承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术研究概述

蓝 麒 王 辉 刘三江

(中国特种设备检测研究院 北京 100029)

承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术研究概述

蓝 麒 王 辉 刘三江

(中国特种设备检测研究院 北京 100029)

经过60余年的发展建设，我国已经探索出一条适合中国国情的特种设备安全监管道路，但随着经济社会不断发展，特种设备安全监管的一些深层次矛盾和问题日益突出，与人民群众日益增长的安全保障需求还不相适应。近年来，随着大数据等新理念新技术的涌现，为特种设备安全监管改革创新带来了新契机，为特种设备安全监管理论、体制和机制研究创造了新条件。本文主要介绍了“承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术研究”课题的背景、概况、目标、方案、路线、创新、内容、成果和效益等相关内容。

承压设备 大数据 宏观安全风险 安全状态参数 应急技术

“承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术研究（2016YFC0801906）”课题是“十三五”国家重点研发计划“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究（2016YFC0801900）”项目中的第六个课题，也是最后一个课题。本课题将对课题一至课题五形成的关键技术方法进行系统集成，并构建高参数承压设备全寿命周期风险防控技术方法体系，搭建基于大数据的承压设备宏观安全风险监管和事故应急平台。本课题在项目中的位置以及与其他课题的关系如图1所示。

图1 课题所在项目总体路线图

本课题是“十一五”国家科技支撑计划“特种设备安全动态监管技术研究（2006BAK02B05）”和“十二五”国家科技支撑计划“基于风险的特种设备安全监管关键技术研究（2011BAK06B06）”的延续和拓展，在风险管理技术引入特种设备安全监管的基础上，依托大数据的理念和技术，主要以承压设备为对象，重点考虑新一代信息技术对特种设备安全监管带来的冲击和影响，重新审视未来特种设备安全监管的发展方向，为推进特种设备安全治理体系和治理能力现代化提供理论支撑和技术支持。

本课题的突出特点是软硬结合，将软课题研究与硬技术研究紧密结合,将管理科学与安全技术紧密结合。本课题将通过研究宏观安全风险理论，建立安全状态参数识别技术，构建宏观安全风险防控大数据预警模型；研究典型承压类特种设备事故过程仿真再现和数值反演技术，建立毒性介质泄漏扩散模型和火灾环境下多物理场耦合响应演化模型，提出相应应急处置技术；研究新常态下承压类特种设备安全监管技术体系，开展市场准入模式、现场监察、监督检验机制优化研究；研究宏观安全风险数据报告制度和可追溯机制，建立安全状态参数、应急等专业数据库，构建国家承压设备宏观安全风险防控与应急平台；针对长管拖车、深冷罐车、小型氨制冷装置等典型承压设备，结合物联网技术，开展全寿命周期信息可追溯监管及宏观安全风险定位、预警与应急响应示范应用[1]。

1 研究概况

大数据是以容量大、类型多、存取速度快、应用价值高为主要特征的数据集合，正快速发展为对数量巨大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析，从中发现新知识、创造新价值、提升新能力的新一代信息技术和服务业态[2]。整体而言，全球大数据应用尚处于发展初期，各行业的发展呈现“阶梯式”格局，互联网行业为领跑者，金融、零售、电信、公共管理、医疗卫生等领域正在积极尝试，基于大数据的特种设备监管和承压设备监管研究刚刚起步。

1.1 国外研究综述

国外研究机构对特种设备安全大数据需求规律、分类模型等理论研究较少，主要集中在基础理论、数据存储、计算和分析预警等方向。国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)成立了下一代分析技术与大数据研究组，重点研究对象包括元数据、大数据存储和检索、大数据所支持的复杂数据类型等。美国国家标准与技术研究院（NIST）建立了大数据公共工作组（NBD-PWG），其重点研究对象包括术语和定义、用例和需求、安全和隐私、参考体系结构和技术路线等。国外政府部门不断加大数据开放力度、增加基础技术投入、推动公共部门应用。美国积极强化顶层设计，率先推出“大数据行动计划”。英国将大数据列为战略性技术，对航天、医药等8类高新技术领域给予资金支持，并促进政府和公共领域的大数据应用。日本将发展大数据作为国家战略的重要内容，聚焦大数据应用所需的社会化媒体等智能技术开发，以及在新医疗技术发展、缓解交通拥堵等公共领域的应用[3]。

