危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺建設研究

穆 波，劉 超，王廷春，慕 璘，王 輝，王云龍，李千登

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266012；2.危險化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266012；3.中國石油集團電能有限公司HSE監督站，黑龍江 大慶 163455;4.清華大學化學工程系，北京100084；5.山東齊旺達石油化工有限公司，山東 淄博 255400)

化工行業屬于高危行業，而其作業過程由于兼具化學品和施工兩大行業屬性，風險因素交叉，再加上部分化工企業從業人員安全技能不足，實際操作過程中各類違規操作、違章行為時有發生，一旦發生事故，則會造成巨大的損失[1-3]。根據對化工企業事故統計分析發現，企業從業人員“違章作業”導致的傷亡事故占事故總數的55%以上，是造成事故發生的主要原因[4]。例如湖北鐘祥市金鷹能源科技有限公司“11·11”中毒窒息事故，主要是由于作業人員違章、站位以及有毒氣體環境等問題沒有及時發現，從而造成大量的人員傷亡。這些事故案例比比皆是，給我們敲響了警鐘。因此，人們逐漸意識到有必要通過物聯網、人工智能等新技術手段對作業相關的人員位置、行為本身、環境危險信息進行感知，及時發現作業過程中的風險并進行動態預警[5]。如利用視頻分析技術對部分高危作業行為進行辨識和風險管控，利用物聯網技術對現場作業風險進行監管和特殊作業許可電子簽發[6-7]。還有一部分研究機構及公司采用智能終端對作業現場進行數據采集和風險動態監控[8-10]。

但上述研究并沒有從涉及作業行為安全的相關風險因素層面進行整體的風險識別與管控研究。為此，本文從危化品企業現場作業過程中的人員位置、人員狀態、人員行為、監督管理和作業環境等幾個方面入手，構建了作業及周邊環境監測的風險因素和預警規則，同時依托研發的物聯網感知終端及智能識別技術，開發了危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺，并將其應用于化工企業的典型裝置上進行示范，從而起到規范作業人員行為、保障作業過程安全的作用。

1 作業安全與風險管控

1. 1 作業安全風險分析

1.1.1 作業安全風險因素

眾所周知，事故的直接原因是人的不安全行為和物的不安全狀態所引起的，而在作業活動中發生的安全事故主要是由于企業安全資源的配置情況不合理、安全監管上的不到位、員工不遵守安全作業規則導致的，此外現場作業的安全風險也受作業現場或過程的所有活動、人員、設備設施的運行過程及其所處的特定環境影響[11]。本文利用人為因素分析與分類方法(Human factor analysis and classification system,HFACS)對我國石化行業14年以來的直接作業環節相關事故進行了統計分析，并借鑒英國《作業許可管理技術規范》中的作業安全風險識別清單，初步篩選了影響作業安全的風險因素及主要內容，并經過企業安全管理部門、工程技術部門調研商定后，對其進行了修正和確認，其結果見表1[12]。

表1 作業安全風險因素及主要內容[12]

1.1.2 風險監測預警指標

風險監測是安全管控的重要環節，能夠為預警分析和級別確定提供直接的輸入信息。作業安全風險監測預警指標主要是從作業活動運行過程中提取的可以反映表1中5種風險因素狀態的先導事件，通常將該過程中不期待事件或者異常事件作為監測預警指標，這類事件應具有可識別、可測量的特點[14-15]。本文通過事故樹等方法對前述的直接作業環節歷史事故的發生原因進行統計分析，并基于時序關系和演化規律推導關鍵中間事件和屬性，同時結合作業安全規程的核心要求且考慮指標通過技術手段進行監測獲取實時數據的可行性，提出了作業安全風險監測預警指標體系，見圖1[16]。

圖1 危化品企業人員作業安全風險監測預警指標體系Fig.1 Indicator system for monitoring and early warnig of the site operation risk of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

