摘要：为提升化工园区气体污染物监测能力、降低事故发生率，文章探讨了飞艇作为监测气体污染物平台的可行性。首先，分析化工园区内气体污染物种类，表明监测气体污染物的重要性；其次，指出现有预防监测技术的不足之处；最后，结合飞艇传感器高度集成、体积小巧灵活、续航持久稳定和能耗经济环保等特性，得出飞艇监测的可行性。其结果表明，飞艇作为气体污染物监测平台具有广阔的发展前景，使得化工园区监测范围更加立体、手段更加多元，以期帮助化工园区更好地应对气体污染物泄漏类突发事件，提升应急响应与处置水平。
关键词：小型飞艇,化工园区,传感器,气体污染物监测,应急处置
0引言
近年来，随着化工企业不断向园区集中，化工园区成为挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)的重点排放源，由于VOCs对臭氧生成污染的贡献高达70%[1]，因此，对VOCs的工业治理成为我国安全生产的重点关注方向[2-5]。目前国内已根据《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》将VOCs正式列为我国大气污染防治的重点污染物[6-7]。由于园区内化学原材料多且种类繁杂，其生产过程中会产生大量有毒有害气体，并且多类毒害气体之间极易引发化学反应，潜在风险非常大。据统计，2011—2020年先后共发生危化品事故高达14 087起，总体趋势符合安全库兹涅茨曲线[8]。因此，针对危险污染物泄漏问题，选取具备实时监测、有效防控和快速响应的立体化化工园区监测体系，成为化工园区安全方面的现实需求。
1现有预防监测关键技术手段分析
1.1便携式巡检仪
便携式巡检仪需要监测人员携带进入现场操作，在携带检测过程中，存在极大的中毒风险。根据工作原理不同，各类便携式检测设备具有不同的特征，如图1所示。图1(a)的监测周期为20 s，具有数据采集速度快、稳定性高的特点；图1(b)主要的检测因子是VOCs，对单个特征污染物可准确定量，其检测周期为10 min左右；图1(c)的响应速度更快，适用范围更广[9]。便携式巡检仪可以对目标进行实时检测，但连续监测能力弱，安全防护等级低，主要适用于应急监测或环境执法部门对化工园区进行抽查，不适用于化工园区中的实时预警监测[1]。
1.2固定式检测仪
传统的固定式检测仪如图2所示，前期需要较高的初始投资成本进行安装、布线和配置，后期需要定期校准防止零点漂移。其检测覆盖范围小，需在化工园区内设置多个监测点，导致成本增大，因此目前主要针对化工园区中固定区域的监测预警，难以解决化工园区中立体化监测的需求[10]。
1.3走航式巡检仪
走航式巡检仪是一种新型的、集约化的监测思路，如图3所示，能满足实时监测的要求，但走航式巡检仪的监测范围受限于仪器的航道设计[11-12]。复杂的地形、狭窄的道路和人流量大的地区会导致走航式巡检仪无法顺利行驶，地面条件的限制会影响监测数据的完整性和准确性。在化工园区中，一些监测目标可能位于建筑物内部、管道系统中或高空区域等，普通的走航式巡检仪由于航道集中在地面[13]，难以满足化工园区高空气体监测的需求。
1.4空中式巡检仪
空中监测方式主要为无人机，如图4所示，其在工业领域的应用相对较少，主要制约因素有续航问题、成本问题、路线问题[14]和安全问题等。例如，目前无人机续航时间有限，尤其是针对工业领域的长时间监测需求，而且空中设备的维护和运营需要专业技术人员，其培训和雇佣成本也是需要考虑的因素，保持飞行中的稳定性和安全性也是不可忽视的一点。此外，还需确保飞行活动符合中国民航总局(CAAC)的相关法规，包括飞行器的注册和飞行规定等也是制约因素之一。
2飞艇技术
通过对上述多类化工园区巡检手段的优缺点分析，得到目前VOCs气体监测预警亟需一种体积小巧、行动灵活、续航持久和经济环保的监测平台。针对以上问题，本文提出利用飞艇作为化工园区监测预警应用的新思路和新方法。
2.1飞艇的发展
飞艇的制造历史可以追溯到1784年,由法国罗伯特兄弟制造了第一艘人力飞艇。随着近代科学技术的不断发展和创新,现代飞艇在结构、材料、能源和操控系统方面得到了非常显著的改进。目前,飞艇主要采用氦气作为浮力气体,因为氨气属于惰性气体,不易燃烧,安全性相对较高。同时,飞艇的囊体材料必须有极强的耐候性和优秀的气体阻隔性,且为高强度轻质材料制成,因单一材料无法满足其要求,因此囊体材料多采用多层复合结构1s-16l,如图5所示。
