許 晶，劉 義，張 毅，趙文芳

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島 266071)(2.中國石油大學(華東)，山東青島 266580)

基于HAZOP的應(yīng)急指導系統(tǒng)研究與開發(fā)

許 晶1，劉 義2，張 毅1，趙文芳1

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島266071)(2.中國石油大學(華東)，山東青島266580)

基于HAZOP分析成果，構(gòu)建石油化工行業(yè)HAZOP風險數(shù)據(jù)庫，以HAZOP風險數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，開發(fā)應(yīng)急指導系統(tǒng)，從而實現(xiàn)智能查詢、管理、更新等功能，同時利用HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)與DCS接口，在不影響中控室DCS系統(tǒng)正常運行的情況下，以報警狀態(tài)下的DCS信號來觸發(fā)HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)并訪問數(shù)據(jù)庫，實時獲取生產(chǎn)裝置非正常工況下的運行指導和解決方案，有效地提高企業(yè)的工藝安全管理水平，使HAZOP分析成果的價值最大化、信息化，并能實現(xiàn)經(jīng)驗共享。

HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 非正常工況

HAZOP分析方法可有效地對裝置工藝流程、系統(tǒng)單元進行危險辨識與分析，其應(yīng)用范圍廣泛，適用于裝置、設(shè)備生命周期始終。經(jīng)過HAZOP分析后，提出建議措施并形成紙質(zhì)報告，督促企業(yè)整改落實，HAZOP分析成果可以用來對新員工、操作人員、管理者等進行培訓，對于指導裝置安全生產(chǎn)運行具有重要意義。但目前各企業(yè)均以紙介質(zhì)的形式保存HAZOP分析報告，既不便于現(xiàn)場操作人員進行查詢，又不利于為現(xiàn)場人員在應(yīng)急處置時提供實時的幫助。此外，在實際生產(chǎn)過程中裝置出現(xiàn)變更等問題，紙質(zhì)的HAZOP報告也不便于對其進行修改，目標裝置HAZOP分析的后續(xù)適用性和準確性將大大降低。而且生產(chǎn)過程中非正常工況的出現(xiàn)往往帶有很強的不可預(yù)見性和危險性，在這些非正常工況即將出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)后，如何迅速地做出決策，在事故發(fā)生前及時遏制住參數(shù)的偏離，或者在事故發(fā)生時盡量減少破壞及傷亡，備受各生產(chǎn)企業(yè)的重點關(guān)注，亟待研究和解決[1]。所以，基于HAZOP分析成果，構(gòu)建石油化工行業(yè)HAZOP風險數(shù)據(jù)庫，以HAZOP風險數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，開發(fā)應(yīng)急指導系統(tǒng)，從而實現(xiàn)智能查詢、管理、更新等功能，實現(xiàn)為企業(yè)現(xiàn)場處置人員在及時選擇應(yīng)急手段和處理辦法提供幫助，同時將HAZOP分析成果價值最大化，其意義十分重要。借助高科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，急需將HAZOP技術(shù)與自動化技術(shù)相結(jié)合，跟上國際的研究步伐[2]。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

基于HAZOP的應(yīng)急指導系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)(簡稱C/S結(jié)構(gòu))，前者代表客戶機，后者代表服務(wù)器，客戶機是中間的橋梁，負責系統(tǒng)用戶與后臺服務(wù)器的信息傳遞，服務(wù)器相當于后臺處理器，收到來自Client的請求后，迅速做出反應(yīng)，然后將結(jié)果傳遞給Client[3]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Client/Server(客戶機/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)

應(yīng)急指導系統(tǒng)整個框架從技術(shù)上呈現(xiàn)4層結(jié)構(gòu)：分別是前臺展示層、中間業(yè)務(wù)層、輔助工具層以及后臺數(shù)據(jù)操作層，層級結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

前臺展示層包括系統(tǒng)前臺界面模塊，實現(xiàn)輸入及輸出，主要提供系統(tǒng)各功能與前臺用戶的人機交互界面，負責提供HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)的用戶接口，包括用戶身份驗證、用戶上傳案例、管理案例庫的操作界面及案例搜索結(jié)果顯示界面，每一部分在輔助工具層都會對應(yīng)相應(yīng)的邏輯控制引擎；中間業(yè)務(wù)層實現(xiàn)HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，包括HAZOP分析結(jié)果的導入、HAZOP分析結(jié)果檢索以及DCS系統(tǒng)接口模塊；輔助工具層為業(yè)務(wù)層提供公用的支撐模塊，包括用戶管理、系統(tǒng)維護、Database連接、日志等模塊。數(shù)據(jù)層是用來存放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的，包括數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)，提供系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、配置等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲服務(wù)，并集中管理這些數(shù)據(jù)，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)該功能，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的完整性及安全性[4]。