將上述中間事件的發生與否，以及事件屬性(如以發生危險氣體超標作為事件，超標氣體種類和超標程度作為事件屬性)作為監測預警指標閾值，根據事件可能引發的后果嚴重性進行預警分級，預警級別分為一般、中等、重要，按照預警級別及風險因素類型輸出不同的預警信息，并觸發涉及對應的不同部門、崗位及處理流程的管控過程。

1. 2 風險管控實現

1.2.1 風險管控實現的路徑

為了實現各方面數據采集和感知風險，研發了一套適用于危化品企業現場作業不同環節的系列風險監測技術及裝備，依托這些技術及裝備，開發了基于裝置三維模型的危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺，對各種類型風險進行感知、監測、展示和整體管控。技術及裝備實現前端的風險數據采集，管控平臺實現數據處理、業務流程運行、分析、預警以及各類風險數據在裝置三維模型上的可視化，從而達到識別與發現危化品企業作業過程中的不安全因素并及時預警的目的，風險管控具體的實現路徑見圖2。

圖2 危化品企業人員作業安全風險管控實現的路徑Fig.2 Implementation path of the risk management and control of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

1.2.2 風險管控依托的技術及裝備

危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺所依托的技術及裝備的主要特點如下：

(1) 復雜環境空間多定位融合技術及裝備:針對化工企業障礙物遮擋、空間交錯等復雜環境，研究基于TDOA、TOF、RSSI的空間協同優化算法和多制式融合技術，并研發包含卡片式定位設備、輔助定位設備及通訊基站在內的一套裝備，實現復雜環境下的自適應空間定位和人員動作姿態的實時采集，其定位精度可達到0.5～5 m，支持6模定位方式。

(2) 關鍵手閥誤操作識別監控技術及裝備：針對化工裝置現場手閥違規操作問題，研發了基于風險的關鍵手閥辨識、分級和管理方法，并開發了防爆閉鎖附件和無源鎖具(防爆等級：Ex ia IIC T4 Ga)，對現場開鎖進行授權以及對應的工藝流程操作邏輯順序進行定義，實現對關鍵手閥的監控及實時操作提示，以避免違規操作。

(3) 基于深度學習的違章行為智能識別技術：利用光流法和前景目標輪廓法抽取、描述視頻圖像的底層特征信息(顏色或灰度等)，基于知識本體技術和領域知識模型定義和描述不同層次的異常行為，對視頻(企業現場固定視頻和作業移動視頻)序列中的人員行為和事件進行挖掘分析，匹配并識別出人員的違章行為，并在識別分析過程中嵌入欠樣本條件下的視頻識別對抗網絡模型，進行行為特征的預測學習，進一步提高識別的準確性和可靠性，在主流廠商設備及典型光線、氣象條件下，所研發的10種違章場景行為識別率大于85%。

(4) 特殊作業許可移動監管技術：依據特殊作業安全規范的管理要點，基于作業風險分級開發JSA數據庫，利用防爆手持終端固化關鍵簽發流程節點，并結合LBS對作業票簽發地點、簽發人員位置和周邊地點等要求進行實時跟蹤與匹配，實現特殊作業許可執行過程的規范執行和異常自動提醒。

(5) 多維信息采集的監測監控技術及裝備:研究基于時序的數據同步融合和解析機制，將視頻信息、氣體濃度和GPS/北斗數據進行實時融合和同步解析，以此進行集成開發，嵌入LoRa協議并研制成集視頻、氣體監測、定位數據采集、傳輸與報警等功能為一體的防爆移動式監控監測設備，實現通過單臺設備或多臺組網對作業人員行為圖像、作業現場環境氣體濃度等信息的實時同步采集，解決了現場部分特殊作業地點難以覆蓋的問題。所述設備通過模塊化設計，達到IIC級別防爆、IP65級別防護和全網通傳輸，有效支撐了現場監管以及(3)中人員違章行為識別所需要的作業圖像數據獲取。

