侯夢曦,吳珊珊，王詩慧，黨亞固，吉 旭

(四川大學(xué)化工學(xué)院系統(tǒng)工程研究所，四川 成都 610065)

化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的支柱性行業(yè)，但化工產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)綠色與可持續(xù)發(fā)展已顯著受制于行業(yè)健康、安全、環(huán)境(HSE)狀況，頻發(fā)的環(huán)境污染、安全事故正成為掣肘整個行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性問題。

化工企業(yè)的高溫、高壓、有毒、腐蝕性強等特點決定了化工設(shè)備必須要有可靠的設(shè)計、嚴密的運行監(jiān)測、完備的安全保護裝置來保障設(shè)備的安全運行。過程裝置的可靠性直接影響了化工生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性，數(shù)據(jù)表明裝置故障和工藝異常引發(fā)的安全事故超事故總量60%，因此開發(fā)面向生產(chǎn)過程的在線危險源辨識和可操作性(可靠性)評價系統(tǒng)對提高行業(yè)健康、安全、環(huán)境(HSE)管理水平意義重大[1-2]。

與先進的工業(yè)化國家相比，我國HSE的咨詢服務(wù)技術(shù)水平還相對落后，已有軟件系統(tǒng)大多為單一離線的指標評價、流程審批、文件制度性系統(tǒng)，功能體系不夠完善，不能滿足企業(yè)的核心需要[3-4]?；SE軟件平臺和服務(wù)市場長期被國外如杜邦、拜耳等HSE專業(yè)服務(wù)部門壟斷[3-4]。

基于此，本研究致力于研發(fā)出基于過程行業(yè)HSE在線風(fēng)險評估與控制系統(tǒng)(Process Oriented Hazard and Operability Analysis,POHAZOP)，主要解決企業(yè)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的工藝和設(shè)備安全問題、人員職業(yè)健康問題及環(huán)境污染問題，使事故發(fā)生概率、工傷發(fā)生次數(shù)均遠低于工業(yè)平均值，達到國際優(yōu)秀水平，從而減少經(jīng)濟損失，為企業(yè)創(chuàng)造盈利。

1 核心技術(shù)研究

POHAZOP是以設(shè)備的維護管理和運行控制為基礎(chǔ)對HSE進行在線管理的平臺體系。該平臺以設(shè)備運行管理中的可靠性評價為基礎(chǔ)，融合HSE評估，以云計算為知識存儲、發(fā)布平臺，構(gòu)建以危險源辨識與可操作性評價為重點的HSE體系。系統(tǒng)核心技術(shù)架構(gòu)主要有以下幾個方面：

1.1 基于云計算的工業(yè)大數(shù)據(jù)

在大數(shù)據(jù)和人工智能背景下，為了實現(xiàn)對企業(yè)安全生產(chǎn)過程的動態(tài)化、可視化管理，逼近企業(yè)"本質(zhì)安全"，同時解決企業(yè)經(jīng)驗積累緩慢，資金投入巨大的難題，POHAZOP立足于工業(yè)大數(shù)據(jù)的云計算平臺，實現(xiàn)企業(yè)間甚至跨行業(yè)的HSE信息資源共享，為裝置提供在線的異常診斷和可操作性評價。POHAZOP利用海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將分析模型與云端數(shù)據(jù)庫內(nèi)所存儲的案例及規(guī)則進行關(guān)聯(lián)，從而將獲得企業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識進行存儲、表達與發(fā)布，從而為企業(yè)提供一種全新的生產(chǎn)安全管理平臺，快速地提升用戶企業(yè)的HSE管理水平[5-6]。

1.2 在線模擬技術(shù)

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的動態(tài)模擬技術(shù)是POHAZOP的核心技術(shù)之一。系統(tǒng)改變了以前只是以數(shù)據(jù)和指令進行交互的控制方式，把工廠實時數(shù)據(jù)與經(jīng)營目標關(guān)聯(lián)，通過動態(tài)過程模擬技術(shù)，使管理、工藝和操作人員能在一個統(tǒng)一的框架及相容的信息條件下進行工作。始終保證裝置在穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的水平上運行[7-8]。

