近年來，重、特大安全生產(chǎn)事故頻發(fā)，“8·12”天津濱海新區(qū)爆炸事故、“3·21”江蘇響水天嘉宜公司爆炸事故、“4·15”山東齊魯天和惠世中毒事件等多起嚴重事故，都是因為在化工生產(chǎn)過程中存在操作不規(guī)范、管理不徹底和技術跟不上等問題。安全生產(chǎn)已經(jīng)成為當今社會廣泛關注的熱點議題之一。
另一方面，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)孕育興起，中國制造業(yè)轉型升級與其形成歷史性交匯。為了搶占未來經(jīng)濟和科技發(fā)展的制高點，中國制定了促進工業(yè)由大變強的指導性戰(zhàn)略《中國制造2025》，明確提出加快推動新一代信息技術與制造技術融合發(fā)展，將智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，推動行業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，智能制造為工廠安全生產(chǎn)管理的新模式提供了新思路。
2018 年6 月19 日，應急管理部聯(lián)合工業(yè)和信息化部、財政部、科技部發(fā)布了《關于加快安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，提出“重點發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的智慧安全云服務，聚焦重點行業(yè)領域安全需求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化安全技術與裝備科研為重點方向，通過中央財政科技計劃（專項、基金等）支持符合條件的災害防治、預測預警、監(jiān)測監(jiān)控、個體防護、應急救援、本質安全工藝和裝備、安全服務等關鍵技術的研發(fā)。”
2019 年4 月24 日，應急管理部又與工業(yè)和信息化部召開座談會，以推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在?；菲髽I(yè)安全風險監(jiān)測預警中的應用，指出以危險化學品企業(yè)安全風險監(jiān)測預警為切入點，共同推進安全生產(chǎn)監(jiān)測信息系統(tǒng)的建設，力爭在 2019年基本實現(xiàn)對重點?；菲髽I(yè)基本安全生產(chǎn)信息監(jiān)測的全覆蓋，然后逐步擴展到其他安全生產(chǎn)領域。
面對如此嚴峻的安全生產(chǎn)形勢，已不滿足于傳統(tǒng)的安全管理技術和方法，各種新技術、新方法開始與安全生產(chǎn)緊密結合，尋求企業(yè)安全生產(chǎn)管理的解決方案。自動化控制技術可以在化工生產(chǎn)中出現(xiàn)某一環(huán)節(jié)波動和異樣時及時發(fā)出安全警報，提醒化工生產(chǎn)人員及時查看問題，予以解決；“互聯(lián)網(wǎng)+石油石化安全生產(chǎn)”概念的提出，為石油石化安全生產(chǎn)提出了新的解決方向；物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)在石油石化行業(yè)生產(chǎn)過程管理、設備資產(chǎn)管理、人員管理和安全管理等領域初步應用，取得了較好的效果；安全預警指數(shù)系統(tǒng)的提出，為企業(yè)安全風險的發(fā)展趨勢提供了定量化的依據(jù)；監(jiān)測監(jiān)控技術推動了煤礦生產(chǎn)的安全管理發(fā)展；應急指揮平臺搭載新技術的模式提高了煤化工企業(yè)安全生產(chǎn)突發(fā)事件的處理效果。
本文以生產(chǎn)安全為著重點，從人員安全、設備安全、物料安全、工藝安全和環(huán)境安全5個角度出發(fā)，利用專業(yè)檢測技術、數(shù)據(jù)分析技術、智能預測技術和專家知識，提出基于工業(yè)操作系統(tǒng)為平臺的解決方案。
流程工業(yè)的安全需求
流程工業(yè)在生產(chǎn)過程中有易燃易爆、高溫高壓、連續(xù)作業(yè)等特點，生產(chǎn)流程長，生產(chǎn)工藝復雜，危險性大，稍有不慎就可能引發(fā)事故，給員工生命和企業(yè)財產(chǎn)造成嚴重的威脅。但在實際生產(chǎn)過程中，受制于當前的技術及條件，仍存在如下問題。
1）當前流程工業(yè)中使用的設備和儀表眾多，信息數(shù)據(jù)分散在不同的系統(tǒng)，發(fā)生事故時需在多個系統(tǒng)查詢數(shù)據(jù)，然而跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比分析、關聯(lián)計算難以實現(xiàn)，嚴重影響事故原因的確認和事故的緊急處理。
