三維重現(xiàn)技術(shù)在真實工況風險分析中的應(yīng)用*

李全明 張 紅 楊 曌

(1.中國安全生產(chǎn)科學研究院；2.華北科技學院)

我國安全生產(chǎn)方針政策和法律法規(guī)均明確了安全防范的重要性，加強事前預(yù)防，對企業(yè)重要部位、重要工序進行風險分析，提前辨識風險來源，明確可能發(fā)生的事故，并采取相應(yīng)手段及時將事故消滅在萌芽階段，對提升企業(yè)本質(zhì)安全水平，遏制事故發(fā)生具有重要意義。

三維重現(xiàn)技術(shù)是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數(shù)學模型，是在計算機環(huán)境下對其進行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。三維空間測站儀是三維重現(xiàn)的主要設(shè)備之一，測站儀以反射激光中所攜帶的點為單位獲取各點中的實物信息，并通過后處理軟件對數(shù)據(jù)進行整合、拼接，形成高分辨率的數(shù)字模型，還原掃描對象的真實情況。相對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)需借助VR建立人機動態(tài)交互從而構(gòu)建三維虛擬場景而言，三維空間測站儀具有易操作、高精度、高效率等優(yōu)勢，可通過激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)直接構(gòu)建三維數(shù)字模型，并可快速獲取分析對象的各項信息，如通過構(gòu)建礦山巷道的點云數(shù)字模型，可快速獲取巷道的長度、巷道內(nèi)各設(shè)施坐標及相鄰各項設(shè)施之間的距離等信息，可為礦山日常監(jiān)管、事故應(yīng)急救援、事故重現(xiàn)提供技術(shù)支撐[1]。目前，三維重現(xiàn)技術(shù)普遍應(yīng)用于建筑模型構(gòu)建[2-3]、交通和礦山事故案例還原方面[4-5]，強調(diào)事后模擬，尚缺乏事前預(yù)防應(yīng)用的研究。

本文以某工廠由廢棄梭式窯改造而成的臨時宿舍為例，在分析確定室內(nèi)風險源為CO的基礎(chǔ)上，利用三維空間測站儀構(gòu)建宿舍點云數(shù)字模型，對CO可能的來源進行真實工況模擬，進一步查明臨時宿舍內(nèi)CO的真實來源，為后續(xù)預(yù)防CO事故發(fā)生提供技術(shù)支撐。

1 風險分析技術(shù)方案

在專家交流、資料搜集、現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上，對宿舍內(nèi)各項物品及宿舍周邊環(huán)境進行分析，確定宿舍風險來源。通過現(xiàn)場踏勘，宿舍內(nèi)存在液化氣罐、煤氣爐等物品，存在產(chǎn)生有害氣體的可能，此外，宿舍墻體中架設(shè)了煤氣管道，墻體存在裂縫，廠區(qū)試生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害氣體可能從墻體裂縫進入宿舍，發(fā)生中毒事故。因此，宿舍風險源為CO，可能產(chǎn)生的事故為CO中毒事故。為進一步查明CO來源，實驗方案采用現(xiàn)場勘查、現(xiàn)場三維重現(xiàn)真實工況重現(xiàn)、綜合鑒定分析的技術(shù)路線，對液化氣罐內(nèi)氣體泄漏、取暖爐不完全燃燒產(chǎn)生有害氣體及生產(chǎn)設(shè)備試運行時通過煤氣管道泄漏有害氣體3種真實工況進行分析。

采用三維空間測站儀器(圖1)對現(xiàn)場關(guān)鍵信息的真實空間分布進行測量，根據(jù)三維重現(xiàn)結(jié)果，準確對空間內(nèi)的物體和對象進行三維數(shù)字描述，推測空間內(nèi)的生活活動，推測有毒有害氣體可能的發(fā)生位置；采用烷類氣體檢測儀(圖2)檢測液化氣罐完整程度；采用高精度的CO紅外分析儀和CO檢測報警儀檢測各真實工況實驗中CO濃度。

圖1 三維空間測站儀

圖2 烷類氣體檢測報警儀

2 三維重現(xiàn)過程及分析

2.1 宿舍布局三維重現(xiàn)

利用三維空間測站儀對宿舍空間進行三維掃描，并對宿舍內(nèi)生活用品及可能引起CO事故的取暖爐、液化氣罐等物品的空間分布信息進行分析，構(gòu)建三維現(xiàn)場圖。通過對掃描獲取的各項點云數(shù)據(jù)進行拼接和初步整合，形成點云數(shù)字初始模型，見圖3。將模型中雜亂的點刪除，補充掃描過程中遺漏的部分點云數(shù)據(jù)信息，進一步完善點云數(shù)字模型，最終的宿舍三維重現(xiàn)結(jié)果見圖4。

