事故虛擬交互與綜合防控預(yù)警技術(shù)介紹

文/李浩淼 于成龍 高東 趙軍 孫恩吉 時(shí)訓(xùn)先

高溫熔融金屬，即高溫狀態(tài)下以液體或液固兩相狀態(tài)存在的金屬物質(zhì)。高溫熔融金屬作業(yè)常見于各個(gè)行業(yè)，如冶金、有色、機(jī)械、建材等，尤其以冶金有色行業(yè)最為突出。

現(xiàn)代冶金工藝流程復(fù)雜，在鋼鐵、鋁等高溫熔融金屬的冶煉、鑄造、轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)過(guò)程中，爆炸、噴濺、泄漏、傾翻等事故多發(fā)，嚴(yán)重影響我國(guó)冶金有色行業(yè)的安全生產(chǎn)。其主要原因在于，高溫熔融金屬作業(yè)事故預(yù)防控制的基礎(chǔ)理論研究薄弱、關(guān)鍵技術(shù)裝備缺乏。對(duì)此，亟需開展有關(guān)高溫熔融金屬作業(yè)事故預(yù)防控制的相關(guān)研究，本文介紹了高溫熔融金屬作業(yè)事故虛擬交互與綜合防控預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)。

高溫熔融金屬作業(yè)現(xiàn)存的安全風(fēng)險(xiǎn)

通過(guò)歷年冶金行業(yè)的事故案例分析，發(fā)現(xiàn)冶金企業(yè)的突出特點(diǎn)是企業(yè)規(guī)模大，生產(chǎn)工藝和流程復(fù)雜，高溫、高壓、有毒有害及易燃易爆等危險(xiǎn)因素多，生產(chǎn)人員眾多，在安全生產(chǎn)管理上稍有疏忽，就會(huì)造成設(shè)備事故或者人員傷害事故。其中，高溫熔融金屬作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)性最高，且造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重。

對(duì)歷年冶金事故按事故類型統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，爆炸事故和灼燙事故發(fā)生起數(shù)較多，并且爆炸一旦發(fā)生，瞬間釋放巨大能量，應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間極短，造成事故后果比較嚴(yán)重，因此減少此類事故的發(fā)生至關(guān)重要。目前，常見的高溫熔融金屬作業(yè)事故主要包括：爆炸、噴濺、傾覆翻包等。

爆炸

高溫熔融金屬遇水爆炸事故發(fā)生的常見原因主要有：冶煉過(guò)程中，由于水冷系統(tǒng)漏水發(fā)生爆炸、高溫熔融金屬遇水或者潮濕的物料發(fā)生爆炸、由于操作失誤將水混入高溫金屬液體中引起爆炸等。

預(yù)防措施主要包括：在熔融金屬生產(chǎn)、處置和貯存設(shè)施附近、運(yùn)輸線路及附近區(qū)域不得有積水，正上方不得存在滴、漏水隱患；對(duì)原料、輔助材料嚴(yán)格檢查，確保加入爐中的原料、輔助材料干燥無(wú)水；輸送、轉(zhuǎn)注熔融金屬所使用的設(shè)備設(shè)施在輸送、轉(zhuǎn)注前須經(jīng)充分干燥并保證暢通。

噴濺

噴濺不僅會(huì)造成金屬損失，還會(huì)影響脫除P、S（磷、硫），熱量損失增大，引起鋼水量變化，影響冶煉控制的穩(wěn)定性。噴濺產(chǎn)生大量煙氣污染環(huán)境，同時(shí)噴出物堆積，清除困難，嚴(yán)重的噴濺會(huì)造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等。除此之外，還會(huì)引發(fā)二次事故，如噴濺出的高溫熔融金屬遇到積水引發(fā)爆炸事故。

對(duì)于爆發(fā)性噴濺的預(yù)防主要有以下幾個(gè)方面：控制好熔池的溫度，前期溫度不能過(guò)低，中后期溫度不能過(guò)高，均勻升溫；控制TFe（特種生鐵）不出現(xiàn)積聚現(xiàn)象，初期及時(shí)降槍，同時(shí)促進(jìn)熔池升溫，終點(diǎn)時(shí)適當(dāng)降槍，但槍位不宜太低；當(dāng)爐溫過(guò)高時(shí)，提槍時(shí)可適當(dāng)添加石灰，稠化爐渣。