2）隨著分布式控制系統(tǒng)（DCS）的普遍應用，設置的報警越來越多。據(jù)統(tǒng)計，每個操作員需要應對的報警組態(tài)超過4000個，但操作人員數(shù)量和精力有限，過多報警使操作員疲于應對，導致忽略真正需要緊急處理的關鍵報警，不能及時處理異常情況，導致產(chǎn)量降低、質量下降和緊急停車，嚴重時甚至導致事故發(fā)生。缺少高級報警管理系統(tǒng)的應用，對系統(tǒng)報警進行優(yōu)化處理和分類管理，減少干擾報警，突出重要報警。
3）大量中小企業(yè)生產(chǎn)設施簡陋、人員依賴性強、技術裝備和管理方法落后，對重大安全隱患（如設備腐蝕、泄露）缺少科學有效的監(jiān)測，對危險源識別和分析缺少科學的評估及跟蹤。企業(yè)對裝置缺少科學分析，易腐蝕、易泄漏點缺少實時監(jiān)測系統(tǒng)。
4）在流程工業(yè)開停車或工況切換過程中，由于操作人員新老更替、操作水平良莠不齊、操作步驟不規(guī)范等原因，可能造成物料過度損耗、設備損壞，甚至引發(fā)生產(chǎn)事故。
以工業(yè)操作系統(tǒng)為平臺的解決方案
針對流程工業(yè)企業(yè)存在的安全生產(chǎn)問題，提出以工業(yè)操作系統(tǒng)為平臺的生產(chǎn)安全整體解決方案，從“人、機、料、法、環(huán)”5個方面，將分散在各個系統(tǒng)中的不同信息通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息互聯(lián)互通、消除信息孤島，基于數(shù)據(jù)分析提出優(yōu)化方案，提高工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理水平，推動企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，為工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)保駕護航。針對流程工業(yè)的安全需求，安全生產(chǎn)解決方案主要考慮從以下3個方面進行完善。
1）讓“感官”更真實。工廠裝置現(xiàn)場存在大量不合理的報警，針對這些報警，突出關鍵報警，提高操作人員對異常工況的響應效率，實時監(jiān)控設備和管道的腐蝕情況，指導工藝操作并實現(xiàn)預測性維護，減少因設備腐蝕造成的事故和損失，讓監(jiān)測和報警信號真實反應裝置的狀況。
2）讓“大腦”更強大。在快速獲取人員、設備、工藝、環(huán)境等相關數(shù)據(jù)的基礎上，進行充分的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)風險評估模型的建立，評價工廠當前的安全風險，并通過手機 App、短信、電子郵件等方式及時將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給管理人員，讓管理者在第一時間獲取需要的信息，為企業(yè)安全管理決策提供依據(jù)。
3）碎片化模塊，結構化產(chǎn)品。根據(jù)工廠在安全管理中的實踐，梳理出安全管理業(yè)務流程，進而以業(yè)務流程為基礎設計工業(yè)操作系統(tǒng)的功能模塊。在應用到具體工廠場景時，根據(jù)工廠實際管理需要，結構化功能模塊，使系統(tǒng)適用于不同工況，滿足工廠對于唯一安全管理體系的建設需求，提高管理效率。
鑒于此，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，提出了工業(yè)操作系統(tǒng)的概念，從人員、設備、物料、工藝、環(huán)境5個方面為企業(yè)安全生產(chǎn)提供了解決方案，具體框架如圖 1 所示。同時，從生產(chǎn)監(jiān)護和規(guī)劃設計兩個層面為工業(yè)操作系統(tǒng)充實了結構化的功能模塊，提高工廠應急協(xié)同能力，最終實現(xiàn)工廠的數(shù)字化安全運行。
圖1 中控生產(chǎn)安全整體解決方案（框架）
操作平臺設計
工業(yè)操作系統(tǒng)以幫助企業(yè)實現(xiàn)工廠區(qū)域的信息全集成為突破口，搭建全集成的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，它是集工業(yè)控制平臺、工廠模型平臺、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺、工業(yè)云平臺、工業(yè)Apps應用商店等于一體的工業(yè)操作系統(tǒng)，通過云（云互聯(lián)網(wǎng)平臺）、企（工廠互聯(lián)網(wǎng)平臺）、端（邊緣計算節(jié)點）三層同一架構，實現(xiàn)管控一體化交互。以集成化、數(shù)字化和智能化手段解決生產(chǎn)控制、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)安全和企業(yè)經(jīng)營的綜合問題，讓企業(yè)掌握自身發(fā)展工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能的主動權。
