王新華楊兆瀚黃國健劉金王東輝

（1.廣州市特種機電設備檢測研究院研發(fā)中心 2.哈爾濱工程大學自動化學院）

特種機電設備安全檢測、監(jiān)測與風險管理研究進展*

王新華1楊兆瀚2黃國健1劉金1王東輝1

（1.廣州市特種機電設備檢測研究院研發(fā)中心 2.哈爾濱工程大學自動化學院）

隨著社會的進步，人們對特種機電設備安全運行提出了更高、更嚴格的要求，特種設備的安全保障已不再局限于常規(guī)的安全檢測、狀態(tài)監(jiān)測。本文從特種機電設備安全檢測、監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀，特種機電設備風險管理理念與現(xiàn)狀，以及基于監(jiān)測的管理和評價體系發(fā)展三方面展開研究，并結(jié)合“十二五”期間全國特種設備科技工作的重點方向和研究任務，指出健全完善機電設備管理體系和安全的工作機制，提高對設備管理工作重要性的認識，提高技術(shù)人員的業(yè)務水平和加大隱患排查工作力度，確保特種設備安全可靠運行。

特種機電設備；安全檢測；狀態(tài)監(jiān)測；風險管理

0 引言

特種機電設備主要包括電梯、起重機等，是國民經(jīng)濟建設的重要基礎設施，也是與人民群眾生活關(guān)系極其密切的設施[1]。確保特種機電設備的安全運行，對于保障人民群眾的生命、財產(chǎn)安全具有重要意義。隨著社會的進步，對特種機電設備安全運行也提出了更高要求[2]。加強特種設備的安全檢測、監(jiān)測，指導建立不同特種機電設備的風險評估、監(jiān)控措施和事故預警、防范對策，在科學量化分析特種設備安全狀況的基礎上，研究制定有針對性的監(jiān)管方式，保障安全，降低管理成本，提高工作效率，科學評價特種設備安全對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響，為政府科學決策提供依據(jù)，從而促進國民經(jīng)濟和社會進步的協(xié)調(diào)發(fā)展[3]。

特種機電設備風險評估是在對設備潛在危害因素進行識別、分析的基礎上，評估它們危險程度的大小，進而提出相應的安全措施，以尋求盡可能低的事故率、盡可能小的危害損失和最佳的安全投資回報[4]。風險管理體系是在風險評估的基礎上建立，而風險評估則以檢測、監(jiān)測的手段加以實現(xiàn)[5-6]。提出符合特種設備事故特點的事故因果連鎖模型，建立特種機電設備的風險管理體系，為科學有效地開展特種設備的風險控制提供基礎性的理論保證和實踐指導。

1 特種機電設備安全檢測、監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，我國電梯的數(shù)量也持續(xù)快速增長。截至2012年底，我國電梯保有量已經(jīng)突破200萬部，而且這個數(shù)字還在以更快的速度增長?！笆晃濉逼陂g，我國起重運輸機械產(chǎn)品的工業(yè)總產(chǎn)值、銷售收入和利潤總額的年平均增長率超過15%。截至2011年底，我國起重機械總量已達171.14萬臺。2012年，該行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值也已達到3270億元[7]。

近年來，隨著政府對特種設備安全的重視和持續(xù)投入，起重機每萬臺設備死亡率正持續(xù)下降。但重大事故時有發(fā)生，10人以上的群死群傷和重大財產(chǎn)損失的事故幾乎每年都有發(fā)生。因此實現(xiàn)起重機械的健康監(jiān)測、安全評估和剩余壽命預測成為當前研究的重中之重。此外，電梯的快速增長和檢驗人員不足的矛盾也越來越明顯。如何提高現(xiàn)場檢驗的效率，加強對檢驗人員的規(guī)范管理與統(tǒng)籌已成為特檢系統(tǒng)亟待解決的問題。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)以及傳統(tǒng)的聲發(fā)射技術(shù)、電渦流技術(shù)、基于風險的檢驗（risk based inspection，RBI）等在安全評估中的應用得到深入研究，為上述問題的解決提供了途徑[8-9]。

1.1 電梯安全檢測、監(jiān)測現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡之后全球信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[10]。它把信息技術(shù)充分應用于各個行業(yè)、產(chǎn)業(yè)，通過安裝在各類物體上的射頻識別電子標簽RFID、二維碼、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等組成的智能傳感器，經(jīng)過接口與無線通信網(wǎng)絡、因特網(wǎng)互連，組成人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息的網(wǎng)絡，其核心是智能傳感網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的精髓是感知，感知包括傳感器的信號采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)、信息服務，以達到控制指揮的目的。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，應用領(lǐng)域不斷擴大。物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展為現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控和特種設備的安全監(jiān)測技術(shù)水平的提升帶來難得的發(fā)展契機[11]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電梯安全檢測、監(jiān)測方面的應用逐漸成為新的研究趨勢。

