張弦弦，劉治紅，梁海洋

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司 智能制造事業(yè)部，四川 綿陽 621000）

0 引言

火工品具有受外界刺激后易產(chǎn)生燃燒或爆炸的特點(diǎn)，因此在生產(chǎn)過程中涉及的安全風(fēng)險(xiǎn)因素多，對(duì)操作人員素質(zhì)和技能要求高。目前國(guó)外多數(shù)制造企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程的自動(dòng)化，安全風(fēng)險(xiǎn)管控的數(shù)字化及智能化，極大地推動(dòng)了企業(yè)生產(chǎn)安全管理體制、組織體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、風(fēng)險(xiǎn)防控方法、生產(chǎn)工作方式等的改變，保障了生產(chǎn)向集成、自動(dòng)、柔性、綠色、高效方向發(fā)展；而國(guó)內(nèi)多數(shù)制造企業(yè)由于自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備少，數(shù)字化、智能化制造技術(shù)仍處于起步階段，生產(chǎn)安全管控標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)流程多以傳統(tǒng)的人工管控為主，存在勞動(dòng)力需求數(shù)量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、現(xiàn)場(chǎng)安全管控難度大、易出現(xiàn)安全事故等問題[1]。

1 研究目的

本研究方法以某企業(yè)火工品生產(chǎn)線為研究對(duì)象，解決該生產(chǎn)線存在的安全危險(xiǎn)因素多、表征不全面、采集實(shí)時(shí)性差、分析決策滯后等一系列問題，通過識(shí)別、分析出其生產(chǎn)過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)及危險(xiǎn)因素，采用安全評(píng)估建模、傳感網(wǎng)絡(luò)布局、自動(dòng)化遙操作、三維可視化監(jiān)控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程危險(xiǎn)因素的全方位、全要素、全時(shí)段在線監(jiān)控，提高火工品生產(chǎn)本質(zhì)安全度，見圖1。

圖1 某生產(chǎn)線存在的安全問題及技術(shù)需求

2 設(shè)計(jì)思路

面向火工品生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控方法包括以下四大部分：

（1）全面、綜合地分析生產(chǎn)過程中的危險(xiǎn)因素，對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別及表征，建立安全要素?cái)?shù)字化模型。

（2）對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行傳感網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化，采用傳感器對(duì)生產(chǎn)過程中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。

（3）設(shè)計(jì)關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)“人機(jī)隔離”裝置，降低由于人為失誤、違規(guī)操作等行為導(dǎo)致安全事故發(fā)生的概率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，解決產(chǎn)品質(zhì)量一致性差的問題。

（4）結(jié)合具體的工藝過程，設(shè)計(jì)安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)，進(jìn)行生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)的采集與管理、安全數(shù)據(jù)分析與決策、安全狀態(tài)三維實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全報(bào)警聯(lián)動(dòng)處置，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中危險(xiǎn)因素及時(shí)有效的預(yù)警，見圖2。

圖2 總體設(shè)計(jì)思路

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 危險(xiǎn)因素表征及安全評(píng)估建模

火工品生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的危險(xiǎn)源，有人的因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素。人的因素指人員的身體狀況、文化程度、是否進(jìn)行違規(guī)操作等；物的因素主要指物料和設(shè)備的安全隱患，如物料的爆炸性、設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性、保護(hù)設(shè)施的完好率等；環(huán)境因素是指物料擺放情況、加工現(xiàn)場(chǎng)的照明、溫濕度、噪音等因素；管理因素指安全組織機(jī)構(gòu)、安全管理制度等。四類因素相互關(guān)聯(lián)，互相影響，表征困難。因此，需要根據(jù)危險(xiǎn)因素表征特點(diǎn)進(jìn)行全方位、全要素、全時(shí)段安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)感知。