POHZAOP根據(jù)化工生產(chǎn)過程的模型化、信息間接性和不完備性的特點，在過程實時數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立過程動態(tài)模擬模型，包括經(jīng)營管理、工藝、過程控制及操作的投入產(chǎn)出模型、穩(wěn)態(tài)工藝模型、過程動態(tài)模型等。

1.3 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)

POHZAOP改變了算法結(jié)構(gòu)單一的預(yù)測模型，將危險源辨識及可操作性分析有機結(jié)合，更好地滿足了化工生產(chǎn)過程"安、穩(wěn)、長、優(yōu)、滿"的核心運行要求[9-10]。

1.4 面向最優(yōu)化消缺方案的智能算法

POHZAOP是以 HSE 知識管理為核心的管控一體化系統(tǒng)。實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制危險源與安全可操作性評估、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計劃(EPR)的一體化集成，對安全與可靠性進行評價，使生產(chǎn)控制具備了自診斷式的應(yīng)急反饋能力。

POHZAOP不只關(guān)注化工過程系統(tǒng)的安全性，還兼顧其經(jīng)濟性。目前化工企業(yè)普遍面臨著設(shè)備可靠性需求與費用預(yù)算有限的矛盾，多數(shù)企業(yè)面對競爭壓力，為保證合同交貨期以及利潤最大化往往忽視安全投入，導(dǎo)致企業(yè)出現(xiàn)重大的經(jīng)營管理風(fēng)險。本系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和智能算法，建立裝置運行實時數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度及經(jīng)營目標的關(guān)聯(lián)模型，將安全風(fēng)險評估與過程技術(shù)經(jīng)濟評估相結(jié)合，實現(xiàn)化學(xué)安全管理從原來的設(shè)計集成靜態(tài)模式到知識集成的動態(tài)預(yù)制模式的轉(zhuǎn)換，從而在防控事故損失的基礎(chǔ)上保證企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于過程行業(yè)與離散制造業(yè)有不同的安全管理要求，因此POHZAOP的體系結(jié)構(gòu)有其顯著的特點，需涵蓋過程感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能評價、控制決策等過程，因此POHZAOP是基于企業(yè)現(xiàn)有的DCS、MES和ERP構(gòu)建出的系統(tǒng)，本系統(tǒng)有四個層級，自下而上依次是：感知層、監(jiān)控層、評價層、決策層[9]。

3 面向HSE的評價功能

面向HSE的評價功能是POHZAOP的關(guān)鍵，本系統(tǒng)包括了基礎(chǔ)信息管理、健康評價管理、安全評價管理和環(huán)境評價管理等四大部分。

3.1 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理包含了化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、設(shè)備基礎(chǔ)信息管理、HSE基礎(chǔ)信息管理、備品備件管理、供應(yīng)商管理等多個功能子窗口[8-9]。

化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理窗口如圖1所示，實現(xiàn)了對石油、化工企業(yè)的原料性質(zhì)進行了管理，在這個界面中可實現(xiàn)對化工原料的物性數(shù)據(jù)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)、安全技術(shù)說明書等實現(xiàn)增加、更改、刪除等功能，便于企業(yè)方便查找并了解原材料、中間產(chǎn)品、產(chǎn)品的基本特性以及發(fā)生突發(fā)狀況時的應(yīng)對措施。

3.2 職業(yè)衛(wèi)生評價管理

職業(yè)衛(wèi)生評價包括高溫作業(yè)評價、粉塵作業(yè)環(huán)境評價、噪聲作業(yè)評價、有毒作業(yè)評價四個評價窗口，操作方法如下所示。

在高溫作業(yè)評價窗口中選擇室內(nèi)或是室外作業(yè)，然后輸入自然濕球溫度、黑球溫度、干球溫度就可以計算WBGT指數(shù)(濕球黑球溫度)，然后根據(jù)作業(yè)時間及WBGT指數(shù)所在的范圍可以對高溫作業(yè)進行分級，評價出高溫所產(chǎn)生的危害[7，11-12]。

