高玉坤,鄧 萌,秦挺鑫,閆 瑢,歐盛南,楊軼芙,張英華

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 礦山避險技術(shù)研究中心，北京 100083； 3.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191)

0 引言

高校實驗室儀器設(shè)備多樣、操作規(guī)范嚴(yán)格[1]，實驗過程涉及許多易燃易爆、有毒有害危險化學(xué)品、高溫高壓設(shè)備、壓力氣瓶等，因安全管理不規(guī)范、實驗人員誤操作、設(shè)備或材料存放不合理等因素，可能導(dǎo)致突發(fā)事件發(fā)生[2]，由于對救援場所實際情況掌握不準(zhǔn)確，往往導(dǎo)致應(yīng)急救援不到位，使事故后果擴大化。因此，準(zhǔn)確、快速地獲取災(zāi)情信息，實現(xiàn)快速響應(yīng)和緊急救援成為高效應(yīng)急救援的關(guān)鍵。現(xiàn)有高校應(yīng)急救援體系尚不完備，對現(xiàn)場信息采集和分析等缺少系統(tǒng)性研究。對典型場景中需采集的信息進行分析，用以指導(dǎo)應(yīng)急準(zhǔn)備、預(yù)警、響應(yīng)、恢復(fù)等各階段工作，有利于應(yīng)急管理工作科學(xué)高效地展開。

對信息進行分類編碼是解決系統(tǒng)建設(shè)中信息格式不統(tǒng)一、信息共享和交換困難等問題的重要途徑。在信息采集方面，對于自然災(zāi)害和事故災(zāi)難的災(zāi)后信息采集研究較多，部分學(xué)者致力于地震現(xiàn)場的災(zāi)情快速獲取和高危場合的火災(zāi)現(xiàn)場偵察研究[3]：謝慶明[4]、涂崖村[5]采用傳感器采集地震現(xiàn)場有毒氣體濃度以及建筑物破壞狀況等信息，經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)處理存儲后傳輸給救援指揮中心，救援指揮中心通過分析數(shù)據(jù)實施救援指揮策略;周崇波等[6]設(shè)計火災(zāi)現(xiàn)場多路數(shù)據(jù)采集和圖像無線傳輸系統(tǒng)；消防遠(yuǎn)程監(jiān)控物聯(lián)云、智慧消防平臺的建立，不僅為消防應(yīng)急決策提供信息化數(shù)據(jù)支持，還能最大限度地保障人民群眾生命財產(chǎn)安全[7-8]。

基于此，本文擬在統(tǒng)計分析實驗室事故基礎(chǔ)上，通過建立風(fēng)險信息分類編碼體系以提高信息處置能力，針對典型應(yīng)急場景，建立信息采集傳輸系統(tǒng)，確保事故發(fā)生時能快速獲取事故種類、數(shù)量、時間、地點、性質(zhì)、溫度、壓力、救援設(shè)備、救援力量等詳細(xì)信息，通過智能分析預(yù)測事故發(fā)展態(tài)勢，有效部署救援力量，統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)組織，科學(xué)高效地掌控實驗室安全事故局面。

1 實驗室事故統(tǒng)計與風(fēng)險因素分析

通過對2010—2020年國內(nèi)外典型高校實驗室事故進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，高校實驗室事故主要包括爆炸事故、火災(zāi)事故、中毒窒息事故、氣體泄漏事故4類[9]，爆炸與火災(zāi)事故是高校實驗室事故的主要形式。實驗室常用化學(xué)藥品、試劑和高壓鋼瓶、干燥箱等儀器設(shè)備[10]，具有易燃易爆特性，操作失誤可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等突發(fā)事件；回流、蒸餾、電解和萃取等需要明火或通電加熱的化學(xué)實驗等也存在一定安全隱患[11]；部分實驗需要在高速、超高電壓、超強磁場等環(huán)境下進行，操作不當(dāng)也有可能引發(fā)火災(zāi)；部分實驗會產(chǎn)生有毒有害氣體，若不及時進行處理，會對實驗室人員及儀器設(shè)備造成損害；機械實驗室的機床、刨床、銑床等有高旋轉(zhuǎn)、高重力沖壓的器械等同樣存在安全隱患。

