智慧化污水廠新型安全管控模式研究

朱 虹,吳 佳,蘇德龍,杜興治,彭爭梁

(1.上海城投污水處理有限公司，上海 201203；2.上海西派埃智能化系統(tǒng)有限公司，上海 200233)

0 引言

為認真貫徹落實《中共中央國務(wù)院關(guān)于推進安全生產(chǎn)領(lǐng)域改革發(fā)展的意見》精神和國務(wù)院、市、區(qū)各級安委辦關(guān)于遏制重特大事故構(gòu)建雙重預(yù)防機制的一系列決策部署，著力推進污水廠安全生產(chǎn)主體責任落實到位，研究以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等新一代信息技術(shù)為手段，與安全風險實時評價相結(jié)合的創(chuàng)新安全管控模式是目前建設(shè)智慧化污水廠的發(fā)展趨勢。通過構(gòu)建此安全管控模式[1-2]，不但可以提高企業(yè)安全生產(chǎn)效率及質(zhì)量，而且對企業(yè)的健康、有序發(fā)展十分有利。

本文研究的創(chuàng)新管控模式以搭建安全風險診斷系統(tǒng)管控平臺為載體，通過科技化、智能化的手段，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)人和物的不安全行為及狀態(tài)，使用定性、定量的評價方法，實時對污水廠安全生產(chǎn)現(xiàn)狀進行風險分級評價，可協(xié)助污水廠監(jiān)控人員根據(jù)不同的風險等級得出相對應(yīng)的風險控制措施、從遠程對風險進行干涉，從而保障人員人身安全、降低事故發(fā)生概率、提升企業(yè)安全管理水平。

1 新型管控模式的構(gòu)成

在本文研究的新型安全管控模式體系總體架構(gòu)中，搭建安全風險診斷系統(tǒng)管控平臺是創(chuàng)新活動的基礎(chǔ)和源頭，是創(chuàng)新管控模式的一種表現(xiàn)形式。傳統(tǒng)安全管控模式以人作為主體。相關(guān)工作人員需要具備一定的安全管理工作經(jīng)驗，對現(xiàn)場進行管控，從而達到安全生產(chǎn)的目標。但本文研究的新型安全管控模式主要以管控平臺作為主體，由人承擔協(xié)助、輔助的角色。對比兩種模式可知：新型安全管控模式具有對人員勞動強度要求較低、發(fā)現(xiàn)問題處置及時、監(jiān)控范圍更全面的優(yōu)點。兩種管控模式對比如表1所示。

表1 兩種安全管控模式對比Tab.1 Comparison of two safety management and control modes

管控平臺包括生產(chǎn)現(xiàn)場層、應(yīng)用層、算法層。

生產(chǎn)現(xiàn)場層為智能化應(yīng)用的終端，包括智能攝像機、“門禁-定位”通行卡、門禁系統(tǒng)、液位計、氣體檢測儀等設(shè)備，是感知數(shù)據(jù)的實時采集源。采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)與平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的匯聚儲存、實時處理。

應(yīng)用層包括圖形化空間展示、安全巡檢管理、安全報警管理和配置管理。系統(tǒng)基于圖像識別技術(shù)、定位技術(shù)等，提供了環(huán)境監(jiān)測、權(quán)限空間、行為檢測、視頻聯(lián)動等功能。

算法層包含基于機器學習的視覺識別算法和區(qū)域安全風險模型。視覺識別算法用于人員識別、人員著裝識別、人員跌倒識別、護欄監(jiān)測及加藥區(qū)漏液識別。區(qū)域安全風險模型是基于生產(chǎn)現(xiàn)場層、應(yīng)用層及視覺識別算法中檢測出的不安全項，進行實時安全評價。這種多方式檢測技術(shù)結(jié)合實時安全評價的管控模式與傳統(tǒng)安全管控模式相比較，可使操作人員對區(qū)域內(nèi)安全現(xiàn)狀進行全方位掌控，及時采取相應(yīng)安全措施，遏制事故發(fā)生。

數(shù)據(jù)中心貫穿生產(chǎn)現(xiàn)場層、算法層、應(yīng)用層。生產(chǎn)層現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過采集系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)中心；算法層通過調(diào)取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對其進行分析計算后由應(yīng)用層展現(xiàn)。安全管理平臺構(gòu)架如圖1所示。

