復(fù)合災(zāi)害條件下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性評價研究

　　摘要：為研究可燃?xì)怏w監(jiān)測儀在高低溫、風(fēng)雨雪冰凍耦合等復(fù)合情況下的環(huán)境適應(yīng)性，提出復(fù)合情況下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀關(guān)鍵性能指標(biāo)和建立環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)體系，突破傳統(tǒng)災(zāi)害環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)平臺性能單一的不足，模擬復(fù)合災(zāi)害環(huán)境，構(gòu)建可燃?xì)怏w監(jiān)測儀試驗(yàn)平臺，以甲烷為例，作為典型的可燃?xì)怏w，監(jiān)測復(fù)合條件下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀測得的甲烷體積分?jǐn)?shù)，采取AHP價值函數(shù)法對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀進(jìn)行綜合評價。研究表明：環(huán)境溫度低于-20℃和高于60℃時，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀監(jiān)測精度有較大影響，而復(fù)合環(huán)境下相比單一環(huán)境對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀影響較大;ZNRQ200L型號的可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性評價等級為優(yōu)秀，與環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果中甲烷體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測示值誤差不超過1%相對應(yīng)，證明評價體系合理、可行。

　　關(guān)鍵詞：公共安全;可燃?xì)怏w監(jiān)測儀;災(zāi)害條件;環(huán)境適應(yīng)性;綜合評價

　　0引言

　　隨著城市化進(jìn)程發(fā)展，燃?xì)庥脩舨粩嘣黾樱�城市燃�(xì)庠絹碓狡占�，燃�(xì)庑孤┮殉蔀楝F(xiàn)代生產(chǎn)生活中巨大的安全隱患。2021年6月13日，湖北十堰發(fā)生燃?xì)馐鹿时�炸，造�?5人死亡、138人受傷。9月10日，遼寧大連市發(fā)生燃?xì)馐鹿时�炸，造�?人死亡、5人受傷。10月21日，遼寧沈陽發(fā)生燃?xì)馐鹿时�炸，造�?人死亡、3人重傷、44人輕傷。因此，通過運(yùn)用先進(jìn)監(jiān)測設(shè)備和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化科技手段，建立燃?xì)獾瘸鞘猩�命線工程監(jiān)測系統(tǒng)是一種必要趨勢[1-3]。利用可燃?xì)怏w監(jiān)測儀對城市管網(wǎng)燃?xì)庑孤┻M(jìn)行實(shí)時監(jiān)測預(yù)警的燃?xì)夤芫W(wǎng)安全在線智能監(jiān)測平臺在合肥市得到了整體應(yīng)用，徐州、淮北、佛山等城市正在實(shí)施和推廣[4-6]。

　　可燃?xì)怏w監(jiān)測儀不僅在廠房，餐飲等中使用非常方便，而且作為城市生命線運(yùn)行監(jiān)測體系中重要監(jiān)測設(shè)備，在燃?xì)庑孤┍O(jiān)測預(yù)警中被賦予越來越高的期望。可燃?xì)怏w監(jiān)測儀設(shè)計(jì)及型式試驗(yàn)過程中考慮的使用環(huán)境通常為常規(guī)環(huán)境，而在城市生命線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用中可知，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀在監(jiān)測過程中往往會遇到各種災(zāi)害環(huán)境，其功能、性能發(fā)揮均受環(huán)境的影響，存在設(shè)備穩(wěn)定性問題。

　　工業(yè)方向論文范例：淺談可燃?xì)怏w報(bào)警器的檢定

　　2016年，Rad等[7]首次提出基于一種風(fēng)險的Milp方法，對可燃?xì)怏w探測器在高風(fēng)險情景的安放位置進(jìn)行風(fēng)險評價研究。2018年，康岑等[8]對于有害氣體探測器布置的研究建立了一種包含泄漏場景、氣體擴(kuò)散建模和解決方案的風(fēng)險評價方法體系。而可燃?xì)怏w監(jiān)測儀的適用性研究還處于起步階段，主要側(cè)重于可燃?xì)怏w報(bào)警器的計(jì)量檢定[9]，示值誤差分析[10]等。對于可燃?xì)怏w探測器災(zāi)害環(huán)境適應(yīng)性方面研究很少，大都局限于單一災(zāi)害環(huán)境條件。