實驗室事故多發(fā)環(huán)節(jié)為實驗材料、儀器設(shè)備的使用以及廢棄物的處理。實驗室事故發(fā)生主要原因包括操作人員不規(guī)范實驗操作、實驗室安全教育薄弱以及實驗室安全管理欠缺3個方面，對應(yīng)實驗室主要固有風(fēng)險信息包括樓宇建筑特性、消防應(yīng)急設(shè)施設(shè)備、安全管理，事態(tài)發(fā)展動態(tài)信息包括導(dǎo)致事故發(fā)生發(fā)展的危險源、實驗操作過程、人員受傷情況等。

2 實驗室主要風(fēng)險信息分類與編碼

風(fēng)險信息分為固有信息和動態(tài)信息2類。針對高校典型實驗室事故進行固有風(fēng)險信息采集、整理和分類，根據(jù)在應(yīng)急、快速反應(yīng)、現(xiàn)場緊急救援、決策指揮、搶險救災(zāi)等階段所需事故相關(guān)信息，確定分類體系內(nèi)容，如圖1所示。根據(jù)事故信息的加工程度，固有信息包括建筑基本信息、救援設(shè)備信息、內(nèi)部環(huán)境信息和其他信息4個方面，細(xì)分為建筑特性、防滅火設(shè)計、消防施救設(shè)施、安全疏散設(shè)施、應(yīng)急救援設(shè)備、其他設(shè)施設(shè)備、實驗室基本情況、安全管理情況、設(shè)備設(shè)施信息、應(yīng)急預(yù)案、事故案例、就近醫(yī)院、補充信息13個大類。

圖1 實驗室固有信息分類體系Fig.1 Classification system for inherent information of laboratories

通過對2010—2020年實驗室事故案例進行整理和分析，對高校典型實驗室事故發(fā)生時需獲得的動態(tài)風(fēng)險信息進行預(yù)梳理和分類，如圖2所示。動態(tài)信息分為事件描述信息、事故現(xiàn)場信息和其他信息3個方面，細(xì)分為實驗室爆炸、實驗室著火事件、實驗室中毒窒息、實驗室機械傷害、其他事件、實時環(huán)境信息、人員信息、疏散救援情況、其他信息9個大類。

圖2 實驗室動態(tài)信息分類體系Fig.2 Classification system for dynamic information of laboratories

通過對相關(guān)風(fēng)險信息進行分類編碼，實現(xiàn)日常維護管理、事故發(fā)生時信息快速采集和傳輸，用以指導(dǎo)應(yīng)急各階段工作，有助于實驗室應(yīng)急管理科學(xué)高效地展開。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將實驗室風(fēng)險信息按固有信息13大類和動態(tài)信息9大類進行分類與編碼[12-15]，建立規(guī)范化的信息編碼體系，為進一步完善固有信息數(shù)據(jù)庫、動態(tài)信息數(shù)據(jù)庫的日常維護管理，以及突發(fā)事件的信息快速采集和傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。本文著重對信息采集傳輸系統(tǒng)加以闡釋。

3 高校實驗室信息采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計和建立

信息采集傳輸系統(tǒng)是負(fù)責(zé)各類前端信息采集、通信傳輸以及數(shù)據(jù)存儲管理的軟件系統(tǒng)，主要基于救援現(xiàn)場風(fēng)險信息分類模型，針對不同事件類型,實現(xiàn)風(fēng)險信息、人員信息、裝備信息采集上報功能。

3.1 系統(tǒng)平臺任務(wù)需求分析

系統(tǒng)主要任務(wù)需求包括信息采集和信息傳輸2個方面，即利用相關(guān)應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備采集事故現(xiàn)場物理數(shù)據(jù)，配合應(yīng)急救援力量使用手機等終端二維碼小程序上報采集信息，將事故發(fā)生地采集的固有信息和動態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸?shù)皆品?wù)器，應(yīng)急指揮平臺綜合分析并研判事故發(fā)展情況，進行應(yīng)急調(diào)度，應(yīng)急隊伍通過系統(tǒng)實時反饋救援信息。信息采集傳輸系統(tǒng)任務(wù)需求如圖3所示。

圖3 信息采集傳輸系統(tǒng)任務(wù)需求Fig.3 Task requirements of information acquisition and transmission system

