涂善東

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

?

安全4.0：過(guò)程工業(yè)裝置安全技術(shù)展望

涂善東

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

摘要：人類(lèi)筑城而居，物質(zhì)與文化得以快速提升，但也伴之以火災(zāi)等事故。進(jìn)入工業(yè)文明以后，蒸汽機(jī)的發(fā)明、電力的應(yīng)用使工業(yè)系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，局部的失效便可能導(dǎo)致系統(tǒng)損壞和整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中斷。20世紀(jì)能源危機(jī)的出現(xiàn)，導(dǎo)致工業(yè)裝置向著更高的操作參數(shù)和更大的規(guī)模發(fā)展以提高能源與生產(chǎn)效率，這使得工業(yè)安全事故更具有突發(fā)性、災(zāi)難性、中斷性以及社會(huì)性。安全已成為人們安逸、詩(shī)意生活的首要考慮。本文回顧了人類(lèi)文明發(fā)展過(guò)程中安全技術(shù)的演進(jìn)，提出與工業(yè)4.0適配的安全4.0的概念。它以全壽命過(guò)程安全保障為目標(biāo)，包括安全（健康）監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、智能安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)等主要內(nèi)容。同時(shí)對(duì)目前成功的工業(yè)案例和研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，提出了實(shí)施安全4.0今后應(yīng)重點(diǎn)解決的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：安全；人因失效；監(jiān)測(cè)；智能化；互聯(lián)網(wǎng)+；過(guò)程工業(yè)；能源工業(yè)

作者：涂善東（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者，研究領(lǐng)域?yàn)楦邷丨h(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論與壽命預(yù)測(cè)技術(shù)、微（?。┗C(jī)械系統(tǒng)（MCMS）、先進(jìn)能源材料與裝備、倡導(dǎo)全面工程教育。E-mail sttu@ecust.edu.cn。

人類(lèi)創(chuàng)造的工程技術(shù)支撐了現(xiàn)代社會(huì)的物質(zhì)文明，也很大程度上支撐了人類(lèi)的精神文明，無(wú)論是發(fā)電、石油化工、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、高速列車(chē)與飛機(jī)等都已成為人們衣食住行不可或缺的支撐。它使人們有了更加美好的城市，也有了更加具有詩(shī)情畫(huà)意的宜居鄉(xiāng)村。

但是各種安全事故卻在不斷打破人們的夢(mèng)想。進(jìn)入21世紀(jì)以后的諸多事故讓人們記憶猶新。如2005年11月13日中國(guó)石油吉林石化苯胺裝置爆炸事故，6死20傷，數(shù)萬(wàn)人緊急疏散，松花江受到嚴(yán)重污染。2013年11月22日凌晨3點(diǎn)，位于青島黃島區(qū)的中國(guó)石化輸油儲(chǔ)運(yùn)公司濰坊分公司輸油管線破裂，事故共造成62人遇難，136人受傷，路面、海面大面積污染，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元（圖1）。

圖1 青島黃島區(qū)的地下輸油管線破裂事故及其造成的海面污染

再如，2014年8月1日凌晨，臺(tái)灣高雄市前鎮(zhèn)區(qū)地下管線發(fā)生連環(huán)石化氣爆炸事故，逾6公里長(zhǎng)的數(shù)條街道因驚人的爆炸而塌陷碎裂，造成32人死亡、280人受傷。2015年4月，漳州PX裝置管道破裂，發(fā)生漏油著火，引發(fā)4個(gè)油罐爆裂燃燒。事故后，古雷村成為“恐懼島”，4萬(wàn)居民整體搬遷。2015年8月12日深夜，位于天津?yàn)I海新區(qū)塘沽開(kāi)發(fā)區(qū)的一個(gè)危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)發(fā)生爆炸。爆炸的火光染紅了天津?yàn)I海的夜空，165人遇難8人失聯(lián)，數(shù)十米高的蘑菇云成為人們心中無(wú)法磨滅的印記。核電給人們帶來(lái)了清潔的能源，但是同樣帶來(lái)了安全威脅。在人們還未完全擺脫美國(guó)三里島、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電事故的陰影時(shí)，2011年3月11日，里氏9.0級(jí)地震導(dǎo)致日本東京電力公司福島縣兩座核電站反應(yīng)堆發(fā)生故障，以致3個(gè)機(jī)組堆芯發(fā)生不同程度的熔化，造成放射性污染物大面積泄漏，核電站附近輻射超標(biāo)6600倍，福島一號(hào)核電站全部永久報(bào)廢。迄今，核反應(yīng)堆堆芯融化事故概率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人們?cè)瓉?lái)估計(jì)的<105堆年（目前已運(yùn)行約14000多堆年）。