2 危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺的設計與開發

2. 1 平臺設計

危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺采用分層設計，通過研發的技術及裝備對作業過程及作業環境的相關數據進行感知，并對關聯系統的數據進行集成調用，形成作業安全相關的全數據采集，再通過研發的通訊機制以及利用公共網絡和企業內部網絡，將數據回傳至平臺，進行作業安全風險數據傳輸、同步和管理，在研發的風險識別模型和裝置三維模型的基礎上，實現作業安全風險的準確判定和分級管控，該平臺的架構見圖3。

圖3 危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺的架構Fig.3 Structure of the intelligent management and control platform of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

該平臺在技術上采用B/S三層架構，使用企業級SpringBoot技術框架，遵循統一軟件開發過程RUP管理規范，服務器系統的體系架構采用的是MVC，從而可以更好地復用系統的業務邏輯，使整體系統結構做到強內聚、弱耦合，并通過標準的html5技術，充分利用圖表、報表、GIS、視頻等多種展示手段，為各終端用戶提供一體化的解決方案。

2. 2 平臺功能開發

在危化品企業人員作業過程和安全管理的各個環節中，充分利用物聯網、深度學習等先進技術，對人員作業過程的各方面信息進行采集、感知、處理、預警和風險分級閉環處理，可以有效地提高作業安全管理水平，降低事故發生概率。通過研發危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺，基于平臺配套研發的各項技術及裝備，可以系統采集作業過程的監測數據，對人員狀態、人員位置、人員作業行為、特殊手閥操作、作業許可執行和環境危險氣體變化進行動態監控，并基于監測預警指標體系實現風險預警和閉環處置，從而實現危化品企業人員作業過程的全天候監控、自動化預警、高效率處置，提高了企業安全風險管控和應急處置水平。開發的平臺共有8大功能模塊和1個輔助模塊，其功能框架見圖4，主要界面見圖5。該平臺各模塊的主要功能如下：

圖4 危化品企業人員作業安全與風險智能管控 平臺的功能框架Fig.4 Function frame of the intelligent management and control platform of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

圖5 危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺的界面Fig.5 Main interface of the intelligent management and control platform of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

(1) 工作臺模塊：該模塊主要根據當前用戶的崗位職責和安全管理權限范圍進行安全工作動態的展示和工作任務的通知推送，實現如下功能：①以裝置三維模型為底圖，直觀展示人員位置分布、作業圖像等作業相關的動態信息；②以時間為維度，展示一些關鍵的風險監測及預警數據分類統計圖；③以通知的形式發布當前待辦工作任務、待處置風險預警等內容，并根據工作任務的緊急程度分級推送。

(2) 人員位置管控模塊:該模塊的主要功能是跟蹤區域內所有人員的動態位置并進行實時展示，具體包括實現企業人員的實時定位、目標跟蹤、歷史軌跡回放、信息查詢等功能，同時采集所有人員行進/靜止、突然失重等動作姿態的信息，包括在此基礎上結合裝置危險區域分布，進一步實現進入未授權區域、區域超員、異常跌倒等智能預警功能，并將報警信息輸入到綜合預警模塊。

(3) 移動作業監控監測模塊：該模塊的主要功能是在作業開始時，尤其是涉及易燃易爆等危險氣體環境時，利用研發的監控監測終端對作業現場進行實時監控，獲取臨時作業點的圖像等信息，實現作業地點分布、遠程監督監管、實時監測和區域聯動報警等功能。

(4) 違章行為監測模塊:該模塊通過運行違章行為識別模型算法，自動從固定視頻及移動視頻監控中的視頻圖像中分析并識別作業人員違章行為等異常事件，實現對危化品企業生產區域及作業過程的監控監測以及視頻圖像的自動采集、分析及報警，主要包括圖像在線分析、典型事件識別、報警記錄和歷史數據分析等功能。