除此之外,飞艇还可以广泛搭载各种传感设备,例如全球定位系统(GPS)、高分辨率相机、傅里叶变换红外光谱仪""等传感器,实现对气体的主被动测量、获取空中影像、采集环境数据、进行遥感监测和通信等功能。
2.2飞艇系统的组成
飞艇系统的设计结构如图6所示,主要由气囊、悬挂系统、动力系统和控制系统组成。
(1)气囊。气囊是飞艇的核心部件,囊体材料是飞艇的主体结构材料,材料性能的好坏直接影响飞艇的使用效能,因此囊体材料的研制是飞艇发展的关键因素之一。如图5所示,飞艇囊体是由多种材料层压复合而成的高强度轻质材料,囊体厚度率和厚度位置会影响飞艇所受到的阻力,因此恰当的飞艇外形和厚度率也十分重要。
(2)悬挂系统。悬挂系统连接气囊和其他部件,包括索条和索绳,其承受气囊重量并将气囊悬挂在飞艇的骨架上。在缆绳出口处采用了一种新的作动器来控制其振荡,以提高飞艇的稳定性。
(3)动力系统。飞艇由动力系统提供推进力,使其能够飞行和悬浮。常见的动力系统包括电动机、内燃机或混合动力系统。动力系统驱动螺旋桨或推进器产生推力,推动飞艇前进或改变其飞行方向。
(4)控制系统。飞艇的控制系统用于操纵方向和稳定飞行,包括舵、舵面和气阀等,通过改变前后副气囊内空气量和操纵角度来控制飞艇的上升、下降、转向和悬停等动作。飞艇尾翼的纵向位置、尾翼倾斜角、尾翼面积参数也会影响飞艇的气动特性[23]。
3飞艇巡检仪可行性分析
3.1飞艇监测预警的优势
(1)适应性强
飞艇的多层囊体材料具有极强的耐腐蚀性、气闭性、耐高温性和抗撕裂性,可以适应化工园区内复杂的气体环境和条件,确保飞艇在化工园区内的可靠运行。同时,飞艇作为空中监测平台利用便于集成的优势,可选择搭载不同的传感器,以适用于更多的监测场景。
(2)安全监测
飞艇能飞越危险区域，进行低空实时监测，避免了工作人员进入危险区域，保护了工作人员的安全。飞艇搭载的各种传感器和监测设备具备高精度和高灵敏度，能够实时监测化工园区的气体浓度、温度和湿度等所需参数。例如，便携式的基于CNN的YOLOv5目标检测算法可检测化工园区火灾[24]、气体传感器可监测可燃气体和有毒气体的浓度、红外热像仪可被动探测异常温度变化、基于数字合成校准的红外光谱可分析气体成分[17]、监测数据可提前预警潜在的安全风险。
(3)超低能耗
近代飞艇均采用氦气囊和新型吊舱的形式，避免了氢气易燃易爆的问题，并且采用新型复合蒙皮材料[15-16]，降低了气囊的渗透率、增强了气囊的可撕裂性、提高了气囊的耐腐蚀性以及气体阻隔性[25-26]。飞艇通常采用电动或混合动力系统，可利用飞艇表面积大的优势安装柔性太阳能电池板，以搭载大容量的电池组成供电系统，在节省燃料的同时也保护了环境，符合可持续发展的要求。
(4)飞行性能优越
飞艇可以通过上文所述的控制系统实现精准的姿态调整和悬停功能，保持稳定的飞行状态[24]，这种稳定性能够提供清晰、稳定的监测数据，并减少图像模糊失真的可能性。飞艇的垂直起降和悬停能力使其对起飞环境的要求较低，能够及时迅速地飞往目标区域，提供监测数据和图像，为决策提供支持，帮助应急救援人员快速作出反应。低空飞艇具有较小的体积和灵活的机动性，可以在狭窄的空间中操作，进入难以到达的区域，如建筑物间隙、管道内和地下空间等[27]，可获取立体化数据。
(5)低干扰监测
飞艇电力系统和动力系统的设计使其保持较低的噪音水平和尾气污染，这使得飞艇在监测过程中对周围环境和人员的干扰较小，可以在不干扰园区正常工作和生产活动的情况下，进行高效、精确的监测。
(6)维护成本低
飞艇的维护成本比固定翼飞机和直升机更低，因为飞艇结构简单、部件少且维护周期长，同时飞艇在监测任务中对部件的磨损也较少，减少了维修和更换的频率和成本。
飞艇作为空中监测平台，近年来随着氦气提纯技术的逐渐成熟以及飞艇蒙皮材料的深度研究[25-26]，搭建成本逐渐降低，越来越受到大众的关注和重视，在多个领域中已经成为无人机等旋翼飞机所不能替代的航空器平台。飞艇可长时间稳定悬停、续航时间长、可垂直升降(低空飞艇可以进行垂直升降和悬停，灵活调整飞行高度和位置)、载重能力强可以搭载不同的传感器、飞行安全系数高，可基于遗传算法和贪婪策略的HSA多任务点航路规划方法寻找最优路线[14,28]。