　　2021年，徐亮等[11]梳理了國內(nèi)外可燃?xì)怏w探測器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，得出環(huán)境低于-10℃時，電化學(xué)型氣體探測器電解液可能會凍結(jié)。陳銀洞等[12]分析了在大風(fēng)，高溫，潮濕等惡劣海洋環(huán)境下，可燃?xì)怏w報(bào)警器會存在老化損壞等問題�，F(xiàn)有研究現(xiàn)狀缺乏復(fù)合災(zāi)害環(huán)境條件下的可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性研究。

　　因此，本文針對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀在實(shí)際使用過程中可能會遇到的各種復(fù)合環(huán)境，如強(qiáng)風(fēng)、降雨、降雪、高低溫耦合等，構(gòu)建復(fù)合災(zāi)害環(huán)境下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)體系，利用多災(zāi)耦合氣候艙，模擬風(fēng)、高低溫、雨雪冰凍等復(fù)合環(huán)境，以ZNRQ200L型號的可燃?xì)怏w監(jiān)測儀為典型代表開展環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，同時結(jié)合其在合肥城市生命線運(yùn)行中的廣泛應(yīng)用進(jìn)行案例分析，最終進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性綜合評價。

　　1構(gòu)建評價指標(biāo)體系

　　由于單一的分析評價方法無法兼顧主觀性和客觀性等問題，為驗(yàn)證本評價體系的合理性，依據(jù)合肥市城市生命線系統(tǒng)中可燃?xì)怏w監(jiān)測儀大量的工程應(yīng)用案例，本文將采取層次分析法對評價指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重分析和確定，運(yùn)用價值函數(shù)法對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀的特征進(jìn)行評判，更加全面、系統(tǒng)地分析與判斷數(shù)據(jù)，解決指標(biāo)中權(quán)重賦值不確定的問題。同時與可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的結(jié)論相對照，進(jìn)行綜合評價。

　　1.1建立指標(biāo)體系

　　通過調(diào)研可燃?xì)怏w監(jiān)測儀檢測標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)中檢測指標(biāo)局限于一些功能性指標(biāo)，和單一災(zāi)害環(huán)境下的檢測指標(biāo)。由合肥市城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中可燃?xì)怏w監(jiān)測儀工程應(yīng)用可知，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀大多數(shù)的工作環(huán)境是非常惡劣的，井內(nèi)的積水、濕氣、沼氣和溫度變化、雨夾雪天氣等災(zāi)害環(huán)境對設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕性，尤其是復(fù)合災(zāi)害環(huán)境下對設(shè)備的功能損壞最嚴(yán)重。為了保障可燃?xì)怏w監(jiān)測儀能夠長期有效運(yùn)行監(jiān)測，在復(fù)合災(zāi)害環(huán)境下設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性就必須具有一定的要求。

　　針對復(fù)合災(zāi)害條件下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀適應(yīng)性問題，綜合考慮篩選出受災(zāi)害環(huán)境影響較大的參數(shù)，對指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分類，以完備性、功能性和保障性作為可燃?xì)怏w監(jiān)測儀評價指標(biāo)體系三大路徑(即準(zhǔn)則層)，對于每一準(zhǔn)則層參數(shù)又選出其核心指標(biāo)。搭建了復(fù)合災(zāi)害環(huán)境下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)體系。

　　1.2指標(biāo)權(quán)重的確定

　　層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)是多目標(biāo)組合問題的一種層次結(jié)構(gòu)化的方法[13,14]。該方法首先將目標(biāo)問題劃分為多個層次，形成上下級支配的隸屬結(jié)構(gòu)。建立專家小組，專家組由生命線運(yùn)行監(jiān)測、事故排查、隱患處理工程師、行業(yè)內(nèi)學(xué)者等組成，通過專家組的意見構(gòu)造各層次的判斷矩陣。按照計(jì)算步驟和計(jì)算公式，求出每一個判斷矩陣的最大特征值及一致性檢驗(yàn)。

　　1.3指標(biāo)的標(biāo)定

　　可燃?xì)怏w監(jiān)測儀指標(biāo)既包含定性指標(biāo)，又包含定量指標(biāo)，這些指標(biāo)范圍、單位各不相同，因此對于定性指標(biāo)(如外觀、裝配、自檢功能、報(bào)警動作功能、數(shù)據(jù)顯示/傳輸、防水性能、防爆性能、電源穩(wěn)定性)，進(jìn)行定量化處理。將數(shù)值0~1劃分為四個區(qū)間，即為[0,0.4]，[0.4,0.6]，[0.6,0.8]，[0.8,1],依次對應(yīng)了四個等級即差，中，良，優(yōu)。將這些定性指標(biāo)因素分級。