在粉塵作業(yè)環(huán)境評價窗口中輸入被測地點的實測濃度平均值及該類粉塵國家規(guī)定的最高容許濃度，計算出粉塵濃度的超標倍數(shù)，然后根據(jù)生產(chǎn)性粉塵中有害顆粒(如游離SiO2、煤粉顆粒、石棉等)含量及工人接觸粉塵時間的肺總通氣量即可以評價出被測地點的粉塵危害程度，為粉塵作業(yè)環(huán)境采取對策措施及安全防護用品提供依據(jù)[7-8，11-12]。

圖1化工基礎(chǔ)信息管理操作界面

Fig.1 Interface of chemical basic information management

在噪聲作業(yè)評價窗口中，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場噪聲探測設(shè)備測得的數(shù)據(jù)，考慮工人在噪聲環(huán)境滯留的時間，選擇被測地點的聲級及接觸噪聲時間，即可評價噪聲的危害，為噪聲工作環(huán)境采取安全對策措施和個體防護措施提供依據(jù)[7-8，11-12]。

在有毒作業(yè)評價窗口中，根據(jù)有毒有害物質(zhì)探測儀表測量的數(shù)據(jù)，輸入毒物實測濃度平均值及國家所規(guī)定的最高容許濃度，即可計算出毒物濃度的超標倍數(shù)，隨后結(jié)合工人在有毒作業(yè)環(huán)境滯留的時間，根據(jù)毒物的危害程度及有毒作業(yè)的勞動時間評價出毒物的危害程度，為有毒作業(yè)環(huán)境采取安全對策措施和個體防護措施提供依據(jù)[7-8，11-12]。

本文中只展示高溫作業(yè)評價界面見圖2所示。粉塵作業(yè)環(huán)境評價窗口、噪聲作業(yè)評價窗口及有毒作業(yè)評價窗口類似圖2。

職業(yè)衛(wèi)生環(huán)境是動態(tài)變化的，根據(jù)這個特征，應(yīng)設(shè)置定期收集各探測儀表測量的數(shù)據(jù)進行各種作業(yè)環(huán)境的危險評估，并針對危險性高的及時給出報警信號，以便安全管理人員早發(fā)現(xiàn)、早采取措施。

圖2高溫作業(yè)評價界面

Fig.2 Interface of high temperature operation evaluation

3.3 安全評價管理

安全評價主要采取定性、定量評價方法，如危險和可操作性研究、故障模式及影響分析、道化學(xué)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評價法等，重點對工業(yè)生產(chǎn)過程進行評價。同時，針對重大危險源的運行狀態(tài)及發(fā)生事故后的后果嚴重程度可進行評估，為企業(yè)制定應(yīng)急救援預(yù)案提供依據(jù)。道化學(xué)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評價法操作窗口如圖3所示[7-8，12-13]。

圖3 道化學(xué)安全措施補償系數(shù)界面

Fig.3 Interface of Dow chemical safety measures compensatory coefficient

3. 4 環(huán)境評價管理

環(huán)境評價包括對廢水、廢氣、廢渣排放量的核算，廢水排放量核算的窗口如圖4所示。在該窗口中可實現(xiàn)對廢水核算的查詢、新增、更改、保存、刪除等功能[7-8，14-15]。

圖4 廢水排放量核算界面

Fig.4 Interface of calculation ofwastewater emissions

4 結(jié)語與展望

POHZAOP基于過程行業(yè)知識體系架構(gòu)，運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能技術(shù)，建立裝置運行實時數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度及經(jīng)營計劃的關(guān)聯(lián)模型，將安全風(fēng)險管理與過程經(jīng)濟評價相結(jié)合，把HSE管理從制度保證的靜態(tài)模式轉(zhuǎn)換為知識集成的動態(tài)預(yù)制模式。POHZAOP基于云計算平臺解決知識學(xué)習(xí)與知識共享難題，提升資源配置效率，為廣大中小企業(yè)的HSE管理提供經(jīng)濟的、準確的、在線支持。

隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將分析模型與云計算數(shù)據(jù)庫內(nèi)所存儲的案例及規(guī)則進行關(guān)聯(lián)，從而將獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識進行存儲、表達與發(fā)布，進而讓信息在資源的使用度中得到大幅度提升，以保證知識能夠體現(xiàn)出其自身的商業(yè)價值。在較少費用的情況下，為企業(yè)提供一種全新的生產(chǎn)管理工具。