2 系統(tǒng)功能模塊

通過前期大量調(diào)研及系統(tǒng)需求分析，基于HAZOP的應(yīng)急指導系統(tǒng)功能模塊設(shè)計包括人機交互界面子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)兩部分，如圖3所示。

圖3 HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)功能模塊

2.1 人機交互界面子系統(tǒng)

a)用戶登錄模塊：對需要登錄的用戶名進行驗證，為不同身份的用戶分配不同的訪問權(quán)限[5]。只有成功登錄到應(yīng)急指導系統(tǒng)才可以進行后續(xù)的使用，實現(xiàn)與后臺數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的成功連接，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

b)案例上傳模塊：該模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的基礎(chǔ)，即將應(yīng)急指導系統(tǒng)所需資料通過該模塊上傳至數(shù)據(jù)庫，包括大量Excel格式的HAZOP分析結(jié)果，PID圖、裝置信息、word格式的操作規(guī)程等等，通過該模塊添加上述資料并進行管理，以方便用戶查找調(diào)閱。

c)案例管理模塊：該模塊是根據(jù)用戶的需求對原有的案例進行管理，如添加、修改和刪除功能等，從而使應(yīng)急指導系統(tǒng)保持知識結(jié)構(gòu)的準確性。同時擁有強大的案例推理引擎，在實現(xiàn)查詢功能時可以使系統(tǒng)具備強大的智能檢索和信息匹配能力，能保證推理時可以快速、準確、高效地獲取案例。

d)應(yīng)急指導模塊：當現(xiàn)場某一工藝參數(shù)出現(xiàn)偏差，導致化工生產(chǎn)過程進入非正常工況時，調(diào)用該模塊獲取此偏差的HAZOP分析成果，迅速讓現(xiàn)場技術(shù)人員分析選定發(fā)生工藝參數(shù)偏離的可能原因、后果、嚴重度、保護措施，以及應(yīng)急處理辦法等，使現(xiàn)場人員能在最短的時間里判斷出阻止事故進一步發(fā)生的手段，立即采取措施進行阻斷，將偏離的參數(shù)逐步恢復，輔助現(xiàn)場人員進行正確的決策、迅速的處理，預(yù)防事故的發(fā)生并將損失減到最小[6]。

e)系統(tǒng)維護模塊：該模塊包括用戶管理、密碼修改、配置數(shù)據(jù)庫連接信息等。

2.2 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫是基于HAZOP的應(yīng)急指導系統(tǒng)所需信息的承載體，是電子化信息資料的“檔案柜”，對于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)發(fā)揮著不可替代的作用，根據(jù)需要合理的組織系統(tǒng)功能所需的案例信息，進而滿足用戶對信息的處理要求[7]。

a)裝置類型庫模塊：按照不同公司、不同裝置進行分類，方便后續(xù)使用時進行查詢。

b)操作規(guī)程庫模塊：存放各個企業(yè)各個裝置的操作規(guī)程等信息，便于查詢、培訓及指導工作。

c)PID圖庫模塊：HAZOP分析時所需要的圖紙經(jīng)過節(jié)點的劃分，清晰地標于圖中并導入應(yīng)急指導系統(tǒng)，便于日后查詢及在線提供指導。

d)HAZOP分析成果庫模塊：該模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，存放不同企業(yè)不同裝置的HAZOP分析結(jié)果，保存于經(jīng)過設(shè)計的數(shù)據(jù)庫表中并可以實現(xiàn)自動分類，方便查詢及檢索。

3 實例應(yīng)用

某丙烯腈裝置投產(chǎn)于1995年，采用BP國際化學公司的丙烯、氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈工藝技術(shù)，原設(shè)計生產(chǎn)能力為50 000 t/a丙烯腈，后改造為80 000 t/a丙烯腈，裝置主要包括原料蒸發(fā)系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、急冷塔系統(tǒng)、乙腈塔、脫氫氰酸塔、成品塔、回收塔等等，主要產(chǎn)物為丙烯腈，其他產(chǎn)品有HCN、粗乙腈、稀硫銨液。

3.1 離線應(yīng)急指導功能的實現(xiàn)