危險(xiǎn)因素表征與建模技術(shù)根據(jù)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)，對(duì)生產(chǎn)過程中存在的危險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別、分析后，形成危險(xiǎn)因素表征數(shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)控奠定基礎(chǔ)。對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，建立安全數(shù)字化評(píng)估模型，并與采集到的安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況及相關(guān)概率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)危險(xiǎn)環(huán)節(jié)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤。模型內(nèi)嵌到安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程危險(xiǎn)源的可識(shí)、可控[2]。

3.1.1 基于主成分分析法進(jìn)行危險(xiǎn)因素表征識(shí)別

利用主成分分析法降維的思想，通過多元統(tǒng)計(jì)和矩陣分析，將多個(gè)危險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)換為對(duì)生產(chǎn)過程影響最大的少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，剔除影響較小的危險(xiǎn)因素。

3.1.2 基于層次分析法進(jìn)行安全評(píng)估建模

首先采用層次分析法對(duì)安全信息進(jìn)行分層管理，形成危險(xiǎn)因素分層結(jié)構(gòu)樹。如第一層為物的因素u1、人的因素u2等，u1的第二層有危險(xiǎn)物質(zhì)u11、設(shè)備設(shè)施u12等；u11的第三層包括火災(zāi)危害性u(píng)111、靜電危害性u(píng)112等以此類推。

再對(duì)安全因素指標(biāo)根據(jù)不同專家的經(jīng)驗(yàn)按權(quán)重賦予一定的分值，從而建立不同安全因素之間的量化關(guān)系。如：權(quán)重為重要，分值賦予100分，一般賦予75分，相關(guān)賦予50分等。

最后在危險(xiǎn)因素分層結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)之上，通過安全評(píng)估專家經(jīng)驗(yàn)得到的定量關(guān)聯(lián)程度值，建立基于最低級(jí)別安全因素量化表征的安全評(píng)估模型，見圖3。

圖3 基于表征量的分析評(píng)估模型示意圖

3.2 傳感網(wǎng)絡(luò)布局

在生產(chǎn)線的重要工序上增加監(jiān)控溫濕度、氣壓、光照度、粉塵等的傳感器，進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)字化采集，并創(chuàng)建傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等生產(chǎn)數(shù)據(jù)及安全數(shù)據(jù)的互連互通。通過傳感網(wǎng)絡(luò)，將傳感器自動(dòng)獲取的各類信息，傳輸至數(shù)據(jù)中心，為危險(xiǎn)因素分析提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

傳感網(wǎng)絡(luò)布局后，一方面針對(duì)車間布局、生產(chǎn)線安置、生產(chǎn)流程和環(huán)境干擾因素等現(xiàn)場(chǎng)因素構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模型；一方面針對(duì)RFID網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型[3]。并針對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，以便優(yōu)化傳感網(wǎng)絡(luò)。

3.3 危險(xiǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)“人機(jī)隔離”裝置

設(shè)計(jì)多自由度機(jī)械臂，使之處于無人化的運(yùn)行環(huán)境；在現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，研究適合于遙控機(jī)械臂生產(chǎn)的工藝流程；建立遠(yuǎn)程三維監(jiān)控平臺(tái)，生產(chǎn)監(jiān)管人員在異地對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。滿足企業(yè)自動(dòng)化遙操作生產(chǎn)的需求，增強(qiáng)生產(chǎn)過程安全性，見圖4。

圖4 機(jī)械臂遠(yuǎn)程三維監(jiān)控平臺(tái)示意圖

3.4 安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)

在危險(xiǎn)因素表征模型和傳感網(wǎng)絡(luò)布局的基礎(chǔ)上，安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全數(shù)據(jù)，根據(jù)安全評(píng)估模型進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)環(huán)節(jié)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤與預(yù)警，并在可視化監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行分析結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示。安全生產(chǎn)智能管控與分析系統(tǒng)的組成見圖5，主要包括：安全數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的采集、處理、分發(fā)及存儲(chǔ)；安全數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，建立生產(chǎn)危險(xiǎn)狀態(tài)辨識(shí)方法及識(shí)別算法，通過數(shù)字化安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型評(píng)估當(dāng)前的生產(chǎn)安全狀態(tài)并輔助處置決策；安全狀態(tài)三維監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全預(yù)警和高效聯(lián)動(dòng)處置。

