面向過(guò)程的危險(xiǎn)源辨識(shí)及可操作性評(píng)價(jià)系統(tǒng)

侯夢(mèng)曦,吳珊珊，王詩(shī)慧，黨亞固，吉 旭

(四川大學(xué)化工學(xué)院系統(tǒng)工程研究所，四川 成都 610065)

化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱性行業(yè)，但化工產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色與可持續(xù)發(fā)展已顯著受制于行業(yè)健康、安全、環(huán)境(HSE)狀況，頻發(fā)的環(huán)境污染、安全事故正成為掣肘整個(gè)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題。

化工企業(yè)的高溫、高壓、有毒、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)決定了化工設(shè)備必須要有可靠的設(shè)計(jì)、嚴(yán)密的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、完備的安全保護(hù)裝置來(lái)保障設(shè)備的安全運(yùn)行。過(guò)程裝置的可靠性直接影響了化工生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性，數(shù)據(jù)表明裝置故障和工藝異常引發(fā)的安全事故超事故總量60%，因此開(kāi)發(fā)面向生產(chǎn)過(guò)程的在線危險(xiǎn)源辨識(shí)和可操作性(可靠性)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)提高行業(yè)健康、安全、環(huán)境(HSE)管理水平意義重大[1-2]。

與先進(jìn)的工業(yè)化國(guó)家相比，我國(guó)HSE的咨詢服務(wù)技術(shù)水平還相對(duì)落后，已有軟件系統(tǒng)大多為單一離線的指標(biāo)評(píng)價(jià)、流程審批、文件制度性系統(tǒng)，功能體系不夠完善，不能滿足企業(yè)的核心需要[3-4]?；SE軟件平臺(tái)和服務(wù)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外如杜邦、拜耳等HSE專業(yè)服務(wù)部門壟斷[3-4]。

基于此，本研究致力于研發(fā)出基于過(guò)程行業(yè)HSE在線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制系統(tǒng)(Process Oriented Hazard and Operability Analysis,POHAZOP)，主要解決企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的工藝和設(shè)備安全問(wèn)題、人員職業(yè)健康問(wèn)題及環(huán)境污染問(wèn)題，使事故發(fā)生概率、工傷發(fā)生次數(shù)均遠(yuǎn)低于工業(yè)平均值，達(dá)到國(guó)際優(yōu)秀水平，從而減少經(jīng)濟(jì)損失，為企業(yè)創(chuàng)造盈利。

1 核心技術(shù)研究

POHAZOP是以設(shè)備的維護(hù)管理和運(yùn)行控制為基礎(chǔ)對(duì)HSE進(jìn)行在線管理的平臺(tái)體系。該平臺(tái)以設(shè)備運(yùn)行管理中的可靠性評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，融合HSE評(píng)估，以云計(jì)算為知識(shí)存儲(chǔ)、發(fā)布平臺(tái)，構(gòu)建以危險(xiǎn)源辨識(shí)與可操作性評(píng)價(jià)為重點(diǎn)的HSE體系。系統(tǒng)核心技術(shù)架構(gòu)主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 基于云計(jì)算的工業(yè)大數(shù)據(jù)

在大數(shù)據(jù)和人工智能背景下，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)化、可視化管理，逼近企業(yè)"本質(zhì)安全"，同時(shí)解決企業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累緩慢，資金投入巨大的難題，POHAZOP立足于工業(yè)大數(shù)據(jù)的云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間甚至跨行業(yè)的HSE信息資源共享，為裝置提供在線的異常診斷和可操作性評(píng)價(jià)。POHAZOP利用海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將分析模型與云端數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所存儲(chǔ)的案例及規(guī)則進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而將獲得企業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)、表達(dá)與發(fā)布，從而為企業(yè)提供一種全新的生產(chǎn)安全管理平臺(tái)，快速地提升用戶企業(yè)的HSE管理水平[5-6]。

1.2 在線模擬技術(shù)

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)是POHAZOP的核心技術(shù)之一。系統(tǒng)改變了以前只是以數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行交互的控制方式，把工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與經(jīng)營(yíng)目標(biāo)關(guān)聯(lián)，通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬技術(shù)，使管理、工藝和操作人員能在一個(gè)統(tǒng)一的框架及相容的信息條件下進(jìn)行工作。始終保證裝置在穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的水平上運(yùn)行[7-8]。

POHZAOP根據(jù)化工生產(chǎn)過(guò)程的模型化、信息間接性和不完備性的特點(diǎn)，在過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬模型，包括經(jīng)營(yíng)管理、工藝、過(guò)程控制及操作的投入產(chǎn)出模型、穩(wěn)態(tài)工藝模型、過(guò)程動(dòng)態(tài)模型等。