国外还没有系统的文献,基于大数据视角开展特种设备风险监管和应急研究，但近10年来，RBI(risk based inspection)技术在国外已被广泛应用于对特种设备风险评估，并建立起特种设备全生命周期数据追踪系统和机制，为生产装置长期安全运行提供可靠的技术保障。此外，为了预防和减少压力容器、压力管道以及机电设备危害公共安全的事故、灾害和突发事件，发达国家相继研发了全国统一的国家应急管理信息系统，打破了不同机构和企业之间的“数据孤岛”。美国应急联邦管理局（FEMA）制定了E-FEMA战略，开发了国家应急处理系统（NIMS），可实现公共安全应急的一体化、实时化、精确化和快速反应。欧盟建立了基于卫星通讯的应急管理技术支撑系统（e-Risk）,德国建立了危机预防信息系统（deNIS）,各国都在积极推动信息技术与政府监管和应急技术的深度融合。

1.2 国内研究综述

我国对于大数据的研究总体处于初级阶段，其理论和技术还在不断的发展当中。在基础理论方面，中国电子技术标准化研究院等机构对大数据的概念、技术以及面临的挑战进行了研究，成立非结构化数据管理标准工作组，并发布《大数据标准化白皮书》。在安全生产方面，对大数据的概念、范畴、分类等基本问题还有待明确和统一，示范应用还处于起步探索阶段；国家安监总局发布《安全生产网络舆情应对预案》，将网络舆情纳入安全生产应急管理工作机制中；郭东华院士提出应用空间大数据推动防灾减灾；瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室、教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室等部门通过大数据思维、云计算技术设计矿机瓦斯安全预警系统等。在特种设备安全方面，2015年9月中国特检院启动863计划“大型复杂起重设备全生命周期数据集成管理与应用技术研究”课题，对大型复杂起重设备的健康监测技术、管理分析技术以及数据集成管理技术进行研究；浙江、山东、贵州、重庆等地相继开展特种设备安全监管信息化管理平台研究和建设工作，贵州的平台建设得到了2017年全国特种设备安全监察工作会议的充分肯定。

我国对特种设备安全监管的软课题研究从“十一五”正式起步，“十二五”期间国家科技支撑计划“基于风险的特种设备安全监管关键技术研究”课题取得了一定的突破。课题在充分分析特种设备安全监管面临主要问题的基础上，针对我国特种设备安全监察和检验中的“人机矛盾”，以风险管理为导向，从基本概念及基础理论出发，对事故隐患分类分级、设备关键风险要素及可接受准则、安全责任划分等开展了深入研究，设计了基于风险的特种设备分类方法及使用单位分类方法模型，为国家特种设备安全监管部门开展风险监管、分类监管提供了理论支撑，对特种设备安全技术规范制定的原则、方法、流程及范围界定进行研究，为安全技术规范的制定提供指导，并得到监管部门的充分肯定和推广应用，取得了良好的社会效益，为我国开展基于风险的特种设备安全监管奠定了基础。

2 课题设计

2.1 研究目标

本课题从宏观安全风险防控基础理论研究入手，明确承压设备宏观安全风险防控数据需求，建立承压设备宏观安全风险防控大数据预警模型，构建高参数承压设备全寿命周期风险防控技术方法体系，搭建基于大数据的承压设备宏观安全风险监管和事故应急平台，提升我国高参数承压设备风险防控和治理的技术能力和装备，为政府和企业的风险防控和治理提供技术支撑。

2.2 研究方案

本课题依据国务院关于政府职能转变、大数据、互联网+、重要产品追溯体系建设、应急产业发展等文件精神，及质检总局特种设备安全监管改革顶层设计方案的相关要求，结合特种设备安全工作现状和发展趋势，采取理论分析、工程应用等相结合的研究方法，对承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术进行研究。以基础理论—预警模型—平台建设—事故应急—机制优化—试点示范为主线，研究安全状态参数及其与宏观安全风险的关联关系，构建宏观安全风险预警模型；综合运用数据管理、安全状态参数组合传感器、二维码和移动终端等物联网技术实现全寿命期数据信息可追溯；应用互联网、GIS技术，实现全方位宏观安全风险展示、定位、预警与应急响应，建立国家承压设备宏观安全风险防控和应急平台；借助计算机模拟技术实现事故仿真和应急处置；参考国外监管模式，优化设计适合我国国情的科学监管模式；选择设备较为集中、具备一定应用基础的重点地区，针对长管拖车、深冷罐车、小型氨制冷装置等开展试点示范。课题研究分解为如下4个任务，如图2所示：