江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院李士林等人開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯快速檢驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含3部分：檢驗管理信息系統(tǒng)服務程序、檢驗管理信息系統(tǒng)PC客戶端和檢驗員手持設備客戶端。通過檢驗資源與特種設備信息的關(guān)聯(lián)，快速自動生成檢驗計劃，實現(xiàn)檢驗儀器、檢驗人員、被檢設備基本信息等檢驗資源的智能匹配，達到檢驗資源利用的最優(yōu)化[12]。

南京特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院任詩波等人進行了基于云端和CPS（傳感、計算終端、通訊）技術(shù)的電梯聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究。他們針對城市大規(guī)模電梯管理提出了基于“云+端”，即“云計算中心+CPS”模式構(gòu)建電梯云聯(lián)網(wǎng)體系。該體系以構(gòu)建電梯云中心，利用GIS電子地圖服務，構(gòu)建電梯救援網(wǎng)絡[13]。

重慶大學研究了基于專家系統(tǒng)和模糊推理的軟測量技術(shù)，并結(jié)合羅克韋爾自動化的Control Net工業(yè)控制網(wǎng)，在RSView 32平臺上開發(fā)了電梯故障預測系統(tǒng)。

天津大學萬健如提出電梯故障在線遠程監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)由向操作員提供監(jiān)控界面的服務中心計算機（上位機）、電話網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器（MODEM）、位于控制現(xiàn)場的信號采集微處理器（下位機）三部分組成。當電梯發(fā)生故障時，采取外部中斷的方式激活響應。維修工人到現(xiàn)場確認故障以后斷電進行電梯維修，通過這種方式實現(xiàn)電梯運行的在線監(jiān)測[14]。

浙江工業(yè)大學馬福軍對電梯群控系統(tǒng)作了較為深入的研究，包括電梯群控系統(tǒng)的硬件研究與設計、建立電梯群控系統(tǒng)數(shù)學模型的研究、電梯群控系統(tǒng)客流分析與群控系統(tǒng)交通模式識別的研究、電梯群控系統(tǒng)控制算法的研究等。通過對電梯群控系統(tǒng)全面深入的研究后，進行了電梯群控系統(tǒng)的仿真研究和開發(fā)，獲得了一個能提高服務效率、服務質(zhì)量的電梯群控系統(tǒng)[15]。

武漢理工大學在故障樹診斷法（圖1）的基礎上，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的電梯故障診斷策略[16]。該策略采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡推理策略的方法，建立了單故障診斷和復合診斷模型，并給出有權(quán)值訓練的變步長BP算法，將該故障診斷方法應用于電梯的故障診斷，建立了電梯故障診斷的專家系統(tǒng)。

圖1 電梯控制系統(tǒng)安全回路系統(tǒng)故障樹

1.2 起重機安全監(jiān)測現(xiàn)狀

目前國內(nèi)起重機械的安全保證仍然以維保單位的“定期保養(yǎng)，事后維修”和質(zhì)監(jiān)部門的定期驗證性監(jiān)督為主，缺乏大型起重機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預警技術(shù)，尚未對大型起重機運行安全問題采取更主動的、有針對性的措施，防止各類公共安全事故的發(fā)生。起重機安全評估和壽命預測已成為起重機新的研究趨勢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、人機交互系統(tǒng)、RBI風險評估技術(shù)、無損探傷技術(shù)目前在起重機安全評估研究中被廣泛應用。起重機事故的動態(tài)仿真技術(shù)將是今后起重機安全檢測、監(jiān)測工作中的一個重要途徑。

上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院在夾軌器抗風防滑能力試驗動態(tài)仿真方面有了初步進展，江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院在起重機復雜運行工況下的有限元模擬仿真技術(shù)方面取得了一定的成績，這為以后組建特種設備仿真與監(jiān)測實驗室，從設計的角度考慮檢測、監(jiān)測提供了一些參考[17]。無損檢測手段已廣泛應用于管道、壓力容器等的檢測，可推廣到起重機的安全評估和壽命預測，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)以及傳統(tǒng)的聲發(fā)射技術(shù)、電渦流技術(shù)等，尤其是無損檢測手段等在安全評估中的應用[18]。