圖3 宿舍三維初始模型

圖4 宿舍三維重現(xiàn)結(jié)果

通過三維空間測站儀器構(gòu)建三維重現(xiàn)結(jié)果圖，并快速獲取宿舍內(nèi)物品的種類、數(shù)量、坐標及相對距離等信息。宿舍長、寬、高分別為14，4，2 m，宿舍空間體積為112 m3;宿舍西北側(cè)存放有液化氣罐1處，東北側(cè)存放摩托車2輛，東側(cè)存放取暖火爐1座，西南側(cè)存放簡易桌子1張，南北兩側(cè)共分布簡易單人床6張及生活用品若干。

2.2 液化氣罐內(nèi)氣體泄漏檢測

采用烷類氣體檢測儀對現(xiàn)場煤氣罐進行整體結(jié)構(gòu)檢測，檢測儀器未發(fā)生報警，且CO數(shù)值檢測結(jié)果為零。結(jié)果表明，該液化氣罐不存在液化氣泄漏可能。

2.3 煤氣管道影響實驗

根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)，開啟煤氣發(fā)生爐，采用CO紅外分析儀和CO檢測報警儀檢測開啟煤氣發(fā)生爐后宿舍內(nèi)CO變化規(guī)律，檢測儀精度1×10-7。煤氣發(fā)生爐的爐口出口壓力為3 kPa，爐底飽和壓力為0.3 kPa，爐底溫度為49.8 ℃；管道現(xiàn)場水封條件與正常生產(chǎn)情況保持一致；實驗持續(xù)時間為1 h。實驗開展過程中CO濃度變化情況見圖5。

圖5 CO濃度變化情況

從圖5中可看出，在煤氣發(fā)生爐工作期間空間內(nèi)CO濃度未發(fā)生明顯變化。充分說明在生產(chǎn)設(shè)備試運行時，沒有CO氣體通過煤氣管道及空間外墻體進入臨時宿舍內(nèi)。

2.4 取暖爐影響實驗與分析

根據(jù)空間內(nèi)取暖爐中煤樣，取來相同的煤樣進行取暖爐使用實驗，并檢測空間內(nèi)的CO氣體變化，分析空間的通風條件對CO濃度變化的影響，考慮到CO對實驗人員的身體影響，模擬實驗時間取1 h。取暖爐開始工作后，利用CO檢測儀對室內(nèi)CO濃度變化進行實時檢測，結(jié)果見圖6。

從圖6可看出，實驗開始時，室內(nèi)CO濃度為0.6×10-6，取暖爐內(nèi)煤樣燃燒后，CO濃度快速上升，1 h后室內(nèi)CO濃度上升至89.5×10-6，同時檢測報警儀已報警(預(yù)警閾值為30×10-6)。報警后5 min，濃度達到91×10-6。

圖6 取暖爐工作后CO實測值

通過對室內(nèi)環(huán)境進行分析，CO濃度上升速度快的原因主要是空間內(nèi)未安裝應(yīng)有的排煙管道，取暖爐不完全燃燒產(chǎn)生的CO無法通過排煙管道及時排出；空間縱深長、密閉性強，不利于有毒有害氣體擴散。最終造成CO氣體急劇上升，達到預(yù)警閾值并發(fā)出警報。

3 結(jié) 論

(1)通過現(xiàn)場勘查和烷類氣體檢測儀對液化氣罐整體結(jié)構(gòu)檢漏表明，液化氣罐未產(chǎn)生泄漏。

(2)煤氣發(fā)生爐工作工況實驗中，高精度CO檢測儀未檢測到空間內(nèi)CO有較大濃度變化，說明不存在試生產(chǎn)、煤氣管道破損或泄漏而導致空間內(nèi)CO濃度增高的可能性。

(3)宿舍內(nèi)取暖爐使用工況實驗中，取暖爐內(nèi)用煤點燃后，因不完全燃燒，空間內(nèi)CO濃度在9 min內(nèi)增大至91×10-6，超過預(yù)警閾值并發(fā)出警報。實驗表明，臨時宿舍內(nèi)極有可能因取暖爐中煤不完全燃燒產(chǎn)生高濃度CO氣體導致CO中毒事故，企業(yè)可采用加強宿舍通風或?qū)⑷∨癄t改為集中供暖等方式減少CO的產(chǎn)生，避免CO中毒事故的發(fā)生。

(4)通過分析企業(yè)重點部位的危險源，明確可能發(fā)生的事故，并對可能造成事故的原因進行真實工況模擬，明確造成事故的主要原因并提出有針對性的預(yù)防措施，可有效提升企業(yè)重點部位的事前預(yù)防能力，提升企業(yè)本質(zhì)安全水平。