任务1：承压类特种设备宏观安全风险防控理论与大数据预警模型研究

任务2：承压类特种设备宏观安全风险防控预警应急平台构架设计与工程示范

图2 课题各任务逻辑关系图

任务3：承压类特种设备应急处置技术研究

任务4：承压类特种设备安全监管技术体系及机制优化研究

2.3 技术路线

本课题技术路线如图3所示。

图3 课题技术路线图

2.4 主要创新

本课题主要包括以下创新点：一是首次提出宏观安全风险理论，以大数据技术和方法为指导，提出安全状态参数识别技术，从区域、企业、设备三个层次构建了典型承压设备宏观安全风险预警模型。二是从安全监管角度设计国家承压设备宏观安全风险防控与应急平台框架，构建全寿命周期风险预警与应急监管平台。三是建立卧式储存容器、钢制球形储罐火灾环境下多场响应计算模型，建立储存毒性介质的承压设备在偶发事故中的介质泄漏扩散模型，提出火灾环境和毒性介质泄漏情况下典型承压设备的应急处置技术。四是建立基于设备和制造单位风险的许可模式和市场准入方式。

3 研究内容

3.1 任务1：承压类特种设备宏观安全风险防控理论与大数据预警模型研究

基于安全科学原理及风险管理理论，研究承压类特种设备宏观安全风险的定义、构成要素及其属性等基本理论问题，建立宏观安全风险防控理论体系；以大数据驱动特种设备实时监管为目的，统计近十年来承压类特种设备事故案例和失效案例中的关键因素，分析典型承压设备设计、制造、安装、改造、修理、经营、使用和检验等八大环节[4]的宏观风险安全状态参数，建立实证和理论视角下典型承压设备全生命周期宏观风险安全状态参数清单。综合考虑政策、法律法规、规范和标准、管理机制及实施、地域特点、寿命期、安全状况等级等方面的风险，从区域、企业、设备三个层次构建典型压力容器宏观安全风险预警模型。

3.2 任务2：承压类特种设备宏观安全风险防控预警应急平台构架设计与工程示范

以典型承压设备为对象，在安全状态参数研究的基础上，形成典型成套装置固定式压力容器和移动式压力容器全生命周期质量安全信息可追溯机制，研究制定数据采集、传输、存储、交换、应用、开放、保护等信息化管理标准，支撑TSG《特种设备信息化工作管理规则》修订。研究建立与承压设备相关的危化品数据库、应急预案数据库、应急专家数据库、承压设备典型事故案例数据库，开发相关数据库软件；设计包含数据仓库、风险评价预警系统、应急响应系统和风险展示系统的国家承压设备宏观安全风险防控与应急平台架构，并针对长管拖车、深冷罐车、小型氨制冷装置，结合二维码、安全状态参数组合传感器、移动终端、GIS等移动物联网技术，开展平台上的示范应用，实现全寿命期信息可追溯监管，宏观安全风险可视化展示、定位、预警与应急响应。

3.3 任务3：承压类特种设备应急处置技术研究

针对钢制球形储罐、卧式和立式储存容器等典型承压设备，研究火灾环境下盛装压缩气体和加压液化气体的承压设备燃烧场-热场-结构场-流场等多物理场耦合响应演化过程，分析火灾类型和位置、设备材料行为、内部介质类型、外界环境条件等多种因素对事故演化过程的影响规律；研究储存毒性介质的承压设备在偶发事故中的介质泄漏扩散模型、扩散规律和浓度分布，分析储存容器结构参数、泄漏位置和破口尺寸、外界环境条件等多种因素对事故演化过程的影响规律；开展典型承压特种设备事故过程的仿真再现和数值反演技术研究和软件开发；提出火灾环境和毒性介质泄漏情况下典型承压设备的应急处置技术。研究成果可为特种设备应急救援、事故减损、事故调查等提供重要技术支撑。

3.4 任务4：承压类特种设备安全监管技术体系及机制优化研究

基于特种设备宏观安全风险预警，研究完善特种设备风险监管体系及其运行机制，建立基于设备和制造单位风险的许可模式和市场准入方式，形成《承压类特种设备生产许可规则》建议稿，优化特种设备制造许可模式；基于典型压力容器使用单位风险动态评价，研究现场监察机制优化方法，提升现场检查的资源配置效率；针对典型压力容器检验，建立基于风险的监督检验和定期检验的模式优化方法，研究社会资本参与检验的方式，为典型压力容器检验模式优化提供依据。

