事故虛擬交互與綜合防控預警技術介紹

文/李浩淼 于成龍 高東 趙軍 孫恩吉 時訓先

高溫熔融金屬，即高溫狀態(tài)下以液體或液固兩相狀態(tài)存在的金屬物質。高溫熔融金屬作業(yè)常見于各個行業(yè)，如冶金、有色、機械、建材等，尤其以冶金有色行業(yè)最為突出。

現(xiàn)代冶金工藝流程復雜，在鋼鐵、鋁等高溫熔融金屬的冶煉、鑄造、轉運等作業(yè)過程中，爆炸、噴濺、泄漏、傾翻等事故多發(fā)，嚴重影響我國冶金有色行業(yè)的安全生產(chǎn)。其主要原因在于，高溫熔融金屬作業(yè)事故預防控制的基礎理論研究薄弱、關鍵技術裝備缺乏。對此，亟需開展有關高溫熔融金屬作業(yè)事故預防控制的相關研究，本文介紹了高溫熔融金屬作業(yè)事故虛擬交互與綜合防控預警系統(tǒng)技術。

高溫熔融金屬作業(yè)現(xiàn)存的安全風險

通過歷年冶金行業(yè)的事故案例分析，發(fā)現(xiàn)冶金企業(yè)的突出特點是企業(yè)規(guī)模大，生產(chǎn)工藝和流程復雜，高溫、高壓、有毒有害及易燃易爆等危險因素多，生產(chǎn)人員眾多，在安全生產(chǎn)管理上稍有疏忽，就會造成設備事故或者人員傷害事故。其中，高溫熔融金屬作業(yè)風險性最高，且造成人員傷亡及財產(chǎn)損失最嚴重。

對歷年冶金事故按事故類型統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，爆炸事故和灼燙事故發(fā)生起數(shù)較多，并且爆炸一旦發(fā)生，瞬間釋放巨大能量，應急響應時間極短，造成事故后果比較嚴重，因此減少此類事故的發(fā)生至關重要。目前，常見的高溫熔融金屬作業(yè)事故主要包括：爆炸、噴濺、傾覆翻包等。

爆炸

高溫熔融金屬遇水爆炸事故發(fā)生的常見原因主要有：冶煉過程中，由于水冷系統(tǒng)漏水發(fā)生爆炸、高溫熔融金屬遇水或者潮濕的物料發(fā)生爆炸、由于操作失誤將水混入高溫金屬液體中引起爆炸等。

預防措施主要包括：在熔融金屬生產(chǎn)、處置和貯存設施附近、運輸線路及附近區(qū)域不得有積水，正上方不得存在滴、漏水隱患；對原料、輔助材料嚴格檢查，確保加入爐中的原料、輔助材料干燥無水；輸送、轉注熔融金屬所使用的設備設施在輸送、轉注前須經(jīng)充分干燥并保證暢通。

噴濺

噴濺不僅會造成金屬損失，還會影響脫除P、S（磷、硫），熱量損失增大，引起鋼水量變化，影響冶煉控制的穩(wěn)定性。噴濺產(chǎn)生大量煙氣污染環(huán)境，同時噴出物堆積，清除困難，嚴重的噴濺會造成人員傷亡、財產(chǎn)損失等。除此之外，還會引發(fā)二次事故，如噴濺出的高溫熔融金屬遇到積水引發(fā)爆炸事故。

對于爆發(fā)性噴濺的預防主要有以下幾個方面：控制好熔池的溫度，前期溫度不能過低，中后期溫度不能過高，均勻升溫；控制TFe（特種生鐵）不出現(xiàn)積聚現(xiàn)象，初期及時降槍，同時促進熔池升溫，終點時適當降槍，但槍位不宜太低；當爐溫過高時，提槍時可適當添加石灰，稠化爐渣。

金屬噴濺的預防措施主要有：分階段定量裝入，并合理增加裝入量；保持合理的爐型，爐底上漲應及時處理，保持適當?shù)臓t底和液面高度；正確控制槍位，化好渣。泡沫性噴濺的預防措施主要有：控制好鐵水中的Si、P（硅、磷）的含量，以及控制好TFe（特種生鐵）的含量，防止積聚出現(xiàn)等。

傾覆翻包

傾覆翻包事故涉及范圍廣，人員也較密集，因此，一旦發(fā)生事故就會造成人員的傷亡，財產(chǎn)的損失。另外，也可能引發(fā)噴濺以及高溫熔融金屬遇水爆炸事故等二次事故，將造成更大的危害。如2007年4月18日，遼寧鐵嶺市清河特殊鋼有限責任公司在煉鋼車間生產(chǎn)過程中，發(fā)生一起鋼水包傾覆特大事故，造成32人死亡，6人重傷，直接經(jīng)濟損失866.2萬元。