這些安全事故損失巨大，直接影響社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，乃至人們的健康與福利，因此可以認(rèn)為，安全是人類(lèi)社會(huì)和諧與可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。時(shí)下正值廣泛熱議的工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025、智能制造等重大議題成為熱點(diǎn)[1-2]。安全問(wèn)題固然重要，或被認(rèn)為隱含其中，但卻很少作為熱點(diǎn)議題。實(shí)際上，在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，人類(lèi)進(jìn)入高度文明之階段，人的生命與健康尤為寶貴，任何工程項(xiàng)目的建設(shè)與高新技術(shù)的發(fā)展都必須以安全為先決條件。為此，本文回顧人類(lèi)文明發(fā)展過(guò)程中安全技術(shù)的演進(jìn)，提出安全4.0的理念，并對(duì)相關(guān)支撐技術(shù)進(jìn)行了討論與展望。

1　安全技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程

古代人類(lèi)筑城而居，小作坊生產(chǎn)和商業(yè)流通促進(jìn)了物質(zhì)與文化的提升，但用火安全問(wèn)題也成為人類(lèi)城鎮(zhèn)化居住的威脅。羅馬帝國(guó)在幾次重大火災(zāi)事故中幾乎毀于一旦。于是在公元6年Augustus大帝決定設(shè)立消防部門(mén)（Vigiles），由奴隸組成，服役6年可成為自由公民[3]。在此后的1800多年，人們應(yīng)對(duì)事故基本上都是被動(dòng)響應(yīng)的。1759年英國(guó)人瓦特對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了關(guān)鍵改進(jìn)，效率成倍提高，由此引發(fā)了工業(yè)革命[4]。為了得到更大的動(dòng)力，人們進(jìn)一步提升工作溫度，以獲得更高的壓力及更快的速度。但是，由于鍋爐的設(shè)計(jì)制造主要依靠經(jīng)驗(yàn)，溫度壓力又難以控制，這時(shí)候工業(yè)事故的破壞性逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。在這一漫長(zhǎng)的時(shí)期，人們對(duì)事故都缺乏預(yù)知能力，事故處理是被動(dòng)的、后驗(yàn)的，事故救援主要依靠人力，設(shè)計(jì)建造依靠經(jīng)驗(yàn)，這一時(shí)期不妨將稱之為安全1.0時(shí)代。

對(duì)高效率、高溫與高壓追求的結(jié)果，導(dǎo)致了大量鍋爐爆炸事故的發(fā)生，在19世紀(jì)下半葉，英、美發(fā)達(dá)國(guó)家平均每天就有一起鍋爐爆炸事故，如1865 年4月17日美國(guó)Sultana輪船蒸汽鍋爐爆炸導(dǎo)致1800余人喪生[5]。為此，要有效控制鍋爐超壓，關(guān)鍵要知道鍋爐內(nèi)壓。這要?dú)w功于法國(guó)工程師BOURDON在1849年的發(fā)明的壓力表，人們根據(jù)壓力表的指示，可以手動(dòng)調(diào)整鍋爐的燃燒以控制內(nèi)部壓力[6]，此外，安全閥的發(fā)明及其在工業(yè)中的應(yīng)用也較好地抑制了鍋爐的超壓爆炸。進(jìn)而在20世紀(jì)，經(jīng)典的反饋控制回路系統(tǒng)得到應(yīng)用，進(jìn)一步減少了事故發(fā)生。同一時(shí)期，經(jīng)典強(qiáng)度理論逐漸得以建立，TRESCA、MISES等提出的破壞準(zhǔn)則，使人們可以應(yīng)用線彈性理論計(jì)算出符合強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)尺寸。不同的行業(yè)學(xué)會(huì)紛紛制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化了對(duì)安全生產(chǎn)的要求，如：美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)在1914年頒布了第1版的鍋爐與壓力容器規(guī)范[7]，在設(shè)計(jì)、制造、使用等環(huán)節(jié)均加強(qiáng)了管理。事故發(fā)生的態(tài)勢(shì)逐漸得到較好的抑制，如圖2所示。從1850年到1950年的100年，大體上這一時(shí)期可以稱作安全2.0時(shí)代，其特征是壓力表等一次儀表的發(fā)明與應(yīng)用，機(jī)器工作參數(shù)的人工調(diào)節(jié)或機(jī)械調(diào)節(jié)與控制，以及經(jīng)典強(qiáng)度理論的初步應(yīng)用。