人員安全方案
采用地理信息系統(tǒng)（GIS）、視頻監(jiān)控、圖像識別、人員定位和物聯(lián)網(wǎng)等技術構建人員定位與管理系統(tǒng)，對工廠中的人員、設備、物資、危險源、監(jiān)控、門禁、環(huán)保設備、消防設備等要素進行全方位監(jiān)控，直觀、高效、快捷地實現(xiàn)智能施工管理、危險作業(yè)管理、智能巡檢和應急管理等功能。
1）智能施工管理。從施工單位的選擇、合同簽訂、人員培訓、現(xiàn)場監(jiān)管、績效評估等各方面對施工單位進行全工程周期的智能化管理，把控源頭、關注過程，實現(xiàn)建設項目的安全、高效實施。
2）危險作業(yè)管理。以《化學品生產(chǎn)單位特殊作業(yè)安全規(guī)范》（GB 30871—2014）為依據(jù)，結合工業(yè)現(xiàn)場應用場景，分析作業(yè)申請、作業(yè)批準、作業(yè)實施、作業(yè)關閉4個環(huán)節(jié)中的風險點，發(fā)揮移動終端的橋梁作用，以線上審核、線下管控相結合的方式，管控危險作業(yè)過程中的風險。
3）智能巡檢?；谥悄苎矙z軟件平臺，實現(xiàn)巡檢人員定位，綜合分析巡檢信息，不斷優(yōu)化巡檢點、巡檢頻次、巡檢路線等，為預測性維護提供數(shù)據(jù)支持。
4）應急管理。以智能化手段，覆蓋應急管理的預防、準備、響應、恢復全部 4個階段，實現(xiàn)應急預案的精準推送、應急物資的實時更新、應急隊伍的快速聯(lián)動、應急過程的全程記錄。
設備安全方案
利用互聯(lián)網(wǎng)技術，監(jiān)控關鍵設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)預測性維護、事故中應對和事故溯源分析等。對于傳統(tǒng)方式難以監(jiān)測的關鍵點，采用 4G或 5G等無線技術手段進行部署。從泄漏監(jiān)測、動設備監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測、安全完整性等級（SIL）在線評估等方面幫助企業(yè)實現(xiàn)設備安全。
1）泄漏監(jiān)測。基于過程泄漏風險圖，部署點、域、界節(jié)點監(jiān)測設備，實時監(jiān)測高危裝置設備泄漏源的泄漏風險和泄漏趨勢，消除由易燃易爆、有毒有害氣體和揮發(fā)性有機物外漏而造成的重大事故隱患。
2）動設備監(jiān)測。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，接入關鍵動設備的監(jiān)控數(shù)據(jù)，確保關鍵動設備安全運行，并實現(xiàn)預測性維護，減少因動設備故障引起的非計劃停車。
3）腐蝕監(jiān)測。利用在線儀器工具和分析方法實時監(jiān)測關鍵設備或關鍵部位的腐蝕情況，確定材料在工藝介質環(huán)境中的腐蝕速度、腐蝕裕量，指導設備管理人員及時升級材質，更換設備管道或對緩蝕劑類型或比例做出調(diào)整。
4）SIL在線評估?；诋斍爸袊踩a(chǎn)形勢嚴峻、監(jiān)察力量不足及監(jiān)察工作急需加強的現(xiàn)狀，根據(jù)功能安全國際標準 IEC61508和 IEC61511推出 SIL等級在線評估平臺，定期評估安全系統(tǒng)的SIL等級。
物料安全方案
運用物聯(lián)網(wǎng)技術進行危險源管理，在線關聯(lián)危險源所在設備，關聯(lián)危險源監(jiān)控位號，關聯(lián)危險源周邊物資，讓危險源管理從靜態(tài)的臺賬管理上升為可聯(lián)動周邊資源信息、生產(chǎn)信息、安防信息的動態(tài)過程，方便應急救援時的指揮調(diào)度。
1）罐區(qū)管理。定期評估罐區(qū)內(nèi)外環(huán)境、設備狀況，以及安全附件、消防設施、安全警示牌、可燃和有毒氣體報警系統(tǒng)的完好性，以提高罐區(qū)管理的科學性和有效性。
2）物流儲運。對廠區(qū)內(nèi)危險化學品的輸送管道和儲運過程進行信息化管理和識別，通過聲光報警裝置警告靠近人員。
3）智能裝卸車系統(tǒng)。智能裝卸車系統(tǒng)由自動裝卸平臺、卡車內(nèi)部設備和管理平臺組成，該系統(tǒng)可以自動優(yōu)化裝卸任務，裝卸平臺可自動優(yōu)化單次裝卸數(shù)量，在降低運行成本的同時，也提高了工作環(huán)境安全等級。