中國特種設備檢測研究院ASHM實驗室丁克勤研究員等在國內(nèi)首先開展了起重機械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究，在基于光纖光柵傳感器的大型起重機械健康監(jiān)測技術(shù)、基于光纖聲發(fā)射傳感器的大型起重機械局部損傷監(jiān)測技術(shù)以及基于無線傳感節(jié)點的大型起重機械健康監(jiān)測技術(shù)研究等方面取得了階段性研究成果，部分研究成果已在現(xiàn)場進行應用試驗[19]。

基于光纖光柵傳感器的起重機機械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一項以起重金屬結(jié)構(gòu)為對象，應用新型的光纖光柵傳感器，對金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應力、應變、撓度等多項參數(shù)進行實時在線監(jiān)測的綜合技術(shù)，該技術(shù)主要包括：光纖傳感及解調(diào)技術(shù)、遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、損傷診斷技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)等。聲發(fā)射監(jiān)測是監(jiān)測結(jié)構(gòu)活性缺陷比較好的技術(shù)手段之一。然而，起重機械工作現(xiàn)場比較復雜，環(huán)境比較惡劣，傳統(tǒng)信號傳輸方法具有傳輸距離有限、信號易受干擾等缺點，給傳統(tǒng)的聲發(fā)射監(jiān)測帶來困難。

基于無線傳感網(wǎng)絡的應變監(jiān)測方法是采用無線傳感節(jié)點采集起重機械的鋼結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過結(jié)構(gòu)健康評估后，用戶可通過客戶端實現(xiàn)遠程訪問診斷結(jié)果。這樣就能在起重機械工作的同時實現(xiàn)對起重機械狀態(tài)的監(jiān)測，避免發(fā)生危險事故，保證設備及人身安全。

南京特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院丁樹慶等人開發(fā)了基于RFID技術(shù)的起重機械人機交互系統(tǒng)。圖2是其開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機人機互認及監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)圖，這套系統(tǒng)主要由射頻識別終端和管理終端2部分組成。識別終端由人員識別射頻卡、射頻讀卡器、無線發(fā)射模塊、行車控制裝置4部分組成。通過RFID射頻識別卡存儲作業(yè)人員信息，實現(xiàn)作業(yè)人員身份認證管理；經(jīng)無線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過遠程下載可解鎖運行起重機的作業(yè)人員信息[20]。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機人機互認及監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

2 特種機電設備風險管理理念與現(xiàn)狀

在特種機電設備風險管理方面，歐美國家起步較早，特種設備風險評估體系的建立也比較完善。例如在歐盟的塞維索指令（Seveso Directive）中明確規(guī)定，凡是擁有重大危險裝置的企業(yè)，向政府部門提交安全報告時，必須運用定量風險評估技術(shù)對所擁有的特種設備進行風險評估。歐洲的很多國家甚至給出了詳盡的風險評估方案及評估內(nèi)容規(guī)定。

我國在特種機電設備風險管理方面起步較晚，其體系建立發(fā)展也相對緩慢，致使我國對整個體系的認識還處于初級階段。但隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和特種設備的廣泛使用，特種機電設備風險管理體系也在快速的建立和完善中。

目前，風險管理體系在鍋爐、壓力管道等承壓設備中的應用較為成熟，但在特種機電設備中的應用體系有待形成。

華南理工大學陳國華教授等在遵循科學性、可操作性、全面性和可發(fā)展性原則的基礎上，應用了安全系統(tǒng)工程、風險工程學基本原理，提出并且構(gòu)建了包含有風險監(jiān)管體系、監(jiān)測預警體系、應急管理體系以及事后處置體系等在內(nèi)的特種設備風險管理體系。從組織機構(gòu)、運行機制、法律規(guī)章、關(guān)鍵技術(shù)4個方面對特種設備風險管理所面臨的關(guān)鍵問題進行探究[21]。

四川省特種設備檢驗研究院樊曉松等人提出了基于RBI技術(shù)的特種設備風險評估檢驗。通過對系統(tǒng)中固有的或潛在的危險及其后果進行定性或定量的分析、評估，發(fā)現(xiàn)主要問題和薄弱環(huán)節(jié)，確定設備風險等級，從安全性與經(jīng)濟性相統(tǒng)一的角度，對檢驗頻率、檢驗程度進行優(yōu)化，使設備的檢驗和管理行為更加經(jīng)濟、安全、有效[22]。

3 基于監(jiān)測的管理和評價體系

廣州市特種機電設備研究院在特種機電設備監(jiān)測管理和評價上開展得較早。該院從2000年開始，研制推出了垂直電梯的運行記錄儀，可以獲得電梯各個開關(guān)動作的狀態(tài)信號，同時結(jié)合一定的邏輯處理，可判斷出電梯是否處于正常狀態(tài)。當發(fā)生垂直電梯的運行故障時，可以通過無線報警形式，通知維保單位進行應急救援，較好地實現(xiàn)了電梯的監(jiān)管[23-24]。