金屬噴濺的預(yù)防措施主要有：分階段定量裝入，并合理增加裝入量；保持合理的爐型，爐底上漲應(yīng)及時(shí)處理，保持適當(dāng)?shù)臓t底和液面高度；正確控制槍位，化好渣。泡沫性噴濺的預(yù)防措施主要有：控制好鐵水中的Si、P（硅、磷）的含量，以及控制好TFe（特種生鐵）的含量，防止積聚出現(xiàn)等。

傾覆翻包

傾覆翻包事故涉及范圍廣，人員也較密集，因此，一旦發(fā)生事故就會(huì)造成人員的傷亡，財(cái)產(chǎn)的損失。另外，也可能引發(fā)噴濺以及高溫熔融金屬遇水爆炸事故等二次事故，將造成更大的危害。如2007年4月18日，遼寧鐵嶺市清河特殊鋼有限責(zé)任公司在煉鋼車間生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)生一起鋼水包傾覆特大事故，造成32人死亡，6人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失866.2萬(wàn)元。

根據(jù)傾覆翻包事故的發(fā)生原因，預(yù)防措施主要有：鋼水包烘烤足夠的時(shí)間，烘烤滿足要求，充分了解鋼水包的狀態(tài)；注意鋼水中氧和殘錳的含量，操作工藝嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行；加料時(shí)嚴(yán)禁物料潮濕，鋼水不得超過(guò)限定容積；設(shè)備定期檢修，改進(jìn)其設(shè)計(jì)缺陷等。

高溫熔融金屬作業(yè)安全完整性評(píng)價(jià)及管理模式

基于管道完整性的概念，提出冶金企業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理概念，該概念基于系統(tǒng)安全理論，從人、物、環(huán)境、管理4個(gè)方面綜合考慮高溫熔融金屬作業(yè)的完整性，其涵蓋高溫熔融金屬作業(yè)過(guò)程中設(shè)備設(shè)施從設(shè)計(jì)、制造、選型、安裝、改造、維修直到報(bào)廢全壽命期間的安全性和可靠性管理及評(píng)價(jià)，作業(yè)人員身心健康檢查、職業(yè)適合性評(píng)價(jià)、教育培訓(xùn)、應(yīng)急能力考評(píng)及在崗要求和離崗條件的管理及評(píng)價(jià)，作業(yè)環(huán)境中涉及的職業(yè)危害因素的預(yù)先識(shí)別、評(píng)價(jià)及高溫熔融金屬作業(yè)過(guò)程職業(yè)危害因素防控措施的管理與職業(yè)危害因素的檢測(cè)及評(píng)價(jià)。其目的是減少設(shè)備設(shè)施故障，避免事故的發(fā)生，降低作業(yè)人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有效控制作業(yè)場(chǎng)所的職業(yè)危害因素對(duì)設(shè)備設(shè)施和作業(yè)人員的影響。

高溫熔融金屬作業(yè)完整性評(píng)價(jià)及管理模式

高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理，主要根據(jù)高溫熔融金屬作業(yè)過(guò)程的危險(xiǎn)有害因素，對(duì)高溫熔融金屬作業(yè)過(guò)程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。通過(guò)監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)、檢測(cè)、考查等方式，獲取與專業(yè)管理相結(jié)合的高溫熔融金屬作業(yè)完整性的信息，識(shí)別出高溫熔融金屬作業(yè)過(guò)程主要危險(xiǎn)有害因素，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高溫熔融金屬作業(yè)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終通過(guò)持續(xù)改進(jìn)，達(dá)到減少和預(yù)防高溫熔融金屬作業(yè)事故的發(fā)生和安全運(yùn)行的目的。

高溫熔融金屬作業(yè)完整性評(píng)價(jià)及管理流程

根據(jù)高溫熔融金屬作業(yè)設(shè)備設(shè)施工藝及人員的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并結(jié)合有關(guān)完整性管理的標(biāo)準(zhǔn)，建立了高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理流程，如圖1所示。