圖5 安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)組成

3.4.1 安全數(shù)據(jù)采集

安全數(shù)據(jù)采集包括基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，基于條碼標(biāo)識(shí)的物料信息采集，基于人員身份識(shí)別卡的人員身份信息采集，基于視頻的違規(guī)操作信息采集以及人員靜電防護(hù)、門禁監(jiān)控采集等。通過溫濕度傳感器、標(biāo)簽、人員身份卡、視頻、靜電防護(hù)設(shè)備以及相關(guān)信息采集設(shè)備，結(jié)合二維碼信息技術(shù)、圖像識(shí)別分析技術(shù)以及射頻信息技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程中涉及到的人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等危險(xiǎn)因素狀態(tài)進(jìn)行采集。

人員的安全數(shù)據(jù)采集，重點(diǎn)針對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不符合安全要求的操作行為、危險(xiǎn)區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)的人數(shù)、人員的身份信息及是否穿戴勞動(dòng)護(hù)具、是否消除人體靜電等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；物料的安全數(shù)據(jù)采集，重點(diǎn)針對(duì)在制品在生產(chǎn)過程中的受力、位移、當(dāng)量，以及存放位置等參數(shù)進(jìn)行采集；設(shè)備的安全數(shù)據(jù)采集，重點(diǎn)針對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、接地電阻等參數(shù)進(jìn)行采集；環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，重點(diǎn)考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作溫度、濕度、粉塵、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

按照生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)防靜電、防爆等特殊要求，根據(jù)危險(xiǎn)因素特點(diǎn)設(shè)置各類安全數(shù)據(jù)的采集周期、頻率、格式，通過對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的同步采集與處理；綜合應(yīng)用實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)等，構(gòu)建安全數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的分類、分級(jí)存儲(chǔ)。

3.4.2 安全數(shù)據(jù)處理

采集到的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全數(shù)據(jù)具有多源、多模態(tài)、異構(gòu)等特性，且在實(shí)際采集過程中可能會(huì)遇到采集對(duì)象缺損、污損以及采集數(shù)據(jù)、評(píng)估數(shù)據(jù)、真實(shí)數(shù)據(jù)不對(duì)等問題，為了保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要對(duì)采集方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行判定修正，剔除異常數(shù)據(jù)。

采集優(yōu)化方法包括：采用全方位同步技術(shù)進(jìn)行圖像優(yōu)化；利用數(shù)據(jù)冗余算法提高糾錯(cuò)等級(jí)；采用射頻防碰撞算法防止數(shù)據(jù)誤讀漏讀；采用數(shù)據(jù)填補(bǔ)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗[4]。

3.4.3 安全數(shù)據(jù)分析與決策

根據(jù)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控的先驗(yàn)知識(shí)，建立安全數(shù)字化評(píng)估模型。從數(shù)據(jù)中心獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)安全評(píng)估模型進(jìn)行環(huán)境、人員、物料、設(shè)備等綜合危險(xiǎn)指數(shù)的綜合分析。通過對(duì)相關(guān)表征量的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行匹配、計(jì)算，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況及相關(guān)概率，構(gòu)建一套預(yù)警評(píng)估機(jī)制，評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)是否需要進(jìn)行處置，如何處置，由此實(shí)現(xiàn)由安全分析數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的輔助處置決策[5]。

3.4.4 安全信息-物理融合安全三維可視化監(jiān)控

由于生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，眾多的安全數(shù)據(jù)源于安全因素難以通過簡(jiǎn)單的方式直觀的呈現(xiàn)，因此需要建立三維生產(chǎn)線虛擬場(chǎng)景作為平臺(tái)，融合經(jīng)綜合分析后的安全實(shí)時(shí)信息進(jìn)行安全監(jiān)控。