其中，固有信息數(shù)據(jù)庫需通過前期對固有信息的采集錄入和后期對固有信息數(shù)據(jù)庫的實時更新實現(xiàn)。事故現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)庫由事故現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和現(xiàn)場人員通過二維碼程序上報的事故數(shù)據(jù)2方面構(gòu)成。

使用完好性監(jiān)測算法，利用最小二乘構(gòu)建方程首先要判斷算法的可用性。本文選擇水平保護等級法來判斷RAIM算法是否可用。

根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)與范圍，業(yè)務(wù)層面上系統(tǒng)主要覆蓋的最終用戶包括救援現(xiàn)場的信息上報人員、現(xiàn)場應(yīng)急救援人員、應(yīng)急指揮人員和應(yīng)急專家；實際操作層面上系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理人員、現(xiàn)場信息上報人員、現(xiàn)場應(yīng)急救援人員、應(yīng)急指揮人員和應(yīng)急專家。

3.2 系統(tǒng)平臺功能框架

在充分梳理系統(tǒng)服務(wù)需求與流程基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)相關(guān)功能進行整體劃分與設(shè)計，提出以下6個模塊，如圖4所示。

圖4 信息采集傳輸系統(tǒng)整體功能框架Fig.4 Overall functional framework of information acquisition and transmission system

1)權(quán)限配置模塊。該模塊可實現(xiàn)用戶信息管理、用戶權(quán)限配置以及系統(tǒng)權(quán)限驗證3方面功能，是整個系統(tǒng)的安全管控中心，需要在系統(tǒng)用戶信息、用戶權(quán)限配置信息的基礎(chǔ)上，允許系統(tǒng)所有授權(quán)合法用戶的有效訪問，并禁止系統(tǒng)所有未授權(quán)用戶的非法訪問。

2)信息采集設(shè)備集成與控制模塊。該模塊可實現(xiàn)對接入系統(tǒng)各類前端硬件的集成與對接信息的配置，具體接入方式包括基于網(wǎng)絡(luò)的集成與配置和基于串口的集成與配置。目前系統(tǒng)集成的火災(zāi)事故現(xiàn)場采集設(shè)備是由“北京知控高科技術(shù)有限公司”提供的社區(qū)應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備，智能手環(huán)具有采集上傳人員生理數(shù)據(jù)、基于北斗系統(tǒng)的人員定位數(shù)據(jù)等功能。

3)現(xiàn)場信息實時采集與上報模塊。該模塊可實現(xiàn)二維碼數(shù)據(jù)手動上報、現(xiàn)場照片手動上報、現(xiàn)場視頻手動上報、火災(zāi)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上報等功能，是各類事故現(xiàn)場多種采集信息的實時捕捉上傳工具。按照信息采集上報方式可分為手動采集并上傳和自動采集并上傳2種；按采集信息類型分為二維碼數(shù)據(jù)、照片、視頻及傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)4類。

4)現(xiàn)場采集信息圖形化展示模塊。該模塊可實現(xiàn)現(xiàn)場采集信息列表展示、地圖展示和統(tǒng)計圖展示功能，是各類現(xiàn)場采集獲得各類數(shù)據(jù)的可視化展示界面與人機交互界面。

5)現(xiàn)場環(huán)境基本信息管理模塊。該模塊可實現(xiàn)現(xiàn)場建構(gòu)筑物、現(xiàn)場道路、現(xiàn)場應(yīng)急物資及裝備、現(xiàn)場應(yīng)急隊伍及人員的基本信息管理功能。系統(tǒng)對救援人員數(shù)據(jù)進行靜態(tài)基本信息管理的同時，還需對其實時狀態(tài)進行跟蹤管理。

6)現(xiàn)場應(yīng)急輔助決策支持模塊。該模塊可實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案庫、事故案例庫和應(yīng)急知識庫的管理，以及應(yīng)急專家意見填寫與發(fā)布等功能，為現(xiàn)場應(yīng)急響應(yīng)、現(xiàn)場應(yīng)急處置及現(xiàn)場應(yīng)急指揮調(diào)度提供輔助決策支持。

