面向過程的危險源辨識及可操作性評價系統

侯夢曦,吳珊珊，王詩慧，黨亞固，吉 旭

(四川大學化工學院系統工程研究所，四川 成都 610065)

化學工業是國民經濟重要的支柱性行業，但化工產業實現綠色與可持續發展已顯著受制于行業健康、安全、環境(HSE)狀況，頻發的環境污染、安全事故正成為掣肘整個行業發展的關鍵性問題。

化工企業的高溫、高壓、有毒、腐蝕性強等特點決定了化工設備必須要有可靠的設計、嚴密的運行監測、完備的安全保護裝置來保障設備的安全運行。過程裝置的可靠性直接影響了化工生產的連續性、穩定性和安全性，數據表明裝置故障和工藝異常引發的安全事故超事故總量60%，因此開發面向生產過程的在線危險源辨識和可操作性(可靠性)評價系統對提高行業健康、安全、環境(HSE)管理水平意義重大[1-2]。

與先進的工業化國家相比，我國HSE的咨詢服務技術水平還相對落后，已有軟件系統大多為單一離線的指標評價、流程審批、文件制度性系統，功能體系不夠完善，不能滿足企業的核心需要[3-4]。化工HSE軟件平臺和服務市場長期被國外如杜邦、拜耳等HSE專業服務部門壟斷[3-4]。

基于此，本研究致力于研發出基于過程行業HSE在線風險評估與控制系統(Process Oriented Hazard and Operability Analysis,POHAZOP)，主要解決企業在生產過程中出現的工藝和設備安全問題、人員職業健康問題及環境污染問題，使事故發生概率、工傷發生次數均遠低于工業平均值，達到國際優秀水平，從而減少經濟損失，為企業創造盈利。

1 核心技術研究

POHAZOP是以設備的維護管理和運行控制為基礎對HSE進行在線管理的平臺體系。該平臺以設備運行管理中的可靠性評價為基礎，融合HSE評估，以云計算為知識存儲、發布平臺，構建以危險源辨識與可操作性評價為重點的HSE體系。系統核心技術架構主要有以下幾個方面：

1.1 基于云計算的工業大數據

在大數據和人工智能背景下，為了實現對企業安全生產過程的動態化、可視化管理，逼近企業"本質安全"，同時解決企業經驗積累緩慢，資金投入巨大的難題，POHAZOP立足于工業大數據的云計算平臺，實現企業間甚至跨行業的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價。POHAZOP利用海量數據挖掘技術，將分析模型與云端數據庫內所存儲的案例及規則進行關聯，從而將獲得企業數據轉換為知識進行存儲、表達與發布，從而為企業提供一種全新的生產安全管理平臺，快速地提升用戶企業的HSE管理水平[5-6]。

1.2 在線模擬技術

基于工業大數據的動態模擬技術是POHAZOP的核心技術之一。系統改變了以前只是以數據和指令進行交互的控制方式，把工廠實時數據與經營目標關聯，通過動態過程模擬技術，使管理、工藝和操作人員能在一個統一的框架及相容的信息條件下進行工作。始終保證裝置在穩定、協調的水平上運行[7-8]。

POHZAOP根據化工生產過程的模型化、信息間接性和不完備性的特點，在過程實時數據、經營數據基礎上建立過程動態模擬模型，包括經營管理、工藝、過程控制及操作的投入產出模型、穩態工藝模型、過程動態模型等。

1.3 生產過程實時監控系統

POHZAOP改變了算法結構單一的預測模型，將危險源辨識及可操作性分析有機結合，更好地滿足了化工生產過程"安、穩、長、優、滿"的核心運行要求[9-10]。

1.4 面向最優化消缺方案的智能算法

POHZAOP是以 HSE 知識管理為核心的管控一體化系統。實現生產過程控制危險源與安全可操作性評估、制造執行系統(MES)和企業資源計劃(EPR)的一體化集成，對安全與可靠性進行評價，使生產控制具備了自診斷式的應急反饋能力。

POHZAOP不只關注化工過程系統的安全性，還兼顧其經濟性。目前化工企業普遍面臨著設備可靠性需求與費用預算有限的矛盾，多數企業面對競爭壓力，為保證合同交貨期以及利潤最大化往往忽視安全投入，導致企業出現重大的經營管理風險。本系統運用大數據處理技術和智能算法，建立裝置運行實時數據、工藝數據、生產調度及經營目標的關聯模型，將安全風險評估與過程技術經濟評估相結合，實現化學安全管理從原來的設計集成靜態模式到知識集成的動態預制模式的轉換，從而在防控事故損失的基礎上保證企業的經濟效益。

