特種機電設備安全檢測、監測與風險管理研究進展*

王新華楊兆瀚黃國健劉金王東輝

（1.廣州市特種機電設備檢測研究院研發中心 2.哈爾濱工程大學自動化學院）

特種機電設備安全檢測、監測與風險管理研究進展*

王新華1楊兆瀚2黃國健1劉金1王東輝1

（1.廣州市特種機電設備檢測研究院研發中心 2.哈爾濱工程大學自動化學院）

隨著社會的進步，人們對特種機電設備安全運行提出了更高、更嚴格的要求，特種設備的安全保障已不再局限于常規的安全檢測、狀態監測。本文從特種機電設備安全檢測、監測發展現狀，特種機電設備風險管理理念與現狀，以及基于監測的管理和評價體系發展三方面展開研究，并結合“十二五”期間全國特種設備科技工作的重點方向和研究任務，指出健全完善機電設備管理體系和安全的工作機制，提高對設備管理工作重要性的認識，提高技術人員的業務水平和加大隱患排查工作力度，確保特種設備安全可靠運行。

特種機電設備；安全檢測；狀態監測；風險管理

0 引言

特種機電設備主要包括電梯、起重機等，是國民經濟建設的重要基礎設施，也是與人民群眾生活關系極其密切的設施[1]。確保特種機電設備的安全運行，對于保障人民群眾的生命、財產安全具有重要意義。隨著社會的進步，對特種機電設備安全運行也提出了更高要求[2]。加強特種設備的安全檢測、監測，指導建立不同特種機電設備的風險評估、監控措施和事故預警、防范對策，在科學量化分析特種設備安全狀況的基礎上，研究制定有針對性的監管方式，保障安全，降低管理成本，提高工作效率，科學評價特種設備安全對經濟社會發展的影響，為政府科學決策提供依據，從而促進國民經濟和社會進步的協調發展[3]。

特種機電設備風險評估是在對設備潛在危害因素進行識別、分析的基礎上，評估它們危險程度的大小，進而提出相應的安全措施，以尋求盡可能低的事故率、盡可能小的危害損失和最佳的安全投資回報[4]。風險管理體系是在風險評估的基礎上建立，而風險評估則以檢測、監測的手段加以實現[5-6]。提出符合特種設備事故特點的事故因果連鎖模型，建立特種機電設備的風險管理體系，為科學有效地開展特種設備的風險控制提供基礎性的理論保證和實踐指導。

1 特種機電設備安全檢測、監測發展現狀

隨著我國經濟的高速發展和城市化進程的加快，我國電梯的數量也持續快速增長。截至2012年底，我國電梯保有量已經突破200萬部，而且這個數字還在以更快的速度增長。“十一五”期間，我國起重運輸機械產品的工業總產值、銷售收入和利潤總額的年平均增長率超過15%。截至2011年底，我國起重機械總量已達171.14萬臺。2012年，該行業的工業總產值也已達到3270億元[7]。

近年來，隨著政府對特種設備安全的重視和持續投入，起重機每萬臺設備死亡率正持續下降。但重大事故時有發生，10人以上的群死群傷和重大財產損失的事故幾乎每年都有發生。因此實現起重機械的健康監測、安全評估和剩余壽命預測成為當前研究的重中之重。此外，電梯的快速增長和檢驗人員不足的矛盾也越來越明顯。如何提高現場檢驗的效率，加強對檢驗人員的規范管理與統籌已成為特檢系統亟待解決的問題。

目前，物聯網技術、光纖光柵傳感技術以及傳統的聲發射技術、電渦流技術、基于風險的檢驗（risk based inspection，RBI）等在安全評估中的應用得到深入研究，為上述問題的解決提供了途徑[8-9]。