3.3 系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計

本文采用基于JAVA的B/S系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)運行環(huán)境見表1。基礎(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)運行的軟硬件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，包括高性能移動工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、WEB容器和地圖服務(wù)器等內(nèi)容；數(shù)據(jù)資源層是建立在基礎(chǔ)設(shè)施層上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集合，根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特點，包括救援現(xiàn)場動態(tài)風(fēng)險評估指標(biāo)體系數(shù)據(jù)、風(fēng)險評估專家數(shù)據(jù)、風(fēng)險評估專家定性與定量評估意見數(shù)據(jù)、救援現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)(氣象信息、氣體濃度信息、現(xiàn)場救援人員體征信息等)、救援現(xiàn)場周邊環(huán)境數(shù)據(jù)等；服務(wù)接口層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)和服務(wù)交互的接口，系統(tǒng)涉及的接口包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)接口(mybatis-plus)、計算模型接口(dll)、地圖在線服務(wù)訪問接口(高德)以及信息采集終端軟件和風(fēng)險信息動態(tài)采集監(jiān)測系統(tǒng)；業(yè)務(wù)模塊層按照系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能框架進行劃分，包括系統(tǒng)權(quán)限管理模塊、救援現(xiàn)場動態(tài)采集數(shù)據(jù)管理模塊、救援現(xiàn)場動態(tài)風(fēng)險評估指標(biāo)體系管理模塊、救援現(xiàn)場動態(tài)風(fēng)險評估指標(biāo)權(quán)重管理模塊、救援現(xiàn)場動態(tài)風(fēng)險專家評估意見管理模塊、救援現(xiàn)場動態(tài)綜合風(fēng)險計算與定級模塊。

圖5 信息采集傳輸系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.5 Overall architecture of information acquisition and transmission system

表1 信息采集傳輸系統(tǒng)運行環(huán)境Table 1 Operating environment of information acquisition and transmission system

4 高校實驗室信息采集傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文采用Intellij Idea 2017.2.5進行系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)，下文結(jié)合系統(tǒng)對實驗室突發(fā)事件發(fā)生后的應(yīng)急響應(yīng)流程進行闡述。JDK版本為Java 1.8.0_181。

假設(shè)某實驗室發(fā)生著火事件，系統(tǒng)響應(yīng)流程分為信息實時采集與上報、應(yīng)急指揮與資源調(diào)度2方面，如圖6所示。信息實時采集與上報包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備上報和二維碼信息上報；應(yīng)急指揮與資源調(diào)度體現(xiàn)在突發(fā)事件接警、發(fā)展態(tài)勢研判、應(yīng)急輔助決策和應(yīng)急資源調(diào)度4個方面；實驗室突發(fā)事件接警實現(xiàn)上報信息接入、基本信息采集與錄入、事發(fā)地點定位、事發(fā)周邊環(huán)境分析等功能；發(fā)展態(tài)勢研判實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與反饋和事件發(fā)展態(tài)勢預(yù)測及研判；應(yīng)急輔助決策實現(xiàn)基于案例庫的應(yīng)急輔助決策支持；應(yīng)急資源調(diào)度實現(xiàn)事發(fā)周邊應(yīng)急資源的多條件查詢檢索、應(yīng)急資源到達(dá)事件現(xiàn)場的通行路徑優(yōu)化、應(yīng)急資源的屬性信息和空間信息實時共享。

圖6 實驗室著火事件響應(yīng)過程示意Fig.6 Schematic diagram for response process of fire incident in laboratory

假設(shè)某高校1號實驗樓6樓123實驗室發(fā)生著火事件，模擬著火事件后信息采集傳輸響應(yīng)和調(diào)動，將指揮中心設(shè)在保衛(wèi)保密處，學(xué)校配備兼職消防救援隊伍、應(yīng)急專家和高校應(yīng)急救援志愿者[16]。該實驗室為環(huán)境實驗室，涉及垃圾滲濾液硝化載體制作實驗，易制爆危險化學(xué)品鎂粉、磷酸和過硫酸鈉，在系統(tǒng)中錄入固有信息，包括實驗樓相關(guān)建構(gòu)筑物基本信息、涉及易燃易爆品、危險化學(xué)品等。實驗室火災(zāi)事件現(xiàn)場采集設(shè)備實時監(jiān)測采集O2、CO、CO2、NO2等多種要素數(shù)據(jù)，制定應(yīng)對各類災(zāi)難事故應(yīng)急處置工作預(yù)案，指揮平臺可查看應(yīng)急預(yù)案、相關(guān)事故案例、應(yīng)急知識以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，確保及時獲取和有效指揮調(diào)度。應(yīng)急輔助決策支持庫如圖7所示。