根據(jù)傾覆翻包事故的發(fā)生原因，預防措施主要有：鋼水包烘烤足夠的時間，烘烤滿足要求，充分了解鋼水包的狀態(tài)；注意鋼水中氧和殘錳的含量，操作工藝嚴格按照規(guī)范進行；加料時嚴禁物料潮濕，鋼水不得超過限定容積；設備定期檢修，改進其設計缺陷等。

高溫熔融金屬作業(yè)安全完整性評價及管理模式

基于管道完整性的概念，提出冶金企業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理概念，該概念基于系統(tǒng)安全理論，從人、物、環(huán)境、管理4個方面綜合考慮高溫熔融金屬作業(yè)的完整性，其涵蓋高溫熔融金屬作業(yè)過程中設備設施從設計、制造、選型、安裝、改造、維修直到報廢全壽命期間的安全性和可靠性管理及評價，作業(yè)人員身心健康檢查、職業(yè)適合性評價、教育培訓、應急能力考評及在崗要求和離崗條件的管理及評價，作業(yè)環(huán)境中涉及的職業(yè)危害因素的預先識別、評價及高溫熔融金屬作業(yè)過程職業(yè)危害因素防控措施的管理與職業(yè)危害因素的檢測及評價。其目的是減少設備設施故障，避免事故的發(fā)生，降低作業(yè)人員的作業(yè)風險，有效控制作業(yè)場所的職業(yè)危害因素對設備設施和作業(yè)人員的影響。

高溫熔融金屬作業(yè)完整性評價及管理模式

高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理，主要根據(jù)高溫熔融金屬作業(yè)過程的危險有害因素，對高溫熔融金屬作業(yè)過程中面臨的風險進行評價，并制定相應的風險控制措施。通過監(jiān)測、檢驗、檢測、考查等方式，獲取與專業(yè)管理相結合的高溫熔融金屬作業(yè)完整性的信息，識別出高溫熔融金屬作業(yè)過程主要危險有害因素，結合風險評價標準，對高溫熔融金屬作業(yè)過程進行評價，最終通過持續(xù)改進，達到減少和預防高溫熔融金屬作業(yè)事故的發(fā)生和安全運行的目的。

高溫熔融金屬作業(yè)完整性評價及管理流程

根據(jù)高溫熔融金屬作業(yè)設備設施工藝及人員的現(xiàn)場調研，并結合有關完整性管理的標準，建立了高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理流程，如圖1所示。

圖1 高溫熔融金屬作業(yè)完整性管理流程

高溫熔融金屬作業(yè)事故虛擬交互與綜合防控預警系統(tǒng)

該系統(tǒng)以鋼鐵、電解鋁生產(chǎn)過程中高溫熔融金屬4類典型作業(yè)事故為研究對象，面向熔融金屬生命周期/作業(yè)流程/環(huán)節(jié)，基于各類資料，辨識和表征事故隱患，歸納事故致因模式，運用圖譜表達隱患之間的耦合關系，分析多隱患耦合作用下風險演化路徑及過程。基于事件發(fā)生可能性、事件自身嚴重性以及受體暴露程度構建多層次歐氏距離風險表征模型，表征熔融金屬作業(yè)事故風險。

綜合3ds Max建模等方式，對高溫熔融金屬作業(yè)場景進行建模，形成了高溫熔融金屬作業(yè)三維場景。采用Unity 3D虛擬引擎，開發(fā)了具有生產(chǎn)安全認知、隱患風險表征、事故災害預演，以及事故分析回放等功能的高溫熔融金屬典型作業(yè)事故風險表征與演化動態(tài)可視化系統(tǒng)原型，以形成面向多因素耦合形成隱患、隱患失控引發(fā)事故、應對失控導致災害等多階段動態(tài)過程的事故災害防控方法規(guī)范及軟件技術支持系統(tǒng)，為高溫熔融金屬作業(yè)安全提供技術及手段支撐。

基于設備設施完整性管理理念，結合高溫熔融金屬作業(yè)的特點，綜合考慮作業(yè)人員、設備設施及作業(yè)環(huán)境，從全壽命、全流程、持續(xù)改進角度，初步提出高溫熔融金屬作業(yè)完整性評價及管理的概念、模式及流程。

明確高溫熔融金屬作業(yè)崗位人員的職責，確定高溫熔融金屬作業(yè)的典型崗位，設計作業(yè)人員安全作業(yè)及應急能力涉及生理、心理指標的測試方案，并對部分作業(yè)人員進行了測試。