圖1 安全管控平臺架構(gòu)圖Fag.1 Safety management platform architecture

2 安全風險診斷系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遠程監(jiān)測技術(shù)

本文研究的管控平臺需要大量的數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測設(shè)備是實時數(shù)據(jù)的主要來源。通過建立前端測點位置與地理空間信息之間的邏輯關(guān)系，可以實現(xiàn)點、線、面三者有機結(jié)合，從而構(gòu)建立體、實時、全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)測[3-4]。

遠程監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)的功能如下。

①采集與處理功能：主要對生產(chǎn)過程的各種模擬或數(shù)字量進行檢測、采樣和必要的預(yù)處理，并且以一定的形式輸出，如顯示屏、報表等，為操作人員提供詳實的數(shù)據(jù)，幫助他們分析、了解區(qū)域情況。

②監(jiān)督功能：將檢測到的實時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)人員在生產(chǎn)過程中發(fā)出的指令和輸入的數(shù)據(jù)進行分析、歸納、整理、計算等二次加工，并分別作為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)加以存儲。

③管理功能：利用已有的有效數(shù)據(jù)、圖像、報表等，對工況進行分析、故障診斷、險情預(yù)測，并以聲光電的形式對故障和突發(fā)事件報警。

④控制功能：在檢測的基礎(chǔ)上進行信息加工，根據(jù)事先決定的控制策略形成控制輸出，直接作用于生產(chǎn)過程。

2.2 出入口控制報警系統(tǒng)

出入口控制報警系統(tǒng)是采用現(xiàn)代電子信息技術(shù)，在建筑物的出入口對人、物的進出實施放行、拒絕、記錄和報警等操作的自動化系統(tǒng)。這種操作系統(tǒng)通常由出入口目標識別系統(tǒng)、出入口信息管理系統(tǒng)、出入口控制執(zhí)行機構(gòu)這三個部分組成。系統(tǒng)的前端設(shè)備為各類出入口目標識別裝置和門鎖開啟閉合執(zhí)行機構(gòu)。傳輸方式為專線或網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)的終端設(shè)備是顯示、控制、通信設(shè)備，通常采用獨立的門禁控制器，也可通過計算機網(wǎng)絡(luò)對各門禁控制器實施集中監(jiān)控。

2.3 視覺模型搭建

目前，污水處理廠存在許多需要人工識別的場景，存在部分區(qū)域為視覺盲點難以監(jiān)視、人員穿戴安全無法監(jiān)督、人員安全行為難以保障的問題。為了改變這一現(xiàn)狀，使用智能視覺識別系統(tǒng)，基于圖像識別技術(shù)，營建現(xiàn)場人員、著裝、現(xiàn)場地面環(huán)境識別模型，利用特征提取、機器學習等算法，通過智能攝像頭對畫面中的人員、環(huán)境進行檢測，并對得到的報警數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)進行保存，以便工作人員后續(xù)管理、查詢。

視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)常規(guī)應(yīng)用于對建筑物內(nèi)的主要公共場所和重要部位進行實時監(jiān)控、錄像和報警時的圖像復(fù)刻。視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)的前端設(shè)備是各種攝像機、視頻檢測報警器和相關(guān)附屬設(shè)備；終端設(shè)備是顯示、記錄、控制設(shè)備，通常采用獨立的視頻監(jiān)控中心控制臺或監(jiān)控報警中心控制臺[5]。

3 區(qū)域安全風險評價模型

為保障生產(chǎn)過程中人員、物品、環(huán)境、管理的安全，規(guī)范生產(chǎn)過程，建立一套區(qū)域安全健康模型，從“人”“物”“環(huán)”“管”四個方面深入，對生產(chǎn)區(qū)域進行全面的分析評價。

3.1 評價方法簡介

作業(yè)風險分析方法(風險矩陣)率先應(yīng)用于英國石油化工行業(yè)。該方法首先識別出每個作業(yè)活動可能存在的危害，并判定這種危害發(fā)生的可能性和事故發(fā)生的嚴重程度，兩者相乘，得出所確定危害的風險；然后進行風險分級，根據(jù)不同級別的風險，采取相應(yīng)的風險控制措施[6-8]。風險值為：

R=L×S

(1)