2 系統結構設計

由于過程行業與離散制造業有不同的安全管理要求，因此POHZAOP的體系結構有其顯著的特點，需涵蓋過程感知、數據傳輸、智能評價、控制決策等過程，因此POHZAOP是基于企業現有的DCS、MES和ERP構建出的系統，本系統有四個層級，自下而上依次是：感知層、監控層、評價層、決策層[9]。

3 面向HSE的評價功能

面向HSE的評價功能是POHZAOP的關鍵，本系統包括了基礎信息管理、健康評價管理、安全評價管理和環境評價管理等四大部分。

3.1 基礎信息管理

基礎信息管理包含了化工基礎數據管理、設備基礎信息管理、HSE基礎信息管理、備品備件管理、供應商管理等多個功能子窗口[8-9]。

化工基礎數據管理窗口如圖1所示，實現了對石油、化工企業的原料性質進行了管理，在這個界面中可實現對化工原料的物性數據、熱力學數據、安全技術說明書等實現增加、更改、刪除等功能，便于企業方便查找并了解原材料、中間產品、產品的基本特性以及發生突發狀況時的應對措施。

3.2 職業衛生評價管理

職業衛生評價包括高溫作業評價、粉塵作業環境評價、噪聲作業評價、有毒作業評價四個評價窗口，操作方法如下所示。

在高溫作業評價窗口中選擇室內或是室外作業，然后輸入自然濕球溫度、黑球溫度、干球溫度就可以計算WBGT指數(濕球黑球溫度)，然后根據作業時間及WBGT指數所在的范圍可以對高溫作業進行分級，評價出高溫所產生的危害[7，11-12]。

在粉塵作業環境評價窗口中輸入被測地點的實測濃度平均值及該類粉塵國家規定的最高容許濃度，計算出粉塵濃度的超標倍數，然后根據生產性粉塵中有害顆粒(如游離SiO2、煤粉顆粒、石棉等)含量及工人接觸粉塵時間的肺總通氣量即可以評價出被測地點的粉塵危害程度，為粉塵作業環境采取對策措施及安全防護用品提供依據[7-8，11-12]。

圖1化工基礎信息管理操作界面

Fig.1 Interface of chemical basic information management

在噪聲作業評價窗口中，根據生產現場噪聲探測設備測得的數據，考慮工人在噪聲環境滯留的時間，選擇被測地點的聲級及接觸噪聲時間，即可評價噪聲的危害，為噪聲工作環境采取安全對策措施和個體防護措施提供依據[7-8，11-12]。

在有毒作業評價窗口中，根據有毒有害物質探測儀表測量的數據，輸入毒物實測濃度平均值及國家所規定的最高容許濃度，即可計算出毒物濃度的超標倍數，隨后結合工人在有毒作業環境滯留的時間，根據毒物的危害程度及有毒作業的勞動時間評價出毒物的危害程度，為有毒作業環境采取安全對策措施和個體防護措施提供依據[7-8，11-12]。

本文中只展示高溫作業評價界面見圖2所示。粉塵作業環境評價窗口、噪聲作業評價窗口及有毒作業評價窗口類似圖2。

職業衛生環境是動態變化的，根據這個特征，應設置定期收集各探測儀表測量的數據進行各種作業環境的危險評估，并針對危險性高的及時給出報警信號，以便安全管理人員早發現、早采取措施。

圖2高溫作業評價界面

Fig.2 Interface of high temperature operation evaluation

3.3 安全評價管理

安全評價主要采取定性、定量評價方法，如危險和可操作性研究、故障模式及影響分析、道化學火災、爆炸指數評價法等，重點對工業生產過程進行評價。同時，針對重大危險源的運行狀態及發生事故后的后果嚴重程度可進行評估，為企業制定應急救援預案提供依據。道化學火災、爆炸指數評價法操作窗口如圖3所示[7-8，12-13]。

圖3 道化學安全措施補償系數界面

Fig.3 Interface of Dow chemical safety measures compensatory coefficient

3. 4 環境評價管理

環境評價包括對廢水、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。在該窗口中可實現對廢水核算的查詢、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 結語與展望

POHZAOP基于過程行業知識體系架構，運用數據挖掘技術和人工智能技術，建立裝置運行實時數據、工藝數據、生產調度及經營計劃的關聯模型，將安全風險管理與過程經濟評價相結合，把HSE管理從制度保證的靜態模式轉換為知識集成的動態預制模式。POHZAOP基于云計算平臺解決知識學習與知識共享難題，提升資源配置效率，為廣大中小企業的HSE管理提供經濟的、準確的、在線支持。

隨著工業大數據及人工智能技術的發展，利用海量數據挖掘技術，將分析模型與云計算數據庫內所存儲的案例及規則進行關聯，從而將獲得數據轉換為知識進行存儲、表達與發布，進而讓信息在資源的使用度中得到大幅度提升，以保證知識能夠體現出其自身的商業價值。在較少費用的情況下，為企業提供一種全新的生產管理工具。