一種火工品生產(chǎn)安全風險監(jiān)控方法的研究

張弦弦，劉治紅，梁海洋

（中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司 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，因此在生產(chǎn)過程中涉及的安全風險因素多，對操作人員素質(zhì)和技能要求高。目前國外多數(shù)制造企業(yè)已實現(xiàn)了作業(yè)過程的自動化，安全風險管控的數(shù)字化及智能化，極大地推動了企業(yè)生產(chǎn)安全管理體制、組織體系、標準規(guī)范、風險防控方法、生產(chǎn)工作方式等的改變，保障了生產(chǎn)向集成、自動、柔性、綠色、高效方向發(fā)展；而國內(nèi)多數(shù)制造企業(yè)由于自動化生產(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)安全管控標準和業(yè)務(wù)流程多以傳統(tǒng)的人工管控為主，存在勞動力需求數(shù)量大、勞動強度高、生產(chǎn)效率低、現(xiàn)場安全管控難度大、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)線為研究對象，解決該生產(chǎn)線存在的安全危險因素多、表征不全面、采集實時性差、分析決策滯后等一系列問題，通過識別、分析出其生產(chǎn)過程中存在的安全風險及危險因素，采用安全評估建模、傳感網(wǎng)絡(luò)布局、自動化遙操作、三維可視化監(jiān)控等技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)過程危險因素的全方位、全要素、全時段在線監(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)計思路

面向火工品生產(chǎn)安全風險監(jiān)控方法包括以下四大部分：

（1）全面、綜合地分析生產(chǎn)過程中的危險因素，對危險因素進行識別及表征，建立安全要素數(shù)字化模型。

（2）對生產(chǎn)現(xiàn)場進行傳感網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計與優(yōu)化，采用傳感器對生產(chǎn)過程中的危險因素進行實時感知。

（3）設(shè)計關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)“人機隔離”裝置，降低由于人為失誤、違規(guī)操作等行為導致安全事故發(fā)生的概率，同時實現(xiàn)機械化操作，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)計安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)，進行生產(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)三維實時監(jiān)控、安全報警聯(lián)動處置，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中危險因素及時有效的預警，見圖2。

圖2 總體設(shè)計思路

3 實現(xiàn)方法

3.1 危險因素表征及安全評估建模

火工品生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的危險源，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)計的合理性、保護設(shè)施的完好率等；環(huán)境因素是指物料擺放情況、加工現(xiàn)場的照明、溫濕度、噪音等因素；管理因素指安全組織機構(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)危險因素表征特點進行全方位、全要素、全時段安全風險實時感知。

危險因素表征與建模技術(shù)根據(jù)企業(yè)安全風險管控的經(jīng)驗、知識，對生產(chǎn)過程中存在的危險源進行識別、分析后，形成危險因素表征數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)控奠定基礎(chǔ)。對安全風險進行評估，建立安全數(shù)字化評估模型，并與采集到的安全風險數(shù)據(jù)進行實時匹配，預測可能發(fā)生的危險情況及相關(guān)概率，實現(xiàn)生產(chǎn)危險環(huán)節(jié)狀態(tài)的實時跟蹤。模型內(nèi)嵌到安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)中，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程危險源的可識、可控[2]。

3.1.1 基于主成分分析法進行危險因素表征識別

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

3.1.2 基于層次分析法進行安全評估建模

首先采用層次分析法對安全信息進行分層管理，形成危險因素分層結(jié)構(gòu)樹。如第一層為物的因素u1、人的因素u2等，u1的第二層有危險物質(zhì)u11、設(shè)備設(shè)施u12等；u11的第三層包括火災危害性u111、靜電危害性u112等以此類推。

再對安全因素指標根據(jù)不同專家的經(jīng)驗按權(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。

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

圖3 基于表征量的分析評估模型示意圖

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，進行安全風險的數(shù)字化采集，并創(chuàng)建傳感網(wǎng)絡(luò)實現(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)，將傳感器自動獲取的各類信息，傳輸至數(shù)據(jù)中心，為危險因素分析提供實時數(shù)據(jù)。

傳感網(wǎng)絡(luò)布局后，一方面針對車間布局、生產(chǎn)線安置、生產(chǎn)流程和環(huán)境干擾因素等現(xiàn)場因素構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模型；一方面針對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)覆蓋等方面對傳感器節(jié)點進行仿真設(shè)計，以便優(yōu)化傳感網(wǎng)絡(luò)。

3.3 危險生產(chǎn)環(huán)節(jié)“人機隔離”裝置

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

圖4 機械臂遠程三維監(jiān)控平臺示意圖

3.4 安全生產(chǎn)智能監(jiān)控與分析系統(tǒng)

在危險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)實時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場安全數(shù)據(jù)，根據(jù)安全評估模型進行綜合分析，實現(xiàn)危險環(huán)節(jié)狀態(tài)的實時跟蹤與預警，并在可視化監(jiān)控平臺上進行分析結(jié)果的動態(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)，實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的采集、處理、分發(fā)及存儲；安全數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，建立生產(chǎn)危險狀態(tài)辨識方法及識別算法，通過數(shù)字化安全風險評估模型評估當前的生產(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)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程安全風險狀態(tài)的實時監(jiān)控、安全預警和高效聯(lián)動處置。

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，基于條碼標識的物料信息采集，基于人員身份識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、門禁監(jiān)控采集等。通過溫濕度傳感器、標簽、人員身份卡、視頻、靜電防護設(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)、圖像識別分析技術(shù)以及射頻信息技術(shù)對生產(chǎn)過程中涉及到的人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等危險因素狀態(tài)進行采集。

