侯梦曦,吴珊珊，王诗慧，党亚固，吉 旭

(四川大学化工学院系统工程研究所，四川 成都 610065)

化学工业是国民经济重要的支柱性行业，但化工产业实现绿色与可持续发展已显著受制于行业健康、安全、环境(HSE)状况，频发的环境污染、安全事故正成为掣肘整个行业发展的关键性问题。

化工企业的高温、高压、有毒、腐蚀性强等特点决定了化工设备必须要有可靠的设计、严密的运行监测、完备的安全保护装置来保障设备的安全运行。过程装置的可靠性直接影响了化工生产的连续性、稳定性和安全性，数据表明装置故障和工艺异常引发的安全事故超事故总量60%，因此开发面向生产过程的在线危险源辨识和可操作性(可靠性)评价系统对提高行业健康、安全、环境(HSE)管理水平意义重大[1-2]。

与先进的工业化国家相比，我国HSE的咨询服务技术水平还相对落后，已有软件系统大多为单一离线的指标评价、流程审批、文件制度性系统，功能体系不够完善，不能满足企业的核心需要[3-4]。化工HSE软件平台和服务市场长期被国外如杜邦、拜耳等HSE专业服务部门垄断[3-4]。

基于此，本研究致力于研发出基于过程行业HSE在线风险评估与控制系统(Process Oriented Hazard and Operability Analysis,POHAZOP)，主要解决企业在生产过程中出现的工艺和设备安全问题、人员职业健康问题及环境污染问题，使事故发生概率、工伤发生次数均远低于工业平均值，达到国际优秀水平，从而减少经济损失，为企业创造盈利。

1 核心技术研究

POHAZOP是以设备的维护管理和运行控制为基础对HSE进行在线管理的平台体系。该平台以设备运行管理中的可靠性评价为基础，融合HSE评估，以云计算为知识存储、发布平台，构建以危险源辨识与可操作性评价为重点的HSE体系。系统核心技术架构主要有以下几个方面：

1.1 基于云计算的工业大数据

在大数据和人工智能背景下，为了实现对企业安全生产过程的动态化、可视化管理，逼近企业"本质安全"，同时解决企业经验积累缓慢，资金投入巨大的难题，POHAZOP立足于工业大数据的云计算平台，实现企业间甚至跨行业的HSE信息资源共享，为装置提供在线的异常诊断和可操作性评价。POHAZOP利用海量数据挖掘技术，将分析模型与云端数据库内所存储的案例及规则进行关联，从而将获得企业数据转换为知识进行存储、表达与发布，从而为企业提供一种全新的生产安全管理平台，快速地提升用户企业的HSE管理水平[5-6]。

1.2 在线模拟技术

基于工业大数据的动态模拟技术是POHAZOP的核心技术之一。系统改变了以前只是以数据和指令进行交互的控制方式，把工厂实时数据与经营目标关联，通过动态过程模拟技术，使管理、工艺和操作人员能在一个统一的框架及相容的信息条件下进行工作。始终保证装置在稳定、协调的水平上运行[7-8]。

POHZAOP根据化工生产过程的模型化、信息间接性和不完备性的特点，在过程实时数据、经营数据基础上建立过程动态模拟模型，包括经营管理、工艺、过程控制及操作的投入产出模型、稳态工艺模型、过程动态模型等。

1.3 生产过程实时监控系统

POHZAOP改变了算法结构单一的预测模型，将危险源辨识及可操作性分析有机结合，更好地满足了化工生产过程"安、稳、长、优、满"的核心运行要求[9-10]。

1.4 面向最优化消缺方案的智能算法

POHZAOP是以 HSE 知识管理为核心的管控一体化系统。实现生产过程控制危险源与安全可操作性评估、制造执行系统(MES)和企业资源计划(EPR)的一体化集成，对安全与可靠性进行评价，使生产控制具备了自诊断式的应急反馈能力。

POHZAOP不只关注化工过程系统的安全性，还兼顾其经济性。目前化工企业普遍面临着设备可靠性需求与费用预算有限的矛盾，多数企业面对竞争压力，为保证合同交货期以及利润最大化往往忽视安全投入，导致企业出现重大的经营管理风险。本系统运用大数据处理技术和智能算法，建立装置运行实时数据、工艺数据、生产调度及经营目标的关联模型，将安全风险评估与过程技术经济评估相结合，实现化学安全管理从原来的设计集成静态模式到知识集成的动态预制模式的转换，从而在防控事故损失的基础上保证企业的经济效益。

2 系统结构设计

由于过程行业与离散制造业有不同的安全管理要求，因此POHZAOP的体系结构有其显著的特点，需涵盖过程感知、数据传输、智能评价、控制决策等过程，因此POHZAOP是基于企业现有的DCS、MES和ERP构建出的系统，本系统有四个层级，自下而上依次是：感知层、监控层、评价层、决策层[9]。