圖1 高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理流程

高溫熔融金屬作業(yè)事故虛擬交互與綜合防控預(yù)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)以鋼鐵、電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中高溫熔融金屬4類典型作業(yè)事故為研究對(duì)象，面向熔融金屬生命周期/作業(yè)流程/環(huán)節(jié)，基于各類資料，辨識(shí)和表征事故隱患，歸納事故致因模式，運(yùn)用圖譜表達(dá)隱患之間的耦合關(guān)系，分析多隱患耦合作用下風(fēng)險(xiǎn)演化路徑及過(guò)程。基于事件發(fā)生可能性、事件自身嚴(yán)重性以及受體暴露程度構(gòu)建多層次歐氏距離風(fēng)險(xiǎn)表征模型，表征熔融金屬作業(yè)事故風(fēng)險(xiǎn)。

綜合3ds Max建模等方式，對(duì)高溫熔融金屬作業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行建模，形成了高溫熔融金屬作業(yè)三維場(chǎng)景。采用Unity 3D虛擬引擎，開發(fā)了具有生產(chǎn)安全認(rèn)知、隱患風(fēng)險(xiǎn)表征、事故災(zāi)害預(yù)演，以及事故分析回放等功能的高溫熔融金屬典型作業(yè)事故風(fēng)險(xiǎn)表征與演化動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)原型，以形成面向多因素耦合形成隱患、隱患失控引發(fā)事故、應(yīng)對(duì)失控導(dǎo)致災(zāi)害等多階段動(dòng)態(tài)過(guò)程的事故災(zāi)害防控方法規(guī)范及軟件技術(shù)支持系統(tǒng)，為高溫熔融金屬作業(yè)安全提供技術(shù)及手段支撐。

基于設(shè)備設(shè)施完整性管理理念，結(jié)合高溫熔融金屬作業(yè)的特點(diǎn)，綜合考慮作業(yè)人員、設(shè)備設(shè)施及作業(yè)環(huán)境，從全壽命、全流程、持續(xù)改進(jìn)角度，初步提出高溫熔融金屬作業(yè)完整性評(píng)價(jià)及管理的概念、模式及流程。

明確高溫熔融金屬作業(yè)崗位人員的職責(zé)，確定高溫熔融金屬作業(yè)的典型崗位，設(shè)計(jì)作業(yè)人員安全作業(yè)及應(yīng)急能力涉及生理、心理指標(biāo)的測(cè)試方案，并對(duì)部分作業(yè)人員進(jìn)行了測(cè)試。

建立了高溫熔融金屬CREAMLEC（認(rèn)知可靠性和失誤分析方法）評(píng)價(jià)法。構(gòu)建了冶金企業(yè)作業(yè)人員在用安全帽有效性三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行了評(píng)價(jià)。利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼作業(yè)、連鑄作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用故障樹分析法，對(duì)鐵水運(yùn)輸傾翻爆炸事故和轉(zhuǎn)爐噴濺事故原因進(jìn)行了分析。對(duì)煉鋼車間高溫、粉塵、毒物、噪聲危害程度進(jìn)行了分級(jí)。在對(duì)冶金企業(yè)煉鋼車間調(diào)研基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼車間危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行辨識(shí)分析。

在應(yīng)急交互訓(xùn)練系統(tǒng)和事故綜合防控與預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)方面，基于高溫熔融金屬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工藝流程，選取典型場(chǎng)景進(jìn)行三維建模和交互設(shè)計(jì)，搭建高溫熔融金屬作業(yè)典型場(chǎng)景的交互系統(tǒng)，并在現(xiàn)有的體感交互座椅和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定程度的融合改變，生成虛擬現(xiàn)實(shí)體感式訓(xùn)練設(shè)備，以供后期高溫熔融金屬作業(yè)工作人員與虛擬場(chǎng)景之間交互的實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)全國(guó)高溫熔融金屬事故案例的分析，對(duì)爆炸、噴濺、傾翻、泄漏4種典型事故進(jìn)行了情景亞分類，并通過(guò)事故發(fā)生的地點(diǎn)、原因以及事故發(fā)生的條件這3個(gè)因素來(lái)表征事故模式及其情景亞分類。