　　定量指標(biāo)(如量程指示偏差，響應(yīng)時間，報(bào)警重復(fù)性，濃度監(jiān)測功能)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，1作為理想值，0作為極不理想值，采用線性插值法來確定標(biāo)準(zhǔn)化。

　　1.4綜合評價計(jì)算

　　值函數(shù)法是用單個指標(biāo)對系統(tǒng)單項(xiàng)評價指標(biāo)的權(quán)重及其價值進(jìn)行加權(quán)，得到綜合指標(biāo)的方法[15]。

　　2環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　2.1試驗(yàn)平臺簡介

　　為使可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性評價研究具有客觀性、科學(xué)性，本文以甲烷作為典型的可燃?xì)怏w為例，利用多災(zāi)耦合氣候艙、可燃?xì)怏w監(jiān)測儀、儲氣袋、標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等搭建可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性測試平臺，可提供一個穩(wěn)定的復(fù)合災(zāi)害環(huán)境，檢測可燃?xì)怏w監(jiān)測儀最重要的濃度監(jiān)測功能指標(biāo)，觀測可燃?xì)怏w監(jiān)測儀在不同工況條件下監(jiān)測甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化情況。值得注意的是存在電子屏蔽或電子干擾時，該監(jiān)測儀傳輸數(shù)據(jù)是正常的。

　　耦合氣候艙尺寸為長5m，寬6m，高5m，可實(shí)現(xiàn)高溫、低溫、淋雨、覆冰、降雪及強(qiáng)風(fēng)等復(fù)合環(huán)境。溫度范圍-40~80℃;降雨強(qiáng)度0~40mm/h;覆冰降雪強(qiáng)度10mm/h;風(fēng)速0~15m/s。測試采用的設(shè)備是由合肥澤眾城市智能科技有限公司自主研發(fā)的固定式可燃?xì)怏w監(jiān)測儀(型號：ZNRQ200L)。主要針對CH4(甲烷)氣體的監(jiān)測，監(jiān)測范圍為0~20%，最小精度0.01%。

　　儲氣袋用于儲存標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體，儲氣袋容量42L。為消除空氣對氣體濃度的影響，試驗(yàn)前將儲氣袋抽真空，將標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體通入儲氣袋后，封閉儲氣袋氣管以備實(shí)驗(yàn)使用�？紤]試驗(yàn)安全問題，本次采用標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度為3%VOL。數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集端，通過可燃?xì)怏w監(jiān)測儀有線信號傳輸端口，將可燃?xì)怏w監(jiān)測儀采集到的甲烷氣體濃度及設(shè)備電源電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

　　2.2試驗(yàn)方法

　　2.2.1試驗(yàn)步驟

　　試驗(yàn)前將標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體輸入到儲氣袋中，以備試驗(yàn)使用。將儲氣袋通過氣管與可燃?xì)怏w監(jiān)測儀連接，將可燃?xì)怏w監(jiān)測儀通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。試驗(yàn)時將可燃?xì)怏w監(jiān)測儀放置在氣候艙中部位置。試驗(yàn)時首先調(diào)節(jié)氣候艙環(huán)境條件，穩(wěn)定30min之后，開始采集數(shù)據(jù)，5min采集一次數(shù)據(jù)，選取3組數(shù)據(jù)取平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時在室溫25℃條件下進(jìn)行對照試驗(yàn)，為消除氣管中空氣的影響，采集的前幾組數(shù)據(jù)舍棄，直到出現(xiàn)穩(wěn)定的幾組最高濃度數(shù)據(jù)為止。

　　2.2.2試驗(yàn)工況

　　a)高、低溫試驗(yàn)可燃?xì)怏w監(jiān)測儀設(shè)計(jì)工作環(huán)境溫度量程為-10℃~60℃，為研究在極端高低溫環(huán)境下設(shè)備性能情況，因此選取試驗(yàn)最高溫度為80℃，最低溫度為-35℃，試驗(yàn)環(huán)境溫度范圍為-35℃~80℃，間隔5℃作為一組工況，兩個溫度之間穩(wěn)定30min。

　　2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.3.1高、低溫試驗(yàn)