1.3 生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

POHZAOP改變了算法結(jié)構(gòu)單一的預(yù)測(cè)模型，將危險(xiǎn)源辨識(shí)及可操作性分析有機(jī)結(jié)合，更好地滿足了化工生產(chǎn)過(guò)程"安、穩(wěn)、長(zhǎng)、優(yōu)、滿"的核心運(yùn)行要求[9-10]。

1.4 面向最優(yōu)化消缺方案的智能算法

POHZAOP是以 HSE 知識(shí)管理為核心的管控一體化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制危險(xiǎn)源與安全可操作性評(píng)估、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計(jì)劃(EPR)的一體化集成，對(duì)安全與可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，使生產(chǎn)控制具備了自診斷式的應(yīng)急反饋能力。

POHZAOP不只關(guān)注化工過(guò)程系統(tǒng)的安全性，還兼顧其經(jīng)濟(jì)性。目前化工企業(yè)普遍面臨著設(shè)備可靠性需求與費(fèi)用預(yù)算有限的矛盾，多數(shù)企業(yè)面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)壓力，為保證合同交貨期以及利潤(rùn)最大化往往忽視安全投入，導(dǎo)致企業(yè)出現(xiàn)重大的經(jīng)營(yíng)管理風(fēng)險(xiǎn)。本系統(tǒng)運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和智能算法，建立裝置運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度及經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)模型，將安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與過(guò)程技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)化學(xué)安全管理從原來(lái)的設(shè)計(jì)集成靜態(tài)模式到知識(shí)集成的動(dòng)態(tài)預(yù)制模式的轉(zhuǎn)換，從而在防控事故損失的基礎(chǔ)上保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于過(guò)程行業(yè)與離散制造業(yè)有不同的安全管理要求，因此POHZAOP的體系結(jié)構(gòu)有其顯著的特點(diǎn)，需涵蓋過(guò)程感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能評(píng)價(jià)、控制決策等過(guò)程，因此POHZAOP是基于企業(yè)現(xiàn)有的DCS、MES和ERP構(gòu)建出的系統(tǒng)，本系統(tǒng)有四個(gè)層級(jí)，自下而上依次是：感知層、監(jiān)控層、評(píng)價(jià)層、決策層[9]。

3 面向HSE的評(píng)價(jià)功能

面向HSE的評(píng)價(jià)功能是POHZAOP的關(guān)鍵，本系統(tǒng)包括了基礎(chǔ)信息管理、健康評(píng)價(jià)管理、安全評(píng)價(jià)管理和環(huán)境評(píng)價(jià)管理等四大部分。

3.1 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理包含了化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、設(shè)備基礎(chǔ)信息管理、HSE基礎(chǔ)信息管理、備品備件管理、供應(yīng)商管理等多個(gè)功能子窗口[8-9]。

化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理窗口如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石油、化工企業(yè)的原料性質(zhì)進(jìn)行了管理，在這個(gè)界面中可實(shí)現(xiàn)對(duì)化工原料的物性數(shù)據(jù)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)、安全技術(shù)說(shuō)明書等實(shí)現(xiàn)增加、更改、刪除等功能，便于企業(yè)方便查找并了解原材料、中間產(chǎn)品、產(chǎn)品的基本特性以及發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。

3.2 職業(yè)衛(wèi)生評(píng)價(jià)管理

職業(yè)衛(wèi)生評(píng)價(jià)包括高溫作業(yè)評(píng)價(jià)、粉塵作業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)、噪聲作業(yè)評(píng)價(jià)、有毒作業(yè)評(píng)價(jià)四個(gè)評(píng)價(jià)窗口，操作方法如下所示。

在高溫作業(yè)評(píng)價(jià)窗口中選擇室內(nèi)或是室外作業(yè)，然后輸入自然濕球溫度、黑球溫度、干球溫度就可以計(jì)算WBGT指數(shù)(濕球黑球溫度)，然后根據(jù)作業(yè)時(shí)間及WBGT指數(shù)所在的范圍可以對(duì)高溫作業(yè)進(jìn)行分級(jí)，評(píng)價(jià)出高溫所產(chǎn)生的危害[7，11-12]。

在粉塵作業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)窗口中輸入被測(cè)地點(diǎn)的實(shí)測(cè)濃度平均值及該類粉塵國(guó)家規(guī)定的最高容許濃度，計(jì)算出粉塵濃度的超標(biāo)倍數(shù)，然后根據(jù)生產(chǎn)性粉塵中有害顆粒(如游離SiO2、煤粉顆粒、石棉等)含量及工人接觸粉塵時(shí)間的肺總通氣量即可以評(píng)價(jià)出被測(cè)地點(diǎn)的粉塵危害程度，為粉塵作業(yè)環(huán)境采取對(duì)策措施及安全防護(hù)用品提供依據(jù)[7-8，11-12]。