圖2 1880—1990年間美國(guó)鍋爐爆炸事故歷年變化

1950年以后，戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)裝置向著高參數(shù)、大型化方向不斷發(fā)展，在重大裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要?dú)w功于現(xiàn)代強(qiáng)度理論的發(fā)展；在1960年以后，歐文等創(chuàng)立了斷裂理論，促使結(jié)構(gòu)安全評(píng)定形成了規(guī)范[8]；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算力學(xué)方向的形成，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的分析計(jì)算[9]。同時(shí)，自動(dòng)化儀器儀表得以快速發(fā)展，各類(lèi)傳感器得到廣泛應(yīng)用，控制理論與數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展也極大地提升了安全控制的水平。進(jìn)而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理在企業(yè)得以實(shí)施應(yīng)用，進(jìn)一步保障了工業(yè)裝置的安全，使得事故率大幅度下降[10]。圖3是進(jìn)入21世紀(jì)以后我國(guó)鍋爐壓力容器每萬(wàn)臺(tái)套事故率下降的情況，在政府、企業(yè)、高校以及研究院所的共同努力下，近年來(lái)，我國(guó)鍋爐壓力容器的事故發(fā)生率已與發(fā)達(dá)國(guó)家水平相當(dāng)。為此，可以將1950年以來(lái)到現(xiàn)在，看作是安全3.0的時(shí)代，其特征是現(xiàn)代強(qiáng)度理論的支持、先進(jìn)自動(dòng)化儀器儀表的應(yīng)用、數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化控制，以及安全管理水平的整體提升。

圖3 2001—2014年間中國(guó)承壓設(shè)備事故率歷年變化

2　安全4.0：互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的工業(yè)安全

分析近年所發(fā)生的事故可以知道，雖然事故的數(shù)量減少了，但是由于裝置規(guī)模和運(yùn)行參數(shù)的提高，使得事故更具有災(zāi)難性、中斷性以及社會(huì)性，諸如核電或化工領(lǐng)域的事故往往還會(huì)造成重大國(guó)際影響。由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前單純由技術(shù)問(wèn)題造成的事故已經(jīng)較少，而人的失誤所造成的事故卻成了主因，以承壓類(lèi)特種設(shè)備為例，我國(guó)在2005—2014年期間承壓類(lèi)特種設(shè)備事故953起，其中66%是由于違章操作、使用不當(dāng)乃至非法使用所造成的，81%均是由于人的操作、檢驗(yàn)和制造的錯(cuò)誤所造成的，如圖4所示。

圖4 2005—2014年期間我國(guó)承壓類(lèi)特種設(shè)備各類(lèi)事故及其所占比例

即便是嚴(yán)格按照規(guī)范的設(shè)計(jì)和制造，事實(shí)上也無(wú)法避免事故的發(fā)生。除了人因失效，還有人認(rèn)知的局限性問(wèn)題，如：在設(shè)計(jì)階段人們很難預(yù)知未來(lái)實(shí)際運(yùn)行狀況，比如服役時(shí)的載荷一般與設(shè)計(jì)假定的載荷有差別，材料在實(shí)際服役過(guò)程中性能也會(huì)不斷發(fā)生劣化。遺憾的是，我國(guó)在這一方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累十分薄弱，更加難以預(yù)知裝置的風(fēng)險(xiǎn)與壽命。不少重大工程項(xiàng)目往往先上馬后開(kāi)展研究，因此存在安全隱患不言而喻。