　　通過對兩種極限狀態(tài)進(jìn)行測試，高、低溫狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果。可燃?xì)怏w監(jiān)測儀監(jiān)測出的甲烷氣體濃度隨溫度變化呈現(xiàn)倒“U”型。當(dāng)環(huán)境溫度為-35℃~-5℃時，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀測得甲烷氣體濃度隨著溫度的升高而升高;反之，環(huán)境溫度為45℃~80℃，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀測得甲烷氣體濃度隨著溫度的升高而降低;環(huán)境溫度為-5℃~45℃，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀測得甲烷氣體濃度受溫度變化影響較小。

　　2.3.2雨、雪、覆冰試驗(yàn)

　　取這三種災(zāi)害環(huán)境條件下的相同溫度環(huán)境作為測試對照試驗(yàn)，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀測得的甲烷體積分?jǐn)?shù)值為圖中虛線值。隨著溫度的降低，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀監(jiān)測出的甲烷氣體濃度也隨之降低。25℃、-10℃、-20℃環(huán)境條件下，甲烷體積分?jǐn)?shù)示值是恒定的，示值誤差全都不超過1%，淋雨、覆冰、降雪環(huán)境下甲烷體積分?jǐn)?shù)會有上下波動，但是和正常環(huán)境下相同溫度條件的試驗(yàn)結(jié)果接近，示值誤差基本上都不超過1%。

　　這表明淋雨、降雪和覆冰等災(zāi)害環(huán)境使可燃?xì)怏w監(jiān)測儀監(jiān)測功能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測的數(shù)據(jù)處于波動狀態(tài)，有一定參數(shù)偏差，相比較溫度環(huán)境的變化，淋雨、降雪和覆冰等單一的災(zāi)害環(huán)境對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀影響相對較大。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀在工程應(yīng)用中考慮到實(shí)際運(yùn)行復(fù)雜災(zāi)害環(huán)境條件，需在特定環(huán)境條件下縮短設(shè)備校準(zhǔn)周期或進(jìn)行特定環(huán)境條件下的設(shè)備校準(zhǔn)。

　　3案例分析

　　合肥市城市生命線工程安全運(yùn)行燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng)，按照“點(diǎn)”、“線”、“面”相結(jié)合的原則，優(yōu)先選擇合肥市高風(fēng)險區(qū)域、重點(diǎn)敏感區(qū)域和關(guān)系民生保障的城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，組建822公里燃?xì)夤芫W(wǎng)，共計(jì)安裝24739個可燃?xì)怏w監(jiān)測點(diǎn)，每個監(jiān)測點(diǎn)都安裝激光式可燃?xì)怏w監(jiān)測儀�；�于可燃?xì)怏w監(jiān)測儀工程實(shí)踐數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇10臺同款ZNRQ200L型號可燃?xì)怏w監(jiān)測儀在特定環(huán)境條件下表現(xiàn)出來的各參數(shù)情況，作為案例分析計(jì)算數(shù)據(jù)來源。

　　4結(jié)論

　　1)本文提煉出復(fù)合環(huán)境條件下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀主要影響因素，建立了可燃?xì)怏w監(jiān)測儀災(zāi)害環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)體系，構(gòu)建了環(huán)境適應(yīng)性評價體系。

　　2)模擬復(fù)合災(zāi)害環(huán)境開展可燃?xì)怏w監(jiān)測儀適應(yīng)性試驗(yàn)，低于-20℃和高于60℃的極端環(huán)境下，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀的精度出現(xiàn)明顯降低;在相同溫度環(huán)境條件下，復(fù)合災(zāi)害環(huán)境相比單一災(zāi)害環(huán)境對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀影響較大，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀出現(xiàn)一定程度偏差。

　　3)提出針對復(fù)合環(huán)境下可燃?xì)怏w監(jiān)測儀環(huán)境適應(yīng)性評價方法，采用AHP-價值函數(shù)法對可燃?xì)怏w監(jiān)測儀綜合評價，通過試驗(yàn)研究與案例分析計(jì)算相結(jié)合，證明構(gòu)建的可燃?xì)怏w監(jiān)測儀綜合評價方法合理、可行，可燃?xì)怏w監(jiān)測儀評價體系具有正確性和實(shí)用性。

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　　作者：劉小勇1,2，王祥1,2，喻益超3，蘭明強(qiáng)1,2，郭賢2，李念思2，李亞運(yùn)2

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