(5) 手閥操作監控模塊:該模塊通過智能鎖具和藍牙鑰匙方式對特殊手閥開關進行強制閉鎖隔離，對各類閥門狀態進行精準監控，主要包括設備對位、工藝票開票、票證審核、防誤系統和防誤日志等功能。

(6) 作業許可監管模塊：該模塊將特殊作業作為管控對象，實現用火作業、動土作業、進入受限空間作業、臨時用電作業、高處作業等8類直接作業的作業許可證線上快速高效辦理和過程執行強化，主要包括作業申請、JSA分析、措施落實、票證簽發和驗收歸檔等功能，實現了風險管理的區域化、作業開票的流程化以及作業監控的立體化。

(7) 綜合展示及預警模塊:該模塊一方面展示整個裝置區的三維模型，包括設備、結構、管道、電氣等主要構件，以三維地圖的模式進行裝置基本信息展示，并將各項動態數據在裝置三維地圖上進行實時顯示，實現人員分布、氣體檢測位置及實時濃度、手閥位置及狀態、作業圖像及行為分析等數據的可視化，便于管理人員及監控中心值班人員直觀查看；另一方面通過運行風險監測預警指標對各模塊采集的數據進行實時計算分析和關聯確認，并將報警部位及報警信息進行醒目提醒。

(8) 閉環處置模塊:該模塊主要是將各模塊生成的風險報警預警信息進行統一管理，并根據風險級別、人員崗位職責和管理權限進行主動推送，由相應負責人按照處置流程進行處理，并在模塊中進行閉環操作，如遇較高風險事件時，需要進行人工復核后，方可進行下一步處置操作。

(9) 后臺管理模塊：該模塊主要包括支撐各個模塊運行的數據庫、模型算法配置等功能，如風險監測預警指標計算模型、區域超員預警模型、視頻監控點位配置與行為識別算法配置模型。

2. 3 平臺業務流程

當檢維修及建設項目的單次施工作業申請批準后，作業人員、管理人員及監護人員等相關人員入廠開始作業，研發的各項技術及裝備進行數據采集，并將代表各類業務進展的運行數據傳輸至平臺中，平臺對數據進行處理并按照監測預警指標進行動態監測，展示各業務的運轉狀態，用戶登錄系統后可看到所負責專業領域及區域的風險實時狀態。同時，平臺基于異常識別模型對各項數據進行實時分析，當出現威脅作業人員人身的特定事件時進行異常預警，如涉及到較復雜事件或風險較高事件時，還需要進行關聯確認或人工復核；風險事件確認后，根據預先設定的分級管控準則進行自動提示和主動推送，按照風險級別、所處區域和影響范圍推送給不同層級人員，一般包括現場人員、調度人員、監視中心人員和屬地管理人員，分別進行確認、處置、驗證和審核關閉，最終進行預警報警的消警處理。危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺的業務流程，見圖6。

圖6 危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺的 業務流程Fig.6 Business flow chart of the intelligent management and control platform of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

3 危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺的示范應用

本文將開發的危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺在山東齊旺達石化有限公司混合芳烴加氫裝置上進行了示范應用。該套混合芳烴加氫裝置加工能力為45萬t/a，占地面積約為7 200 m2，主要由預加氫及混合芳烴切割、重芳烴加氫、汽提塔、輔助系統、公用工程系統五部分組成，裝置在崗職工60名，其中管理人員10名，班組人員50名，年日常外部維保人員約40名。根據該管控平臺需要及裝置實際，將所研發的包括定位基站、輔助信標、定位工卡、移動監控監測終端等技術及裝備配置到現場及配備給相關人員，且集成接入固定視頻等關聯系統，企業利用部署和運行的管控平臺對各項作業全過程進行監控和安全管控。該管控平臺經過7個多月的實地運行和驗證，能夠對坐標、氣體、視頻等5種類型的數據源進行同時分析處理，典型數據處理和響應時間不超過2 s，人員定位精度達到0.5～3 m，各項異常的綜合識別率高于85%，有效提升了現場作業安全管理的實時性和主動性。