1.1 電梯安全檢測、監測現狀

物聯網是繼計算機、互聯網和移動通信網絡之后全球信息產業第三次浪潮[10]。它把信息技術充分應用于各個行業、產業，通過安裝在各類物體上的射頻識別電子標簽RFID、二維碼、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等組成的智能傳感器，經過接口與無線通信網絡、因特網互連，組成人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息的網絡，其核心是智能傳感網技術。物聯網的精髓是感知，感知包括傳感器的信號采集、協同處理、智能組網、信息服務，以達到控制指揮的目的。近年來，物聯網技術迅猛發展，應用領域不斷擴大。物聯網的產生與發展為現場監測監控和特種設備的安全監測技術水平的提升帶來難得的發展契機[11]。物聯網技術在電梯安全檢測、監測方面的應用逐漸成為新的研究趨勢。

江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院李士林等人開發了基于物聯網技術的電梯快速檢驗系統。該系統主要包含3部分：檢驗管理信息系統服務程序、檢驗管理信息系統PC客戶端和檢驗員手持設備客戶端。通過檢驗資源與特種設備信息的關聯，快速自動生成檢驗計劃，實現檢驗儀器、檢驗人員、被檢設備基本信息等檢驗資源的智能匹配，達到檢驗資源利用的最優化[12]。

南京特種設備安全監督檢驗研究院任詩波等人進行了基于云端和CPS（傳感、計算終端、通訊）技術的電梯聯網體系結構研究。他們針對城市大規模電梯管理提出了基于“云+端”，即“云計算中心+CPS”模式構建電梯云聯網體系。該體系以構建電梯云中心，利用GIS電子地圖服務，構建電梯救援網絡[13]。

重慶大學研究了基于專家系統和模糊推理的軟測量技術，并結合羅克韋爾自動化的Control Net工業控制網，在RSView 32平臺上開發了電梯故障預測系統。

天津大學萬健如提出電梯故障在線遠程監測技術。該技術由向操作員提供監控界面的服務中心計算機（上位機）、電話網絡和調制解調器（MODEM）、位于控制現場的信號采集微處理器（下位機）三部分組成。當電梯發生故障時，采取外部中斷的方式激活響應。維修工人到現場確認故障以后斷電進行電梯維修，通過這種方式實現電梯運行的在線監測[14]。

浙江工業大學馬福軍對電梯群控系統作了較為深入的研究，包括電梯群控系統的硬件研究與設計、建立電梯群控系統數學模型的研究、電梯群控系統客流分析與群控系統交通模式識別的研究、電梯群控系統控制算法的研究等。通過對電梯群控系統全面深入的研究后，進行了電梯群控系統的仿真研究和開發，獲得了一個能提高服務效率、服務質量的電梯群控系統[15]。

武漢理工大學在故障樹診斷法（圖1）的基礎上，提出了基于神經網絡的電梯故障診斷策略[16]。該策略采用基于神經網絡推理策略的方法，建立了單故障診斷和復合診斷模型，并給出有權值訓練的變步長BP算法，將該故障診斷方法應用于電梯的故障診斷，建立了電梯故障診斷的專家系統。

圖1 電梯控制系統安全回路系統故障樹

1.2 起重機安全監測現狀

目前國內起重機械的安全保證仍然以維保單位的“定期保養，事后維修”和質監部門的定期驗證性監督為主，缺乏大型起重機結構健康監測與安全預警技術，尚未對大型起重機運行安全問題采取更主動的、有針對性的措施，防止各類公共安全事故的發生。起重機安全評估和壽命預測已成為起重機新的研究趨勢。物聯網技術、RFID技術、人機交互系統、RBI風險評估技術、無損探傷技術目前在起重機安全評估研究中被廣泛應用。起重機事故的動態仿真技術將是今后起重機安全檢測、監測工作中的一個重要途徑。

上海市特種設備監督檢驗技術研究院在夾軌器抗風防滑能力試驗動態仿真方面有了初步進展，江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院在起重機復雜運行工況下的有限元模擬仿真技術方面取得了一定的成績，這為以后組建特種設備仿真與監測實驗室，從設計的角度考慮檢測、監測提供了一些參考[17]。無損檢測手段已廣泛應用于管道、壓力容器等的檢測，可推廣到起重機的安全評估和壽命預測，包括物聯網技術、光纖光柵傳感技術以及傳統的聲發射技術、電渦流技術等，尤其是無損檢測手段等在安全評估中的應用[18]。