圖1化工基礎(chǔ)信息管理操作界面

Fig.1 Interface of chemical basic information management

在噪聲作業(yè)評(píng)價(jià)窗口中，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲探測(cè)設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)，考慮工人在噪聲環(huán)境滯留的時(shí)間，選擇被測(cè)地點(diǎn)的聲級(jí)及接觸噪聲時(shí)間，即可評(píng)價(jià)噪聲的危害，為噪聲工作環(huán)境采取安全對(duì)策措施和個(gè)體防護(hù)措施提供依據(jù)[7-8，11-12]。

在有毒作業(yè)評(píng)價(jià)窗口中，根據(jù)有毒有害物質(zhì)探測(cè)儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)，輸入毒物實(shí)測(cè)濃度平均值及國(guó)家所規(guī)定的最高容許濃度，即可計(jì)算出毒物濃度的超標(biāo)倍數(shù)，隨后結(jié)合工人在有毒作業(yè)環(huán)境滯留的時(shí)間，根據(jù)毒物的危害程度及有毒作業(yè)的勞動(dòng)時(shí)間評(píng)價(jià)出毒物的危害程度，為有毒作業(yè)環(huán)境采取安全對(duì)策措施和個(gè)體防護(hù)措施提供依據(jù)[7-8，11-12]。

本文中只展示高溫作業(yè)評(píng)價(jià)界面見(jiàn)圖2所示。粉塵作業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)窗口、噪聲作業(yè)評(píng)價(jià)窗口及有毒作業(yè)評(píng)價(jià)窗口類似圖2。

職業(yè)衛(wèi)生環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，根據(jù)這個(gè)特征，應(yīng)設(shè)置定期收集各探測(cè)儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種作業(yè)環(huán)境的危險(xiǎn)評(píng)估，并針對(duì)危險(xiǎn)性高的及時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，以便安全管理人員早發(fā)現(xiàn)、早采取措施。

圖2高溫作業(yè)評(píng)價(jià)界面

Fig.2 Interface of high temperature operation evaluation

3.3 安全評(píng)價(jià)管理

安全評(píng)價(jià)主要采取定性、定量評(píng)價(jià)方法，如危險(xiǎn)和可操作性研究、故障模式及影響分析、道化學(xué)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評(píng)價(jià)法等，重點(diǎn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，針對(duì)重大危險(xiǎn)源的運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)生事故后的后果嚴(yán)重程度可進(jìn)行評(píng)估，為企業(yè)制定應(yīng)急救援預(yù)案提供依據(jù)。道化學(xué)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評(píng)價(jià)法操作窗口如圖3所示[7-8，12-13]。

圖3 道化學(xué)安全措施補(bǔ)償系數(shù)界面

Fig.3 Interface of Dow chemical safety measures compensatory coefficient

3. 4 環(huán)境評(píng)價(jià)管理

環(huán)境評(píng)價(jià)包括對(duì)廢水、廢氣、廢渣排放量的核算，廢水排放量核算的窗口如圖4所示。在該窗口中可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水核算的查詢、新增、更改、保存、刪除等功能[7-8，14-15]。

圖4 廢水排放量核算界面

Fig.4 Interface of calculation ofwastewater emissions

4 結(jié)語(yǔ)與展望

POHZAOP基于過(guò)程行業(yè)知識(shí)體系架構(gòu)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能技術(shù)，建立裝置運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度及經(jīng)營(yíng)計(jì)劃的關(guān)聯(lián)模型，將安全風(fēng)險(xiǎn)管理與過(guò)程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)相結(jié)合，把HSE管理從制度保證的靜態(tài)模式轉(zhuǎn)換為知識(shí)集成的動(dòng)態(tài)預(yù)制模式。POHZAOP基于云計(jì)算平臺(tái)解決知識(shí)學(xué)習(xí)與知識(shí)共享難題，提升資源配置效率，為廣大中小企業(yè)的HSE管理提供經(jīng)濟(jì)的、準(zhǔn)確的、在線支持。

隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將分析模型與云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所存儲(chǔ)的案例及規(guī)則進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而將獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)、表達(dá)與發(fā)布，進(jìn)而讓信息在資源的使用度中得到大幅度提升，以保證知識(shí)能夠體現(xiàn)出其自身的商業(yè)價(jià)值。在較少費(fèi)用的情況下，為企業(yè)提供一種全新的生產(chǎn)管理工具。