本文以企業一次動火作業為例，具體說明管控平臺的應用過程。

(1) 作業準備：裝置某區域勞保設施損壞需要進行焊接修補，作業單位在管控平臺中提交作業申請，并填報作業內容、施工單位及人員等內容；審核通過后在作業許可監管模塊辦理用火作業許可，施工人員按制度要求攜帶工具和設備赴現場進行作業，屬地單位和作業單位派出監護人員進行現場監護，符合作業條件并落實各項安全措施后開始作業。

(2) 實時監測：作業人員所佩戴的定位工卡，實時將各作業人員的位置傳輸至平臺，作業點布設的移動監控監測裝置將作業點位置、作業行為圖像和作業點危險氣體濃度實時傳輸至平臺，作業主管人員將作業許可執行過程信息實時傳輸至平臺，平臺上將裝置所有作業及動態信息實時在裝置三維地圖上進行展示，便于各級管理人員監管。

(3) 異常預警：當出現異常情況時，平臺的裝置三維地圖上會自動提示，如本次動火作業中施工人員無意進入附近的半封閉空間，違章行為監測模塊運行模型識別發現該行為后，自動與作業許可監管模塊中該作業點已辦理的許可票證和人員位置管控模塊中的人員位置進行對比，確定為“未辦理相應許可進入受限空間”的違章行為，在綜合展示及預警模塊輸出預警，并將該條預警信息推送至現場監管人員，監管人員收到通知后進行現場糾正并對該人員進行批評教育，從而避免進入未知受限空間可能導致的中毒窒息傷害，最終將處置結果回傳至平臺從而消除預警。該平臺應用的部分界面見圖7。

Fig.7 危化品企業人員作業安全與風險智能管控 平臺應用的部分界面Fig.7 Part of application interface of the intelligent management and control platform of site operation safety risk for hazardous chemical enterprises

4 結論與建議

近幾年化工行業發生的事故多數是由于人為因素造成的，其中絕大部分發生在企業生產現場的作業過程。隨著人工智能和物聯網的發展，通過新技術手段準確地識別企業作業過程中的典型違章違規行為并及時預警，從而規范作業人員行為、保障作業過程安全的方式逐漸成為一種趨勢[17]。本文設計并開發了危化品企業人員作業安全與風險智能管控平臺，并將其應用于某化工企業的典型裝置上進行示范，得到如下結論：

(1) 平臺綜合了物聯網、傳感器、計算機視覺和多信息融合等先進技術，成為危化品行業作業安全+信息技術融合的較好示范。

(2) 平臺依托多種智能技術及裝備，能夠對人員位置風險、人員狀態風險、人員作業行為風險、監督管理風險以及所處的作業環境風險五個方面的風險數據進行實時采集和動態監測，突破了單一手段對風險判定不夠全面的缺陷。

(3) 平臺對不同數據并發處理、實時響應，打通了“數據采集、動態監測、實時分析、智能預警”的技術環節，其綜合響應時間小于2 s，各項異常的綜合識別率高于80%，形成了針對作業過程安全風險的高效管控機制。

(4) 通過在某化工企業典型裝置上的示范應用表明：該管控平臺可以對化工企業作業現場人員典型違章行為和其他相關風險進行識別和預警，并輔助主動發現和消除身邊人的不安全行為、物的不安全狀態，從而達到強化現場安全管理、規范作業人員行為尤其是基層操作人員的執行力、保障作業過程和人員安全的目的。

(5) 雖然平臺能夠實現五個方面風險因素的監測和預警，但目前還僅僅是依托配套技術及裝備對單個風險事件的預警，后續研發應重點關注風險因素在事故演化過程中的作用規律和內在關系，以此來推導風險因素變化與作業整體風險的表征關系，從而通過各項實時數據對風險進行綜合計算，以實現現場作業整體風險的動態監測和測量。