中國特種設備檢測研究院ASHM實驗室丁克勤研究員等在國內首先開展了起重機械結構健康監測技術研究，在基于光纖光柵傳感器的大型起重機械健康監測技術、基于光纖聲發射傳感器的大型起重機械局部損傷監測技術以及基于無線傳感節點的大型起重機械健康監測技術研究等方面取得了階段性研究成果，部分研究成果已在現場進行應用試驗[19]。

基于光纖光柵傳感器的起重機機械結構健康監測技術是一項以起重金屬結構為對象，應用新型的光纖光柵傳感器，對金屬結構關鍵部位的應力、應變、撓度等多項參數進行實時在線監測的綜合技術，該技術主要包括：光纖傳感及解調技術、遠程數據傳輸技術、損傷診斷技術和系統集成技術等。聲發射監測是監測結構活性缺陷比較好的技術手段之一。然而，起重機械工作現場比較復雜，環境比較惡劣，傳統信號傳輸方法具有傳輸距離有限、信號易受干擾等缺點，給傳統的聲發射監測帶來困難。

基于無線傳感網絡的應變監測方法是采用無線傳感節點采集起重機械的鋼結構的運行狀態，經無線傳感網絡發送到數據服務器，這些數據經過結構健康評估后，用戶可通過客戶端實現遠程訪問診斷結果。這樣就能在起重機械工作的同時實現對起重機械狀態的監測，避免發生危險事故，保證設備及人身安全。

南京特種設備安全監督檢驗研究院丁樹慶等人開發了基于RFID技術的起重機械人機交互系統。圖2是其開發的基于物聯網的起重機人機互認及監控系統功能架構圖，這套系統主要由射頻識別終端和管理終端2部分組成。識別終端由人員識別射頻卡、射頻讀卡器、無線發射模塊、行車控制裝置4部分組成。通過RFID射頻識別卡存儲作業人員信息，實現作業人員身份認證管理；經無線組網技術實現數據傳輸，通過遠程下載可解鎖運行起重機的作業人員信息[20]。

圖2 基于物聯網的起重機人機互認及監控系統功能架構圖

2 特種機電設備風險管理理念與現狀

在特種機電設備風險管理方面，歐美國家起步較早，特種設備風險評估體系的建立也比較完善。例如在歐盟的塞維索指令（Seveso Directive）中明確規定，凡是擁有重大危險裝置的企業，向政府部門提交安全報告時，必須運用定量風險評估技術對所擁有的特種設備進行風險評估。歐洲的很多國家甚至給出了詳盡的風險評估方案及評估內容規定。

我國在特種機電設備風險管理方面起步較晚，其體系建立發展也相對緩慢，致使我國對整個體系的認識還處于初級階段。但隨著我國經濟的持續快速發展和特種設備的廣泛使用，特種機電設備風險管理體系也在快速的建立和完善中。

目前，風險管理體系在鍋爐、壓力管道等承壓設備中的應用較為成熟，但在特種機電設備中的應用體系有待形成。

華南理工大學陳國華教授等在遵循科學性、可操作性、全面性和可發展性原則的基礎上，應用了安全系統工程、風險工程學基本原理，提出并且構建了包含有風險監管體系、監測預警體系、應急管理體系以及事后處置體系等在內的特種設備風險管理體系。從組織機構、運行機制、法律規章、關鍵技術4個方面對特種設備風險管理所面臨的關鍵問題進行探究[21]。

四川省特種設備檢驗研究院樊曉松等人提出了基于RBI技術的特種設備風險評估檢驗。通過對系統中固有的或潛在的危險及其后果進行定性或定量的分析、評估，發現主要問題和薄弱環節，確定設備風險等級，從安全性與經濟性相統一的角度，對檢驗頻率、檢驗程度進行優化，使設備的檢驗和管理行為更加經濟、安全、有效[22]。