對丙烯腈裝置開展HAZOP分析工作，將PID圖、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案、HAZOP分析結(jié)果上傳至應(yīng)急指導系統(tǒng)，隨著案例的上傳，應(yīng)急指導系統(tǒng)會自動將復雜的HAZOP分析結(jié)果按照不同公司、不同裝置以及不同參數(shù)、不同引導詞等信息進行歸類，用戶使用該應(yīng)急指導系統(tǒng)時，首先點擊菜單案例查詢，選擇查詢HAZOP分析成果，在條件檢索中可以通過點擊每個類別的下拉菜單選擇公司信息、裝置信息、不同的參數(shù)，如溫度變量、壓力變量、液位變量、流量變量等，選擇相應(yīng)的引導詞；每個條件的組合都可以進行查詢，通過組合可以查到不同權(quán)限不同范圍的結(jié)果，如表1所示，及時獲取該偏差的非正常工況的原因、后果和安全措施，以及現(xiàn)有的安全措施和防范建議。

表1 不同條件組合檢索結(jié)果

3.2 在線應(yīng)急指導功能的實現(xiàn)

HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)提供了基于OPC的接口與現(xiàn)場DCS相連，通過搭建合理的現(xiàn)場通訊測試環(huán)境，進行現(xiàn)場DCS系統(tǒng)與應(yīng)急指導系統(tǒng)的連接。為了不影響生產(chǎn)控制系統(tǒng)的工作，HAZOP專家系統(tǒng)的服務(wù)器、工作站與OPC Server單獨組網(wǎng)，HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)通過橫河OPC Server采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)在該裝置的在線應(yīng)用，試運行效果顯著，系統(tǒng)總體運行情況良好。當工藝流程中發(fā)生了某些參數(shù)的偏離達到了一定的界定值時，信號可以觸發(fā)該HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)進行驗證，并訪問應(yīng)急指導系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。當工藝過程中的工藝參數(shù)發(fā)生偏離，即產(chǎn)生偏差時，及時獲取該偏差的原因、后果以及現(xiàn)有的安全措施和防范建議，從而達到事故預(yù)防的目的。

4 結(jié)語

針對HAZOP成果后續(xù)應(yīng)用存在的不便于現(xiàn)場操作人員進行查詢、也不能在應(yīng)急處置時提供幫助等問題，設(shè)計并開發(fā)出了基于HAZOP的應(yīng)急指導系統(tǒng)，設(shè)計的前臺界面可以實現(xiàn)對HAZOP分析成果一鍵上傳、智能檢索、更新、管理等功能，并利用HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS接口，在不影響中控室DCS系統(tǒng)正常運行的情況下，從中控室獲取到DCS的報警信號，該信號會觸發(fā)HAZOP應(yīng)急指導系統(tǒng)進行驗證，驗證成功便會迅速訪問HAZOP分析成果的數(shù)據(jù)庫。通過設(shè)定的推理機制，智能提取到相應(yīng)偏差的原因、后果、應(yīng)急措施等信息，達到利用已有的專家知識解決遇到的問題的目的，使HAZOP成果與實際工藝流程進一步結(jié)合，大大增加HAZOP成果的實用性功能。

[1] 郭泳亨, 盧興華, 劉云. 基于案例庫的應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研究[J]. 微計算機信息, 2006(08X):148-150.

[2] 梁繼. 基于Petri網(wǎng)模型的化工HAZOP分析專家系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].北京：北京化工大學, 2007.

[3] 李瀟. 采用CBR進行計算機輔助HAZOP方法的研究[D].北京：北京化工大學, 2009.

[4] 劉秋香, 張永勝. Visual C# 下利用 ADO. NET 訪問 SQL Server 技術(shù)[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2013(11):66-69.

[5] 朱倩. 實驗報告管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].西安：電子科技大學,2009.

[6] 馮堅. 基于案例的化工過程事故預(yù)防信息系統(tǒng)研究[D].北京：北京化工大學, 2010.

[7] 楊曉光,陳偉衛(wèi),崔艷清.大型應(yīng)用項目中數(shù)據(jù)庫設(shè)計模式的探研[J].商場現(xiàn)代化,2008,536:35.

TheResearchandDevelopmentofEmergencyGuidanceSystemBasedonHAZOP

Xu Jing1, Liu Yi2, Zhang Yi1，Zhao Wenfang1

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong Qingdao, 2660712.China University of Petroleum (East China), Shandong, Qingdao, 266580)

Based on the results of HAZOP analysis, build petrochemical industry HAZOP risk database. The emergency guidance system which can realize functions of intelligent query, management, update based on it. At the same time, using the HAZOP emergency guidance system and DCS interface, without affecting the normal operation of the DCS system in the control room, if the DCS system send out the alarm signal, the signal triggers the HAZOP emergency guidance system and database access, real-time access to the operation guidance and solutions for equipment in abnormal conditions. The system will provide efficient technical support for process safety management which can maximize the value of the results of HAZOP and realize the sharing of experiences.

HAZOP; emergency guidance system; database; abnormal conditions

2015-10-20

許晶，助理工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學(華東)安全工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油化工企業(yè)風險評估工作。