安全追溯。