正因?yàn)榇耍珜?dǎo)新的工業(yè)安全理念對(duì)我國(guó)尤其重要，其目的主要是彌補(bǔ)人的不可靠性和設(shè)計(jì)制造的先天不足。可能的解決方案是：安全監(jiān)控的智能化，也就是通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提升工廠對(duì)故障響應(yīng)的智能化水平，一旦出現(xiàn)危及安全的故障，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別、評(píng)價(jià)進(jìn)而采取響應(yīng)措施。在技術(shù)上大體應(yīng)包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）安全（健康）監(jiān)測(cè) 通過(guò)新一代的傳感技術(shù)，將溫度、壓力、濃度等間接信號(hào)的監(jiān)測(cè)變?yōu)閷?duì)結(jié)構(gòu)變形、損傷等安全直接相關(guān)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

（2）網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控 數(shù)據(jù)挖掘（將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯畔ⅲ诰W(wǎng)絡(luò)化傳輸基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能控制。

（3）智能安全評(píng)價(jià) 通過(guò)專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全評(píng)價(jià)的快捷化、智能化。

它們構(gòu)成了安全4.0的技術(shù)基礎(chǔ)。它以產(chǎn)品全壽命過(guò)程安全保障為目標(biāo)，以安全監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、智能安全評(píng)價(jià)3項(xiàng)技術(shù)作為支撐，在風(fēng)險(xiǎn)管理方面，通過(guò)對(duì)人因失效的研究提升風(fēng)險(xiǎn)管理的水平。

圖5總結(jié)了安全技術(shù)的發(fā)展歷程。人類(lèi)對(duì)事故由被動(dòng)響應(yīng)發(fā)展到主動(dòng)響應(yīng)與控制，歷經(jīng)了2000余年，現(xiàn)今借網(wǎng)絡(luò)化、智能化之優(yōu)勢(shì)，正在向安全4.0快速進(jìn)步！

近年來(lái)，許多企業(yè)和研究部門(mén)正致力實(shí)踐新一代安全理念。核電站安全之于人類(lèi)至關(guān)重大，先進(jìn)的傳感技術(shù)和智能安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)逐漸在新建的核電站中得到應(yīng)用[11]。如芬蘭核電站Olkiluoto三期工程，在核島上布置有超過(guò)500個(gè)振弦應(yīng)變計(jì)、力傳感器以及溫度和濕度傳感器，還有超過(guò)1500m分布式光纖應(yīng)變/溫度傳感器。這些傳感器每秒鐘產(chǎn)生一萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù)。AREVA公司的疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以據(jù)此快速進(jìn)行疲勞損傷狀態(tài)的評(píng)價(jià)。埋地和長(zhǎng)輸天然氣/輸油管道的安全監(jiān)測(cè)一直是個(gè)難題，我國(guó)已發(fā)生多起災(zāi)難性事故。采用光纖傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合很好地解決了這樣一個(gè)難題[12]，美國(guó)、德國(guó)、加拿大等國(guó)家給埋地管線、長(zhǎng)輸管線，特別是處于地質(zhì)條件較差的管段，安裝了相應(yīng)的傳感器，基本上杜絕了重大的天然氣/輸油管道爆炸事故。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司一直致力發(fā)展引擎健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（engine health management，EHM）[13]。Rolls-Royce公司為了監(jiān)控Trent發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，通過(guò)布置在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上風(fēng)扇、壓縮機(jī)以及高、中低壓渦輪的約25個(gè)傳感器來(lái)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流動(dòng)和振動(dòng)水平。當(dāng)監(jiān)測(cè)到狀態(tài)異常時(shí)會(huì)隨時(shí)報(bào)告。維修人員通過(guò)EHM發(fā)現(xiàn)故障苗頭后可以及時(shí)處理故障，有效防止因拖延檢修而帶來(lái)的重大損失。