通過(guò)對(duì)事故演化過(guò)程的分析，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)及管理手段的研究以及對(duì)法律法規(guī)、部門規(guī)章等的歸納總結(jié)，從防止事故發(fā)生和減少事故損失兩個(gè)維度出發(fā)，基于事故的亞分類歸納整理出了相應(yīng)的技術(shù)防控措施與行為防控措施，構(gòu)建高溫熔融金屬作業(yè)典型事故防控與預(yù)警體系。

依據(jù)國(guó)家法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、企業(yè)操作規(guī)程、事故案例分析以及項(xiàng)目研究成果，初步構(gòu)建了典型事故綜合防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)自身錄入的信息，通過(guò)對(duì)比歸納整理的防控措施，得出評(píng)價(jià)結(jié)果并提出建議措施，設(shè)計(jì)并初步實(shí)現(xiàn)了高溫熔融金屬作業(yè)典型事故防控與預(yù)警系統(tǒng)。

進(jìn)一步研究高溫熔融金屬作業(yè)事故的發(fā)生機(jī)理與管控方法，提出在高溫熔融金屬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施作業(yè)跟蹤與崗位安全管控的安全管理方式，并通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，得出人員定位、移動(dòng)視頻監(jiān)控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助應(yīng)用于高溫熔融金屬作業(yè)的可行性。

在作業(yè)人員跟蹤技術(shù)方面，選取了UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）作為定位信號(hào)載體，選取TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)差）作為定位算法，完成構(gòu)建作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)定位子系統(tǒng)，系統(tǒng)具有軌跡采集、區(qū)域報(bào)警、位置識(shí)別與熱力圖分布等定位相關(guān)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高精度定位。

在崗位安全管控技術(shù)方面，通過(guò)搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)動(dòng)報(bào)警控制，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息的采集、傳輸與調(diào)看；選取光學(xué)透視的AR呈現(xiàn)形式，完成構(gòu)建AR輔助作系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)計(jì)AR作業(yè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了員工作業(yè)指引與錯(cuò)誤提醒等功能；設(shè)計(jì)包括廠區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)、一般作業(yè)定位監(jiān)控、設(shè)備維修監(jiān)管等在內(nèi)的6大系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式，完成系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)；在系統(tǒng)框架內(nèi)進(jìn)行完成了各功能集成，包含監(jiān)控交互窗口、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)輔助、人員風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)等功能模塊。

通過(guò)該系統(tǒng)的研發(fā)，在技術(shù)方法方面基本形成了典型事故風(fēng)險(xiǎn)與模式表征方法、作業(yè)安全完整性評(píng)價(jià)技術(shù)、事故綜合防控與預(yù)警體系構(gòu)建技術(shù)，有效支撐了典型事故演化動(dòng)態(tài)可視化仿真系統(tǒng)、典型事故應(yīng)急救援虛擬交互訓(xùn)練系統(tǒng)和典型事故綜合防控預(yù)警系統(tǒng)軟件的研發(fā)。

在硬件研發(fā)方面，對(duì)作業(yè)事故虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備平臺(tái)和事故場(chǎng)景快速構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)行了試制研究，為高溫熔融金屬作業(yè)典型事故應(yīng)急救援虛擬交互訓(xùn)練、事故場(chǎng)景的快速構(gòu)建提供設(shè)備手段。

在軟件開發(fā)方面，該系統(tǒng)為防控爆炸、傾翻、噴濺、泄漏等典型事故及災(zāi)害提供預(yù)演、回放和訓(xùn)練交互虛擬技術(shù)手段，同時(shí)為冶金行業(yè)典型事故防控預(yù)警、以及事故應(yīng)急救援提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

該系統(tǒng)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化將對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中高溫熔融金屬作業(yè)典型事故的防范、安全管理起到指導(dǎo)作用，也將進(jìn)一步提高相關(guān)人員的安全教育和技術(shù)培訓(xùn)效率。