人員的安全數(shù)據(jù)采集，重點針對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不符合安全要求的操作行為、危險區(qū)域同時出現(xiàn)的人數(shù)、人員的身份信息及是否穿戴勞動護具、是否消除人體靜電等數(shù)據(jù)進行采集；物料的安全數(shù)據(jù)采集，重點針對在制品在生產(chǎn)過程中的受力、位移、當量，以及存放位置等參數(shù)進行采集；設(shè)備的安全數(shù)據(jù)采集，重點針對設(shè)備運行狀態(tài)、接地電阻等參數(shù)進行采集；環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，重點考慮生產(chǎn)現(xiàn)場工作溫度、濕度、粉塵、光照強度等數(shù)據(jù)進行采集。

按照生產(chǎn)現(xiàn)場防靜電、防爆等特殊要求，根據(jù)危險因素特點設(shè)置各類安全數(shù)據(jù)的采集周期、頻率、格式，通過對異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的同步采集與處理；綜合應用實時、非實時數(shù)據(jù)庫，結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等，構(gòu)建安全數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的分類、分級存儲。

3.4.2 安全數(shù)據(jù)處理

采集到的生產(chǎn)現(xiàn)場安全數(shù)據(jù)具有多源、多模態(tài)、異構(gòu)等特性，且在實際采集過程中可能會遇到采集對象缺損、污損以及采集數(shù)據(jù)、評估數(shù)據(jù)、真實數(shù)據(jù)不對等問題，為了保證各項數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要對采集方法進行優(yōu)化，對采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行判定修正，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)進行圖像優(yōu)化；利用數(shù)據(jù)冗余算法提高糾錯等級；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)填補算法進行數(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)安全風險管控的先驗知識，建立安全數(shù)字化評估模型。從數(shù)據(jù)中心獲取生產(chǎn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，根據(jù)安全評估模型進行環(huán)境、人員、物料、設(shè)備等綜合危險指數(shù)的綜合分析。通過對相關(guān)表征量的發(fā)展趨勢進行匹配、計算，預測可能發(fā)生的危險情況及相關(guān)概率，構(gòu)建一套預警評估機制，評估現(xiàn)場是否需要進行處置，如何處置，由此實現(xiàn)由安全分析數(shù)據(jù)驅(qū)動的輔助處置決策[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)境復雜，眾多的安全數(shù)據(jù)源于安全因素難以通過簡單的方式直觀的呈現(xiàn)，因此需要建立三維生產(chǎn)線虛擬場景作為平臺，融合經(jīng)綜合分析后的安全實時信息進行安全監(jiān)控。

生產(chǎn)線建模：根據(jù)仿真建模技術(shù)，運用“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)場監(jiān)控反饋”的仿真邏輯，建立三維生產(chǎn)線虛擬場景。

安全信息——物理融合：由實時安全數(shù)據(jù)驅(qū)動場景模型對象屬性，建立人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等危險因素與仿真模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實現(xiàn)三維模型與真實設(shè)備同步。

三維可視化顯示：利用安全態(tài)勢圖標庫，融合安全數(shù)據(jù)分析結(jié)果形成安全態(tài)勢信息，采用三維場景模型與安全態(tài)勢信息集成技術(shù)，進行安全態(tài)勢全局可視化顯示，實現(xiàn)生產(chǎn)安全實時監(jiān)控。

3.4.5 安全聯(lián)動處置

當監(jiān)控系統(tǒng)接收到安全態(tài)勢報警、預警信息時，一方面將該信息推送到現(xiàn)場報警系統(tǒng)進行燈光、聲音報警，提醒操作人員發(fā)生危險；一方面進行安全聯(lián)動處置。采用安全預警事件預案模擬推演技術(shù)進行態(tài)勢推演，判斷危險等級、定位故障原因，針對不同級別的預警響應作出不同的處置方案，如對人的誤操作警告、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行處置，便于進行安全態(tài)勢的掌控[6]。當危險排除后，重新將安全等級調(diào)整到閾值范圍內(nèi)。

異常處理方案包括：

（1）通過對車間現(xiàn)場的廣播，對人員已經(jīng)發(fā)生或者有可能發(fā)生的危險行為進行干預；對于其他更加嚴重安全事件，可撤離車間人員。

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

（3）對于環(huán)境原因已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的危險，管理人員通過有線網(wǎng)絡(luò)控制對安防設(shè)備進行遠程操作，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)安全風險監(jiān)控方法，特點是能實現(xiàn)火工品生產(chǎn)過程中安全風險的“感、聯(lián)、知、控”。能通過對人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等安全風險的全面梳理和覆蓋監(jiān)控，實現(xiàn)生產(chǎn)過程安全風險的全面感知；通過對安全風險數(shù)據(jù)采集、分析、主動預警，提醒安全人員及時處置，控制安全風險進一步演變?yōu)榘踩录?，及時將事件消滅在萌芽狀態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程安全風險的可控；建立生產(chǎn)過程安全風險數(shù)據(jù)，全面記錄生產(chǎn)過程人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等安全風險的產(chǎn)生、報警、消除的過程，實現(xiàn)安全事件的可查。

該方法在增強高危產(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、推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型方面具有很好的參考價值。但在研究過程中，傳感網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化是個難點，需要根據(jù)各制造企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境、安全風險防控要求等進行具體的分析，才能更好的實現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)風險監(jiān)控。