建立了高溫熔融金屬CREAMLEC（認知可靠性和失誤分析方法）評價法。構建了冶金企業(yè)作業(yè)人員在用安全帽有效性三級模糊綜合評價指標體系，進行了評價。利用風險矩陣法，對轉爐煉鋼作業(yè)、連鑄作業(yè)風險進行評價。利用故障樹分析法，對鐵水運輸傾翻爆炸事故和轉爐噴濺事故原因進行了分析。對煉鋼車間高溫、粉塵、毒物、噪聲危害程度進行了分級。在對冶金企業(yè)煉鋼車間調研基礎上，對轉爐煉鋼車間危險有害因素進行辨識分析。

在應急交互訓練系統(tǒng)和事故綜合防控與預警系統(tǒng)研發(fā)方面，基于高溫熔融金屬作業(yè)現(xiàn)場的工藝流程，選取典型場景進行三維建模和交互設計，搭建高溫熔融金屬作業(yè)典型場景的交互系統(tǒng)，并在現(xiàn)有的體感交互座椅和虛擬現(xiàn)實設備的基礎上進行一定程度的融合改變，生成虛擬現(xiàn)實體感式訓練設備，以供后期高溫熔融金屬作業(yè)工作人員與虛擬場景之間交互的實現(xiàn)。

通過對全國高溫熔融金屬事故案例的分析，對爆炸、噴濺、傾翻、泄漏4種典型事故進行了情景亞分類，并通過事故發(fā)生的地點、原因以及事故發(fā)生的條件這3個因素來表征事故模式及其情景亞分類。

通過對事故演化過程的分析，對現(xiàn)有技術及管理手段的研究以及對法律法規(guī)、部門規(guī)章等的歸納總結，從防止事故發(fā)生和減少事故損失兩個維度出發(fā)，基于事故的亞分類歸納整理出了相應的技術防控措施與行為防控措施，構建高溫熔融金屬作業(yè)典型事故防控與預警體系。

依據(jù)國家法律法規(guī)、行業(yè)標準規(guī)范、企業(yè)操作規(guī)程、事故案例分析以及項目研究成果，初步構建了典型事故綜合防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)自身錄入的信息，通過對比歸納整理的防控措施，得出評價結果并提出建議措施，設計并初步實現(xiàn)了高溫熔融金屬作業(yè)典型事故防控與預警系統(tǒng)。

進一步研究高溫熔融金屬作業(yè)事故的發(fā)生機理與管控方法，提出在高溫熔融金屬作業(yè)現(xiàn)場實施作業(yè)跟蹤與崗位安全管控的安全管理方式，并通過學習相關技術文獻，得出人員定位、移動視頻監(jiān)控、增強現(xiàn)實輔助應用于高溫熔融金屬作業(yè)的可行性。

在作業(yè)人員跟蹤技術方面，選取了UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）作為定位信號載體，選取TDOA（Time Difference of Arrival，到達時差）作為定位算法，完成構建作業(yè)現(xiàn)場定位子系統(tǒng)，系統(tǒng)具有軌跡采集、區(qū)域報警、位置識別與熱力圖分布等定位相關功能，能夠實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的高精度定位。

在崗位安全管控技術方面，通過搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡，聯(lián)動報警控制，實現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場視頻信息的采集、傳輸與調看；選取光學透視的AR呈現(xiàn)形式，完成構建AR輔助作系統(tǒng)，預先設計AR作業(yè)場景，實現(xiàn)了員工作業(yè)指引與錯誤提醒等功能；設計包括廠區(qū)風險分級、一般作業(yè)定位監(jiān)控、設備維修監(jiān)管等在內的6大系統(tǒng)業(yè)務模式，完成系統(tǒng)整體框架設計；在系統(tǒng)框架內進行完成了各功能集成，包含監(jiān)控交互窗口、現(xiàn)場作業(yè)輔助、人員風險響應等功能模塊。

通過該系統(tǒng)的研發(fā)，在技術方法方面基本形成了典型事故風險與模式表征方法、作業(yè)安全完整性評價技術、事故綜合防控與預警體系構建技術，有效支撐了典型事故演化動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)、典型事故應急救援虛擬交互訓練系統(tǒng)和典型事故綜合防控預警系統(tǒng)軟件的研發(fā)。

在硬件研發(fā)方面，對作業(yè)事故虛擬現(xiàn)實交互設備平臺和事故場景快速構建系統(tǒng)進行了試制研究，為高溫熔融金屬作業(yè)典型事故應急救援虛擬交互訓練、事故場景的快速構建提供設備手段。

在軟件開發(fā)方面，該系統(tǒng)為防控爆炸、傾翻、噴濺、泄漏等典型事故及災害提供預演、回放和訓練交互虛擬技術手段，同時為冶金行業(yè)典型事故防控預警、以及事故應急救援提供強有力的技術支撐。

該系統(tǒng)的進一步轉化將對實際生產(chǎn)過程中高溫熔融金屬作業(yè)典型事故的防范、安全管理起到指導作用，也將進一步提高相關人員的安全教育和技術培訓效率。