圖5 安全技術(shù)的發(fā)展歷程

近年來(lái)我國(guó)研究人員在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，針對(duì)極端環(huán)境下過(guò)程設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性也開(kāi)展了在線監(jiān)測(cè)的研究。其中高溫裝備的在線安全監(jiān)測(cè)最具挑戰(zhàn)性，在長(zhǎng)期高溫和應(yīng)力作用下，材料的顯微組織與力學(xué)性能都會(huì)緩慢地變化，最終在低應(yīng)力水平下便發(fā)生開(kāi)裂失效。在高溫環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形測(cè)量、信號(hào)傳輸及與安全性的關(guān)聯(lián)一直均沒(méi)有很好解決，特別是在苛刻環(huán)境下如何保證傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定與可靠地工作，是一項(xiàng)世界性難題。為此，針對(duì)超高溫環(huán)境（>600℃），發(fā)明了引伸式的高溫傳感裝置[14-15]，將苛刻溫度下的變形引伸至常溫區(qū)進(jìn)行測(cè)量。將核心技術(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為變形引伸至的精度，其長(zhǎng)時(shí)高溫工作的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)商用高溫應(yīng)變計(jì)，如圖6；針對(duì)高溫環(huán)境（300～600℃），基于光纖光柵傳感理論，結(jié)合磁控濺射和電鍍工藝，研發(fā)了新型耐高溫光纖光柵溫度/應(yīng)變傳感器，通過(guò)測(cè)量光柵的波長(zhǎng)偏移量，實(shí)現(xiàn)高溫下的溫度與變形監(jiān)測(cè)[16-17]。進(jìn)而研究了基于無(wú)線傳感技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方法、海量數(shù)據(jù)甄別、特征數(shù)據(jù)提取方法，開(kāi)發(fā)了高溫裝備安全與壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖7[18]，該系統(tǒng)可以將危險(xiǎn)信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)中心，并通過(guò)手機(jī)短信方式發(fā)布給設(shè)備管理工程師。所開(kāi)發(fā)的高溫裝備安全與壽命在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)在熱電、煉油、化肥等不同類(lèi)型企業(yè)示范應(yīng)用，表明傳感裝置可以在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，無(wú)線傳感技術(shù)的傳輸可靠，實(shí)時(shí)預(yù)警手段無(wú)誤操作。

圖6 引伸式的高溫傳感裝置與商用應(yīng)變計(jì)使用效果的比照（540°C）

圖7 高溫裝備安全與壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3　實(shí)踐新一代安全理念的技術(shù)途徑

現(xiàn)代過(guò)程與能源工業(yè)裝置的工況條件較之于其他工業(yè)領(lǐng)域要復(fù)雜得多，包括高溫、低溫、深冷，超高壓、高壓、中壓、低壓、真空，有劇毒、易燃、易爆、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，有汽液固三相之不同等。在這些苛刻條件下，事故的發(fā)生更具有災(zāi)難性、毀滅性，而其監(jiān)測(cè)監(jiān)控又常常受限于傳感技術(shù)手段。因此，過(guò)程與能源工業(yè)實(shí)施新一代的安全理念具有更加迫切的需求，同時(shí)也具有更大的挑戰(zhàn)性。我國(guó)經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放三十多年的建設(shè)，化工、石化以及能源工業(yè)得到了快速的發(fā)展，但是在安全科學(xué)技術(shù)的諸多方面均需要進(jìn)一步的夯實(shí)與完善。如：承壓設(shè)備全壽命周期風(fēng)險(xiǎn)防控體系，大型LNG儲(chǔ)存設(shè)施及地下儲(chǔ)氣庫(kù)事故防控，高硫、高酸原油加工過(guò)程腐蝕泄漏的預(yù)警，危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故防控技術(shù)，埋地管線、長(zhǎng)輸管道安全保障技術(shù)，粉塵爆炸防控技術(shù)，關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)，高溫高壓裝置的事故預(yù)測(cè)與預(yù)警，核電及能源裝置的老化管理，化工園區(qū)多災(zāi)種耦合風(fēng)險(xiǎn)控制等等，需要更多的研究投入。