生產(chǎn)線建模：根據(jù)仿真建模技術(shù)，運(yùn)用“軟件與硬件仿真集成”的整體思路，基于“模型仿真——模擬執(zhí)行——現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控反饋”的仿真邏輯，建立三維生產(chǎn)線虛擬場(chǎng)景。

安全信息——物理融合：由實(shí)時(shí)安全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景模型對(duì)象屬性，建立人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等危險(xiǎn)因素與仿真模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)三維模型與真實(shí)設(shè)備同步。

三維可視化顯示：利用安全態(tài)勢(shì)圖標(biāo)庫(kù)，融合安全數(shù)據(jù)分析結(jié)果形成安全態(tài)勢(shì)信息，采用三維場(chǎng)景模型與安全態(tài)勢(shì)信息集成技術(shù)，進(jìn)行安全態(tài)勢(shì)全局可視化顯示，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.4.5 安全聯(lián)動(dòng)處置

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)接收到安全態(tài)勢(shì)報(bào)警、預(yù)警信息時(shí)，一方面將該信息推送到現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行燈光、聲音報(bào)警，提醒操作人員發(fā)生危險(xiǎn)；一方面進(jìn)行安全聯(lián)動(dòng)處置。采用安全預(yù)警事件預(yù)案模擬推演技術(shù)進(jìn)行態(tài)勢(shì)推演，判斷危險(xiǎn)等級(jí)、定位故障原因，針對(duì)不同級(jí)別的預(yù)警響應(yīng)作出不同的處置方案，如對(duì)人的誤操作警告、人員疏散等的執(zhí)行等，并將該異常事件的解決方案推送給管理人員進(jìn)行處置，便于進(jìn)行安全態(tài)勢(shì)的掌控[6]。當(dāng)危險(xiǎn)排除后，重新將安全等級(jí)調(diào)整到閾值范圍內(nèi)。

異常處理方案包括：

（1）通過對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的廣播，對(duì)人員已經(jīng)發(fā)生或者有可能發(fā)生的危險(xiǎn)行為進(jìn)行干預(yù)；對(duì)于其他更加嚴(yán)重安全事件，可撤離車間人員。

（2）針對(duì)車間設(shè)備已經(jīng)發(fā)生的故障和危險(xiǎn)，管理人員通過下發(fā)控制指令遠(yuǎn)程停機(jī)，并聯(lián)系設(shè)備管理人員進(jìn)行處理；對(duì)于可能發(fā)生的故障和危險(xiǎn)，通過管理人員進(jìn)行判定，再進(jìn)行針對(duì)處置。

（3）對(duì)于環(huán)境原因已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的危險(xiǎn)，管理人員通過有線網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)安防設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，調(diào)整環(huán)境參數(shù)至要求范圍，以確保車間安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

本文提出一套火工品生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控方法，特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)火工品生產(chǎn)過程中安全風(fēng)險(xiǎn)的“感、聯(lián)、知、控”。能通過對(duì)人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等安全風(fēng)險(xiǎn)的全面梳理和覆蓋監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程安全風(fēng)險(xiǎn)的全面感知；通過對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)采集、分析、主動(dòng)預(yù)警，提醒安全人員及時(shí)處置，控制安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步演變?yōu)榘踩录?，及時(shí)將事件消滅在萌芽狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程安全風(fēng)險(xiǎn)的可控；建立生產(chǎn)過程安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，全面記錄生產(chǎn)過程人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生、報(bào)警、消除的過程，實(shí)現(xiàn)安全事件的可查。

該方法在增強(qiáng)高危產(chǎn)品生產(chǎn)的本質(zhì)安全度、提升企業(yè)數(shù)字化智能化水平、推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型方面具有很好的參考價(jià)值。但在研究過程中，傳感網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化是個(gè)難點(diǎn)，需要根據(jù)各制造企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境、安全風(fēng)險(xiǎn)防控要求等進(jìn)行具體的分析，才能更好的實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。