4 预期成果

本课题将构建高参数承压设备全寿命周期风险防控技术方法体系，搭建基于大数据的承压设备宏观安全风险监管和事故应急平台，提升我国承压设备风险防控和应急技术的水平，为推进特种设备安全治理体系和治理能力现代化提供理论支撑和技术支持。本课题预期成果为制修订特种设备安全技术规范5项，申请发明专利2项，申请软件著作权5项，提出新方法5项，开发数据库5个,开展示范应用10项，发表学术论文30篇,出版专著3部,培养人才27名。

5 预期效益

预期通过对宏观安全风险防控概念、安全状态参数等基础理论的研究，科学合理地为承压类特种设备宏观安全风险防控的数据需求分析提供科学数据，构建承压类特种设备宏观安全风险防控大数据预警模型，为修订安全技术规范《特种设备信息化工作管理规则》提供技术支撑，提高风险监管数据报告的及时性、可靠性、完整性。建立高参数承压设备全寿命周期风险防控技术方法体系，搭建基于大数据的承压设备宏观安全风险监管和事故应急平台框架，全过程实时监测风险，即时预警，快速应急响应，避免或减少事故和衍生事故造成生产损失；及时发布风险警示和权威数据报告，提高监管部门公信度和社会公众安全感，促进行业健康发展，为政府和企业的风险治理提供有力的技术支撑；利用典型压力容器事故情景数字模拟案例，对承压设备从业人员（生产、使用、检验、维修、监督检查、应急救援）进行应急知识教育培训；提供承压设备产品全过程可追溯数据查询检索服务。建立基于宏观安全风险的承压设备市场准入方式和监督检验优化机制，提高政府监管的针对性和有效性，降低行政成本和企业负担。

6 总结

本课题是“十一五”、“十二五”特种设备安全监管理论的纵向深入和横向拓展，以承压设备为主要研究对象，将大数据的理念和技术引入特种设备安全监管研究，综合运用风险管理、战略管理、价值工程和公共管理等理论以及物联网、云计算、移动互联网等先进技术，提出特种设备宏观安全风险防控和安全监管机制完善的建议，构建基于大数据的承压设备风险监管及应急平台框架，探索“智慧监管”和“智能检验”的发展方向，为特种设备安全监管的健康发展提供解决方案，为特种设备安全监管的改革创新提供理论支撑。

[1] 宋明，邵珊珊，寿比南．高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究[J]．中国特种设备安全，2016，32(11)：5-9.

[2] 国务院．促进大数据发展行动纲要[N]．光明日报，2015-09-06.

[3] 张群．大数据标准化现状及标准研制[J]．信息技术与标准化，2015(7)：23-26．

[4] 质检总局．特种设备安全监管改革顶层设计方案 [EB/OL]. 2016-03-01.http://www.aqsiq.gov.cn/ xxgk_13386/ywxx/tzsb/201603/t20160301_462059.htm

[基金支持：本课题由国家重点研发计划“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究（2016YFC0801900）”项目资助]

Research on Macro Security Risk Prevention & Control and Emergency Technology of Pressure Special Equipment Based on Big Data

Lan Qi Wang Hui Liu Sanjiang
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

After more than 60 years of development and construction, China has explored a special equipment safety supervision road suitable for China's national conditions. However, with the continuous development of economy and society, some deep contradictions and problems of special equipment safety supervision have become increasingly prominent, and the people's growing security needs are not suited. In recent years, with the emergence of new technologies such as big data, new opportunities have brought for the reform and innovation of special equipment safety supervision, new conditions have created for the research of special equipment safety supervision theory, system and mechanism. This paper mainly introduces the background, general situation, goal, plan, route, innovation, content, achievement and benefit of “Research on Macro Security Risk Prevention & Control and Emergency Technology of Pressure Special Equipment Based on Big Data”.

Pressure equipment Big data Macro safety risk Safety state parameter Emergency technology

X924

B

1673-257X(2017)05-0001-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.001

蓝麒（1981～），男，博士，副主任，从事政策研究和法律事务工作。

刘三江，E-mail: liusanjiang@csei.org.cn。

2017-04-24）