三維重現技術在真實工況風險分析中的應用*

李全明 張 紅 楊 曌

(1.中國安全生產科學研究院；2.華北科技學院)

我國安全生產方針政策和法律法規均明確了安全防范的重要性，加強事前預防，對企業重要部位、重要工序進行風險分析，提前辨識風險來源，明確可能發生的事故，并采取相應手段及時將事故消滅在萌芽階段，對提升企業本質安全水平，遏制事故發生具有重要意義。

三維重現技術是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型，是在計算機環境下對其進行處理、操作和分析其性質的基礎，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現實的關鍵技術。三維空間測站儀是三維重現的主要設備之一，測站儀以反射激光中所攜帶的點為單位獲取各點中的實物信息，并通過后處理軟件對數據進行整合、拼接，形成高分辨率的數字模型，還原掃描對象的真實情況。相對于虛擬現實技術需借助VR建立人機動態交互從而構建三維虛擬場景而言，三維空間測站儀具有易操作、高精度、高效率等優勢，可通過激光掃描獲取的點云數據直接構建三維數字模型，并可快速獲取分析對象的各項信息，如通過構建礦山巷道的點云數字模型，可快速獲取巷道的長度、巷道內各設施坐標及相鄰各項設施之間的距離等信息，可為礦山日常監管、事故應急救援、事故重現提供技術支撐[1]。目前，三維重現技術普遍應用于建筑模型構建[2-3]、交通和礦山事故案例還原方面[4-5]，強調事后模擬，尚缺乏事前預防應用的研究。

本文以某工廠由廢棄梭式窯改造而成的臨時宿舍為例，在分析確定室內風險源為CO的基礎上，利用三維空間測站儀構建宿舍點云數字模型，對CO可能的來源進行真實工況模擬，進一步查明臨時宿舍內CO的真實來源，為后續預防CO事故發生提供技術支撐。

1 風險分析技術方案

在專家交流、資料搜集、現場勘查的基礎上，對宿舍內各項物品及宿舍周邊環境進行分析，確定宿舍風險來源。通過現場踏勘，宿舍內存在液化氣罐、煤氣爐等物品，存在產生有害氣體的可能，此外，宿舍墻體中架設了煤氣管道，墻體存在裂縫，廠區試生產過程中產生的有害氣體可能從墻體裂縫進入宿舍，發生中毒事故。因此，宿舍風險源為CO，可能產生的事故為CO中毒事故。為進一步查明CO來源，實驗方案采用現場勘查、現場三維重現真實工況重現、綜合鑒定分析的技術路線，對液化氣罐內氣體泄漏、取暖爐不完全燃燒產生有害氣體及生產設備試運行時通過煤氣管道泄漏有害氣體3種真實工況進行分析。

采用三維空間測站儀器(圖1)對現場關鍵信息的真實空間分布進行測量，根據三維重現結果，準確對空間內的物體和對象進行三維數字描述，推測空間內的生活活動，推測有毒有害氣體可能的發生位置；采用烷類氣體檢測儀(圖2)檢測液化氣罐完整程度；采用高精度的CO紅外分析儀和CO檢測報警儀檢測各真實工況實驗中CO濃度。

圖1 三維空間測站儀

圖2 烷類氣體檢測報警儀

2 三維重現過程及分析

2.1 宿舍布局三維重現

利用三維空間測站儀對宿舍空間進行三維掃描，并對宿舍內生活用品及可能引起CO事故的取暖爐、液化氣罐等物品的空間分布信息進行分析，構建三維現場圖。通過對掃描獲取的各項點云數據進行拼接和初步整合，形成點云數字初始模型，見圖3。將模型中雜亂的點刪除，補充掃描過程中遺漏的部分點云數據信息，進一步完善點云數字模型，最終的宿舍三維重現結果見圖4。

圖3 宿舍三維初始模型

圖4 宿舍三維重現結果

通過三維空間測站儀器構建三維重現結果圖，并快速獲取宿舍內物品的種類、數量、坐標及相對距離等信息。宿舍長、寬、高分別為14，4，2 m，宿舍空間體積為112 m3;宿舍西北側存放有液化氣罐1處，東北側存放摩托車2輛，東側存放取暖火爐1座，西南側存放簡易桌子1張，南北兩側共分布簡易單人床6張及生活用品若干。

2.2 液化氣罐內氣體泄漏檢測

采用烷類氣體檢測儀對現場煤氣罐進行整體結構檢測，檢測儀器未發生報警，且CO數值檢測結果為零。結果表明，該液化氣罐不存在液化氣泄漏可能。

2.3 煤氣管道影響實驗

根據生產參數，開啟煤氣發生爐，采用CO紅外分析儀和CO檢測報警儀檢測開啟煤氣發生爐后宿舍內CO變化規律，檢測儀精度1×10-7。煤氣發生爐的爐口出口壓力為3 kPa，爐底飽和壓力為0.3 kPa，爐底溫度為49.8 ℃；管道現場水封條件與正常生產情況保持一致；實驗持續時間為1 h。實驗開展過程中CO濃度變化情況見圖5。

圖5 CO濃度變化情況

從圖5中可看出，在煤氣發生爐工作期間空間內CO濃度未發生明顯變化。充分說明在生產設備試運行時，沒有CO氣體通過煤氣管道及空間外墻體進入臨時宿舍內。

2.4 取暖爐影響實驗與分析

根據空間內取暖爐中煤樣，取來相同的煤樣進行取暖爐使用實驗，并檢測空間內的CO氣體變化，分析空間的通風條件對CO濃度變化的影響，考慮到CO對實驗人員的身體影響，模擬實驗時間取1 h。取暖爐開始工作后，利用CO檢測儀對室內CO濃度變化進行實時檢測，結果見圖6。

從圖6可看出，實驗開始時，室內CO濃度為0.6×10-6，取暖爐內煤樣燃燒后，CO濃度快速上升，1 h后室內CO濃度上升至89.5×10-6，同時檢測報警儀已報警(預警閾值為30×10-6)。報警后5 min，濃度達到91×10-6。

圖6 取暖爐工作后CO實測值

通過對室內環境進行分析，CO濃度上升速度快的原因主要是空間內未安裝應有的排煙管道，取暖爐不完全燃燒產生的CO無法通過排煙管道及時排出；空間縱深長、密閉性強，不利于有毒有害氣體擴散。最終造成CO氣體急劇上升，達到預警閾值并發出警報。

3 結 論

(1)通過現場勘查和烷類氣體檢測儀對液化氣罐整體結構檢漏表明，液化氣罐未產生泄漏。

(2)煤氣發生爐工作工況實驗中，高精度CO檢測儀未檢測到空間內CO有較大濃度變化，說明不存在試生產、煤氣管道破損或泄漏而導致空間內CO濃度增高的可能性。

(3)宿舍內取暖爐使用工況實驗中，取暖爐內用煤點燃后，因不完全燃燒，空間內CO濃度在9 min內增大至91×10-6，超過預警閾值并發出警報。實驗表明，臨時宿舍內極有可能因取暖爐中煤不完全燃燒產生高濃度CO氣體導致CO中毒事故，企業可采用加強宿舍通風或將取暖爐改為集中供暖等方式減少CO的產生，避免CO中毒事故的發生。

(4)通過分析企業重點部位的危險源，明確可能發生的事故，并對可能造成事故的原因進行真實工況模擬，明確造成事故的主要原因并提出有針對性的預防措施，可有效提升企業重點部位的事前預防能力，提升企業本質安全水平。