3 面向HSE的评价功能

面向HSE的评价功能是POHZAOP的关键，本系统包括了基础信息管理、健康评价管理、安全评价管理和环境评价管理等四大部分。

3.1 基础信息管理

基础信息管理包含了化工基础数据管理、设备基础信息管理、HSE基础信息管理、备品备件管理、供应商管理等多个功能子窗口[8-9]。

化工基础数据管理窗口如图1所示，实现了对石油、化工企业的原料性质进行了管理，在这个界面中可实现对化工原料的物性数据、热力学数据、安全技术说明书等实现增加、更改、删除等功能，便于企业方便查找并了解原材料、中间产品、产品的基本特性以及发生突发状况时的应对措施。

3.2 职业卫生评价管理

职业卫生评价包括高温作业评价、粉尘作业环境评价、噪声作业评价、有毒作业评价四个评价窗口，操作方法如下所示。

在高温作业评价窗口中选择室内或是室外作业，然后输入自然湿球温度、黑球温度、干球温度就可以计算WBGT指数(湿球黑球温度)，然后根据作业时间及WBGT指数所在的范围可以对高温作业进行分级，评价出高温所产生的危害[7，11-12]。

在粉尘作业环境评价窗口中输入被测地点的实测浓度平均值及该类粉尘国家规定的最高容许浓度，计算出粉尘浓度的超标倍数，然后根据生产性粉尘中有害颗粒(如游离SiO2、煤粉颗粒、石棉等)含量及工人接触粉尘时间的肺总通气量即可以评价出被测地点的粉尘危害程度，为粉尘作业环境采取对策措施及安全防护用品提供依据[7-8，11-12]。

图1化工基础信息管理操作界面

Fig.1 Interface of chemical basic information management

在噪声作业评价窗口中，根据生产现场噪声探测设备测得的数据，考虑工人在噪声环境滞留的时间，选择被测地点的声级及接触噪声时间，即可评价噪声的危害，为噪声工作环境采取安全对策措施和个体防护措施提供依据[7-8，11-12]。

在有毒作业评价窗口中，根据有毒有害物质探测仪表测量的数据，输入毒物实测浓度平均值及国家所规定的最高容许浓度，即可计算出毒物浓度的超标倍数，随后结合工人在有毒作业环境滞留的时间，根据毒物的危害程度及有毒作业的劳动时间评价出毒物的危害程度，为有毒作业环境采取安全对策措施和个体防护措施提供依据[7-8，11-12]。

本文中只展示高温作业评价界面见图2所示。粉尘作业环境评价窗口、噪声作业评价窗口及有毒作业评价窗口类似图2。

职业卫生环境是动态变化的，根据这个特征，应设置定期收集各探测仪表测量的数据进行各种作业环境的危险评估，并针对危险性高的及时给出报警信号，以便安全管理人员早发现、早采取措施。

图2高温作业评价界面

Fig.2 Interface of high temperature operation evaluation

3.3 安全评价管理

安全评价主要采取定性、定量评价方法，如危险和可操作性研究、故障模式及影响分析、道化学火灾、爆炸指数评价法等，重点对工业生产过程进行评价。同时，针对重大危险源的运行状态及发生事故后的后果严重程度可进行评估，为企业制定应急救援预案提供依据。道化学火灾、爆炸指数评价法操作窗口如图3所示[7-8，12-13]。

图3 道化学安全措施补偿系数界面

Fig.3 Interface of Dow chemical safety measures compensatory coefficient

3. 4 环境评价管理

环境评价包括对废水、废气、废渣排放量的核算，废水排放量核算的窗口如图4所示。在该窗口中可实现对废水核算的查询、新增、更改、保存、删除等功能[7-8，14-15]。

图4 废水排放量核算界面

Fig.4 Interface of calculation ofwastewater emissions

4 结语与展望

POHZAOP基于过程行业知识体系架构，运用数据挖掘技术和人工智能技术，建立装置运行实时数据、工艺数据、生产调度及经营计划的关联模型，将安全风险管理与过程经济评价相结合，把HSE管理从制度保证的静态模式转换为知识集成的动态预制模式。POHZAOP基于云计算平台解决知识学习与知识共享难题，提升资源配置效率，为广大中小企业的HSE管理提供经济的、准确的、在线支持。

随着工业大数据及人工智能技术的发展，利用海量数据挖掘技术，将分析模型与云计算数据库内所存储的案例及规则进行关联，从而将获得数据转换为知识进行存储、表达与发布，进而让信息在资源的使用度中得到大幅度提升，以保证知识能够体现出其自身的商业价值。在较少费用的情况下，为企业提供一种全新的生产管理工具。