3.2飞艇在应急监测方面的优势
国内大部分化工园区规模日趋庞大，越发缺少“横向够广、纵向够深”的立体化监测技术，传统的固定式检测仪成本高昂、维护难度大，难以做到“横向够广”的需求。例如，用于重点区域或点源的检测预警局限性较大，无法进行线源、面源的预警监测，走航式监测仪的发展缓解了上述问题，但仍存在难以实现“纵向够深”的需求。飞艇作为拥有长时间滞空能力、升降不受环境约束、安全性高、体积小、不影响地面员工的监测预警平台，可通过在飞艇上搭载傅里叶变换红外光谱仪[17]实时监测园区内不同高度区域的危害气体浓度，结合GIS地理信息系统绘制成三维气体浓度实时变化图，并将信息共享至应急处置部门，弥补了固定式检测仪和走航监测仪预警系统的不足，同时提高了化工园区的安全系数，保护了周围环境的安全和居民的健康。
3.3飞艇监测在溯源方面的优势
气体污染物发生泄漏时，无法定位泄漏源是危化品化工园区所面临的一个非常重要的问题。如果不能解决该问题，不仅会影响工厂效益，还可能会引起爆炸、造成重大事故，因此溯源的重要性显而易见。利用飞艇巡航监测系统的高机动性可以使其监测的覆盖区域更广阔，如果说传统监测仪的出现实现了化工园区“点”“线”“面”的预警监测，那么飞艇巡航监测系统在此基础上，增加了“体”维度的立体监测能力。采用飞艇的灵活性可快速追溯污染源头，从而及时作出补救。
3.4飞艇的缺陷
飞艇具有明显优势的同时，也存在一些很明显的缺陷。飞艇的移动速度很慢，完整巡检大面积化工园区所需时间较长。但是可以通过多飞艇协同监测的方案来解决这个问题，通过飞艇上搭载的宽带自组网设备实现飞艇之间及飞艇与应急指挥中心的通信，实现数据信息的及时回传共享、智能分析算法的实时监测，打造智慧化工园区。
4飞艇在气体污染物监测中的应用
小型低空飞艇相较于其他商业飞艇而言，制作成本较低，制作难度也不高，小型飞艇用于气体污染物的监测应用可通过四方面展开探讨[29]：
(1)监测危险化学物质的气体浓度
小型飞艇在化工园区作业时，通过搭载各种不同类型的气敏传感器，能够实时监测空气中的化学物质，以确保工作环境的安全；通过加载高灵敏度的传感器可检测有毒有害、易燃易爆等危险气体的浓度，为工作人员提供及时而准确的数据。
(2)监测环境的温度和湿度
近年来，由于化学物品存储不当造成的事故时有发生，因此化学物品的存放不当也是化工园区需要面对的事故隐患之一。小型飞艇通过搭载温湿度传感器，用于监测特殊化学品存放环境的变化，通过设置预警条件以评估化学品存储条件和潜在风险。
(3)探测化学品扩散方向和风险分析
通过小型飞艇上的风速风向传感器可以及时了解到气体污染物的扩散方向，预测污染物扩散的态势变化和威胁程度。这相比于传统的应急管理部门危机判断方法节省了大量的时间，可快速评估化工园区周边的风险指数，分析污染源的影响范围。
(4)提高化工园区安全性
因为小型飞艇具有高度优势，可以长时间滞空停留，搭载图像传感器和视觉分析算法后，可以极大程度提升化工园区的安全监管能力。利用史胜春[30]提出的化工智慧园区可以对园区重特大风险源、封闭管理区域、工作人员等主要监测目标进行智能化识别与跟踪，并通过构建相应评估体系分析园区的韧性水平[31]。
5结语
(1)小型飞艇的灵活性和长时间悬浮能力使其能够在化工园区内进行高效、精准的数据收集，实现全方位、全天时、全天候的监测与预警。
(2)搭载的多类型传感器能够迅速捕捉并识别化工园区排放的污染物，为监管部门和化工园区提供数据依据。相较于传统监测手段，飞艇的巡航监测不仅成本更低，还具备较强的适应性和机动性，可根据实际情况调整飞行路径，覆盖更广阔的区域，确保飞艇监测工作的立体化、全面性和持续性。
(3)小型低空飞艇在化工园区监测中展现出的高效性、安全性和灵活性，使其成为一种可信、可靠的优秀监测平台，能够在事前预警监测、事中及时应急响应，为化工园区的安全可持续发展提供强有力的技术支持。
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