圖7 應(yīng)急輔助決策支持庫Fig.7 Emergency aided decision support library

1)著火事件接警。二維碼風(fēng)險信息采集傳輸程序作為災(zāi)情快速采集上報的終端，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，相關(guān)人員掃描二維碼，填報事故位置、事故蔓延、受困人員等信息，借助便攜式信息采集設(shè)備采集事故現(xiàn)場災(zāi)害信息，以最快的速度通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)急指揮平臺，對初起事故和事故蔓延情況進行全方位監(jiān)測，為應(yīng)急救援提供決策參考，二維碼現(xiàn)場信息上報界面如圖8所示?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)傳設(shè)備通過實時采集現(xiàn)場信息，并上傳至云服務(wù)器，通過WIFI及LORA連接專用接收網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行傳輸。應(yīng)急指揮中心通過云服務(wù)器遠(yuǎn)程查詢事故現(xiàn)場情況，對初起火災(zāi)及蔓延情況進行全方位監(jiān)測。

圖8 二維碼現(xiàn)場信息上報界面Fig.8 Interface of QR code field information reporting

2)應(yīng)急響應(yīng)調(diào)度。應(yīng)急指揮中心通過對突發(fā)事件發(fā)展態(tài)勢進行判斷，利用應(yīng)急指揮平臺應(yīng)急隊伍基本信息管理模塊通知事發(fā)地周圍距離最近的應(yīng)急隊伍以及校內(nèi)應(yīng)急志愿者趕赴事故現(xiàn)場，并根據(jù)道路通行情況發(fā)送到達(dá)事發(fā)地點的最短路徑，如圖9所示。統(tǒng)計1號實驗樓6樓123實驗室發(fā)生著火事件模擬應(yīng)急響應(yīng)時間，第1批應(yīng)急救援人員到達(dá)事發(fā)地的時間分別為144，162，131 s，均小于標(biāo)準(zhǔn)黃金救援時間360 s。

圖9 到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場最短路徑示意Fig.9 Schematic diagram of shortest path to incident field

5 結(jié)論

1)實驗室突發(fā)事件發(fā)生后，準(zhǔn)確、快速地獲取災(zāi)情信息，對進一步救援的災(zāi)情判斷、輔助決策和應(yīng)急指揮至關(guān)重要。因此，研究救援現(xiàn)場風(fēng)險信息快速采集技術(shù)，形成1套集信息采集傳輸、風(fēng)險評估綜合研判及應(yīng)急資源狀態(tài)監(jiān)測于一體的集成系統(tǒng)，有利于預(yù)測事件的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)救援現(xiàn)場各類資源的快速合理調(diào)度配置。

2)通過分析高校實驗室突發(fā)事件，對相關(guān)風(fēng)險信息進行分類編碼，以實現(xiàn)日常維護管理、事故發(fā)生時信息的快速采集和傳輸。針對高校實驗室事故進行信息采集傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計，在對系統(tǒng)服務(wù)需求、信息傳遞方式及服務(wù)對象進行定位的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)相關(guān)功能的整體劃分與設(shè)計。基于風(fēng)險信息分類模型，針對不同突發(fā)事件類型，實現(xiàn)動態(tài)風(fēng)險快速采集功能、救援現(xiàn)場人員重要生理指標(biāo)信息采集功能、救援現(xiàn)場重要裝備位置與工作參數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)采集功能。

3)基于高校實驗室信息采集傳輸系統(tǒng)模擬實驗室火災(zāi)事件的接警、現(xiàn)場信息上報、應(yīng)急指揮人員研判后進行調(diào)度等步驟，完成火災(zāi)事故信息的快速采集上報和到學(xué)校應(yīng)急指揮平臺的有效傳遞，實現(xiàn)救援現(xiàn)場動態(tài)風(fēng)險信息、人員信息、裝備信息的快速采集上報功能和應(yīng)急指揮與資源調(diào)度功能，驗證系統(tǒng)的可行性。