3 基于監測的管理和評價體系

廣州市特種機電設備研究院在特種機電設備監測管理和評價上開展得較早。該院從2000年開始，研制推出了垂直電梯的運行記錄儀，可以獲得電梯各個開關動作的狀態信號，同時結合一定的邏輯處理，可判斷出電梯是否處于正常狀態。當發生垂直電梯的運行故障時，可以通過無線報警形式，通知維保單位進行應急救援，較好地實現了電梯的監管[23-24]。

圍繞我國大型起重機共性、緊迫的結構健康監測與預警基礎技術問題，從深度挖掘起重機械結構在整機運行過程中關鍵參數入手，廣州市特種機電設備研究院開發了一套可適用于強風雨、雷電、粉塵等惡劣環境下的基于物聯網的起重機械結構健康監測與預警系統，實現遠程實時監測起重機械金屬結構在整機運行的情況，并針對起重機械可能的安全隱患提出預警。這套系統采用基于現代移動通信網絡（GPRS /3G）的分布式測量技術，通過應力、應變及溫度數據采集和特征提取，實現了起重機械全生命周期下的運行狀態監測、故障診斷、壽命預測、管理評價等功能[25-26]。

4 小結與展望

隨著社會的進步，人們對特種機電設備安全運行提出了更高、更嚴格的要求，特種設備的安全保障已不局限于常規的安全檢測、監測；健全完善機電設備管理體系和安全工作機制，提高對設備安全管理工作重要性的認識，提高技術人員的業務水平和加大隱患排查工作力度，可確保設備安全可靠運行。

圍繞“十二五”期間全國特種設備科技工作的重點方向和研究任務，以下研究課題可供參考[27]：

1) 開展適應特種設備發展和使用需要的基于風險的檢驗、安全評價和壽命評估技術研究。研究對象包括大型成套設備、電梯、起重機、游樂設施、客運索道和場（廠）內專用機動車輛等。重點研究任務為：① 大型成套設備基于風險的預知檢測和安全評價管理技術研究；② 電梯基于風險的檢驗和安全狀況綜合評價技術研究；③ 起重機械基于風險的檢驗、壽命評估和安全狀況綜合評價技術研究；④ 游樂設施基于風險的檢驗、壽命評估和安全狀況綜合評價技術研究；⑤ 客運索道基于風險的檢驗和安全狀況綜合評價技術研究；⑥ 場（廠）內專用機動車輛基于風險的檢驗和安全狀況綜合評價技術研究。

2) 開展適應特種設備安全檢測監測需要的現代檢測監測技術研究、標準制定和設備研制課題。重點研究任務為：① 基于電磁（渦流、漏磁、磁記憶、電磁超聲、電磁感應）技術原理的非接觸快速檢測技術研究、標準制定和設備研制；② 基于聲（超聲、聲發射、導波、聲-超聲）技術原理的自動快速檢測技術研究、標準制定和設備研制；③ 基于數字射線、紅外、光和電等新的檢測監測技術研究、標準制定和設備研制；④ 大型游樂設施、電梯、客運索道等機電類特種設備運行狀態安全監測與診斷技術研究與設備研制。

3) 開展適應特種設備事故特點和搶險救援需要的應急救援技術研究和裝備研制課題。重點研究任務為：① 特種設備應急技術平臺的研究與建立；② 帶壓密封技術的研究開發；③ 應急救援和保護裝置研究開發；④ 應急預案編制的研究。

[1] 彭浩斌.我國特種設備安全管理體系研究[D].廣州:華南理工大學,2009.

[2] 苗宏亮.特種設備安全評價體系的建立及應用[D].南京:南京理工大學,2007.

[3] 楊振林.特種設備風險接受準則與風險控制[J].中國特種設備安全,2008,24(12):70-73.

[4] 丁守寶,劉富君.我國特種設備檢測技術的現狀與展望[J].中國計量學院學報,2008(4):304-308.