式中：R為風險值；L為危害發(fā)生的可能性；S為事故發(fā)生的嚴重程度。

3.2 各數(shù)值取值依據(jù)

3.2.1 危害發(fā)生的可能性(L)

從偏差發(fā)生頻率、安全檢查、操作規(guī)程、員工勝任程度、控制措施這五個方面對危害發(fā)生的可能性進行評價取值，并取五項得分的最高的分值作為其最終的L值。危害發(fā)生的可能性如表2所示。

表2 危害發(fā)生的可能性Tab.2 Possibility of a hazardous event occurring

3.2.2 事故發(fā)生的嚴重程度(S)

分析事故發(fā)生可能導(dǎo)致的后果，確定S值。確定方式如下：事故發(fā)生無后果產(chǎn)生，S取1；輕傷，S取2；重傷，S取3；死亡，S取4；死亡或可能導(dǎo)致群死群傷事故，S取5。

3.2.3 風險值(R)

確定了S和L后，根據(jù)式(1)計算出風險度R的值。R值計算后的范圍為1～25。

3.2.4 風險等級劃分

根據(jù)計算出的R值判斷風險等級及可采取的控制措施。風險等級表如表3所示。

表3 風險等級表Tab.3 Risk level

3.3 安全評價實例

通過上述幾種關(guān)鍵技術(shù)對污水廠各重要區(qū)域及重要設(shè)施進行檢測，并對檢測中的不安全項進行實時安全評價。安全評價舉例內(nèi)容如表4所示。

表4 安全評價舉例內(nèi)容Tab.4 Examples of Safety evaluation

試點污水廠相關(guān)管理制度建設(shè)較齊全、作業(yè)人員皆持證上崗、制度落實情況較好，故涉及到“安全檢查”“操作規(guī)程”“員工勝任程度”“控制措施”的取值適合取1～2；而污水廠中可能每季度就發(fā)生有限空間作業(yè)，故“偏差發(fā)生頻率”取4，五項得分取最高值，故最終L值取4。

對于事故或危險事件發(fā)生后的可能結(jié)果，由于主要可能發(fā)生的事故是中毒和窒息，一旦發(fā)生事故后，可能的最嚴重結(jié)果為“死亡，可能導(dǎo)致群死群傷事故”，按表2取S=5。根據(jù)式(1)可得：R=L×S=4×5=20。

計算出R以后，對照表3風險等級表，分值位于20～25，屬于“A級重大風險”。為此，應(yīng)對有限空間作業(yè)硫化氫超標時，作業(yè)人員應(yīng)立即停止作業(yè)，對作業(yè)現(xiàn)場進行強制通風，并加強監(jiān)護。由此，得出區(qū)域安全風險評價模型顯示效果，如表5所示。

表5 模型顯示效果Tab.5 Model display effect

4 效果評價

本文研究的新型安全管控平臺已在上海虹橋污水處理廠中投入使用。與傳統(tǒng)平臺相比較，在智能檢測作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的基礎(chǔ)上，增加了對不安全項的實時評價系統(tǒng)，可以讓非安全專業(yè)的操作人員了解突發(fā)事件的發(fā)生以及這可能造成事故的危害程度，幫助操作人員第一時間采取基本、必要的應(yīng)急措施，大大縮短了時間成本并有效地防止事故進一步擴大，更能在一定程度上降低事故發(fā)生的可能性。當風險被識別后，根據(jù)風險等級顯示不通顏色，報警信息插入數(shù)據(jù)庫存儲。

平臺效果如圖2所示。

圖2 平臺效果示意圖Fag.2 Schematic diagram of platform effect

5 結(jié)論

本文研究的安全管控平臺基于污水廠實際運行情況分析，針對污水廠重點區(qū)域構(gòu)建安全風險診斷系統(tǒng)，形成一套集人員定位、門禁、視頻監(jiān)控、安全評價及報警系統(tǒng)相結(jié)合的新型智慧安全管理模式。在虹橋污水廠中搭建該平臺后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的聯(lián)動，為污水處理廠提供了安全、健康、方便的工作環(huán)境，取得了良好的效果。該智慧管控平臺在污水廠無人化運行理念中具有通用性。該研究成果的成功運用可為污水廠無人化、智慧化管理的實現(xiàn)經(jīng)驗積累，具有一定的參考價值。