圍繞我國大型起重機共性、緊迫的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預警基礎技術(shù)問題，從深度挖掘起重機械結(jié)構(gòu)在整機運行過程中關(guān)鍵參數(shù)入手，廣州市特種機電設備研究院開發(fā)了一套可適用于強風雨、雷電、粉塵等惡劣環(huán)境下的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預警系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測起重機械金屬結(jié)構(gòu)在整機運行的情況，并針對起重機械可能的安全隱患提出預警。這套系統(tǒng)采用基于現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡（GPRS /3G）的分布式測量技術(shù)，通過應力、應變及溫度數(shù)據(jù)采集和特征提取，實現(xiàn)了起重機械全生命周期下的運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預測、管理評價等功能[25-26]。

4 小結(jié)與展望

隨著社會的進步，人們對特種機電設備安全運行提出了更高、更嚴格的要求，特種設備的安全保障已不局限于常規(guī)的安全檢測、監(jiān)測；健全完善機電設備管理體系和安全工作機制，提高對設備安全管理工作重要性的認識，提高技術(shù)人員的業(yè)務水平和加大隱患排查工作力度，可確保設備安全可靠運行。

圍繞“十二五”期間全國特種設備科技工作的重點方向和研究任務，以下研究課題可供參考[27]：

1) 開展適應特種設備發(fā)展和使用需要的基于風險的檢驗、安全評價和壽命評估技術(shù)研究。研究對象包括大型成套設備、電梯、起重機、游樂設施、客運索道和場（廠）內(nèi)專用機動車輛等。重點研究任務為：① 大型成套設備基于風險的預知檢測和安全評價管理技術(shù)研究；② 電梯基于風險的檢驗和安全狀況綜合評價技術(shù)研究；③ 起重機械基于風險的檢驗、壽命評估和安全狀況綜合評價技術(shù)研究；④ 游樂設施基于風險的檢驗、壽命評估和安全狀況綜合評價技術(shù)研究；⑤ 客運索道基于風險的檢驗和安全狀況綜合評價技術(shù)研究；⑥ 場（廠）內(nèi)專用機動車輛基于風險的檢驗和安全狀況綜合評價技術(shù)研究。

2) 開展適應特種設備安全檢測監(jiān)測需要的現(xiàn)代檢測監(jiān)測技術(shù)研究、標準制定和設備研制課題。重點研究任務為：① 基于電磁（渦流、漏磁、磁記憶、電磁超聲、電磁感應）技術(shù)原理的非接觸快速檢測技術(shù)研究、標準制定和設備研制；② 基于聲（超聲、聲發(fā)射、導波、聲-超聲）技術(shù)原理的自動快速檢測技術(shù)研究、標準制定和設備研制；③ 基于數(shù)字射線、紅外、光和電等新的檢測監(jiān)測技術(shù)研究、標準制定和設備研制；④ 大型游樂設施、電梯、客運索道等機電類特種設備運行狀態(tài)安全監(jiān)測與診斷技術(shù)研究與設備研制。

3) 開展適應特種設備事故特點和搶險救援需要的應急救援技術(shù)研究和裝備研制課題。重點研究任務為：① 特種設備應急技術(shù)平臺的研究與建立；② 帶壓密封技術(shù)的研究開發(fā)；③ 應急救援和保護裝置研究開發(fā)；④ 應急預案編制的研究。

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王新華，男，1980年生，博士，江西人，主要從事特種設備安全與節(jié)能技術(shù)研究。

黃國健，男，1981年生，工學博士，博士，主要從事特種機電設備主金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，智能傳感技術(shù)及應用。E-mail: guojian.huang@qq.com

Development of Special Mechanical and Electrical Equipment Safety Testing, Monitoring and Risk Management

Wang Xinhua1Yang Zhaohan2Huang Guojian1Liu Jin1Wang Donghui1
(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Harbin Engineering University)

Along with social progress, the special electromechanical equipments are no longer confined to routine safety testing or condition monitoring. This paper focuses on the special electromechanical equipment safety detection, monitoring development status, special mechanical and electrical equipment risk management philosophy and status, as well as management-based monitoring and evaluation system development. The paper points out equipment management awareness of the importance to improve the level of business and technical personnel to increase troubleshooting efforts to ensure safe and reliable operation of special equipment.

Special Mechanical and Electrical Equipment; Safety Testing; Condition Monitoring; Risk Management