工藝安全方案
通過標準通信接口，獲取控制系統(tǒng)關鍵工藝參數(shù)和報警數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。
1）高級報警管理。高級報警管理系統(tǒng)通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)不合理的報警設置，并通過報警擱置和多工況報警管理等手段減少無效報警對操作員的干擾；通過報警審計發(fā)現(xiàn)不合理的報警，有效地管理與維護報警。高級報警管理系統(tǒng)可為裝置的“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷”運行提供保證，使生產(chǎn)更加平穩(wěn)、操作更加安全、生產(chǎn)成本進一步下降以及事故進一步減少。
2）工況切換管理。工況切換管理系統(tǒng)以規(guī)范與簡化操作流程為初衷，運用標準化操作流程圖，規(guī)范操作員操作步驟。將現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗寫入操作導航管理軟件的方式不斷優(yōu)化操作規(guī)范，從而形成一個良性的工藝效益改進循環(huán)。
3）工藝安全管理。實現(xiàn)工藝安全信息的管控和工藝危害分析，對物料危害特性、工藝設計基礎、設備設計基礎、裝置運行信息進行實時更新，以信息化工具為載體，結合危險與可操作性分析（HAZOP）、保護層分析（LOPA）等工藝危害分析方法，定期對裝置的安全風險進行辨識、評估與管控。
環(huán)境安全方案
利用傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對企業(yè)污染源相關指標的實時監(jiān)控，采集污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染產(chǎn)生數(shù)據(jù)及污染治理的設備參數(shù)，確定系統(tǒng)的運行情況。
1）揮發(fā)性有機化合物（VOC）在線監(jiān)測。VOC在線監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)廢氣中的成分及特性、環(huán)境敏感區(qū)分布和主導風向等因素，預測污染物的擴散趨勢，科學制定污染區(qū)的控制方案。
2）水質在線監(jiān)測。水質在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測水質、水量、污染源排放、環(huán)境因素、工程設備/設施運行狀況等，貫穿“源頭預防-過程監(jiān)測-效果評估”全流程，引入公眾調(diào)查評議，建立長效的監(jiān)督管理機制，最終達到提升人居環(huán)境質量，改善城市生態(tài)環(huán)境的目的。
當前，安全生產(chǎn)已經(jīng)成為企業(yè)的核心競爭力之一。如何管控工廠安全風險、消除重大安全隱患、避免生產(chǎn)安全事故始終是工廠安全管理的難題，這也將長期成為安全生產(chǎn)管理領域研究的課題。當今正處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的起步階段，結合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時代特征，提出的工業(yè)操作系統(tǒng)基于人員安全、設備安全、物料安全、工藝安全、環(huán)境安全等管理業(yè)務，從信息化、數(shù)字化、智能化的角度，為工廠安全生產(chǎn)難題提出了解決方向。通過在實踐中與安全管理技術的進一步緊密結合，工業(yè)操作系統(tǒng)可實現(xiàn)應用模塊的不斷優(yōu)化、更新和升級，這將為工廠安全現(xiàn)狀診斷、安全風險預警、安全方案咨詢提供數(shù)字化和智能化的解決方向，在不久的將來，工業(yè)操作系統(tǒng)將支持 4G/5G的智能終端，基于機理模型與大數(shù)據(jù)融合進行風險識別及定量分析，以圖像智能識別的方式進行隱患報警，結合App產(chǎn)業(yè)生態(tài)為工廠制定全流程安全解決方案，從而為工廠的綠色安全、可持續(xù)發(fā)展提供一份堅實的保障。作者簡介
作者簡介：褚健，中控科技集團有限公司，寧波工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院，教授，研究方向為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。