[5] 張思佩,韓東升,田達.安全標準化風險管理研究[J].山東化工,2011,40(8):106-113.

[6] 胡靜靜.建筑工程安全風險管理與評價[D].淮南:安徽理工大學,2012.

[7] 黃杰鵬.2011年特種設備統計分析[J].中國特種設備安全,2012,28(5):37-40.

[8] Zhang C, Jiang D, Liang L. Application of fiber Bragg grating for safety monitoring of cantilever crane of huge crane barge[C].Beijing,2010.

[9] Heqing L, Qing T. Reliability Analysis of Hydraulic System for Type Crane Based on Go Methodology[C].Wuxi China, 2009.

[10] 董愛軍,何施,易明.物聯網產業化發展現狀與框架體系初探[J].科技進步與對策,2011,28(14):61-65.

[11] 沈蘇彬,范曲立,宗平,等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報:自然科學版,2009,29(6):1-11.

[12] 李士林,黃凱，張志斌，等.基于物聯網電梯的快速檢驗[C].海口, 2012.

[13] 任詩波,丁樹慶,王會方.基于云端和CPS技術的電梯聯網體系結構研究[C].海口,2012.

[14] 萬健如.我國電梯遠程監控技術發展展望[J].智能建筑, 2006(9):41-42.

[15] 馬福軍.電梯群控技術的研究[D].杭州:浙江工業大學,2003.

[16] 熊瑞庭.基于模糊神經網絡的電梯故障診斷系統的研究[D].武漢:武漢理工大學,2009.

[17] Li Xinggang F H C S. The Research of Gantry Crane Damage Problem by Modal Analysis Method[C].Beijing,2012.

[18] Hui Jin J X. Analysis of Strain Sensor arrangement for large gantry crane monitoring system[C]. Beijing, 2012.

[19] 丁克勤,王志杰,趙娜,等.大型起重機械結構健康監測技術研究進展[C].廈門:2011.

[20] 丁樹慶,馮月貴,任詩波,等.基于RFID技術的起重機械人機交互系統研究[C].海口,2012.

[21] 梁峻,陳國華.特種設備風險管理體系構建及關鍵問題探究[J].中國安全科學學報,2010(9):132-138.

[22] 樊曉松,成波,劉治宏.基于RBI技術的特種設備（起重機械類）風險評估檢驗研究[C].2012全國特種設備安全與節能會議,2012.

[23] 武星軍.電梯耗能情況的初步統計分析[J].中國電梯,2010(1):27-28.

[24] 邱東勇,王新華.分類測試在電梯能效測試工作的初步研究[J].質量與市場,2010(1):68-69.

[25] Huang G, Wang X, Liu J, et al. Optimal sensor Placement Method for Gantry Crane SHM System[C]. Beijing: 2012.

[26] Wang X, Wang D, Liu J, et al. Optimal FBG sensor Installation Process for Crane SHM System[C].Beijing:2012.

[27] 國家質量監督檢驗檢疫總局.“十二五”特種設備科技發展規劃[R],2012.

王新華，男，1980年生，博士，江西人，主要從事特種設備安全與節能技術研究。

黃國健，男，1981年生，工學博士，博士，主要從事特種機電設備主金屬結構健康監測，智能傳感技術及應用。E-mail: guojian.huang@qq.com

Development of Special Mechanical and Electrical Equipment Safety Testing, Monitoring and Risk Management

Wang Xinhua1Yang Zhaohan2Huang Guojian1Liu Jin1Wang Donghui1
(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Harbin Engineering University)

Along with social progress, the special electromechanical equipments are no longer confined to routine safety testing or condition monitoring. This paper focuses on the special electromechanical equipment safety detection, monitoring development status, special mechanical and electrical equipment risk management philosophy and status, as well as management-based monitoring and evaluation system development. The paper points out equipment management awareness of the importance to improve the level of business and technical personnel to increase troubleshooting efforts to ensure safe and reliable operation of special equipment.

Special Mechanical and Electrical Equipment; Safety Testing; Condition Monitoring; Risk Management