但是，現(xiàn)有的安全科學(xué)技術(shù)還存在如下共性問(wèn)題。其一是不夠智慧，目前安全評(píng)價(jià)的科學(xué)基礎(chǔ)、安全相關(guān)材料數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)、事故案例庫(kù)與知識(shí)庫(kù)等不足以支持一個(gè)具有智能的安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)；其二是不夠精確，盡管可以采集大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但有效數(shù)據(jù)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)不多，主要是能在苛刻環(huán)境下工作的傳感器不多；其三是缺乏共享，企業(yè)間數(shù)據(jù)共享與安全均還需要進(jìn)一步研究落實(shí)，特別是與安全相關(guān)數(shù)據(jù)往往十分敏感。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文提出如下幾點(diǎn)對(duì)策。

（1）對(duì)策1：智能安全評(píng)價(jià)技術(shù) ①安全監(jiān)測(cè)-評(píng)價(jià)-控制一體化系統(tǒng)；②安全評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)與事故案例庫(kù)；③事故過(guò)程模擬與事故可能性預(yù)報(bào)技術(shù)；④復(fù)雜工況下災(zāi)害的多尺度演化機(jī)理和規(guī)律。

（2）對(duì)策2：安全（健康）監(jiān)測(cè)技術(shù) ①面向數(shù)據(jù)（監(jiān)測(cè)）的設(shè)計(jì)（design for data），在部件和系統(tǒng)層面形成相應(yīng)方法與標(biāo)準(zhǔn)；②極端環(huán)境條件下的傳感技術(shù)、傳感器的耐久性試驗(yàn)；③小尺寸、低功耗、便于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能傳感技術(shù)；④基于大數(shù)據(jù)的組合監(jiān)測(cè)策略；⑤數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性。

（3）對(duì)策3：互聯(lián)的診斷中心 ①促進(jìn)工業(yè)部門(mén)數(shù)據(jù)共享，建立相關(guān)協(xié)議；②建立一批開(kāi)發(fā)、互聯(lián)的工業(yè)裝備診療中心；③建立員工與公眾可以參與的開(kāi)放式安全監(jiān)測(cè)中心；

以上對(duì)策所涉及內(nèi)容或掛一漏萬(wàn)，需要不同領(lǐng)域的專家協(xié)同努力、深入研究。

4　結(jié) 語(yǔ)

過(guò)程與能源工業(yè)的裝置規(guī)模和運(yùn)行參數(shù)不斷提高，使得事故更具有災(zāi)難性、中斷性以及社會(huì)性，直接影響著社會(huì)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。過(guò)去三十多年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，重大裝置和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)日新月異，但是各種災(zāi)難性事故的發(fā)生也告誡人們安全是人類(lèi)社會(huì)和諧持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，必須作為社會(huì)發(fā)展的首要。為此，本文提出安全4.0，它以全壽命過(guò)程安全保障為目標(biāo)，以安全監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、智能安全評(píng)價(jià)3項(xiàng)技術(shù)作為支撐，在安全管理方面，通過(guò)控制人因失效致力提升風(fēng)險(xiǎn)管理水平，可以預(yù)期，它將成為工業(yè)4.0必不可少的伴侶。也期盼我國(guó)過(guò)程與能源工業(yè)領(lǐng)域踐行實(shí)施，以避免我國(guó)在經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的工業(yè)安全事故。

致謝：承蒙國(guó)家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局宋繼紅同志提供我國(guó)承壓設(shè)備事故情況，為本文觀點(diǎn)提供重要支持；加州大學(xué)伯克利分校David Sedlak教授贈(zèng)書(shū)Water 4.0啟發(fā)本文寫(xiě)作，成文過(guò)程中，徒蕓博士、楊雪晶博士等同事參與討論、提供資料，特致衷心謝忱。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] SENDLER U. Industrie 4.0[M]. Berlin/Heidelberg：Springer，2013.

[2] 國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì).《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖[M/OL]. 2015. [2016-02-20]. http:// www.miit.gov.cn/n973 401/n1234620/n1234621/c4391938/part/4391942.pdf.

[3] DANDO-COLLINS S. The great fire of Rome[M]. Boston：Da Capo Press，2010.

[4] SPENCE J，Nash D H. Milestones in pressure vessel technology[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2004，81（2）：89-118.

[5] ALLEN D H. Introduction to the mechanics of deformable solids：bars and beams[M]. New York：Springer，2013.

[6] HUNT L B. The history of pressure responsive elements[J]. Journal of Scientific Instruments，1944，21（3）：37-42.

[7] CANONICO D. The history of ASME's boiler and pressure vessel code[EB/OL]. [2016-02-20]. https://www.asme.org/engineeringtopics/articles/boilers/the-history-of-asmes-boiler-and-pressure.

[8] IRWIN G R. Linear fracture mechanics，fracture transition and fracture control[J]. Engineering Fracture Mechanics，1968，1：241-257.

[9] 陸明萬(wàn)，壽比南，楊國(guó)義. 壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法的進(jìn)展和評(píng)述[J]. 壓力容器，2009，26（10）：34-40.

[10] CHEN X D. Progress of chinese pressure vessel technology in the past decade[C]//Plenary Lecture Presented in 14th International Conference series on Pressure Vessel Technology，September 2015.

[11] COBLE J B，RAMUHALLI P，BOND L J，et al. Prognostics and health management in nuclear power plants：a review of technologies and applications[J]. PNNL-21515，Richland：Pacific Northwest National Laboratory，2012. DOI：10.2172/1047416.

[12] INAUDI D，GLISIC B. Long-range pipeline monitoring by distributed fiber optic sensing[J]. Journal of Pressure Vessel Technology：Transactions of the ASME，2009，132（1）：011701.

[13] VOLPONI A J. Gas turbine engine health management：past，present，and future trends[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2014，136（5）：051201.

[14] JIA J H，HU X Y，TU S T，et al. Test verification of an extensometer for deformation measurement of high temperature straight pipes[J]. Measurement，2012，45：1933-1936.

[15] HU X Y，JIA J H，TU S T，et al. Design and test of an extensometer for strain monitoring of high temperature pipelines[J]. Journal of Pressure Vessel Technology，2012，134：044501.

[16] TU Y，QI Y H，TU S T. Fabrication and thermal characteristics of multilayer metal-coated regenerated grating sensors for high-temperature sensing[J]. Smart Materials and Structures，2013，22（7）：075026.

[17] TU Y，TU S T. Fabrication and characterization of a metal-packaged regenerated fiber Bragg grating strain sensor for structural integrity monitoring of high-temperature components[J]. Smart Materials and Structures，2014，23（3）：035001.

[18] JIA J H，WANG N，TU S T，et al. Development of on-line monitoring systems for high temperature components in power plants[J]. Sensors，2013，13：15504-15512.

Safety 4.0：an outlook on safety technology for process installations

TU Shan-Tung
（Key Laboratory of Pressure Systems and Safety (MOE)，School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：Urbanism greatly enhanced the material aspects of living and the cultural aspects of city life accompanied with，however，the fire disasters in the ancient time of our human being. Entering the industrial civilization with the invention of steam engine and electrical power supply，the industrial systems became large and complex，in which a failure of a local component might cause a global damage and shutdown of the whole production process. The energy crisis in the last century called forth larger plant capacity and higher operation parameters in order to increase the energy and process efficiency，which led to the industrial accidents highly interruptive，greater risky and of significant social influence. Safety is thus a fundamental need of our human being to have an ease and poetic life. In retrospect，the paper reviews the evolution of safety technology during the history of human civilization. The concept of Safety 4.0 as an indispensable mate of Industry 4.0 is proposed，which aims the life cycle safety，including the safety (health) monitoring，smart network control and intelligent safety assessment. Some excellent industrial cases and research progresses are examined and discussed. Recommendations are made on the priority areas in science and technology for implementing Safety 4.0.

Key words：safety；human error；monitoring；intelligence；Internet+；process industry；energy industry

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 086

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）06–1646–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.005

收稿日期：2016-02-19；修改稿日期：2016-03-07。